CN113078938B - 一种vde-sat时隙映射动态配置方法 - Google Patents

一种vde-sat时隙映射动态配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种VDE‑SAT时隙映射动态配置方法，S1：将卫星通讯全球覆盖区域进行划分得到若干采集区域并获取原用户特征数据；S2：基于原用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个采集区域内的时隙映射动态配置先验参数；S3：待卫星绕地球旋转一周后，对若干采集区域再次进行采集得到各个区域内的当前用户特征数据；S4：基于当前用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个采集区域内的当前时隙映射动态配置参数；S5：基于时隙映射动态配置先验参数和当前时隙映射动态配置参数进行权重分配计算，得到周期数量p，作为最优信道映射配置。本发明能够有效提高VDE‑SAT通信系统中信道时隙的利用率，单位时间内有效增加用户的接入数量，提升系统的接入性能。

Description

一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法
技术领域
本发明属于卫星通讯领域，尤其涉及一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法。
背景技术
VDES(VHF Data Exchange System,甚高频数据交换系统)是针对水上移动业务领域中的船舶自动识别系统(AIS)加强和升级版系统，于国际电信联盟的2012年世界无线电通信(WRC-12)大会后提出，并2015年世界无线电通信大会(WRC-15)上，162个成员国及136个国际组织和团体共同审议确定的。VDES在集成了现有AIS功能的基础上，增加了特殊应用报文(ASM)和宽带甚高频数据交换(VDE)功能，VDE包括VDE-TER(VDE-Terrestrial，基于地面的VDE)和VDE-SAT(VDE-Satellite，基于卫星的VDE)两大系统。VDE-TER是负责近海区域船舶与岸基通信或船舶与船舶之间通信，VDE-SAT则是为了远海(岸基无法覆盖的区域)。目前，VDE-SAT最新版标准在IALA(International Association of LighthouseAuthorities,国际航标协会)G1139 2020版(以下简称G1139)有详细的说明。本发明是基于VDE-SAT应用提出的一种时隙映射动态配置方法。
VDE-SAT系统采用时分和频分的多址方式，接入的方式为同步ALOHA，即用户和卫星通信在时隙上保持对齐，时隙资源分配采用预约分配和随机接入。预约分配用于DC信道的寻址消息，随机接入用于资源请求、上行短消息和上行应答。下行信道包括广播信道(Bulletin Board Channel，BBCH)、公告信令信道(Announcement Signaling Channel，ASC)、数据信道(DC)，上行信道包括数据信道、数据信令信道(Data Signaling Channel，DSCH)和随机接入信道(Random Access CHannel，RACH)。业务种类有上下行寻址消息(上下行都在DC信道传输)和上下行短消息(下行在ASC，下行在RACH)。
根据G1139标准，VDE-SAT在广播信道发送的SBB信息，定义了一分钟内信道资源的划分，包括信道功能和信道长度的定义。一分钟共有2250个时隙，每个信道可定义不同的长度，但必须是15的整数倍，除了BBCH一分钟只发送一次，其它信道周期发送。对于单个DC信道，每个周期只分配一个用户，用户可根据链路情况选择不同的链路ID(Link ID)来传输数据。目前，G1139对于时隙映射配置方法未说明。时隙映射配置面临以下问题：
1)根据Link ID和DC信道的约束，DC信道容纳数据大小范围较大，不同业务接入时，存在时隙利用率低的情况，即分配DC信道时隙长度过长，实际传输使用较少；
2)卫星运动速度快，船舶分布不均匀，时隙映射变化周期1分钟，很难及时响应用户的接入。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法，以解决通讯时隙利用率低、难以及时响应用户接入的技术问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法，VDE-SAT的通信信道包括广播信道、公告信令信道、寻址消息传输信道、数据信令信道和随机接入信道，包括如下步骤：
