CN116527123B - 一种基于终端位置信息的时隙分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低轨卫星网络通信技术领域，具体涉及一种基于终端位置信息的时隙分配方法，包括在竞争接入阶段，终端设备向低轨卫星发送请求数据包，请求数据包中包括终端设备的经纬度信息和时隙需求；在卫星广播阶段，低轨卫星收到所有请求数据包后，根据请求数据包选择目标节点和并发传输节点，并生成时隙调用矩阵，计算每个终端设备数据包的发送时刻，将时隙分配结果进行广播；在数据传输阶段，终端根据广播的时隙分配结果进行数据传输；本发明解决终端设备与接入卫星远距离传输所引起的传播时延所带来的数据冲突重传、时隙资源浪费大、网络吞吐量低的影响，本发明基于位置信息通过计算传播时延，采用并发传输的思想，实现无冲突的数据传输。

Description

一种基于终端位置信息的时隙分配方法
技术领域
本发明涉及低轨卫星网络通信技术领域，具体涉及一种基于终端位置信息的时隙分配方法。
背景技术
随着近几年地面网络信息、空中网络信息的不断膨胀，地面用户和空中用户通信需求不断上升，地面、空中移动设备接入卫星网络的需求也随之增大，低轨卫星通信系统的研究发展不断前进。借助传输时延小，链路衰减弱，覆盖范围广，联合组网能实现全球覆盖的优势，被认为是未来地面、空中网络通信扩展的主要路径，借助卫星接入转发能很好的实现远距离通信。
空中终端、地面终端和接入卫星之间需要具备完善的信息交互流程、高效的资源分配算法，这也是需要解决的问题。在接收到终端发来的请求后，接入卫星如何合理分配资源，是提高网络通信吞吐量的关键。接入技术是解决上述问题的核心，时分多址(TDMA)协议通过给用户划分时隙进行无竞争传输，最大限度地减小发生碰撞几率且提供有界时延。
与近距离无线通信网络时隙资源分配方式不同，在近距离无线网络中，链路间的传播时延基本可以忽略。在卫星接入系统中由于地面、天基终端系统与接入卫星之间存在链路距离长，传播时延大，传输一次数据的时间成本较大，传播时延对时隙资源分配方式的影响远远大于传输时延，因此卫星与终端通信的传播时延不能忽略。在一颗低轨卫星的通信覆盖范围内存在多个地面、空中终端设备需要接入卫星进行通信，由于终端设备所处位置不同，它们的链路传播时延也有可能不同。链路间较大的传播延迟使并发传输成为可能。例如，一个高空飞行器和一个地面控制器同时给接入卫星传输一个数据包，由于两个终端与卫星的距离不一样，这两个数据包到达卫星时间也不一样，从而都能无冲突地被卫星正确接收到。
综上所述，根据终端距离的不同所带来的传播时延差距较大的情况下，这就需要设计一种与传播时延有关的时间资源分配方法，减少数据接收碰撞冲突，减少数据包重传次数，提高网络的吞吐量。
发明内容
为了减少数据接收碰撞冲突、减少数据包重传次数、提高网络的吞吐量，本发发明提出一种基于终端位置信息的时隙分配方法，时隙帧结构包括竞争接入阶段、卫星广播阶段和数据传输阶段，进行时隙分配具体包括以下步骤：
在竞争接入阶段，终端设备向低轨卫星发送请求数据包，请求数据包中包括终端设备的经纬度信息和时隙需求；
在卫星广播阶段，低轨卫星收到所有请求数据包后，根据请求数据包选择目标节点和并发传输节点，并生成时隙调用矩阵，计算每个终端设备数据包的发送时刻，将时隙分配结果进行广播；
在数据传输阶段，终端根据广播的时隙分配结果进行数据传输。
进一步的，在数据传输阶段，将数据传输时延Ttran分配M个固定长度的子时隙，用于接收到达数据包。
进一步的，根据请求数据包选择目标节点和并发传输节点的过程包括：
