CN117200871A

CN117200871A - 一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法

Info

Publication number: CN117200871A
Application number: CN202311461375.3A
Authority: CN
Inventors: 陈永刚; 王志刚; 苟娟
Original assignee: Chengdu Benyuan Xingtong Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Benyuan Xingtong Technology Co ltd
Priority date: 2023-11-06
Filing date: 2023-11-06
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2043-11-06
Also published as: CN117200871B

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和业务优先级的卫星通信资源分配方法，包括获取当前终端待发送业务的类型，并计算在当前状态下的发送数据包的优先级；将当前终端发送数据包的优先级、位置信息和发送数据包的时隙需求加入接入请求数据包；判断当前时隙是否为接入时隙，若是接入时隙则将接入请求数据包发送给低轨卫星；低轨卫星根据收到接入请求数据包对终端进行分组并为每个组设置一个数据传输时隙，将分组表和时隙表发送给各个终端；当终端接收到低轨卫星发送的分组表和时隙表后，根据分组表和时隙表计算匹配数据发送时隙；当当前时隙为匹配数据发送时隙，则当前终端发送数据包；本发明可以提高网络的吞吐量。

Description

一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法

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和业务优先级的卫星通信资源分配方法。

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。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。

无线资源调度管理是对卫星通信系统中涉及的各种资源统一调度分配的过程，具体的目标是利用有限的资源，尽可能的满足用户提出的业务和通信质量的要求。基于并发集进行时隙资源分配能够取得好的吞吐量性能，而现有技术忽略了并发集这一概念在提高时隙空间复用能力以及时隙资源调度策略中的优势，基于网络特征和形态提出恰当的解决方案，从而制定有效的时隙资源分配决策。在之前的研究中并发集的选择只单一的考虑了终端与卫星远距离传输所带来的传播时延大、传输成本高的问题，在设计并发分组并未对终端进行区分。但在实际应用场景中还需要考虑终端传输数据类型的需求，现在为了满足业务传输对时延的需求对业务类型进行优先级的划分，终端根据待传输的业务类型优先级的需求，对终端进行等级的划分。系统能够根据终端等级的不同进行调度，使具有高优先级业务的终端能够比低优先级业务的终端有更大的概率被调度，从而可尽可能多的获得空口资源使用权,以保障高优先级业务的要求。这种分配策略是可以优先保障高优先级用户的需求，但也存在需要根据用户的优先级提前预留一部分资源，且对低优先级用户资源响应滞后、资源分配策略不够灵活的诸多问题。

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，以及终端传输数据类型所带来的优先级等级的变化，这就需要设计一种与传播时延和优先级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，满足时延需求，提高网络的吞吐量。

发明内容

为了提高网络吞吐量，本发明提出一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，具体包括以下步骤：

获取当前终端待发送业务的类型，并计算在当前状态下的发送数据包的优先级；

将当前终端发送数据包的优先级、位置信息和发送数据包的时隙需求加入接入请求数据包；

判断当前时隙是否为接入时隙，若是接入时隙则将接入请求数据包发送给低轨卫星；

低轨卫星根据收到接入请求数据包对终端进行分组并为每个组设置一个数据传输时隙，将分组表和时隙表发送给各个终端；

当终端接收到低轨卫星发送的分组表和时隙表后，根据分组表和时隙表计算匹配数据发送时隙；

当当前时隙为匹配数据发送时隙，则当前终端发送数据包。

进一步的，终端j在第t时刻的优先级表示为：

；

其中，E表示终端i在第t时刻的优先级；表示计算以10为底的对数；为终端i 的QoS优先级，本发明中选择选择QCI值作为终端i的QoS优先级，详细应用和优先级的划分见图3；表示终端i在t时刻的最大数据传输速率；表示终端i在t时刻的平均数据传输速率；表示终端i在t时刻的业务待发送的等待时延；表示在终端i在t时刻的业务最大等待时延，每个数据包在终端排队等待时间超过则将该数据包丢弃；λ_PTR 为标准QCI属性表中PTR业务的QCI值对应的优先级大小，ε为PTR业务的优先级权重；λ_RPTR为标准QCI属性表中RPTR业务的QCI值对应优先级大小，η为RPTR业务的优先级权重，且 ε + η =1，0< ε <1，0< η <1；表示计算e^x。

进一步的，低轨卫星根据收到接入请求数据包对终端进行分组包括：

计算出当前终端与卫星节点的距离d_i、传播时延t_p和综合评价值θ=α×d_i+E，其中，α为当前终端与卫星节点的距离d_i的权重，且，d_min为终端距离卫星的最近距离，为当前所有终端与卫星节点距离之和；E表示终端i在第t时刻的优先级；