S1：将卫星通讯全球覆盖区域进行划分得到若干采集区域，对若干采集区域依次进行采集得到各个区域内的原用户特征数据；
S2：基于原用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个采集区域内的时隙映射动态配置先验参数；
S3：待卫星绕地球旋转一周后，对若干采集区域再次进行采集得到各个区域内的当前用户特征数据；
S4：基于当前用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个采集区域内的当前时隙映射动态配置参数；
S5：基于时隙映射动态配置先验参数和当前时隙映射动态配置参数进行权重分配计算，得到周期数量p，作为最优信道映射配置，其中，周期数量p为单位时间内公告信令信道、寻址消息传输信道、数据信令信道和随机接入信道按序依次发送的周期数。
其中，时隙映射动态配置包括如下步骤：
A1：基于原用户特征数据或当前用户特征数据，分别得到相对应的最短时隙数量和最小时隙；
A2：基于原用户特征数据所对应的最短时隙数量和最小时隙，得到时隙映射动态配置先验参数；
基于当前用户特征数据所对应的最短时隙数量和最小时隙，得到当前时隙映射动态配置参数。
具体地，在步骤A1中，
得到最短时隙数量的公式为
Figure BDA0002989140290000031
得到最小时隙的公式为
Figure BDA0002989140290000032
ρ1，ρ2∈(0,1]；
其中，Si,i∈[1,2]为业务类型，S1为长数据低优先级业务，S2为短数据低优先级业务，Li为数据长度，Ri为平均通信速率，PL(Qi，Ri)为丢包率，Qi为通信质量，ρ1，ρ2分别为长数据低优先级业务S1和短数据低优先级业务S2对应的寻址消息传输信道的实际利用率。
具体地，在步骤A2中，
时隙映射动态配置先验参数公式为
Figure BDA0002989140290000033
当前时隙映射动态配置参数计算公式为
Figure BDA0002989140290000041
其中，N为单位时间内请求通信的用户数，NCp为一个周期内最多接入的用户数，
Figure BDA0002989140290000042
为用户接入效率，NSp为寻址消息传输信道的可用时隙数量，
Figure BDA0002989140290000043
为分配时隙利用率，ηp为寻址消息传输信道的利用率，1-ηp为时隙开销率。
具体地，一个周期内最多接入的用户数NCp的公式为
NCp＝p×dcp
寻址消息传输信道的可用时隙数量NSp的公式为
NSp＝NCp×dsp
寻址消息传输信道利用率的公式为
ηp＝NSp/2250
其中，dcp为周期数量p对应的寻址消息传输信道的数量,dsp为周期数量p对应的寻址消息传输信道的时隙数量。
具体地，在步骤S5中，得到周期数量p的公式为
Figure BDA0002989140290000044
其中，W1为原用户特征数据的预测时隙映射的权重，Ep为时隙映射动态配置先验参数，W2为当前用户特征数据的预测时隙映射的权重，
Figure BDA0002989140290000045
为当前时隙映射动态配置参数。
具体地，步骤S1中，将卫星通讯全球覆盖区域进行划分得到若干采集区域采用经纬度均匀划分或行政区域划分或国家领域划分。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明提供一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法，科学合理、易于实现，有效提高系统时隙的利用率、用户接入数量和系统吞吐量。本发明基于VDE-SAT系统架构，收集全球VDE-SAT用户特征数据，分析全球用户特征，包括用户分布、业务类型等信息。从特征数据分析结果中，指导VDE-SAT在不同区域对时隙映射的配置，并结合实时的当前用户数量、业务类型等用户特征信息进行综合考量，能够有效提高VDE-SAT通信系统中信道时隙的利用率，单位时间内有效增加用户的接入数量，提升系统的接入性能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的一种实施例的一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法流程示意图；