低轨卫星计算每个终端与其之间距离，并设置一个距离阈值，将小于该阈值的终端划分为近距离集合，其他划分为远距离集合；
将近距离集合中的终端作为目标节点，为其匹配并发节点，形成该目标节点对应的并发传输子集合；
判断并发传输子集合中节点的数据包到达处理的时间是否全部使用完，若是则将当前目标节点对应的并发节点作为目标节点，为其匹配并发节点；
当并发传输子集合中节点数据包到达处理的时间全部使用完，输出并发传输子集合。
进一步的，成为一个目标节点的并发节点需要满足以下条件：
每个并发传输子集合中终端节点的数量不超过N个；
目标节点到并发节点之间的传输时延之差大于Tslot；
若有多个节点同时满足需求，选择传播时延较大的节点作为并发节点；
若有多个节点同时满足需求且传播时延相同，则选择与目标节点相对距离较远的节点作为并发节点；
每个节点作为并发节点的次数不超过W次。
进一步的，近距离集合中每个节点对应的并发传输子集合分配时隙，生成时隙调 度矩阵，时隙调度矩阵第x行第y列的值代表第x个时隙是否分配给第y个并发传输子集合， 当的值为0表示第x个时隙未分配给第y个并发传输子集合，当的值为1表示第x个 时隙分配给第y个并发传输子集合，可以表示为：
其中，uy为第y个并发传输子集合。
进一步的，低轨卫星与一个终端设备之间的距离表示为：
其中，di表示低轨卫星与终端设备节点i之间的距离；R为地球半径，H为接入卫星 的轨道高度；(,)为低轨卫星的经纬度，(,)为终端设备节点i的经纬度； 表示余弦函数；表示反余弦函数；表示反正切函数；表示求绝对值。
进一步的，每个并发传输子集合在发送数据的过程中，并发传输子集合中的节点同时开始发送数据，根据每个节点的数据传输链路的时延确认每个节点数据到达的时隙生成时隙分配表，将时隙分配表广播到并发传输子集合中的节点，发传输子集合中的节点开始发送数据的时刻在并发传输子集合中传播时延最长节点接收到时隙分配结果之后，且当数据接收阶段开始时恰好可以开始接收并发传输子集合中传输时延最短的一个数据包，终端设备发送数据的时间为：
；
其中，为终端设备的发送时间，表示接收时隙的起始时间，为终端 设备所在并发传输子集合中发送一个数据包的最短传播时延。
进一步的，确定终端设备的发送时间之后，在发送数据包的过程中需要满足：
若tp≤ ts，则不能在整网统一帧结构的发送时隙开始时刻立即发送数据包，需要等待ts- tp时间后发送tp时长的数据包；
若ts≤ tp≤ Tsubtran，则此时的发送时隙可全部用于发送数据包，而接收时隙需等待tp- ts时间后，才能接收到发送的数据包；
若Tsubtran≤ tp≤ ts+ Tsubtran，则数据包在发送时隙的一开始可被发送，且发送时隙只有tp- Tsubtran时长可用于发送数据包；
其中，tp为一个终端设备发送一个数据包的传播时延；Tsubtran为数据传输时延Ttran分配M个固定长度的子时隙。
本发明解决终端设备与接入卫星远距离传输所引起的传播时延所带来的数据冲突重传、时隙资源浪费大、网络吞吐量低的影响，本发明基于位置信息通过计算传播时延，采用并发传输的思想，实现无冲突的数据传输。
附图说明
图1是本发明实施例中所使用的低轨卫星接入示意图；
图2是本发明实施例中基于终端位置信息的时隙分配方法的实施流程图；
图3是本发明所采用的无线TDMA超帧结构示意图；
图4是本发明所设计的并发传输示意图；
图5是本发明所设计的并发节点筛选的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出，时隙帧结构包括竞争接入阶段、卫星广播阶段和数据传输阶段，进行时隙分配具体包括以下步骤：
