CN114826379A - 一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法，方法首先在基站本地存储空间中得到用户需求表，基于用户的位置信息对用户进行分组并计算出每个分组的天线指向信息，并依据某种分配策略对每个用户的需求进行相关波束资源的动态分配，并基于不同的应用场景设计了三种不同的资源分配策略满足不同的需求。本发明方法在星上对用户申请的时隙资源进行动态管理，并根据用户的实时位置动态调度天线跳波束指向，较传统固定资源分配方法更加有效地利用了时隙及波束资源，同时方法的资源动态分配过程无需地面网关参与资源调度，节省了不必要的星地传输时延，有效提高了卫星通信系统的实时性。

Description

一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法

技术领域

本发明涉及一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法，属于无线通信网络技术领域。

背景技术

在传统卫星系统中，由于星上载荷转发器的设计较为简单，星上平台只具备放大和转发的功能，卫星作为中继完成信息转发工作时，对于星上资源的调配由地面的控制中心完成，这种方式造成了用户需求申请到响应整个环路需要经过多次星地信息传输，较大的星地传输往返时延降低了系统的实时性。

同时，上述方式下资源多以均匀固定的方式进行分配，业务需求量小的区域会因为分配资源过多造成资源的浪费，而业务需求量大的区域会因为分配资源不足导致无法满足业务需求，而在空间信息网络中，由于业务类型的多样性、业务分布的空间不均匀性和时变性，地面用户的业务分布是不均匀的，均匀固定的资源分配方式不能灵活的应对波束间业务需求非均匀分布的场景。且由于低轨卫星的运动速度较快，其波束的覆盖区域具有时变性，如需服务同一个区域，需要动态的调度波束资源调整波束指向。

发明内容

发明要解决的技术问题

针对传统卫星通信系统固定跳波束资源分配方式易产生造成资源浪费，且通过地面控制中心的控制方式无法实现基于业务的通信资源动态分配问题，本发明提出一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法。

技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在空间基站本地存储空间中所存储的成功入网用户信息表中遍历出有资源需求的用户并将用户信息进行记录，形成一个包含所有存在资源需求的用户列表；

步骤2，基于用户自身的位置信息对用户进行分组，分组方法为：若两用户间的直线距离D小于某个预设的阈值，则认为上述两用户属于同一个组，再将该组视为一个用户，将两用户坐标中间点作为该组坐标，迭代计算下一个用户与该组的距离，从而判断下一个用户是否也可以成为改组成员，当用户表遍历结束后，若用户表中还存在未被分组的用户，则按照上述步骤对未分组用户进行第二次遍历，直至步骤1所得用户列表中的所有用户都被分组；

步骤3，根据步骤2中迭代计算得到的各个用户组的位置信息以及卫星的轨道信息，计算与每个用户组所对应的天线指向信息，包括方位角和俯仰角；

步骤4，计算用户所需时隙数，方法为：设空口协议编码方式所对应的每秒传输的编码块数量为C，每个编码块所包含的bit数为n，则信道传输速率V_ch为：V_ch＝C*n，按照同样方式计算通过步骤1中筛选出来的有业务需求用户的申请速率V_i，之后通过公式

依次计算各个用户组中每个需求用户所需时隙数Cnt_i，其中i为用户编号；

步骤5，分配用户时隙，首先计算一个跳波束周期包含的时隙个数C_slot，方法为：

st.T<T_slot，其中T为跳波束周期，T_slot为时隙长度，将步骤4所得用户i的Cnt_i依据某种分配策略分配在C_slot里，每个用户时隙资源的分配均匀的分布在每个跳波束周期中，避免出现堆积在跳波束周期头尾的情况，分配过程中针对当前跳波束周期，迭代计算每个用户i的时隙间隔Intvl_i，方法为：

Intvl_i＝ceil(C_slot/Cnt_i)(i＝1,2,3...,n)st.C_slot≥Cnt_i

每次迭代判断当Intvl_i<1或C_slot<Intvl_i时，表示当前波束一个跳波束周期内所剩下的时隙无法满足当前用户需求，结束迭代过程；

步骤6，当步骤5中某个跳波束周期内某个用户需求无法满足时，则将该用户需求分配至另一个跳波束周期中并按照步骤5方式进行迭代，最终生成一个跳波束时隙与需求用户ID映射的关联表；

步骤7，依据步骤6所生成的关联表以及步骤3中用户所在用户组相关联的天线指向信息，实时对天线按照所分配的时隙进行指向调度。

进一步地，步骤1中的用户需求信息为用户业务所需要的带宽、用户自身的位置信息。

进一步地，步骤5中的时隙分配策略包括信关站独占、波束保持优先(按组分)、单波束优先(按用户资源分)三种，其中

信关站独占策略为：当信关站在执行任务时保证其拥有全速速率通信，信关站用户具有最高优先级权限，当执行任务时不允许被打断，信关站分配到的时隙为整个C_slot，其他用户再进行申请资源时分配到其它波束，若其它波束资源已占满则拒绝用户资源申请；

