CN114337739A - 跳波束资源调度方法及系统 - Google Patents

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CN114337739A CN202210244002.XA CN202210244002A CN114337739A CN 114337739 A CN114337739 A CN 114337739A CN 202210244002 A CN202210244002 A CN 202210244002A CN 114337739 A CN114337739 A CN 114337739A
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Abstract

本发明提供了一种跳波束资源调度方法及系统。方法步骤如下：定义跳波束图案；确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵；计算波位内终端的加权业务量；定义系统的数据传输矩阵；将跳波束资源调度转化成最优化问题；基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。本方法适用于采用跳波束方式工作的卫星通信系统，系统根据方法生成的跳波束图案动态调整波束所覆盖的波位，满足系统内卫星通信终端的业务数据传输需求。算法使用终端业务输入队列的长度作为业务量的指标，终端无需确定统计业务速率的时间间隔，能够快速、有效地更新跳波束图案，避免统计业务速率引起的统计准确性和跳波束图案更新频率间的矛盾。

Description

跳波束资源调度方法及系统
技术领域
本发明涉及G06F：电数字数据处理领域，尤其涉及一种跳波束资源调度方法及系统。
背景技术
在现代卫星通信系统中，多波束的应用越来越广泛，相比于传统的大波束系统，多波束系统能够提供更大的通信带宽，而对于一些采用跳波束的多波束系统，卫星波束可以在卫星视场内的多个波位间快速切换，还能够提供更加灵活的通信服务。跳波束在带来系统灵活性的同时，也增加了管理控制的复杂性，其核心问题在于如何调度卫星波束资源，使其满足系统的业务数据传输需求。
现有的跳波束资源调度方法分为两类：一类是静态分配，系统在运行过程中使用固定不变的跳波束图案。这种方法的优点是实现简单、适合业务量分布变动小的卫星通信系统，但其无法适用于业务量分布可能有较大变化的系统；第二类是动态分配，系统在运行过程中不断调整跳波束图案，适应各波位业务量的动态变化。由于大部分卫星通信系统业务量的分布都可能出现较大的变化，所以，这类方法相比于静态分配具有更好的适应性，实现思路是先统计系统内各波位的业务量，然后再根据业务量进行动态的波束调整。此类方法通常存在两个方面的问题：1）需要在终端侧计算一定时间间隔内的业务传输速率，一方面占用了终端的计算资源，另一方面统计时间间隔也难以确定，间隔过小会导致业务传输速率计算不准确，间隔过大又无法及时更新跳波束图案；2）未考虑终端优先级等其他因素，卫星资源需求实际上不仅仅同业务量相关，还跟终端的重要性相关，虽然有些终端的业务量不大，但可能是需要重点保障的终端，需要分配更多的时隙，这种情况在一些应急通信的场景十分常见。
发明内容
发明目的：提出一种基于终端业务加权值和业务队列长度的跳波束资源调度方法，并进一步提出一种用于实现上述方法的系统，以解决现有技术存在的上述问题。
第一方面，提出一种跳波束资源调度方法，该方法步骤如下：
1）定义跳波束图案。
2）确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵。
3）计算波位内终端的加权业务量。
4）定义系统的数据传输矩阵。
5）将跳波束资源调度转化成最优化问题。
6）基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。
在第一方面的一些可实现方式中，1）定义跳波束图案的过程如下：
跳波束卫星通信系统采用MF-TDMA体制，假设系统帧长为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，即每一帧包含
Figure 481550DEST_PATH_IMAGE002
个时隙，当卫星终端有业务数据需要传输时，网控系统为其分配一个或多个时隙，卫星终端在相应时隙处发送数据。卫星配置的跳波束能够在卫星视场内的多个固定波位间快速切换，为卫星覆盖区域内的终端提供分时服务，假设波位数量为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，跳波束在一个TDMA帧长内、在
Figure 546938DEST_PATH_IMAGE004
个波位间的切换序列称为跳波束图案。
跳波束图案可以使用矩阵
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
表示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 264227DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 955103DEST_PATH_IMAGE002
分别表示时隙和波位数量,
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
表示系统具有的跳波束数量，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
表示在时隙
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，波位
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
