CN114039854A - 一种基于pid算法的卫星动态带宽自适应调整方法 - Google Patents

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CN114039854A CN202111245137.XA CN202111245137A CN114039854A CN 114039854 A CN114039854 A CN 114039854A CN 202111245137 A CN202111245137 A CN 202111245137A CN 114039854 A CN114039854 A CN 114039854A
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高颂
王欣
倪沛
高洪佳
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Abstract

本发明提出一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，能够为用户分配所需的带宽，高效的避免带宽资源的浪费。包括：步骤一、建立数据内存池，使用定时器检测所述数据内存池的存储速率；步骤二、将所述内存池的存储速率作为定值r(t)与实际输出速率c(t)相减得到控制偏差e(t)，通过所述控制偏差e(t)采用PID算法调整带宽；步骤三、根据调整后的带宽计算内存池的输出速率，并将所述输出速率作为存储速率反馈至步骤二。

Description

一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法
技术领域
本发明属于高通量卫星通信技术领域，涉及一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法。
背景技术
近年来，卫星通信得到广泛的应用，在民用和军事领域都获得广泛的关注。在民用领域，当很多地面网络无法覆盖时，通过卫星向固定和移动用户提供多媒体宽带服务已经成为一种重要的技术选择。在军用领域，卫星通信也具有其他通信手段无可比拟的优势，是指挥、控制、通信和情报收集的重要工具。卫星通信具有如下几方面的优点：(1)覆盖广泛；(2)对移动用户的支持；(3)通信费用与通信距离无关；(4)形式多样的连接；(5)快速部署和简单的网络管理；(6)灵活的带宽使用。
然而，卫星通信也面临着一些地面网络没有的问题。卫星通信面临着严格的资源限制，如带宽有限、星上计算能力不足等。而卫星带宽资源的使用则是系统中重要的一环，随着新业务申请的增加，带宽资源的紧张和带宽资源的浪费也成为了问题，为了带宽分配，通告卫星通信网络的效率，基于宽带余量分析的卫星带宽自适应分配方法也得到业界广泛的关注。无线资源管理(Radio Resource Management，RRM)即在资源有限的约束条件下，通过合理调度和分配无线资源来为用户提供服务。随着卫星通信的应用日益广泛，以及全球范围内接入的用户数量和业务类型不断增多，系统需要满足各种不同的需求。不同的业务对带宽、时延的要求不同，并且有着不同的服务质量(Quality of Service，QoS)需求。因此，卫星通信系统需要解决的一个基本问题就是，如何将有限的资源分配给需求各异的业务，并满足其服务质量需求。而解决这个问题可以从高效的资源分配方案这个方面进行研究。例如，在信道方面，如果信道的误码等特性无法满足业务的服务质量需求，那么即使为其提供足够的带宽；在资源分配方面，需要根据各类型业务的特性，采用对其适合的分配方式，以高效利用有限资源的同时满足其服务质量需求。
由于卫星通信系统的资源严格受限，而业务种类不断增多，不同的业务有着不同的QoS要求，因此无线资源管理一直是卫星通信系统中一个热门的研究课题。卫星网络的资源管理RRM主要有以下方面：(1)带宽分配技术；(2)MAC接入控制技术；(3)数据包调度算法；
有效的卫星资源管理方案需要建立在对业务特性、链路特性等参数进行综合考虑的基础上。此外，由于星上处理能力的限制以及卫星承载的业务不断增多，太复杂的资源管理方法并不适合卫星通信系统。
目前已有较多文献对资源分配问题进行多角度的研究，例如：
文献--基于人工免疫的星座卫星通信系统资源调配算法，研究卫星的资源调配问题，当星座卫星通信的局部资源不足、局部系统资源发生故障或者需要保障特殊的通信任务时，需要进行资源调配，文中对基于资源和基于任务的调配进行建模，并运用人工免疫的自适应、自学习、自组织等特性，给出一种资源调配算法。
文献--宽带卫星通信系统资源管理策略研究，将在流量整形中广泛讨论的漏桶机制用于资源分配，并给出一种基于令牌桶机制的分配策略，其优点在于通过令牌转移再分配来提高资源利用率，此外还对用户优先级和业务类型进行区分，提升各类业务间的公平性的同时还可减少系统中业务的突发程度。
文献--新型的基于预测的卫星资源分配方法，给出一种应用于卫星系统的基于业务预测的带宽分配方法，将预测的等待队列长度发送给网络控制中心(Network ControlCenter，NCC)，以解决带宽分配阶段造成的长时延。采用这种方式的带宽分配，需要选择合适的预测信息发送间隔，此外，预测信息的传输也会带来一定的资源开销。
申请号为202110124214.X的专利(一种基于宽带余量分析的卫星带宽自适应分配方法)，涉及到了带宽动态分配，具体的步骤如下所示：
首先收集新业务申请的详细信息，判断新申请建链对象是否已经入网，通过则提交新业务申请。然后基于概率阈值检测新业务申请发生的波束覆盖范围是否有剩余带宽，满足则接受申请。接着若本波束覆盖范围没有可用带宽，则检测是否有潜在带宽可以提前释放。最后进一步判断本波束覆盖区域内剩余带宽是否满足需求，如满足可以自适应调整当前剩余带宽以提高整个多波束卫星通信网络系统的服务质量。但该专利仅仅只是提出动态分配的阈值，并没有说明通过什么样的方法去分配带宽，因此并不能说明他能够提高带宽的利用率。
举个例子，当前业务的数据流量是动态变化的10M到20M之间变化，所以我们需要实时的分配10M到20M带宽(理想状态是实时的数据流量和带宽一样大，这样才能使得带宽的利用率最大化)。如果当前的带宽为15M，但是流量已经是20M了，所以系统需要重新分配带宽为20M；由于数据流量实时变化，系统每次需要先计算当前的流量再分配带宽，但是系统并不能频繁的切换带宽(切换带宽需要时间)，这样导致带宽的分配在时间上有滞后性，可能分配20M带宽后，真实的数据流量只有16M了，这样会导致带宽资源的浪费；