卫星将接入终端根据综合评价值θ，为每个节点匹配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，并生成终端分组表；

由于每个终端在不同时刻待传数据类型不同，在每次接入时隙阶段前调整优先级等级，卫星根据终端优先级变化调整并发传输节点。

进一步的，低轨卫星根据对终端的分组情况，为每个分组分配接收数据时隙个数，一个分组分配接收数据时隙个数为，其中M为每帧中时隙的数量，ω为分时复用段所占的比例，P_j为第j个分组中待传输的业务量，Y为最终分组的个数。

进一步的，确定一个分组分配接收数据时隙的长度的过程包括以下步骤：

根据终端传输的数据包长度和传播时延确定每一个时隙的长度；

为了使数据包达到接收节点时位于一个完整的时隙之内，每个时隙长度进行补偿，得到最终每个时隙的长度。

进一步的，补偿后得到的一个时隙的长度表示为：

其中，T_ph表示补偿后的一个时隙的长度；表示第j个分组u_j中的时隙长度，表示为，T_rx表示第j个分组u_j中第x个终端的数据包传输时延，N为每个分组中终端的个数；t_p表示分组中每个终端与接收节点之间的传输时延；mod ( )表示取模运算。

进一步的，终端节点对发送时隙进行调度的过程包括：

计算备选时隙，备选时隙表示为：

从备选时隙中选择最优策略作为发送时隙，则发送时隙的选择表示为：

其中，T_z为满足数据包到达时间需求的备选时隙；A_D为传输终端集合，其表示由所有分组并集构成的终端集合；T_rk表示集合A_D中第x个终端的数据包传输时延；t_k为集合A_D中第k个终端向卫星发送数据的传播时延；λ表示是否存在占用前一个时隙的风险的参数，若存在占用风险则λ=1，否则λ=0；T_zn为备选时隙中选择的发送时隙；min{ }表示计算最小值； T_subtran表示星接收数据传输时间分配固定长度的子时隙；表示第j个分组u_j中的时隙长度。

本发明根据低轨卫星下发的分组表和接收时隙表，设计数据发送时隙匹配机制，以确保它能够在指定的时隙内发送数据，并且不会干扰其他终端设备的通信，达到减少数据接收碰撞冲突，减少数据包重传次数，提高网络的吞吐量的目的。

附图说明

图1为本发明一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法的场景模型；

图2为本发明实施例中基于终端位置和优先级的资源分配方法的实施流程图；

图3为本发明中QCI属性值图；

图4为本发明中终端业务处理流程图；

图5为本发明中低轨卫星业务处理流程图。

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。

本发明提出一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，具体包括以下步骤：

当当前时隙为匹配数据发送时隙，则当前终端发送数据包。

图1是本发明实施例中所适用的场景示意图：是由多个地面无线终端设备和空中无线终端设备与一颗低轨卫星组成，这些终端设备通过接入低轨卫星完成组网。每个终端设备所处的位置距离不同，尤其是空中终端设备所处空间高度不同，从而产生传播时延差距，并且每一个终端设备在不同时刻都有数据流等待发送。在图1中，按照各个终端与低轨卫星之间的距离划分为三个网络，包括6000km高度处的空中网络、3000km高度处的空中网络以及地面网络，三个网络中分别包括多个终端，6000km高度处的空中网络中包括终端A、终端B以及终端C，在这个网络中对各个终端划分优先级，将终端+优先级的形式记录一个终端，即A-P1表示终端A且其优先级为P1（终端的优先级划分P1~P9，P1优先级最高，P9优先级最低），3000km高度处的空中网络以及地面网络中终端同理，本实施例不再赘述；对终端进行优先级的划分后，针对一个终端发送的数据根据发送的数据包类型对数据包进行优先级划分，如图3，数据包的优先级根据QCI值进行划分（数据包的优先级划分1~7，值为时1优先级最高，值为7优先级最低），图3给出各个优先级的典型应用，即一般实施信息的优先级较高，非实时数据的优先级较低。

由于终端所承担的任务不同，数据流传输的业务类型不同，在实际网络中为了满足业务传输的需求，在时隙资源分配时需要共同考虑传播时延和业务传输的特征。图2给出了一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法的实施流程图，所述方法包括以下步骤：