图2为本发明的一种实施例的覆盖区域划分示意图；
图3为本发明的一种实施例的VDE-SAT时隙映射确定示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。VDE-SAT的通信信道包括广播信道、公告信令信道、寻址消息传输信道、数据信令信道和随机接入信道，
参看图1，本实施例提供一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法，包括如下步骤：
S1：将卫星通讯全球覆盖区域进行划分得到若干采集区域，对若干采集区域依次进行采集得到各个区域内的原用户特征数据。
S2：基于原用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个采集区域内的时隙映射动态配置先验参数。
S3：待卫星绕地球旋转一周后，对若干采集区域再次进行采集得到各个区域内的当前用户特征数据。
S4：基于当前用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个采集区域内的当前时隙映射动态配置参数。
S5：基于时隙映射动态配置先验参数和当前时隙映射动态配置参数进行权重分配计算，得到周期数量p，作为最优信道映射配置，其中，周期数量p为公告信令信道、寻址消息传输信道、数据信令信道和随机接入信道按序依次发送的周期数。
现对本实施例进行说明，参看图1和2，在步骤S1中，首先需要对将卫星通讯全球覆盖区域进行划分得到若干采集区域，可采用经纬度均匀划分法、也可采用行政区域划分法，当然还能采用国家领域实现划分。
以经纬度均匀划分法为例，将经度等分成DJ份，维度等分成DW份，则经纬度差值为
Figure BDA0002989140290000061
假设DJ＝360，DW＝180，则ΔJ＝1°，ΔW＝1°，平均每个覆盖区域面积约为7867Km2,等效圆覆盖直径约为177Km。然后需对经纬度进行编号，经度编号dj∈[0，1，2…，DJ-1],维度编号dw∈[0，1，2…，DW-1]，对每个覆盖区域进行编号(Aj，w＝[dj，dw])，以便于存储和分析。其中，DJ和DW的取值不作限定，其取值与实际覆盖大小、系统计算复杂度以及要求精度有关。
划分结束后，卫星对划分得到的多个覆盖区域依次接收用户数据，同时采集用户特征数据，得到原用户特征数据，用户特征数据包括业务类型、覆盖区域、用户分布和通信质量等。用户特征数据指VDE-SAT或地面根据业务数据用户特征的概率分布，概率分布为各个覆盖区域收集到的用户通信行为特点，分析不同区域的不同业务类型的分布情况，进而推断不同区域不同业务类型、用户数量的概率分布。
其中，上述业务类型特指G1139中寻址业务，业务类型可按照数据长度和优先级来划分，主要包括短数据高优先级业务和长数据低优先级业务，对于短数据低优先级业务可积累数据，等达到发送要求时再发送，因此短数据低优先级业务可由长数据低优先级业务代替；对于长数据高优先级业务，可由多次通信或者划分多个寻址消息传输信道来实现。因此，VDE-SAT只需考虑长数据低优先级业务S1和短数据高优先级业务S2。
上述覆盖区域为覆盖区域的编号信号。
上述用户分布是指在单位时间内，各个覆盖区域内所对应的请求用户数N，N＝N1+N2，N1为发送长数据低优先级业务S1的用户数，N2为发送短数据高优先级业务S2的用户数，单位时间以1分钟为基准，但不限于1分钟。
上述通信质量是指各个覆盖区域内短数据高优先级业务S2的通信质量Q1和短数据高优先级业务S2的通信质量Q2，不同的通信质量影响Link ID的使用，进而影响通信速率。
参看图1，步骤S2具体为基于步骤S1中得到的原用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个采集区域内的时隙映射动态配置先验参数，由于各个覆盖区域之间计算方法是相同，仅用户特征数据是不同的，因此，后续计算说明都是针对一个覆盖区域进行说明。
由于VDE-SAT数据和信令信道共有5种，分别为广播信道(BBCH)、公告信令信道(ASC)、寻址消息传输信道(DC)、数据信令信道(DSCH)和随机接入信道(RACH)，一个通信周期即单位时间为1分钟，分为2250个时隙，其中BBCH信道占用90个时隙，只传输一次，其它信道按序周期发送。一个通信周期包含多个通信流程，一个通信流程为ASC到RACH，在此，将一个通信周期内的通信流程的数量定义为周期数量p。从协议上看，一个通信流程时指从用户请求(卫星寻呼)、信道资源分配、数据发送到卫星(用户)应答的过程。另外，信道映射包括以下约束：1)单个信道的长度不低于15个slot；2)每个通信流程中信道数量不多于11个；3)RACH信道的长度和DSCH信道(上行应答信道)受DC信号数量的约束。
