CN116567762A - 一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于低轨卫星星座通信技术领域，具体涉及一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，包括：在卫星覆盖区域建立星地资源决策模型；模型的宏基站MBS从地面站获取地面基站和卫星的资源情况；宏基站MBS控制单元根据地面基站和卫星时频资源结合用户业务本身的业务情况，对用户的业务请求进行判决是卫星接入还是地面接入；计算用户业务本身的业务情况多QoS指标优先度，并根据优先度进行业务请求判决；根据判决结果建立连接，用户终端释放信道，完成网络资源分配。本发明通过协调多个用户接入卫星，解决大规模接入减轻地面负荷并解决未得到服务和服务不充分的用户，并以简化的流程降低接入时延和用户功耗。

Description

一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法
技术领域
本发明属于低轨卫星星座通信技术领域，具体涉及一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法。
背景技术
密集的第五代(5G)地面基站的容量将在成本和控制方面与智能设备和数据流量的爆炸性增长进行斗争。目前，混合异构的地面网络承载着来自多个设备的大量业务需求。为了解决大规模接入减轻地面负荷，大型低轨卫星星座通信提供了重要的新动力。星地一体化可以将无线覆盖扩展到人口不足的地区，卸载地面网络流量，在没有地面基础设施的情况下提供紧急通信，并为高速移动用户提供路径多样性。消费者将受益于地面和非地面接入的结合，以满足数据速率或可靠性方面的目标服务性能。
到目前为止，卫星和5G系统基本上是分开的，各自采用不同的网络架构和协议体系。将卫星引入5G系统是实现多覆盖、可靠和持续服务接入的关键。但是地面设备向卫星申请接入时，卫星与地面之间较大的传播时延、昂贵的卫星频谱资源、不可忽略的传输误差以及有限的发射功率是一个挑战。设计一个低时延、低开销、高资源利用率的低轨卫星访问控制协议，以此来减少了不必要的接入申请时延和设备功耗显得尤为重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，包括以下步骤：
S1：在卫星覆盖区域建立星地资源决策模型；所述星地资源决策模型包括：卫星、地面基站、用户、地面站，卫星和地面基站用于对用户的业务请求协调处理，地面站存储地面基站和卫星的资源情况；所述地面基站包括：宏基站MBS、微型基站SBS；
S2：宏基站MBS从地面站获取地面基站和卫星的资源情况；
所述资源情况包括时域资源和频率资源；
S3：宏基站MBS控制单元根据地面基站和卫星时频资源结合用户业务情况，对用户的业务请求判决是卫星接入还是地面接入；
S4：计算用户业务情况的多QoS指标优先度，宏基站MBS控制单元根据星地实际资源和各个业务情况的多QoS指标优先度对分配到地面基站和卫星基站的业务请求判决接受或拒绝；
S5：若业务请求为接受，用户通过控制信道接收宏基站MBS发送的卫星标识和认证码、上下行点波束号、时隙、频率或码字信息以及资源分配信息，建立用户与卫星的直接数据连接，由用户携带接收的认证信息代替卫星和基站之间的部分交互；
S6：连接建立完成后，用户终端释放信道，完成网络资源分配。
本发明的有益效果：
本发明通过宏基站MBS代替卫星做出决策，减少了用户单独向卫星做出请求的过程，极大降低城市大规模接入的时延；通过地面基站和卫星协同，不仅降低了地面基站由于大规模接入的负荷，更是降低了用户的延迟和到LEO卫星的传输功率；将用户视角下的多QoS转化为单一的评价指标，为基站决策提供系统优先级；接入选择方法使得系统的总优先度最大化，确保了用户和网络利益之间的平衡。
附图说明
图1是本发明的星地协同选择接入控制方法的场景图；
图2是本发明中对比单独访问卫星和协同访问卫星两种类型的访问示意图。
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。