可以看出，该专利仅仅根据剩余带宽来判断是否去分配，没有说明去怎么样分配，所以并没有解决动态分配带宽这个核心问题，怎么样去高效的分配剩余带宽。
发明内容
本发明提出一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，能够为用户分配所需的带宽，高效的避免带宽资源的浪费。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，其特征在于，包括：
步骤一、建立数据内存池，使用定时器检测所述数据内存池的存储速率；
步骤二、将所述内存池的存储速率作为定值r(t)与实际输出速率c(t)相减得到控制偏差e(t)，通过所述控制偏差e(t)采用PID算法调整带宽；
步骤三、根据调整后的带宽计算内存池的输出速率，并将所述输出速率作为存储速率反馈至步骤二。
附图说明
图1是本发明基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本具体实施方式的一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，具体包括：
步骤一、建立数据内存池，使用定时器检测所述数据内存池的存储速率；
步骤二、将所述内存池的存储速率(输入速率)作为定值r(t)与实际输出速率c(t)相减得到控制偏差e(t)，通过所述控制偏差e(t)调整带宽；
本实施例中，通过所述控制偏差e(t)调整带宽，具体包括：
2.1将所述定植r(t)、控制偏差e(t)、u(t)、输出速率c(t)在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，则e(t)＝r(t)－c(t)表示为：
e(n)＝r(n)－c(n)； (1)
2.2采用数学近似方式把积分采用求和的方式代替，其中de(t)用e(n)-e(n-1)近似代替，积分用求和近似代替，即作如下近似：
Figure BDA0003320685400000051
Figure BDA0003320685400000052
式(1)离散化为以下差分方程，其中u0是偏差为零时的初值
Figure BDA0003320685400000053
第一项起比例控制作用,称为比例(P)项uP(n),即
up(n)＝KPe(n)
第二项起积分控制作用,称为积分(I)项uI(n)即
Figure BDA0003320685400000054
第三项起微分控制作用,称为微分(D)项uD(n)即
Figure BDA0003320685400000055
2.3根据式(2)得到u(n-1)的表达式，即
Figure BDA0003320685400000061
2.4将式(2)和式(3)相减，得到数字PID增量型控制算式为
Δu(n)＝u(n)-u(n-1)
＝KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] (4)
最后通过调节式(4)中的KP、KD、KI，进而调节输出Δu(n)，即调整带宽，其中KP为比例增益系数，KI为积分时间常数，KD为微分时间常数。
步骤三、根据调整后的带宽计算内存池的输出速率，并将所述输出速率反馈至步骤二。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，其特征在于，包括：
步骤一、建立数据内存池，使用定时器检测所述数据内存池的存储速率；
步骤二、将所述内存池的存储速率作为定值r(t)与实际输出速率c(t)相减得到控制偏差e(t)，通过所述控制偏差e(t)采用PID算法调整带宽；
步骤三、根据调整后的带宽计算内存池的输出速率，并将所述输出速率作为存储速率反馈至步骤二。
2.如权利要求1所述的一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，其特征在于，所述采用PID算法调整带宽，具体包括：
2.1将所述定植r(t)、控制偏差e(t)、u(t)、输出速率c(t)在第n次采样的数据分别用r(n)、e(n)、u(n)、c(n)表示，则e(t)＝r(t)－c(t)表示为：
e(n)＝r(n)－c(n)； (1)
2.2采用数学近似方式把积分采用求和的方式代替，其中de(t)用e(n)-e(n-1)近似代替，积分用求和近似代替，即作如下近似：
Figure FDA0003320685390000011
Figure FDA0003320685390000012
式(1)离散化为以下差分方程，其中u0是偏差为零时的初值
Figure FDA0003320685390000013
2.3根据式(2)得到u(n-1)的表达式，即
Figure FDA0003320685390000014
2.4将式(2)和式(3)相减，得到数字PID增量型控制算式为Δu(n)＝u(n)-u(n-1)
＝KP[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)] (4)
最后通过调节式(4)中的KP、KD、KI，进而调节输出Δu(n)，即调整带宽，其中KP为比例增益系数，KI为积分时间常数，KD为微分时间常数。
3.如权利要求2所述的一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，其特征在于，所述公式(2)中第一项起比例控制作用，称为比例(P)项uP(n),即
up(n)＝KPe(n)。
4.如权利要求2或3所述的一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，其特征在于，所述公式(2)中第二项起积分控制作用，称为积分(I)项uI(n)即
Figure FDA0003320685390000021
5.如权利要求2或3所述的一种基于PID算法的卫星动态带宽自适应调整方法，其特征在于，所述公式(2)中第三项起微分控制作用，称为微分(D)项uD(n)即
Figure FDA0003320685390000022
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