波束保持优先(按组分)策略为：在资源分配时让波束尽可能不跳以提高波束利用率，同一组用户尽量分在相邻的时隙；

单波束优先(按用户资源分)为：按照用户申请资源量，将单个波束的时隙C_slot尽量占满后再去使用下一个波束的资源。

进一步地，针对不同的应用场景采用三种时隙分配策略：通常采用波束保持优先(按组分)策略，当星上波束出现故障导致部分波束不能使用时，采用单波束优先(按用户资源分)策略，当信关站有重构等任务时，采用信关站独占策略。

有益效果

本发明提出在星上对用户申请的时隙资源进行动态管理，并根据用户的实时位置动态调度天线跳波束指向，随即将分配结果下发给地面，较传统固定资源分配方法更加有效地利用了时隙及波束资源；

本发明资源分配方法无需地面网关参与资源调度，节省了不必要的星地传输时延，有效提高了卫星通信系统的实时性。

附图说明

图1为本发明方法的示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明资源动态分配方法根据地面用户的资源申请，在星上根据用户申请的资源动态给各用户分配时隙资源，并将时隙资源分配结果通过宽波束广播的形式下发，同时，星上根据分配的时隙资源，调度业务天线，在对应的时隙里使天线指向相应用户，使之完成对地面用户的服务区覆盖。

如图2所示，本发明方法主要包括如下步骤：

1)用户需求提取。在空间基站的本地存储空间中所存储的成功入网用户信息表中遍历出有资源需求的用户并将用户信息进行记录，形成一个包含所有存在资源需求的用户列表，对无资源申请的用户不做记录，用户需求信息包括这些用户业务所需要的带宽、用户自身的位置信息等，此步骤主要为后续资源分配算法完成预处理。

2)基于用户自身的位置信息对用户进行分组，分组方法为：若两用户间的直线距离D小于某个预设的阈值，则认为上述两用户属于同一个组；再将该组视为一个用户，将两用户坐标中间点作为该组坐标，迭代计算下一个用户与该组的距离，从而判断下一个用户是否也可以成为改组成员；当用户表遍历结束后，若用户表中还存在未被分组的用户，则按照上述步骤对未分组用户进行第二次遍历，直到用户列表中所有用户都进行分组。

设用户1坐标为(x₁,y₁,z₁)，用户2坐标为(x₂,y₂,z₂)，则两用户间距离D的计算方式为：

3)计算每个分组所对应的天线指向

根据步骤2)中迭代计算得到的各个用户组的位置信息以及卫星的轨道信息，计算每个用户组中天线的指向信息，包括方位角和俯仰角。

4)计算各个分组中用户所需时隙数

设空口协议编码方式所对应的每秒传输的编码块数量为C，每个编码块所包含的bit数为n，则信道传输速率V_ch为：V_ch＝C*n

按照同样方式计算通过步骤1)中筛选出来有业务需求用户的申请速率V_i，依次计算各个用户组中每个需求用户所需时隙数Cnt_i：

其中i为用户编号。

5)分配用户时隙

计算一个跳波束周期包含的时隙个数C_slot：

其中T为跳波束周期，T_slot为时隙长度。

用户的时隙资源分配实质就是将步骤4)所得Cnt_i合理分布在C_slot里，为了考虑到用户体验感，每个用户时隙资源的分配应尽量均匀的分布在每个跳波束周期中，避免出现堆积在跳波束周期头尾的情况，为此需要迭代计算每个用户的时隙间隔Intvl_i：

Intvl_i＝ceil(C_slot/Cnt_i)(i＝1,2,3...,n)st.C_slot≥Cnt_i (4)

通过式(4)与式(5)，当Intvl_i<1或C_slot<Intvl_i时，表示当前波束一个跳波束周期内所剩下的时隙无法满足当前用户需求，结束迭代过程。

6)当步骤5)中某个用户需求无法满足时，则将该用户需求分配至另一个业务波束中，按照步骤5)方式进行迭代，最终生成一个时隙与用户ID映射的关联表。

7)依据步骤6)生成的关联表以及步骤3)中用户相关联的方位角和俯仰角实时对天线按照所分配的时隙进行指向调度。

对于用户时隙分配，针对不同场景，本发明设计了三种不同的分配策略，分别为：

信关站独占：当信关站在执行任务时保证其拥有全速速率通信，由于信关站用户具有最高优先级权限，当执行任务时不允许被打断，所以如果执行此策略，信关站分配到的时隙应为整个C_slot，其他用户再进行申请资源时应分配到其他波束，若其它波束资源已占满，则拒绝用户资源申请；