是否被跳波束覆盖，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
表示未覆盖，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
表示被覆盖。
在第一方面的一些可实现方式中，2）确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵的过程如下：
卫星终端分布于各个波位中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
表示在波位
Figure 806777DEST_PATH_IMAGE016
处的第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
个终端，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
表示波位
Figure 569197DEST_PATH_IMAGE016
中的终端数量。用
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
表示
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
的业务量，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
表示在波位
Figure 767091DEST_PATH_IMAGE016
中每个卫星终端的业务量：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
MF-TDMA系统允许不同终端同时在多个频点发送数据，如果系统频点个数为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
，那么在波位
Figure 878136DEST_PATH_IMAGE016
中最多能够同时工作的终端数目为
Figure 184483DEST_PATH_IMAGE036
。为每个卫星终端
Figure 281752DEST_PATH_IMAGE030
分配一个优先级
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 412781DEST_PATH_IMAGE038
越大
Figure 570093DEST_PATH_IMAGE030
的发送优先级越高，
Figure 613005DEST_PATH_IMAGE038
为
Figure 513964DEST_PATH_IMAGE018
表示不允许终端
Figure 811085DEST_PATH_IMAGE030
发送数据。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
在第一方面的一些可实现方式中，3）计算波位内终端的加权业务量的过程如下：
由于系统频点数量的限制，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
中最多只能有
Figure 765396DEST_PATH_IMAGE036
个元素不为零。计算在波位
Figure 295604DEST_PATH_IMAGE016
中所有卫星终端的业务量加权之和：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
矩阵
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
是系统内每个波位内终端的加权业务量之和：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
在第一方面的一些可实现方式中，4）定义系统的数据传输矩阵的过程如下：
跳波束图案决定了每个时隙哪一个波位能够发送数据，因此，将矩阵
Figure 954249DEST_PATH_IMAGE006
与
Figure 496089DEST_PATH_IMAGE046
的转置矩阵相乘，得到系统的传输矩阵：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
可见，矩阵
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
表示了系统在各个时隙发送数据的卫星终端对应的加权业务量之和。
在第一方面的一些可实现方式中，5）将跳波束资源调度转化成最优化问题的过程如下：
系统可以抽象成一个“生产者-消费者”模型，系统内所有用户产生业务数据传输需求，系统通过为卫星终端分配时隙和波束传输用户产生的业务数据，为提高系统整体的传输效率，需优先选择加权业务量高的卫星终端进行数据传输。因此，如何进行时隙和波位分配是一个最优化问题，在一个TDMA帧周期内，如何使矩阵
Figure 762248DEST_PATH_IMAGE052
的逐项和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
最大：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
由
Figure 128552DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 636894DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 908606DEST_PATH_IMAGE006
共同决定，
Figure 578622DEST_PATH_IMAGE032
