CN117955553A

CN117955553A - 一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法

Info

Publication number: CN117955553A
Application number: CN202410350050.6A
Authority: CN
Inventors: 王志刚; 陈永刚; 曾毅
Original assignee: Chengdu Benyuan Xingtong Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Benyuan Xingtong Technology Co ltd
Priority date: 2024-03-26
Filing date: 2024-03-26
Publication date: 2024-04-30
Anticipated expiration: 2044-03-26
Also published as: CN117955553B

Abstract

本发明涉及低轨卫星网络通信技术领域，具体涉及一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，包括：无人机将其通信范围内的所有地面终端设备设置为一个簇，无人机采用ISAC技术探测簇内活跃的地面终端设备数；无人机根据低轨卫星星历计算与低轨卫星是否通信，若能则基于无人机相对移动状态和簇内活跃的地面终端设备数制作通信数据包上传到低轨卫星；低轨卫星从收到的通信数据包解析出的每个簇活跃设备数量计算为每个无人机分配时隙数；低轨卫星将分配的时隙下发给无人机，无人机根据卫星分配的时隙接收地面终端数据以及将数据上传到低轨卫星；本发明提高无线网络资源利用率，降低整体网络通信时延。

Description

一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法

技术领域

本发明涉及低轨卫星网络通信技术领域，具体涉及一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法。

背景技术

近年来，物联网（IoT）移动设备（IMD）的快速增长引发了对具有不同服务质量（QoS）要求的各种应用的需求不断增长。而低轨卫星具有高速率、高带宽、通信延迟、功率要求低和传播损耗小等优势，与物联网的结合可以有效扩展和补充地面通信网络的不足，大大扩展物联网的应用范围。利用无人机具有高机动性、低成本、部署灵活、视线好等特点，将其作为LEO卫星支持的物联网（SIoT）中继设备, 以协助从移动设备到低轨卫星的数据传输。采用无人机中继方式，可避免地理环境因素影响，在灾难发生或特定事件期间提供临时通信支持；并且通过近距离转发，可以减少信号传输路径中的信号衰减和多径效应，从而减少信号传输的延迟，提高通信质量，为物联网应用提供可靠的通信支持。

低轨卫星物联网中，由于移动终端设备的随机数据传输而导致卫星的多次访问会导致数据冲突并增加延迟。需要对设备节点进行时隙资源分配，减小碰撞概率，降低网络时延。在当前借助中继的低轨卫星物联网架构中提出了SL-MAC协议、LST-MAC协议等协议，能够降低网络延迟、提升网络性能。但现有的时隙分配算法是为每个终端设备分配时隙资源，没有考虑终端用户状态动态变化情况。若通信范围内的某些设备当时正处于休眠时间，为其分配时隙，则会导致无线资源的浪费。为了合理地利用资源，有必要对通信范围内活跃用户数进行检测，然后分配适当的时隙资源。此外，由于物联网数据的碎片化，固定时隙大小的分配方法也会造成资源的大量浪费。

因此，本发明针对低轨卫星物联网距离长、数据易碰撞导致传输时延大，地面终端设备状态动态化、数据碎片化导致时隙利用率较低的问题提出一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法。利用ISAC技术辅助和前向连续时隙思想构建动态时隙分配机制，减少数据碰撞，提高无线资源利用率，达到降低网络延迟、提高吞吐量的目的。

发明内容

为了提高无线网络资源利用率、降低整体网络通信时延，本发明提出一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，以无人机作为中继传输层，完成低轨卫星与地面终端设备之间的数据传输，具体包括以下步骤：

无人机将其通信范围内的所有地面终端设备设置为一个簇，无人机采用ISAC技术探测簇内活跃的地面终端设备数；

无人机根据低轨卫星星历计算与低轨卫星是否通信，若能则基于无人机相对移动状态和簇内活跃的地面终端设备数制作通信数据包上传到低轨卫星；

低轨卫星从收到的通信数据包解析出的每个簇活跃设备数量计算为每个无人机分配时隙数；

低轨卫星将分配的时隙下发给无人机，无人机卫星分配的时隙来临之前接收地面终端设备的数据，在卫星分配的时隙开始停止接收数据，并将缓存的数据上传到低轨卫星。

进一步的，无人机根据低轨卫星星历计算与低轨卫星是否通信，即当低轨卫星与无人机之间的相对移动速率大于低轨卫星与无人机之间的速率差的数值，且低轨卫星与无人机之间的距离不大于低轨卫星的最大通信范围时，低轨卫星与无人机之间可以通信。