101、设计卫星时隙帧结构分为3个部分：接入阶段、卫星广播阶段、数据接收阶段，在接入阶段，发送请求接入数据包来竞争时隙；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；在数据接收阶段，将接收数据传输时间T_tran分配固定长度的子时隙T_subtran，用于接收到达数据包。终端时隙资源结构分为2个部分：接入阶段、数据传输阶段，接入阶段采用CSMA模式请求接入卫星，数据阶段采用TDMA模式通过匹配卫星接入时隙进行动态调整发送时隙大小，并发送数据。

102、终端在接入时隙阶段依据当前即将发送的数据类型，调整终端所对应的优先级E，终端i在第t时刻的优先级计算公式如式为：

；

其中，表示终端i在第t时刻的优先级；表示计算以10为底的对数；为终端 i的QoS优先级；表示终端i在t时刻的最大数据传输速率；表示终端i在t时刻的平均数据传输速率；表示终端i在t时刻的业务待发送的等待时延；表示在终端i 在t时刻的业务最大等待时延；λ_PTR为标准QCI属性表中PTR业务的QCI值对应的优先级大小，如图3，其取值为1~4，ε为PTR业务的优先级权重；λ_RPTR为标准QCI属性表中RPTR业务的QCI值对应优先级大小，如图3，其取值为5~7，η为RPTR业务的优先级权重，且ε + η=1，0< ε <1，0< η <1；表示计算e^x。

将上述计算得到的优先级E以及终端设备的位置经纬度信息和时隙需求T_slot 信息加入至接入请求数据包中，上传至低轨卫星。

低轨卫星收集空地终端设备的空间位置信息，根据终端设备的位置经纬度信息计算出终端与卫星节点的距离d_i、传播时延t_p，然后计算该终端的综合评价值，包括：

θ=α×d_i+E；

其中α为当前终端与卫星节点的距离d_i的权重，且，d_min为终端距离卫星的最近距离，为当前所有终端与卫星节点距离之和；E表示终端i在第t 时刻的优先级。卫星将接入终端根据综合评价值θ，为每个节点匹配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，并生成终端分组表。本申请是在申请号为 202310809107X的专利申请的基础上的改进，在该申请中按照位置对终端进行分组，然后从不同距离的终端分组中选择一个作为并发集合中的一个终端，在本实施例中通过综合评价值选择并发节点，综合评价值θ越大该节点越可能成为并发节点。

如图1，在本实施例中，按照距离本实施例中将设备划分为3个集合，第一个集合是位于6000km左右的空中网络（简称第一空中网络），第二个集合是位于3000km左右的空中网络（简称第二空中网络），第三个集合是位于地面的地面网络，在与低轨卫星进行通信的过程中，由于不同距离的传输时延不同，令不同距离的终端进行并发传输，使得在相同时刻发送但是低轨卫星可以依次接收由近到远的终端发送的数据，对并发数据传输的要求在申请号为202310809107X的专利申请中已经有详细描述，本申请不再对此赘述。

本申请的创新点是提出同一种优先级划分的策略，对每个终端发送的数据类型对当前终端的优先级进行调整，该优先级影响并发节点的选择。如图1，在对节点进行分组的过程中，将并发节点计费划分为N个分组，每个分组包括至少一个节点，以分组号为1的并发节点结合为例，在该分组中包括第一空中网络的节点A、第二空中网络中的网络节点H以及地面网络中的节点I，每个节点传输的数据具有不同的优先级，例如网络节点A的优先级为P1，在本实施例中根据数据的类型划分为7个优先级，即P1~P7（优先级划分详见图3）。

在实施本方案的过程中，首先根据发送数据的类型确定优先级，然后从不同距离的网络节点中选择符合要求的并发节点，如果存在多个符合要求的并发节点，则选择综合评价值θ最大的一个节点。

103、低轨卫星为分组分配接收数据时隙个数，计算每个分组中的业务总量，所需要的时隙长度，计算分配的时隙个数。具体包括以下步骤：

步骤1：需要设计时隙的长度，为了减少节点间的总传输时长，时隙长度只包含数据包传输时长，l_data为终端传输的数据包长度，c为数据包传播速度，若无特殊说明一般为光速。第i个分组u_i中的时隙长度的计算公式为：，其中，N为分组中终端的个数，；T_rx表示第i个分组u_i中第x个终端的数据包传输时延。由于每个分组中的终端数不同，最大传播时延不同，所以所占用的子时隙长度也就不同。将节点间的传输时间划分为时隙后，需要保证接收端收到的数据包位于一个完整的时隙之内，即基于接收端同步。