一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，包括以下步骤：
S1：在卫星覆盖区域建立星地资源决策模型；所述星地资源决策模型包括：卫星、地面基站、用户、地面站，卫星和地面基站用于对用户的业务请求协调处理，地面站存储地面基站和卫星的资源情况；所述地面基站包括：宏基站MBS、微型基站SBS；
S2：宏基站MBS从地面站获取地面基站和卫星的资源情况；
所述资源情况包括时域资源和频率资源；
S3：宏基站MBS控制单元根据地面基站和卫星时频资源结合用户业务情况，对用户的业务请求判决是卫星接入还是地面接入；
S4：计算用户业务情况的多QoS指标优先度，宏基站MBS控制单元根据星地实际资源和各个业务情况的多QoS指标优先度对分配到地面基站和卫星基站的业务请求判决接受或拒绝；
S5：若业务请求为接受，用户通过控制信道接收宏基站MBS发送的卫星标识和认证码、上下行点波束号、时隙、频率或码字信息以及资源分配信息，建立用户与卫星的直接数据连接，由用户携带接收的认证信息代替卫星和基站之间的部分交互；
S6：连接建立完成后，用户终端释放信道，完成网络资源分配。
在本发明实施例中，当宏基站MBS和周围的微型基站SBS的资源饱和时，地面网络承载着来自多个设备的大量业务需求时，为了解决大规模接入减轻地面负荷并解决未得到服务和服务不充分的用户，卫星将承担接入请求，如图1所示，当某个城市地区在某个时期有来自多个设备的大量业务需求时，为了解决大规模接入减轻地面负荷并解决未得到服务和服务不充分的用户，卫星将承担接入请求。针对星地链路的大时延，MBS通过回程链路聚合附近小基站的需求，并代表卫星执行接入和资源分配。接入与否与关于按需接入的资源可用性直接相关，其中无线电资源包括两个维度，即时间和频率。从网络的角度提出了一个多QoS指标优先度，接入选择方法使得系统的总优先度最大化，它确保了用户和网络利益之间的平衡。该方案通过协调多个用户接入卫星，以简化的流程降低接入时延和用户功耗。
如图2所示，给出了单独访问卫星和协同访问卫星的区别，宏基站MBS聚集在给定 区域中的时间间隔内到达的请求，然后将它们发送到卫星；该时间段与区域中的业务密度 成比例；控制单元根据和时频资源请求，周期性地进行批判决，并将判决结果直接反馈 给用户，间接反馈给卫星。
在本发明实施中，宏基站MBS根据卫星地面站获取卫星资源情况，将卫星覆盖的固 定区域的接入资源建模为二维背包，背包的两个维度分别是时域资源和频率资源， 背包的体积表示为，地面基站的时域资源和频率资源分别为和，卫 星时域资源和频率资源分别为和。
在本发明实施例中，宏基站MBS控制单元根据地面基站和卫星时频资源和项目请 求模型判决卫星接入还是地面接入，访问请求模型为，分别 表示数据的大小、业务时延阈值、时间资源需求以及频率资源需求。业务时延阈值即服务最 大容忍延迟，时间资源需求即业务所需卫星或地面基站给终端分配的时隙资源，频率资源 需求即业务所需卫星或地面基站给终端分配的频谱资源。根据各个请求模型中的时域资源 需求，结合考虑星地链接传输时延较大的特性，将时延阈值较低的请求项目判决为地面接 入，将时延阈值较高的请求项目判决为卫星接入；考虑到卫星载荷，将数据包大小较大的请 求项目判决为地面接入，将数据包大小较小的请求项目判决为卫星接入。
宏基站MBS控制单元根据地面基站和卫星时频资源结合用户业务本身的业务情况，对用户的业务请求进行判决卫星接入还是地面接入，包括：
地面基站接入：
卫星接入：
其中，表示地面基站对于第m个请求项目作出的接入判决，表示业务 时延阈值，M表示总的业务请求项目数，和分别表示地面基站的时域资源和频率资 源，和分别表示卫星时域资源和频率资源，表示卫星对于第m个请求项目 作出的接入判决，表示第m个业务数据包大小。
在本发明实施例中，MBS控制单元根据星地实际资源和各个请求项目的多QoS指标优先度判决请求接受和拒绝。访问请求模型为，分别表示数据包的大小，数据时延阈值，时域资源需求以及频率资源需求；根据请求模型计算每一个请求项目的请求优先度，步骤如下：
S41：MBS在一个周期内收集请求信息，即MBS根据每一个终端的请求模型的数据构建多属性决策矩阵：