进一步的，低轨卫星从收到的通信数据包解析出的每个簇活跃设备数量计算为每个无人机分配时隙数，具体包括：

计算当前时刻簇内平均吞吐量与前一时刻簇内平均吞吐量之差，若该差值小于等于设定阈值，则保持上一时刻数据上传的带宽和时隙分配结果；

否则卫星重新根据当前簇内活跃用户在所有活跃用户中的占比为该簇分配带宽以及时隙数。

进一步的，重新根据当前簇内活跃用户在所有活跃用户中的占比为该簇分配带宽以及时隙数的过程包括：

其中，为低轨卫星为第i个簇S_i重新分配的带宽；为带宽分配系数；B为总带宽；为低轨卫星为第i个簇S_i分配的时隙数，为低轨卫星数据帧的长度；M_i为无人机i是否能与低轨卫星通信的指标，当M_i=1时，表示无人机i能与低轨卫星通信，当M_i=0时表示无人机i不能与低轨卫星通信；为第i个簇的优先级；m为无人机的数量。

进一步的，地面终端设备上传数据到无人机的过程中，按照业务类型的优先级进行排序，优先传输高优先级的业务类型；若优先级相同则按照数据数据量，优先传输数据量大的业务。

进一步的，无人机为每个地面终端设备分配一个连续的时隙长度用于地面终端设备上传数据，为第j个地面终端设备分配连续时隙长度的过程包括：

其中，表示第j个地面终端设备分配得到的连续时隙长度；为两个卫星与无人机通信时隙之间的间隔时间；表示第j个地面终端设备传输数据所需的时间；表示第j个地面终端设备的优先级；m为无人机的数量。

本发明的有益效果为：本发明始终根据无人机通信范围内活跃用户的数量为每个移动终端设备分配适合的时隙资源，提高无线网络资源利用率，降低整体网络通信时延。

附图说明

图1是本发明实施例中所使用的场景示意图；

图2是本发明实施例中一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法的实施流程图；

图3是本发明实施例中时隙分配示意图；

图4是本发明实施例中时隙分配方法流程图。

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。

本发明提出一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，以无人机作为中继传输层，完成低轨卫星与地面终端设备之间的数据传输，具体包括以下步骤：

图1是本发明实施例中所适用的场景示意图，在图1所示的网络中，为轨道高度位于的低轨卫星提供服务时，设置有M个固定高度为H的无人机设备和N个地面终端设备，无人机的集合表示为{1,2,…,M}，地面终端设备的集合表示为{1,2,…,N}。将一个无人机通信范围内的地面终端设备设置为一个簇，则该网络中每个无人机对应一个簇，即存在M 个簇，簇的集合表示为，S_i表示第i个簇，i∈{1,2,…, M}，为了方便计算，在本实施例中假设所有用户的数据速率相同；图1给还出一分钟时隙分配的示意图，在图1 中卫星可以与三个无人机进行通信，三个无人机分别是PE1、PE2以及PE3，分别为三个无人机分配传输时隙，按照每个无人机对应的簇的优先级依次一个时隙；在无人机PE1通信范围内存在6个终端设备，并根据每个设备的优先级将终端设备编号为P1-1~P1-6，其中P1-1~ P1-4为活跃终端设备，P1-5和P1-6为非活跃终端设备，在本发明仅上传活跃终端设备的数据，上传数据时按照终端设备优先级依次分配时隙。

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、无人机采用ISAC技术探测通信覆盖范围（簇）内活跃的地面终端设备数，并将活跃的地面终端设备数上传至低轨卫星。