步骤2：由于卫星与终端设备的随机距离不能保证发送数据包的传播时延是时隙长度的整数倍，需要根据节点间的距离对数据发送时刻进行相位补偿，使得数据包到达接收节点时，位于一个完整的时隙之内。数据发送时隙补偿，即，mod( )表示取模运算。

步骤3：网络所有分组的业务总量为，其中Y为分组的个数。为实现对时隙的公平分配，卫星按照业务量的比例分配时隙，即分组j获得的时隙比例为，Y为分组的个数，表示第j个分组的业务量。假设每帧中共有M个时隙,分时复用段所占的比例为ω，则分组j获得的时隙个数为。

104、终端根据为分组分配接收数据时隙个数，进行发送时隙的匹配。由于分组选择受到一定条件的限制，不一定能够完全占满接收子时隙长度；在下一个分组终端可以提前发送，能确保在接收时刻卫星能够无碰撞接收，从而提高时隙的利用率，这就需要终端节点对发送时隙进行调度：

其中，在时间周期内有多个时隙满足数据包到达时间需求，称为备选时隙T_zn，在备选时隙中选择最优策略作为发送时隙T_z；A_D传输终端集合，该集合由所有分组并集得到的终端构成；k为集合中终端；T_rk表示集合A_D中终端k的数据包传输时延；t_k为集合A_D中终端k向卫星发送数据的传播时延；λ表示是否存在占用前一个时隙的风险的参数，若存在占用风险则 λ=1，否则λ=0；卫星接收数据传输时间分配固定长度的子时隙T_subtran；表示第j个分组u_j中的时隙长度。

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

1.一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

当当前时隙为匹配数据发送时隙，则当前终端发送数据包。

2.根据权利要求1所述的一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，其特征在于，终端j在第t时刻的优先级表示为：

；

其中，E表示终端i在第t时刻的优先级；表示计算以10为底的对数；/>为终端i的QoS优先级；/>表示终端i在t时刻的最大数据传输速率；/>表示终端i在t时刻的平均数据传输速率；/>表示终端i在t时刻的业务待发送的等待时延；/>表示在终端i在t时刻的业务最大等待时延；λ_PTR为标准QCI属性表中PTR业务的QCI值对应的优先级大小，ε为PTR业务的优先级权重；λ_RPTR为标准QCI属性表中RPTR业务的QCI值对应优先级大小，η为RPTR业务的优先级权重，且 ε + η =1，0< ε <1，0< η <1；/>表示计算e^x。

3.根据权利要求1所述的一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，其特征在于，低轨卫星根据收到接入请求数据包对终端进行分组包括：

计算出当前终端与卫星节点的距离d_i、传播时延t_p和综合评价值θ=α×d_i+E，其中α为当前终端与卫星节点的距离d_i的权重，且/>，d_min为终端距离卫星的最近距离，/>为当前所有终端与卫星节点距离之和；E表示终端i在第t时刻的优先级；

4.根据权利要求1或3所述的一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，其特征在于，低轨卫星根据对终端的分组情况，为每个分组分配接收数据时隙个数，一个分组分配接收数据时隙个数为，其中M为每帧中时隙的数量，ω为分时复用段所占的比例，P_j为第j个分组中待传输的业务量，Y为最终分组的个数。

5.根据权利要求4所述的一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，其特征在于，确定一个分组分配接收数据时隙的长度的过程包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，其特征在于，补偿后得到的一个时隙的长度表示为：

；

其中，T_ph表示补偿后的一个时隙的长度；表示第j个分组u_j中的时隙长度，表示为/>，T_rx表示第j个分组u_j中第x个终端的数据包传输时延，N为每个分组中终端的个数；t_p表示分组中每个终端与接收节点之间的传输时延；mod( )表示取模运算。

7.根据权利要求5所述的一种基于终端位置和业务优先级的卫星通信资源分配方法，其特征在于，终端节点对发送时隙进行调度的过程包括：

计算备选时隙，备选时隙表示为：

；

其中，T_z为满足数据包到达时间需求的备选时隙；A_D为传输终端集合；T_rk表示集合A_D中终端k的数据包传输时延；t_k为集合A_D中终端k向卫星发送数据的传播时延；λ表示是否存在占用前一个时隙的风险的参数，若存在占用风险则λ=1，否则λ=0；T_zn为备选时隙中选择的发送时隙；min{ }表示计算最小值；T_subtran表示星接收数据传输时间分配固定长度的子时隙；表示第j个分组u_j中的时隙长度。