由用户产生，
Figure 817842DEST_PATH_IMAGE042
根据用户或任务的重要性进行设置，在
Figure 598716DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 256094DEST_PATH_IMAGE042
确定的前提下，可以得出使得
Figure 831432DEST_PATH_IMAGE054
最大的
Figure 324992DEST_PATH_IMAGE006
，即系统的跳波束图案。
在第一方面的一些可实现方式中，6）基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案的过程如下：
只要确定了
Figure 784923DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 155862DEST_PATH_IMAGE042
，通过选择波束内加权业务量最大的终端，以及系统内加权业务量最大的波位，便可以确定波位和时隙的分配，输出系统的跳波束图案
Figure 557893DEST_PATH_IMAGE006
。传输优先级
Figure 381493DEST_PATH_IMAGE042
由管理员根据终端的重要性进行设置。当不需要考虑卫星终端发送优先级时，
Figure 645115DEST_PATH_IMAGE042
退化成只包含
Figure 870560DEST_PATH_IMAGE036
个
Figure 679378DEST_PATH_IMAGE020
，其余元素为
Figure 255853DEST_PATH_IMAGE018
的一维矩阵。此时系统仅根据卫星终端的业务量进行波束调度。用户业务量
Figure 57587DEST_PATH_IMAGE032
的取值为卫星终端的业务输入队列长度。
第二方面，提出一种跳波束资源调度系统，该系统包括跳波束图案定义模块、矩阵生成模块、业务量计算模块、优化模块、输出模块五部分。
跳波束图案定义模块基于MF-TDMA体制定义跳波束图案；矩阵生成模块用于确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵、数据传输矩阵；业务量计算模块用于计算波位内终端的加权业务量；优化模块用于将跳波束资源调度转化成最优化问题；输出模块基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。
第三方面，提出一种跳波束资源调度设备，该设备包括至少一个处理器和存储器；存储器存储计算机执行指令；至少一个处理器执行存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行如第一方面所述的跳波束资源调度方法。
第四方面，提出一种可读存储介质，该可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行计算机执行指令时，实现如第一方面所述的跳波束资源调度方法。
有益效果：本发明提供的跳波束资源调度方法及系统，基于终端业务加权值和业务队列长度来实现，适用于采用跳波束方式工作的卫星通信系统，系统根据方法生成的跳波束图案动态调整波束所覆盖的波位，满足系统内卫星通信终端的业务数据传输需求。算法使用终端业务输入队列的长度作为业务量的指标，终端无需确定统计业务速率的时间间隔，也不用进行任何计算，能够快速、有效地更新跳波束图案，避免统计业务速率引起的统计准确性和跳波束图案更新频率间的矛盾。
附图说明
图1 为本发明的整体工作流程图。
图2为本发明跳波束图案示意图。
图3为本发明方法和随机跳波束资源调度方法的对比示意图。
图4为是否考虑终端优先级的情况下的对比示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
申请人认为，现有跳波束资源调度方法中存在两个问题：一是业务量统计的实现方式占用终端计算资源并且难以确定合理的统计时间间隔；二是仅以业务量作为优化指标，未考虑终端优先级等其他方面的因素。
为此，本发明提出一种跳波束资源调度方法，并进一步提出一种用于实现上述方法的系统，适用于采用跳波束方式工作的卫星通信系统，系统根据方法生成的跳波束图案动态调整波束所覆盖的波位，满足系统内卫星通信终端的业务数据传输需求。
实施例一：
本实施例提出一种跳波束资源调度方法，该方法步骤见图1，如下：
1）定义跳波束图案
跳波束卫星通信系统采用MF-TDMA体制，假设系统帧长为
Figure 527751DEST_PATH_IMAGE002
，即每一帧包含
Figure 146952DEST_PATH_IMAGE002
个时隙，当卫星终端有业务数据需要传输时，网控系统为其分配一个或多个时隙，卫星终端在相应时隙处发送数据。卫星配置的跳波束能够在卫星视场内的多个固定波位间快速切换，为卫星覆盖区域内的终端提供分时服务，假设波位数量为
Figure 820509DEST_PATH_IMAGE004
，跳波束在一个TDMA帧长内、在
Figure 550568DEST_PATH_IMAGE004
个波位间的切换序列称为跳波束图案，如图2所示。
跳波束图案可以使用矩阵
Figure 111125DEST_PATH_IMAGE006
表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
其中，
Figure 494702DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 780189DEST_PATH_IMAGE002
分别表示时隙和波位数量,
Figure 923726DEST_PATH_IMAGE010
表示系统具有的跳波束数量，
