本發(fā)明屬于中繼衛(wèi)星通信多用戶接入技術(shù)，解決多用戶使用中繼衛(wèi)星資源的動態(tài)調(diào)度問題。本發(fā)明綜合考慮系統(tǒng)吞吐量、任務(wù)優(yōu)先級、用戶信號質(zhì)量、任務(wù)時延要求等影響因素，提出一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調(diào)度模型。該技術(shù)創(chuàng)新性地在系統(tǒng)吞吐量和多用戶公平性間找到一種改進的中繼星資源調(diào)配方法，能夠提升中繼衛(wèi)星資源的頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

技術(shù)背景

在中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，空時頻域資源調(diào)度是一項不可忽視的研究內(nèi)容，對提高用戶服務(wù)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。從中繼衛(wèi)星控管中心的角度，需要盡可能地提高中繼衛(wèi)星通信資源的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，從用戶的角度，要保證用戶的各種不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，滿足用戶的需求。關(guān)于調(diào)度算法的研究一直在進行，根據(jù)調(diào)度實現(xiàn)的目標不同，有幾種常見的算法，

1)PF算法

PF算法在最大載干比(MAX,C/I)和輪詢(RR)算法的基礎(chǔ)上，綜合考慮了系統(tǒng)吞吐量及公平性的指標。該算法將瞬時速率和平均速率的比值作為度量基準，不僅考慮了用戶當前的信號質(zhì)量，它是總的吞吐量和每個用戶吞吐量之間的一個折中，由于沒有考慮時延和優(yōu)先級因素的影響，所以該算法僅適用于非實時業(yè)務(wù)。表達式為：

其中

是估計的用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均速率，ε是值在0到1之間的可調(diào)節(jié)因子。

由式(2)可以看出，用戶的瞬時速率在平均速率中所占的比重是ε，ε越小，瞬時速率對平均速率的影響就越小，也即公平性越高，反之則公平性越差。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要動態(tài)調(diào)節(jié)ε，使之滿足服務(wù)需求。

2)M-LWDF算法

M-LWDF算法在PF算法的基礎(chǔ)上，綜合考慮了時延因素，使之適用于對時延比較敏感的實時業(yè)務(wù)，從而保證不同業(yè)務(wù)的QoS要求。表達式為

其中

D_HOL,i為用戶數(shù)據(jù)流i的首包時延，τ_i為用戶數(shù)據(jù)流i的時延門限,δ_i為用戶數(shù)據(jù)流i的首包時延超過時延門限的最大丟包率，是一個常數(shù)。由式(5)可以看出，M-LWDF算法是在PF算法的基礎(chǔ)上，添加了α_i和D_HOL,i兩個權(quán)重因子，由于α_i是僅和業(yè)務(wù)類型相關(guān)的一個常數(shù)，所以主要由D_HOL,i體現(xiàn)實時業(yè)務(wù)的優(yōu)先性。當用戶數(shù)據(jù)流的首包時延越大時，由于越接近時延門限值，則其被丟棄的概率越大，所以數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級也就越高，保證了業(yè)務(wù)的實時性要求。

3)EXP算法

EXP算法是針對多類型業(yè)務(wù)提出的調(diào)度算法，適用于不同任務(wù)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)調(diào)度。該算法在PF算法的基礎(chǔ)上，增加了一個指數(shù)權(quán)重因子，相對于優(yōu)先級較低的業(yè)務(wù)，能快速提高高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的調(diào)度概率。表達式為：

其中

N_rt表示實時用戶數(shù)據(jù)流的數(shù)目，其余表達式含義與M-LWDF相同。對于沒有優(yōu)先級限制的非實時業(yè)務(wù)，α_i的值趨近于0，而對于緊急程度較高(如軍事任務(wù))的業(yè)務(wù)，α_iD_HOL,i的值始終大于0，所以增加的指數(shù)權(quán)重因子是為了提高業(yè)務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級。在同等條件下，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的調(diào)度機會始終大于低優(yōu)先級業(yè)務(wù)，但是當高優(yōu)先級業(yè)務(wù)在一段時間之內(nèi)連續(xù)獲得資源時，會使得整體的度量值下降，這時低優(yōu)先級業(yè)務(wù)將有機會獲得帶寬資源，保證了一定的公平性。

此外，不同于M-LWDF算法中優(yōu)先級隨著時延增加而線性提升的特征，EXP算法中對任務(wù)優(yōu)先級的處理采用指數(shù)形式，優(yōu)先級呈指數(shù)級增長，確保緊急任務(wù)能夠首先獲得調(diào)度機會。

隨著多用戶、多任務(wù)、多業(yè)務(wù)類型中繼通信的不斷發(fā)展，上述算法已經(jīng)不能滿足用戶的服務(wù)質(zhì)量要求。由于調(diào)度需要考慮的因素很多，它作為影響多用戶中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的重要因素之一，具有很大的研究價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

隨著越來越多的無線通信應(yīng)用中需使用到中繼衛(wèi)星，國內(nèi)中繼衛(wèi)星通訊資源日趨緊張，針對多用戶使用中繼衛(wèi)星資源時容易產(chǎn)生時間沖突、優(yōu)先級沖突造成衛(wèi)星資源難以調(diào)配的問題，本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調(diào)度方法，可以在保證多用戶多類型業(yè)務(wù)接入需求的前提下，進一步提高頻譜資源利用率，降低使用成本，增加用戶容量，提升經(jīng)濟效益。