其中，表示第u个业务请求的第v项指标的数值，业务请求包括四个指标分别为 业务请求内的数据大小、时延阈值、时域资源需求和频率资源需求；
S42：计算多属性决策矩阵中第项指标对于第个业务请求的贡献度：，其中，表示第u个业务请求的第v项指标的数值，M表示总的业务 请求项目数；
S43：根据第项指标对于第个业务请求的贡献度计算第项指标的熵值：，其中，表示多属性决策矩阵中第v项指标对于第u个业务请求 的贡献度，k表示常数，，M表示总的业务请求项目数；
S44：根据第项指标的熵值计算第项指标的差异程度：，其中，表示 第项指标的熵值；
S45：根据第项指标的差异程度计算得到第项指标的权重系数：，其 中，表示第v项指标的差异程度，N表示指标数量；
S46：通过得到的权重系数，计算每项指标最终的贡献值：，其中， 表示第v项指标的权重系数，表示多属性决策矩阵中第v项指标对于第u个业务请求的贡 献度，M表示总的业务请求项目数；
S47：通过计算贡献值的方式分别计算出第m个请求项目数据包的大小、数据时延 阈值、时域资源需求以及频率资源需求在全部业务请求数据中计算出的贡献值，并计算每 个业务请求的多QoS指标优先度：，其中，表示第m个请求项目多 QoS指标优先度，分别表示第m个请求项目数据包的大小、数据时延阈 值、时域资源需求以及频率资源需求在全部业务请求数据中计算出的贡献值。
在本发明实施例中，MBS根据星地实际资源和各个请求项目的多QoS指标优先度判决请求接受和拒绝。对所有请求进行判决，综合考虑以下条件，对于分配到地面基站和卫星基站的请求进行接受或者拒绝判决：
表示实际分配的时频资源，表示不同服务所占用的资源不重叠。
表示请求被完全满足或拒绝，不能存在服务未被完全满足的用户。
表示接受请求的资源总量不超过资源总量。
进一步地，MBS对所有请求进行判决，判决计算过程使系统的总优先度最化，其中，判决为接受的业务请求为：
其中，分别表示判决存入二维背包中地面基站和卫星基站服务的请 求项目顺序，表示第m个请求项目多QoS指标优先度，表示总的业务请求项目数， 表示地面基站对于第m个请求项目作出的接入判决，表示卫星对于第m个请求项目作出 的接入判决，、分别代表第m个和第n个项目被分配到地面基站或卫星；表示服务实际上所占用的时频资源，表示服务实际上所占用的时频资源，表示空集，表示完全满足服务所需要的时频资源，W表示资源总量，e表示地面基站，s表示卫 星。
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 (7)

1.一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，其特征在于，包括：
S1：在卫星覆盖区域建立星地资源决策模型；所述星地资源决策模型包括：卫星、地面基站、用户、地面站，卫星和地面基站用于对用户的业务请求协调处理，地面站存储地面基站和卫星的资源情况；所述地面基站包括：宏基站MBS、微型基站SBS；
S2：宏基站MBS从地面站获取地面基站和卫星的资源情况；
所述资源情况包括时域资源和频率资源；
S3：宏基站MBS控制单元根据地面基站和卫星时频资源结合用户业务情况，对用户的业务请求判决是卫星接入还是地面接入；
S4：计算用户业务情况的多QoS指标优先度，宏基站MBS控制单元根据星地实际资源和各个业务情况的多QoS指标优先度对分配到地面基站和卫星基站的业务请求判决接受或拒绝；
S5：若业务请求为接受，用户通过控制信道接收宏基站MBS发送的卫星标识和认证码、上下行点波束号、时隙、频率或码字信息以及资源分配信息，建立用户与卫星的直接数据连接，由用户携带接收的认证信息代替卫星和基站之间的部分交互；
S6：连接建立完成后，用户终端释放信道，完成网络资源分配。
2.根据权利要求1所述的一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，其特征在于，卫星和地面基站对用户的业务请求进行协调处理，包括：
当宏基站MBS和周围的微型基站SBS的资源饱和时，对于未得到服务和服务不充分的用户，卫星将承担接入请求；
针对星地链路的大时延，宏基站MBS通过回程链路聚合附近微型基站的需求，并代表卫星执行接入和资源分配。