Figure 978270DEST_PATH_IMAGE012
表示在时隙
Figure 830950DEST_PATH_IMAGE014
，波位
Figure 338155DEST_PATH_IMAGE016
是否被跳波束覆盖，
Figure 285382DEST_PATH_IMAGE018
表示未覆盖，
Figure 460012DEST_PATH_IMAGE020
表示被覆盖。
2）确定波位业务量矩阵
卫星终端分布于各个波位中，
Figure 450970DEST_PATH_IMAGE022
表示在波位
Figure 851996DEST_PATH_IMAGE016
处的第
Figure 461969DEST_PATH_IMAGE024
个终端，
Figure 117203DEST_PATH_IMAGE026
表示波位
Figure 154429DEST_PATH_IMAGE016
中的终端数量。用
Figure 777172DEST_PATH_IMAGE028
表示
Figure 190835DEST_PATH_IMAGE030
的业务量，则
Figure 464691DEST_PATH_IMAGE032
表示在波位
Figure 938398DEST_PATH_IMAGE016
中每个卫星终端的业务量：
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
3）确定系统优先级矩阵
MF-TDMA系统允许不同终端同时在多个频点发送数据，如果系统频点个数为
Figure 736852DEST_PATH_IMAGE036
，那么在波位
Figure 563993DEST_PATH_IMAGE016
中最多能够同时工作的终端数目为
Figure 567721DEST_PATH_IMAGE036
。为每个卫星终端
Figure 71384DEST_PATH_IMAGE030
分配一个优先级
Figure 527773DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 424185DEST_PATH_IMAGE038
越大
Figure 282419DEST_PATH_IMAGE030
的发送优先级越高，
Figure 724027DEST_PATH_IMAGE038
为
Figure 667713DEST_PATH_IMAGE018
表示不允许终端
Figure 836657DEST_PATH_IMAGE030
发送数据。
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
4）计算波位内终端的加权业务量
由于系统频点数量的限制，
Figure 877294DEST_PATH_IMAGE042
中最多只能有
Figure 863705DEST_PATH_IMAGE036
个元素不为零。计算在波位
Figure 198083DEST_PATH_IMAGE016
中所有卫星终端的业务量加权之和：
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
矩阵
Figure 623248DEST_PATH_IMAGE046
是系统内每个波位内终端的加权业务量之和：
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
5）定义系统的数据传输矩阵
跳波束图案决定了每个时隙哪一个波位能够发送数据，因此，将矩阵
Figure 393758DEST_PATH_IMAGE006
与
Figure 177168DEST_PATH_IMAGE046
的转置矩阵相乘，得到系统的传输矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
可见，矩阵
Figure 688921DEST_PATH_IMAGE052
表示了系统在各个时隙发送数据的卫星终端对应的加权业务量之和。
6）将跳波束资源调度转化成最优化问题
系统可以抽象成一个“生产者-消费者”模型，系统内所有用户产生业务数据传输需求，系统通过为卫星终端分配时隙和波束传输用户产生的业务数据，为提高系统整体的传输效率，需优先选择加权业务量高的卫星终端进行数据传输。因此，如何进行时隙和波位分配是一个最优化问题，在一个TDMA帧周期内，如何使矩阵
Figure 324301DEST_PATH_IMAGE052
的逐项和
Figure 887001DEST_PATH_IMAGE054
最大：
Figure DEST_PATH_IMAGE056A
由
Figure 44575DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 184569DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 279433DEST_PATH_IMAGE006
共同决定，
Figure 821273DEST_PATH_IMAGE032
由用户产生，
Figure 195754DEST_PATH_IMAGE042
根据用户或任务的重要性进行设置，在
Figure 823044DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 691905DEST_PATH_IMAGE042
确定的前提下，可以得出使得
Figure 229197DEST_PATH_IMAGE054
最大的
Figure 899213DEST_PATH_IMAGE006
，即系统的跳波束图案。
7）基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案
如上所述，只要确定了