星上需要预存储所有必要的信道映射配置，因为一个通信周期除去BBCH信道占用的时隙为2160(＝2250-90)个，2160＝15*2*3*4*6，所以可相应配置p∈[1，2，3，4，6，9]个通信流程(12及以上效率太低，本实施例不考虑)，通信流程越多，相应DC信道时隙越少，一个通信周期内接入的用户数越多，反之亦然。假设有p个通信流程，共有DC信道数量为dcp，平均每个DC信道时隙数量为dsp，则一个通信周期最多接入的用户数为NCp＝p×dcp，相应可用时隙数量为NSp＝NCp×dsp，有效DC信道利用率为ηp＝NSp/2250。因此，VDE-SAT可根据业务情况来选择预存储的信道映射配置。
进一步地，时隙映射动态配置包括步骤A1，基于原用户特征数据分别得到相对应的最短时隙数量和最小时隙。
得到最短时隙数量的公式为
Figure BDA0002989140290000081
得到最小时隙的公式为
Figure BDA0002989140290000082
ρ1，ρ2∈(0，1]；
其中，Li为数据长度，L1为长数据低优先级业务S1的数据长度，L2为短数据高优先级业务S2的数据长度，Ri为平均通信速率，R1为长数据低优先级业务S1的平均通信速率，R2为短数据高优先级业务S2的平均通信速率，PL(Qi，Ri)为丢包率，PL(Q1，R1)为长数据低优先级业务S1的丢包率，PL(Q2，R2)为短数据高优先级业务S2的丢包率，ρ1，ρ2分别为长数据低优先级S1和短数据低优先级S2对应的寻址消息传输信道的实际利用率，ρ1趋近于1，ρ1，ρ2的实际取值可根据业务统计得到。
步骤A2，基于上述最短时隙数量和最小时隙，得到时隙映射动态配置先验参数。具体地，时隙映射动态配置先验参数Ep1计算公式为
Figure BDA0002989140290000091
其中，
Figure BDA0002989140290000092
为用户接入效率，
Figure BDA0002989140290000093
为分配时隙利用率，1-ηp为时隙开销率。
参看图1，步骤S3具体为使卫星绕地球旋转一周后，卫星在旋转过程中不断接收用户数据，对相同覆盖区域再次进行采集得到各个区域所对应的当前用户特征数据。
参看图1，步骤S4进一步地，基于当前用户特征数据，得到相对应的最短时隙数量和最小时隙，其具体的计算过程、以及计算参数与步骤S2中相同，在此不作赘述；
进一步地，基于当前用户特征数据所对应的最短时隙数量和最小时隙，得到当前时隙映射动态配置参数，当前时隙映射动态配置参数Ep2计算公式为
Figure BDA0002989140290000094
其中，N为单位时间内请求通信的用户数，NCp为一个周期内最多接入的用户数，
Figure BDA0002989140290000095
为用户接入效率，NSp为寻址消息传输信道的可用时隙数量，
Figure BDA0002989140290000096
为分配时隙利用率，ηp为寻址消息传输信道的利用率，1-ηp为时隙开销率，上述参数的意义保持不变但具体数值为当前用户特征数据。
参看图1和图3，具体在步骤S5中，基于时隙映射动态配置先验参数和当前时隙映射动态配置参数进行权重分配计算，得到周期数量p，得到周期数量p的公式为
Figure BDA0002989140290000097
其中，W1为原用户特征数据的预测时隙映射的权重，Ep为时隙映射动态配置先验参数，W2为当前用户特征数据的预测时隙映射的权重，
Figure BDA0002989140290000098
为当前时隙映射动态配置参数。计算得到周期数量p后，每个p的值选对应一个预设的信道映射配置，进而实现时隙映射动态配置。另外，本实施例所说明的是卫星第一次接收和第二次接收的过程，可进行推导，当卫星每一次接收某一覆盖区域的用户特征数据都会与上次接收的同一覆盖区域的用户特征数据进行计算，以获得当前最佳的隙映射动态配置的方案。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种VDE-SAT时隙映射动态配置方法，其特征在于，VDE-SAT的通信信道包括广播信道、公告信令信道、寻址消息传输信道、数据信令信道和随机接入信道，包括如下步骤：