在竞争接入阶段，终端设备向低轨卫星发送请求数据包，请求数据包中包括终端设备的经纬度信息和时隙需求；
在卫星广播阶段，低轨卫星收到所有请求数据包后，根据请求数据包选择目标节点和并发传输节点，并生成时隙调用矩阵，计算每个终端设备数据包的发送时刻，将时隙分配结果进行广播；
在数据传输阶段，终端根据广播的时隙分配结果进行数据传输。
图1是本发明实施例中所使用的低轨卫星接入示意图；本实施例考虑如图1所示，在卫星覆盖范围内存在多个终端设备需要接入卫星，终端被设置于地面和空中，空中的终端设备可能具有多个高度，例如在图1中6000km高度处空中网络包括终端设备A、终端设备B以及终端设备C，3000km高度处空中网络包括终端设备D、终端设备F、终端设备G以及终端设备H，地面网络包括终端设备I、终端设备J、终端设备K以及终端设备L。在该系统中，终端节点（以下简称节点）与低轨卫星进行接入后，低轨卫星通过Beacon标记节点，根据节点与低轨卫星之间的距离，划分了三个并发传输子集合，三个并发传输子集合分别是{A,F,J}、{B,D,I}、{C,L}，并为每个并发传输子集合中的节点分配数据包达到时间。
在不同终端与卫星之间的距离不同，所产生的传播时延不同的前提下，图2给出了一种基于终端位置信息的时隙分配方法的实施流程图，本发明的一个创新点是匹配一组并发传输节点，即为一个目标节点匹配多个并发节点，在进行匹配时，近距离集合中的每一个节点（即目标节点）选择远距离集合中节点作为其并发节点，再为选择的并发节点（此时将选择的并发节点视为目标节点）选择一个更远距离的节点作为该节点的并发节点，直到不能满足并发条件，得到节点的并发节点集合，一个并发节点集合中的节点在同一时刻发送数据，接收这些数据的卫星节点在一个接收时隙内的不同时刻进行无碰撞接收数据。所述方法包括以下步骤：
101、将TDMA时隙帧结构分为3个部分：竞争接入阶段Taccess、卫星广播阶段Tstat、数 据传输阶段Ttran，如图3所示。在时隙竞争阶段，发送请求数据包来竞争时隙；在卫星广播阶 段，由卫星广播的方式为接入终端设备下发节点分组表和时隙分配表；在数据传输阶段，将 数据传输时延Ttran分配M个固定长度的子时隙，用于接收到达数据包。
102、终端设备在请求数据包中加入当前终端设备的位置经纬度信息和时隙需求 Tslot；低轨卫星根据通过广播方式返回接入确认包，并对接收到请求包的终端设备进行编 号。低轨卫星根据终端设备节点的位置信息计算出与节点的距离di和传播时延tp，计算接入 卫星O（其经纬度为(,)）与终端设备节点 i（其经纬度为(,)）之间的距离di表示 为：
其中，R为地球半径，H为接入卫星的轨道高度；接入卫星O与终端设备节点 i两者 之间的传播时延为tp，表示为，其中c为光速；表示余弦函数；表示 反余弦函数；表示反正切函数；表示求绝对值。
103、卫星将接入终端根据距离进行由大到小排序生成节点集合，将设备节点集 合按照设定的规则拆分成若干个子集合uj，选择时间复用并发传输节点即在同一发送时隙 向卫星发送数据，能够满足数据包到达卫星时间也不一样，从而都能无冲突地被卫星正确 接收到，例如，如图1节点A在6km高度飞行、节点F在3km高度飞行、节点J为地面节点，依据三 个节点的经纬度信息计算出与卫星之间距离差距较大，满足并发传输要求，能够作为并发 集合在同一时刻向卫星发送数据包，通过传播时延的差别，3个数据包能在一个子时隙内的 不同时刻接收，避免接收冲突，并发传输示意图如图4所示，节点A、节点F、节点J在同一时刻 开始发送数据，节点A与低轨卫星的距离最接近，其传输时间最短，节点A的数据Data A在数 据接收阶段的第一个时隙开始被接收，其次距离低轨卫星最近的是节点F，节点F的数据 Data F在数据接收阶段的第二个时隙开始，最后节点J距离低轨卫星最远，节点J的数据 Data J在数据接收阶段的最后一个时隙被接收。具体过程如图5，包括：