Figure 138433DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 138881DEST_PATH_IMAGE042
，通过选择波束内加权业务量最大的终端，以及系统内加权业务量最大的波位，便可以确定波位和时隙的分配，输出系统的跳波束图案
Figure 655313DEST_PATH_IMAGE006
。传输优先级
Figure 371596DEST_PATH_IMAGE042
由管理员根据终端的重要性进行设置。当不需要考虑卫星终端发送优先级时，
Figure 973479DEST_PATH_IMAGE042
退化成只包含
Figure 184143DEST_PATH_IMAGE036
个
Figure 555081DEST_PATH_IMAGE020
，其余元素为
Figure 442266DEST_PATH_IMAGE018
的一维矩阵。此时系统仅根据卫星终端的业务量进行波束调度。用户业务量
Figure 531445DEST_PATH_IMAGE032
的取值为卫星终端的业务输入队列长度。跳波束图案生成算法如下：
n = TDMA帧的时隙数
m = 系统波位数
r = 系统频点数
g = 系统跳波束个数
s = 系统一个时隙传输的数据量
Figure 44334DEST_PATH_IMAGE026
= 波位j中终端数量
A：存储优先级的二维数组
B：存储业务量的二维数组
C：存储各波位内终端加权业务量之和的一维数组
X：存储各波位内各终端的加权业务量的二维数组
E：存储r个加权业务量最大的波位的一维数组
P：存储跳波束图案的二维数组
for i = 1 to n
{
for j = 1 to m
{
P[ i ][ j ] = 0
for k = 1 to
Figure 269779DEST_PATH_IMAGE026
{
X[ j ][ k ] = A[ j ][ k ] * B[ j ][ k ]
}
取X[ j ]中数值最大的
Figure 593444DEST_PATH_IMAGE036
个元素的下标，存入数组E
for k = 1 to
Figure 796018DEST_PATH_IMAGE026
{
if k not in E then
{
X[ j ][ k ] = 0
}
}
C[j] = 0
for k = 1 to
Figure 722386DEST_PATH_IMAGE026
{
C[ j ] = C[ j ] + X[ j ][ k ]
}
}
取C中数值最大的
Figure 677703DEST_PATH_IMAGE010
个元素的下标，存入数组G
for k = 1 to g
{
C[ G[ k ] ] = C[ G[ k ] ] – s // s是一个时隙传输的数据量
P[i][ G[ k ] ] = 1
}
}
输出P
从上述对算法的描述可以看出，通过设置优先级矩阵
Figure 296903DEST_PATH_IMAGE042
，算法能够综合终端业务量和优先级的影响，使得跳波束图案能够更好地满足实际系统的需求。当需要增加其他相关因素时，算法本身也无需做任何改变，只需调整优先级矩阵
Figure 485308DEST_PATH_IMAGE042
即可。算法使用终端业务输入队列的长度作为业务量的指标，终端无需确定统计业务速率的时间间隔，也不用进行任何计算，能够快速、有效地更新跳波束图案，避免统计业务速率引起的统计准确性和跳波束图案更新频率间的矛盾。
通过模拟实验对本发明方法进行验证，假设系统有20个波位，2个频点，3个跳波束，3个优先保障终端，随机产生系统的初始业务量，随机产生每个波位内的终端，执行算法，记录业务量的传输情况，实验结果如图3和图4所示。
图3比较了使用本发明方法和随机跳波束资源调度方法，给定相同的起始系统总业务量，采用本发明方法时，系统总业务量下降的速度远远快于随机地调度跳波束，说明本发明方法具有更高的业务传输率。
图4比较了是否考虑终端优先级的情况，本发明方法根据优先级进行加权，能够大大加快优先保障终端的业务传输率。
从实验结果可以看出，本发明的跳波束资源调度方法能够有效地提高系统的传输效率，同时，该方法支持设置终端优先级，保证高优先级终端的业务得到优先传输，能够很好地满足真实系统的实际应用需求。
实施例二：
实施例二在实施例一的基础之上，提出具体的跳波束资源调度流程。
（1）跳波束卫星通信系统具有TDMA时隙数、波位数、频点数等多个基本参数，分别使用变量进行存储；同时，定义一维和二维数组存储相应的优先级、队列长度等信息。具体的变量和数组定义如下：
n = TDMA帧的时隙数，m = 系统所具有的波位数记为，r = 系统的频点数，g = 系统跳波束的个数，s = 系统一个时隙传输的数据量，hj = 波位j中终端数量，A为存储优先级的二维数组，B为存储终端业务队列长度的二维数组，C为存储每个波位内终端加权业务量之和的一维数组，P为存储跳波束图案的二维数组。
（2）i = 1；计数器i用来遍历TDMA帧的所有时隙。
（3）如果i ≤ n，那么j = 1，否则转到（30）；计数器j用来遍历系统的所有波位。
（4）如果j ≤ m，那么P[ i ][ j ] = 0，否则转到（21）；先将时隙i时波位j置为不分配资源。
（5）k = 1；计数器k用于遍历波位j中所有的终端。
（6）如果k ≤ hj，那么X[ j ][ k ] = A[ j ][ k ]*B[ j ][ k ]，否则转到（9）；计算波位j中终端业务量的加权值，并且进行累加。
（7）k = k + 1；访问下一个终端。
（8）转到（6）。
（9）取X[ j ]中数值最大的r个元素的下标，存入数组E；数组X中存放了时隙i时波位j中所有终端的业务量加权值，但一个波位同时能够使用的频点只有r个，因此只取其中业务量加权值最大的r个终端。
（10）k = 1；计数器k用于遍历波位j中所有的终端。