波束保持优先(按组分)：该策略在资源分配时让波束尽可能不跳以提高波束利用率，同一组用户尽量分在相邻的时隙，这样波束的指向不需要改变，即可满足同组内的多个用户通信需求；

单波束优先(按用户资源分)：按照用户申请资源量，将单个波束的时隙C_slot尽量占满后再去使用下一个波束的资源，从而提高时间资源利用率。

以上三种策略分别对应不同的应用场景，通常采用波束保持优先策略，该策略下按照用户组进行时隙分配，跳波束次数相对较少，减少了对天线的控制，较为稳定；当星上波束出现故障导致部分波束不能使用时，采用单波束优先策略，尽量让单波束的所有时隙都被占满，保证时隙资源不会浪费；当信关站有重构等任务时，由于任务优先级较高且重要，采用信关站独占策略，此时信关站可以获得单波束的所有时隙。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在空间基站本地存储空间中所存储的成功入网用户信息表中遍历出有资源需求的用户并将用户信息进行记录，形成一个包含所有存在资源需求的用户列表；

步骤S2，基于用户自身的位置信息对用户进行分组，分组方法为：若两用户间的直线距离D小于某个预设的阈值，则认为上述两用户属于同一个组，再将该组视为一个用户，将两用户坐标中间点作为该组坐标，迭代计算下一个用户与该组的距离，从而判断下一个用户是否也可以成为改组成员，当用户表遍历结束后，若用户表中还存在未被分组的用户，则按照上述步骤对未分组用户进行第二次遍历，直至步骤S1所得用户列表中的所有用户都被分组；

步骤S3，根据步骤S2中迭代计算得到的各个用户组的位置信息以及卫星的轨道信息，计算与每个用户组所对应的天线指向信息，包括方位角和俯仰角；

步骤S4，计算用户所需时隙数，方法为：设空口协议编码方式所对应的每秒传输的编码块数量为C，每个编码块所包含的bit数为n，则信道传输速率V_ch为：V_ch＝C*n，按照同样方式计算通过步骤S1中筛选出来的有业务需求用户的申请速率V_i，之后通过公式

依次计算各个用户组中每个需求用户所需时隙数Cnt_i，其中i为用户编号；

步骤S5，分配用户时隙，首先计算一个跳波束周期包含的时隙个数C_slot，方法为：

st.T<T_slot，其中T为跳波束周期，T_slot为时隙长度，将步骤S4所得用户i的Cnt_i依据某种分配策略分配在C_slot里，每个用户时隙资源的分配均匀的分布在每个跳波束周期中，避免出现堆积在跳波束周期头尾的情况，分配过程中针对当前跳波束周期，迭代计算每个用户i的时隙间隔Intvl_i，方法为：

Intvl_i＝ceil(C_slot/Cnt_i) (i＝1,2,3...,n)st.C_slot≥Cnt_i

C_slot＝C_slot-Intvl_i (i＝1,2,3...,n)

每次迭代判断当Intvl_i<1或C_slot<Intvl_i时，表示当前波束一个跳波束周期内所剩下的时隙无法满足当前用户需求，结束迭代过程；

步骤S6，当步骤S5中某个跳波束周期内某个用户需求无法满足时，则将该用户需求分配至另一个跳波束周期中并按照步骤S5方式进行迭代，最终生成一个跳波束时隙与需求用户ID映射的关联表；

步骤S7，依据步骤S6所生成的关联表以及步骤S3中用户所在用户组相关联的天线指向信息，实时对天线按照所分配的时隙进行指向调度。

2.如权利要求1所述的一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法，其特征在于，所述步骤S1中的用户需求信息为用户业务所需要的带宽、用户自身的位置信息。

3.如权利要求1所述的一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法，其特征在于，所述步骤S5中的时隙分配策略包括信关站独占、波束保持优先(按组分)、单波束优先(按用户资源分)三种，其中

信关站独占策略为：当信关站在执行任务时保证其拥有全速速率通信，信关站用户具有最高优先级权限，当执行任务时不允许被打断，信关站分配到的时隙为整个C_slot，其他用户再进行申请资源时分配到其它波束，若其它波束资源已占满则拒绝用户资源申请；

波束保持优先(按组分)策略为：在资源分配时让波束尽可能不跳以提高波束利用率，同一组用户尽量分在相邻的时隙；

单波束优先(按用户资源分)为：按照用户申请资源量，将单个波束的时隙C_slot尽量占满后再去使用下一个波束的资源。

4.如权利要求3所述的一种应用于低轨卫星网络的时隙及波束资源动态分配方法，其特征在于，针对不同的应用场景采用三种时隙分配策略：通常采用波束保持优先(按组分)策略，当星上波束出现故障导致部分波束不能使用时，采用单波束优先(按用户资源分)策略，当信关站有重构等任务时，采用信关站独占策略。

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