S1：将卫星通讯全球覆盖区域进行划分得到若干采集区域，对若干所述采集区域依次进行采集得到各个区域内的原用户特征数据；
S2：基于所述原用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个所述采集区域内的时隙映射动态配置先验参数；
S3：待卫星绕地球旋转一周后，对若干所述采集区域再次进行采集得到各个区域内的当前用户特征数据；
S4：基于所述当前用户特征数据进行时隙映射动态配置，得到各个所述采集区域内的当前时隙映射动态配置参数；
S5：基于所述时隙映射动态配置先验参数和所述当前时隙映射动态配置参数进行权重分配计算，得到周期数量p，作为最优信道映射配置，其中，所述周期数量p为单位时间内所述公告信令信道、所述寻址消息传输信道、所述数据信令信道和所述随机接入信道按序依次发送的周期数。
2.根据权利要求1所述的VDE-SAT时隙映射动态配置方法，其特征在于，在所述步骤S2和所述步骤S4中，所述时隙映射动态配置包括如下步骤：
A1：基于所述原用户特征数据或所述当前用户特征数据，分别得到相对应的最短时隙数量和最小时隙；
A2：基于所述原用户特征数据所对应的所述最短时隙数量和所述最小时隙，得到所述时隙映射动态配置先验参数；
基于所述当前用户特征数据所对应的所述最短时隙数量和所述最小时隙，得到所述当前时隙映射动态配置参数。
3.根据权利要求2所述的VDE-SAT时隙映射动态配置方法，其特征在于，在所述步骤A1中，
得到所述最短时隙数量的公式为
Figure FDA0003613689060000021
得到所述最小时隙的公式为
Figure FDA0003613689060000022
其中，Si,i∈[1,2]为业务类型，S1为长数据低优先级业务，S2为短数据低优先级业务，Li为数据长度，Ri为平均通信速率，PL(Qi，Ri)为丢包率，Qi为通信质量，ρ1，ρ2分别为所述长数据低优先级业务S1和所述短数据低优先级业务S2对应的所述寻址消息传输信道的实际利用率，N1为发送所述长数据低优先级业务S1的用户数，N2为发送所述短数据高优先级业务S2的用户数。
4.根据权利要求3所述的VDE-SAT时隙映射动态配置方法，其特征在于，在所述步骤A2中，
所述时隙映射动态配置先验参数公式为
Figure FDA0003613689060000023
所述当前时隙映射动态配置参数计算公式为
Figure FDA0003613689060000024
其中，N为单位时间内请求通信的用户数，NCp为一个周期内最多接入的用户数，
Figure FDA0003613689060000025
为用户接入效率，NSp为所述寻址消息传输信道的可用时隙数量，
Figure FDA0003613689060000026
为分配时隙利用率，ηp为所述寻址消息传输信道的利用率，1-ηp为时隙开销率。
5.根据权利要求4所述的VDE-SAT时隙映射动态配置方法，其特征在于，
所述一个周期内最多接入的用户数NCp的公式为
NCp＝p×dcp
所述寻址消息传输信道的可用时隙数量NSp的公式为
NSp＝NCp×dsp
所述寻址消息传输信道利用率的公式为
ηp＝NSp/2250
其中，dcp为所述周期数量p对应的所述寻址消息传输信道的数量,dsp为所述周期数量p对应的所述寻址消息传输信道的时隙数量。
6.根据权利要求4或5所述的VDE-SAT时隙映射动态配置方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述得到周期数量p的公式为
Figure FDA0003613689060000031
W1,W2∈(0,1),W1+W2＝1
其中，W1为所述原用户特征数据的预测时隙映射的权重，Ep为所述时隙映射动态配置先验参数，W2为所述当前用户特征数据的预测时隙映射的权重，
Figure FDA0003613689060000032
为所述当前时隙映射动态配置参数。
7.根据权利要求1所述的VDE-SAT时隙映射动态配置方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述将卫星通讯全球覆盖区域进行划分得到若干采集区域采用经纬度均匀划分或行政区域划分或国家领域划分。
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