（11）如果k > hj，那么转到（15）；
（12）如果k不在数组E中，那么X[ j ][ k ] = 0；因为一个波束在一个时隙仅能同时服务r个终端，所以只计算业务量加权值最高的r个终端，不考虑其他终端。
（13）k = k + 1；访问下一个终端。
（14）转到（11）。
（15）k = 1；计数器k用于遍历波位j中所有的终端。
（16）如果k ≤ hj，那么C[ j ] = C[ j ] + X[ j ][ k ]，否则转到（19）；对波位j中终端的业务量加权值进行累加。
（17）k = k + 1；访问下一个终端。
（18）转到（16）。
（19）j = j + 1；访问下一个波位。
（20）转到（4）；
（21）取C中数值最大的g个元素的下标，存入数组G；由于系统具有g个跳波束可以同时使用，因此选取业务量加权值最大的g个波位提供服务。
（22）k = 1；计数器k用于遍历所有跳波束。
（23）如果k > g，那么转到（28）。
（24）C[ G[ k ] ] = C[ G[ k ] ] – s；由于为波位分配了跳波束资源，实现了终端业务数据传输，所以要将该波位的现存业务量减去传输的业务量。
（25）P[i][ G[ k ] ] = 1；二维数组P存储跳波束图案，将相应元素置位表示在时隙i为波位G[k]分配跳波束资源。
（26）k = k + 1；访问下一个跳波束。
（27）转到（23）。
（28）i = i + 1；访问下一个时隙。
（29）转到（3）；
（30）输出P。此时，二维数组记录了一个TDMA帧完整的跳波束图案，系统根据该图案进行跳波束资源的调度。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.跳波束资源调度方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、定义跳波束图案；
步骤2、确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵；
步骤3、计算波位内终端的加权业务量；
步骤4、定义系统的数据传输矩阵；
步骤5、将跳波束资源调度转化成最优化问题；
步骤6、基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。
2.根据权利要求1所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，跳波束卫星通信系统采用MF-TDMA体制，在MF-TDMA体制下，定义跳波束图案的过程进一步包括：
定义系统帧长为n，即每一帧包含n个时隙；定义波位数量为m，跳波束在一个TDMA帧长内、在m个波位间的切换序列为跳波束图案，所述跳波束图案使用矩阵P表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示系统具有的跳波束数量，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示在时隙
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，波位
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是否被跳波束覆盖，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示未覆盖，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示被覆盖。
3.根据权利要求1所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，步骤2中确定得到的所述波位业务量矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示波位
Figure 683407DEST_PATH_IMAGE010
中的终端数量；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示在波位
Figure 554542DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure DEST_PATH_IMAGE024
个终端的业务量，m表示波位数量；
确定得到的所述系统优先级矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE026
表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
表示在波位
Figure 85012DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 886746DEST_PATH_IMAGE024
个终端的优先级，
Figure 232276DEST_PATH_IMAGE030
越大，则在波位
Figure 976110DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 774302DEST_PATH_IMAGE024
个终端的发送优先级越高，
Figure 645306DEST_PATH_IMAGE030
为
Figure 471442DEST_PATH_IMAGE012
表示不允许在波位
Figure 995964DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 156818DEST_PATH_IMAGE024
个终端发送数据，m表示波位数量。