步骤1：将集合U中，依据与卫星接入距离以及传播时延将节点分为近距离集合U1，远距离集合U2，两个集合按照传播时延由大到小进行排序；
步骤2：将近距离集合U1每一个节点作为目标节点，并匹配一个并发节点，通过限制条件选择最佳的并发节点；
子集合限制条件包括：
条件1：并发传输子集合uj中的终端节点个数最多不能超过N (N的具体大小由卫星根据覆盖范围内节点数和当前信道质量进行调整，信道质量越好，N值越大，本领域技术人员可以根据具体实际情况进行调整，设置该值的目的是减少，为并发集合设置的一个上限值N来减少节点之间的相互影响，本领域技术人员可以在实际场景中进行试验得出对应场景中N的最优值)。
条件2：并发传输的终端节点具有时延限制，即终端并发条件为目标节点到并发节 点之间的传播时延差大于。
条件3：若有多个节点同时满足并发需求，则选取并发节点中传播时延较大的节点。
条件4：若有多个并发节点的传播时延相同或相近，则选择与目标节点相对距离较远的节点作为并发节点，生成子集合ω，ω∈u，u表示一个目标节点的并发节点集合，在具体进行实施的过程中，子集合ω是在每次并发节点选择后生成的一个小的子集合，通过这个集合里节点的变化生成最终执行并发传输的集合。
条件5：为了保证节点数据传输的公平性，每个节点作为并发节点的次数不能超过W。
步骤3：在数据传输中，若目标节点和并发节点数据包到达处理的时间未 全部使用完，则将ω作为目标节点匹配下一个并发节点，进入步骤2。
步骤4：若无法找到新的并发节点，则生成最终并发传输子集合uj。
104、将子集合枚举为，数据接收时隙枚举为。时隙将分配给一个子集合u，由 于数据传输时间被划分为M个固定长度的子时隙时间，用0表示该子时隙未分配给子集合， 用1表示该子时隙分配给子集合，生成时隙调度矩阵S，该矩阵中第x行、第y列的元素表示 为：
低轨卫星根据时隙调度矩阵S和数据传输的链路时延计算终端设备开始数据发送时刻，并在广播时隙内将发送时刻表广播至所有终端节点。其中子集合发送时刻一定是在子集合中传播时延最长节点接收到时隙分配结果之后。
若一个接收时隙长度为，在一个并发传输子集合中最短传播时延为，根据链路的传播时延与发送时间和接收时隙长度的关系计算发送时间，表示为，即在卫星广播阶段开始发送数据，且在数据接收阶段开始时即可 接收到并发传输子集合中传输时延最短的节点对应的数据包，该过程还包括的限制条件 有：
条件1：若tp≤ ts，则不能在整网统一帧结构的发送时隙开始时刻立即发送数据 包，需要等待时间后发送时长的数据包；
条件2：若ts≤ tp≤ Tsubtran，则此时的发送时隙可全部用于发送数据包，而接收时隙需等待tp- ts时间后，才能接收到发送的数据包；
条件3：若Tsubtran≤ tp≤ ts+ Tsubtran，则数据包在发送时隙的一开始可被发送，且发送时隙只有tp- Tsubtran时长可用于发送数据包。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于终端位置信息的时隙分配方法，其特征在于，时隙帧结构包括竞争接入阶段、卫星广播阶段和数据传输阶段，进行时隙分配具体包括以下步骤：
在竞争接入阶段，终端设备向低轨卫星发送请求数据包，请求数据包中包括终端设备的经纬度信息和时隙需求；
在卫星广播阶段，低轨卫星收到所有请求数据包后，根据请求数据包选择目标节点和并发传输节点，并生成时隙调用矩阵，计算每个终端设备数据包的发送时刻，将时隙分配结果进行广播；