在本实施例中，无人机超帧包括活跃终端探测、终端接入、数据接收三个部分，超帧长度为：

其中，为无人机超帧长度；为终端探测持续时间，为终端接入持续时间，为终端分配数据传输持续时间。

将系统传输延迟定义为：

其中，为系统传输延迟；为卫星与无人机的通信时间；为无人机与地面终端设备的通信时间；为传播时延；为等待时延。

将降低低轨卫星通信网络时延的时隙分配问题公式化为：

其中，表示t时刻无人机与卫星之间的通信状态，当时表示第n个无人机与低轨卫星之间通信，当时表示第n个无人机与低轨卫星之间未通信；表示一个传输时隙中无人机与卫星之间的通信状态，当时表示第n个无人机与低轨卫星之间通信，当时表示第n个无人机与低轨卫星之间未通信；为数据传输阶段无人机接收来自所有地面终端设备传输的数据量，为第m个地面终端待传输到第n个无人机的数据量，为无人机最大缓存量。

上述约束条件C1表示在一个卫星时隙中，低轨卫星只能与一个无人机中继设备进行通信；约束条件C2表示一个传输时隙中，一个无人机只能与一个终端设备进行通信；约束条件C3表示无人机在卫星时隙到来前可缓存的数据量不能超过无人机最大缓存容量。

102、低轨卫星根据簇内活跃的地面终端设备的数量为每个簇动态分配时隙资源，并将分配情况发送到无人机。

低轨卫星根据接收的数据信息进行时隙分配的过程，具体包括以下步骤：

步骤1：无人机根据运动轨迹和低轨卫星星历判断是否能与低轨卫星通信，即当低轨卫星与无人机之间的相对移动速率大于低轨卫星与无人机之间的速率差的数值，且低轨卫星与无人机之间的距离不大于低轨卫星的最大通信范围时，低轨卫星与无人机之间可以通信，具体包括：

1.1、计算无人机与低轨卫星之间的距离：

其中，为低轨卫星与无人机之间的距离；为无人机的位置坐标；为低轨卫星的位置坐标。

1.2、计算无人机与低轨卫星之间的相对移动速率：

其中，为相对移动速率，为相对移动速率矢量，表示计算模长；为低轨卫星的移动速率矢量，为无人机的移动速率矢量。

1.3、根据无人机与低轨卫星之间的距离和相对移动速率判断无人机与低轨卫星是否能通信：

其中，为无人机i是否能与低轨卫星通信的指标，当表示无人机i能与低轨卫星通信，当表示无人机i不能与低轨卫星通信；为卫星与无人机速率差的阈值，超过这个阈值表示无人机与卫星不能通信。

步骤2：无人机将相对移动状态和簇内活跃终端数量上报至低轨卫星。

步骤3：低轨卫星根据相对移动状态、簇优先级为无人机动态分配时隙，具体包括以下步骤：

将当前探测时刻簇内平均吞吐量与上一时刻簇内平均吞吐量进行比较，若，则保持上一时刻带宽、时隙分配结果；

否则卫星为每个簇重新分配带宽，每个无人机簇分配到的时隙个数；

其中，为吞吐量变化阈值；为簇内活跃用户数，为总活跃用户数，为无人机簇的优先级，为总带宽；为带宽分配系数。

作为一种可选的实施方式，在本实施例中一个簇的优先级的计算可以设定一个阈值，统计一个簇内超过该设定优先级的数量，将该簇内超过该阈值的设备与该簇内设备的总数量之比作为该簇的优先级，一个设备的优先级的计算可以采用以下方式：

其中，为表示终端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；该优先级已经在申请人其他在先申请中公开，本发明不再赘述。