4.根据权利要求2所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，步骤3进一步包括：
步骤3-1、计算在波位
Figure 690568DEST_PATH_IMAGE010
中所有卫星终端的业务量加权
Figure DEST_PATH_IMAGE032
：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
式中，
Figure 749704DEST_PATH_IMAGE030
表示在波位
Figure 586073DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 624436DEST_PATH_IMAGE024
个终端的优先级，
Figure 555352DEST_PATH_IMAGE022
表示在波位
Figure 729982DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 471673DEST_PATH_IMAGE024
个终端的业务量，
Figure 623431DEST_PATH_IMAGE020
表示波位
Figure 233403DEST_PATH_IMAGE010
中的终端数量；
步骤3-2、矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE036
是系统内每个波位内终端的加权业务量之和：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
表示第m个波位的业务量加权。
5.根据权利要求4所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，步骤4中数据传输矩阵表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
式中，P表示跳波束图案使用矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
表示系统内每个波位内终端的加权业务量之和的转置矩阵相乘，D表示数据传输矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示第n个时隙发送数据的卫星终端对应加权业务量。
6.根据权利要求1所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，步骤5进一步包括：
步骤5-1、将跳波束卫星通信系统构建为“生产者-消费者模型”；
系统内所有用户产生业务数据传输需求，构成消费者；
系统通过为卫星终端分配时隙和波束传输用户产生的业务数据，构成生产者；
步骤5-2、选择加权业务量高于预定值的卫星终端进行数据传输；在一个TDMA帧周期内，使矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE048
的逐项和
Figure DEST_PATH_IMAGE050
最大，构成一个时隙和波位分配的最优化问题：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
式中，
Figure 826321DEST_PATH_IMAGE050
由
Figure 129126DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 486290DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE054
共同决定，
Figure 322790DEST_PATH_IMAGE016
由用户产生，
Figure 206432DEST_PATH_IMAGE026
根据用户或任务的重要性进行设置，在
Figure 555505DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 914811DEST_PATH_IMAGE026
确定的前提下，得出使得
Figure 866586DEST_PATH_IMAGE050
最大的
Figure 745681DEST_PATH_IMAGE054
，即系统的跳波束图案。
7.根据权利要求1所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，步骤6进一步包括：
选择波束内加权业务量最大的终端，以及系统内加权业务量最大的波位，确定波位和时隙的分配，输出系统的跳波束图案
Figure 390289DEST_PATH_IMAGE054
。
8.跳波束资源调度系统，其特征在于，所述系统包括：
跳波束图案定义模块，基于MF-TDMA体制定义跳波束图案；
矩阵生成模块，用于确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵、数据传输矩阵；
业务量计算模块，用于计算波位内终端的加权业务量；
优化模块，用于将跳波束资源调度转化成最优化问题；
输出模块，基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。
9.跳波束资源调度设备，其特征在于，包括：至少一个处理器和存储器；
所述存储器存储计算机执行指令；
至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行如权利要求1至7任一项所述的跳波束资源调度方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如权利要求1至7任一项所述的跳波束资源调度方法。
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