在数据传输阶段，终端根据广播的时隙分配结果进行数据传输；
根据请求数据包选择目标节点和并发传输节点的过程包括：
低轨卫星计算每个终端与其之间距离，并设置一个距离阈值，将小于该阈值的终端划分为近距离集合，其他划分为远距离集合；
将近距离集合中的终端作为目标节点，为其匹配并发节点，形成该目标节点对应的并发传输子集合；
判断并发传输子集合中节点的数据包到达处理的时间是否全部使用完，若是则将当前目标节点对应的并发节点作为目标节点，为其匹配并发节点；
当并发传输子集合中节点数据包到达处理的时间全部使用完，输出并发传输子集合；
成为一个目标节点的并发节点需要满足以下条件：
每个并发传输子集合中终端节点的数量不超过N个；
目标节点到并发节点之间的传输时延之差大于T slot ；
若有多个节点同时满足需求，选择传播时延较大的节点作为并发节点；
若有多个节点同时满足需求且传播时延相同，则选择与目标节点相对距离较远的节点作为并发节点；
每个节点作为并发节点的次数不超过W次；
其中，T slot 为时隙需求。
2.根据权利要求1所述的一种基于终端位置信息的时隙分配方法，其特征在于，在数据传输阶段，将数据传输时延T tran 分配M个固定长度的子时隙，用于接收到达数据包。
3.根据权利要求1所述的一种基于终端位置信息的时隙分配方法，其特征在于，近距离集合中每个节点为其对应的并发传输子集合分配时隙，生成时隙调度矩阵，时隙调度矩阵第x行第y列的值代表第x个时隙是否分配给第y个并发传输子集合，当的值为0表示第x个时隙未分配给第y个并发传输子集合，当/>的值为1表示第x个时隙分配给第y个并发传输子集合；其中，/>表示时隙调度矩阵第x行第y列。
4.根据权利要求1所述的一种基于终端位置信息的时隙分配方法，其特征在于，每个并发传输子集合在发送数据的过程中，并发传输子集合中的节点同时开始发送数据，根据每个节点的数据传输链路的时延确认每个节点数据到达的时隙生成时隙分配表，将时隙分配表广播到并发传输子集合中的节点，发传输子集合中的节点开始发送数据的时刻在并发传输子集合中传播时延最长节点接收到时隙分配结果之后，且当数据接收阶段开始时恰好可以开始接收并发传输子集合中传输时延最短的一个数据包。
5.根据权利要求4所述的一种基于终端位置信息的时隙分配方法，其特征在于，确定终端设备的发送时间之后，在发送数据包的过程中需要满足：
若t p ≤ t s ，则不能在整网统一帧结构的发送时隙开始时刻立即发送数据包，需要等待t s - t p 时间后发送t p 时长的数据包；
若t s ≤ t p ≤ T subtran ，则此时的发送时隙可全部用于发送数据包，而接收时隙需等待t p - t s 时间后，才能接收到发送的数据包；
若T subtran ≤ t p ≤ t s + T subtran ，则数据包在发送时隙的一开始可被发送，且发送时隙只有t p - T subtran 时长可用于发送数据包；
其中，t p 为一个终端设备发送一个数据包的传播时延；T subtran 为数据传输时延T tran 分配M个固定长度的子时隙；
其中，t s 为发送时间。
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面向低轨卫星的资源调度研究;段凯峰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》;全文 *

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