3.根据权利要求1所述的一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，其特征在于，地面站存储地面基站和卫星的资源情况，包括：
地面站将星地资源决策模型的接入资源建模为二维背包，背包的两个维度分别是时域资源和频率资源/>，背包的体积表示为/>，地面基站的时域资源和频率资源分别为/>和/>，卫星时域资源和频率资源分别为/>和/>。
4.根据权利要求1所述的一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，其特征在于，所述用户业务情况，包括：业务数据的大小、业务时延阈值、时间资源需求以及频率资源需求；
业务时延阈值为服务最大容忍延迟，时间资源需求为业务所需卫星或地面基站给终端分配的时隙资源，频率资源需求为业务所需卫星或地面基站给终端分配的频谱资源。
5.根据权利要求1所述的一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，其特征在于，宏基站MBS控制单元根据地面基站和卫星时频资源结合用户业务情况，对用户的业务请求进行判决卫星接入还是地面接入，包括：
根据星地链接传输时延较大的特性，将时延阈值较低的请求项目判决为地面接入，将时延阈值较高的请求项目判决为卫星接入；考虑到卫星载荷，将数据包大小较大的请求项目判决为地面接入，将数据包大小较小的请求项目判决为卫星接入。
6.根据权利要求1所述的一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，其特征在于，计算用户业务情况多QoS指标优先度，包括：
S41：宏基站MBS在一个周期内收集用户的业务请求信息，根据每一个用户的业务请求信息的业务情况数据构建多属性决策矩阵：，其中，/>表示第u个业务请求的第v项指标的数值，业务请求包括四个指标分别为业务请求内的数据大小、时延阈值、时域资源需求和频率资源需求；
S42：计算多属性决策矩阵中第v项指标对于第u个业务请求的贡献度：，其中，/>表示第u个业务请求的第v项指标的数值，M表示总的业务请求项目数；
S43：根据第v项指标对于第u个业务请求的贡献度计算第v项指标的熵值：，其中，/>表示多属性决策矩阵中第v项指标对于第u个业务请求的贡献度，k表示常数，/>，M表示总的业务请求项目数；
S44：根据第v项指标的熵值计算第v项指标的差异程度：，其中，/>表示第v项指标的熵值；
S45：根据第v项指标的差异程度计算得到第v项指标的权重系数：，其中，/>表示第v项指标的差异程度，N表示指标数量；
S46：通过得到的权重系数，计算每项指标最终的贡献值：，其中，/>表示第v项指标的权重系数，/>表示多属性决策矩阵中第v项指标对于第u个业务请求的贡献度，M表示总的业务请求项目数；
S47：通过计算贡献值的方式分别计算出第m个请求项目数据包的大小、数据时延阈值、时域资源需求以及频率资源需求在全部业务请求数据中计算出的贡献值，并计算每个业务请求的多QoS指标优先度：，其中，/>表示第m个请求项目多QoS指标优先度，/>分别表示第m个请求项目数据包的大小、数据时延阈值、时域资源需求以及频率资源需求在全部业务请求数据中计算出的贡献值。
7.根据权利要求1所述的一种基于多QoS优化的星地协同选择接入控制方法，其特征在于，宏基站MBS控制单元根据星地实际资源和各个业务情况多QoS指标优先度对分配到地面基站和卫星基站的业务请求判决为接受的业务请求，包括：
其中，分别表示判决存入二维背包中地面基站和卫星基站服务的请求项目顺序，/>表示第m个请求项目多QoS指标优先度，/>表示总的业务请求项目数，/>表示地面基站对于第m个请求项目作出的接入判决，/>表示卫星对于第m个请求项目作出的接入判决，/>、/>分别表示第m个和第n个项目被分配到地面基站或卫星，/>表示服务/>实际上所占用的时频资源，/>表示服务/>实际上所占用的时频资源，/>表示空集，表示完全满足服务/>所需要的时频资源，W表示资源总量，e表示地面基站，s表示卫星。
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