103、低轨卫星将时隙资源分配结果下发至所有无人机设备，由无人机采用向前时隙分配思想为其通信范围内的地面终端设备分配时隙资源。

无人机首先需要接入地面终端设备，接入后将簇内的数据发送给低轨卫星，当低轨卫星反馈时隙分配表后进行资源分配，具体包括以下步骤：

步骤1：无人机在CSMA阶段完成地面终端设备接入；地面终端设备根据待传输业务优先级类型、数据量构建接入请求包。

步骤2：无人机以靠近无人机上传时间为起点，卫星分配的相邻两个上传时隙时间间隔为基础，在时间间隔内为终端分配数据传输时隙，在卫星时隙到来之前从终端设备收集数据，越靠近无人机发送时刻终端优先级越高，更能保证数据传输的低时延，时隙分配在不同无人机簇之间具有重叠部分，由于在簇内进行数据传输，并不存在数据碰撞；即在本发明中包括两种类型的时隙，一种时隙用于卫星与无人机之间通信，另一种时隙用于无人机与设备之间通信，且两个卫星与无人机之间通信的时隙之间设置有一个用于无人机与设备之间通信的时隙，并且在本发明中卫星根据优先级选择与其通信的无人机的簇，在该簇内，若簇内无人机1与卫星正在进行通信，则其他无人机可以与设备进行通信，即可以缓存来自设备采集的数据，无人机与卫星通信时则停止缓存数据并将已经缓存的数据上传到卫星；另外，在本实施例中卫星优先与优先级高的簇进行通信，无人机优先与优先级高的设备进行通信，每次无人机与一个无人机设备进行通信，正在与卫星通信时的无人机不能与其范围内的设备通信，其他未与卫星通信的无人机能够与其范围内的设备通信。

将地面终端设备优先级进行排序；若优先级相同则按照待传输数据量由大到小排序；为带宽分配系数，并满足和；

由香农公式可知，终端无线传输速率，其中表信道噪声功率，表示信道带宽，为终端与无人机间的信道增益，为终端设备的发送功率，表示进行以2为底对数运算；

每个终端数据传输所需要的时间，为每个终端设备分配连续的时隙长度，本领域技术人员可以基于场景进行多次试验调整最优的两个卫星与无人机通信时隙之间的间隔时间。

步骤3：无人机将分配结果下发至终端设备，并将接收到的数据进行短暂缓存，在低轨卫星-无人机时隙完成数据上传操作。实现地面终端向低轨卫星的数据长传操作。两种时隙分配方法结合后，不同无人机节点之间的时隙分配会出现重叠状态，但不在同一无人机节点中，不同无人机节点中的地面终端节点不冲突。

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

1.一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，其特征在于，以无人机作为中继传输层，完成低轨卫星与地面终端设备之间的数据传输，具体包括以下步骤：

低轨卫星从收到的通信数据包解析出的每个簇活跃设备数量，为每个无人机计算分配时隙数；

2.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，其特征在于，无人机根据低轨卫星星历计算与低轨卫星是否通信，即当低轨卫星与无人机之间的相对移动速率大于低轨卫星与无人机之间的速率差的数值，且低轨卫星与无人机之间的距离不大于低轨卫星的最大通信范围时，低轨卫星与无人机之间可以通信。

3.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，其特征在于，低轨卫星从收到的通信数据包解析出的每个簇活跃设备数量计算为每个无人机分配时隙数，具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，其特征在于，重新根据当前簇内活跃用户在所有活跃用户中的占比为该簇分配带宽以及时隙数的过程包括：

；

其中，为低轨卫星为第i个簇S_i重新分配的带宽；/>为带宽分配系数；B为总带宽；为低轨卫星为第i个簇S_i分配的时隙数，/>为低轨卫星数据帧的长度；M_i为无人机i是否能与低轨卫星通信的指标，当M_i=1时，表示无人机i能与低轨卫星通信，当M_i=0时表示无人机i不能与低轨卫星通信；/>为第i个簇的优先级；m为无人机的数量；/>为簇/>内活跃用户数，/>为总活跃用户数。

5.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，其特征在于，地面终端设备上传数据到无人机的过程中，按照业务类型的优先级进行排序，优先传输高优先级的业务类型；若优先级相同则按照数据数据量，优先传输数据量大的业务。

6.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星物联网的终端时隙分配方法，其特征在于，无人机为每个地面终端设备分配一个连续的时隙长度用于地面终端设备上传数据，为第j个地面终端设备分配连续时隙长度的过程包括：

；

其中，表示第j个地面终端设备分配得到的连续时隙长度；/>为两个卫星与无人机通信时隙之间的间隔时间；/>表示第j个地面终端设备传输数据所需的时间；/>表示第j个地面终端设备的优先级；m为无人机的数量。