本發(fā)明的發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調(diào)度方法，包含以下步驟：

一、接收各路用戶數(shù)據(jù)流；

二、對每一路用戶數(shù)據(jù)流分別計算權(quán)重值；

三、根據(jù)權(quán)重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊；

所述權(quán)重值ω_i(k,n)為：

其中

k：時頻資源塊；

n：時隙；

用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均時延；

τ_i：用戶數(shù)據(jù)流i的時延門限；

plr_req,i：用戶數(shù)據(jù)流i的最大丟包率；

plr_act,i：用戶數(shù)據(jù)流i的超過時延門限的實際丟包率。

r_i(k,n)：用戶數(shù)據(jù)流i的時頻資源塊k在時隙n處的數(shù)據(jù)傳輸速率；

用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的平均速率

σ：控制丟包率的調(diào)節(jié)因子；

U(D_HOL,i)：用戶數(shù)據(jù)流_i的任務(wù)優(yōu)先級效用函數(shù)

a：控制優(yōu)先級提高速度的調(diào)節(jié)因子。

進一步，在接收各路用戶數(shù)據(jù)流后，先對用戶數(shù)據(jù)流進行約束條件判斷，

所述約束條件為：

(1)一個時頻資源塊只能分配給一個用戶數(shù)據(jù)流。

(2)一個用戶數(shù)據(jù)流可以擁有多個時頻資源塊，但總時頻資源塊不能超過緩存中的待傳用戶數(shù)據(jù)流；

(3)分配給所有用戶數(shù)據(jù)流的時頻資源塊的功率之和不能超過中繼衛(wèi)星的發(fā)射總功率；

(4)公平性指數(shù)盡可能趨近于1；

(5)盡可能滿足用戶的QoS要求。

進一步，根據(jù)權(quán)重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊包含以下步驟：

(a)將各用戶數(shù)據(jù)流的權(quán)重值按大小進行排序；

(b)檢查時頻資源塊是否已分配完，如有空閑的時頻資源塊，將空閑的時頻資源塊分配給權(quán)重值排在前面的用戶數(shù)據(jù)流；否則執(zhí)行(d)；

(c)檢查獲得時頻資源塊的用戶數(shù)據(jù)流是否有足夠的時頻資源塊進行中繼傳輸，如有，則將用戶數(shù)據(jù)流從等待隊列中刪除，執(zhí)行(b)；否則直接執(zhí)行(b)；

(d)確定各用戶數(shù)據(jù)流中繼傳輸資源分配方案。

本發(fā)明中有以下三個主要的技術(shù)要點。

(1)空域、時域與頻域多維資源動態(tài)實時調(diào)度機制。本發(fā)明通過建模非線性寬帶資源動態(tài)調(diào)度問題，在空域、時域和頻域上對多用戶進行聯(lián)合調(diào)度。在實際應(yīng)用中，將一定頻率帶寬、一個調(diào)度周期作為一個時頻資源塊(RB)，并在同一RB上利用不同中繼衛(wèi)星進行空分復(fù)用，對所有中繼衛(wèi)星進行全局的統(tǒng)籌規(guī)劃，盡可能提高系統(tǒng)的吞吐量和頻譜利用率。

(2)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證機制。中繼衛(wèi)星通信需要能夠支持多類型媒體業(yè)務(wù)的傳輸，并且針對各種不同的業(yè)務(wù)類型，要提供相應(yīng)的QoS保證。例如，對于語音、視頻等實時業(yè)務(wù)，調(diào)度需要考慮時延敏感性要求；對于數(shù)據(jù)類等非實時業(yè)務(wù)，調(diào)度需要考慮數(shù)據(jù)包的可靠性傳輸要求。本專利在多用戶比例公平調(diào)度的基礎(chǔ)上，綜合考慮了時延因素，使之適用于對時延比較敏感的實時業(yè)務(wù)，從而保證不同業(yè)務(wù)的QoS要求。

(3)優(yōu)先級、公平性與有效性兼顧機制。加入了關(guān)于丟包率和任務(wù)優(yōu)先級的兩個函數(shù)權(quán)重因子，并各有一個調(diào)節(jié)參數(shù)，可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)的需求對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使得調(diào)度更具靈活性。公平性是指各個用戶能夠獲得平等的調(diào)度機會，而有效性是指系統(tǒng)的頻譜利用率應(yīng)盡可能地達到最大。公平性與有效性是相互制約的關(guān)系，當用戶信道條件較差時，若保證公平性，則必然會損失有效性，調(diào)度時應(yīng)綜合考慮這兩個方面。對于軍事任務(wù)等任務(wù)優(yōu)先級較高的資源使用申請，使用本專利提出的調(diào)度算法，會快速提升其調(diào)度權(quán)重，提升其調(diào)度優(yōu)先級。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)多用戶申請中繼衛(wèi)星資源提供了科學(xué)合理的調(diào)度方法，解決多用戶使用中繼衛(wèi)星資源時造成時間沖突、優(yōu)先級沖突造成衛(wèi)星資源難以調(diào)配的問題。

(2)通過建模非線性寬帶資源動態(tài)調(diào)度問題，解決多影響因子下資源調(diào)度復(fù)雜度過高難以量化計算的問題。使用本專利發(fā)明的基于優(yōu)先級的空時域衛(wèi)通資源動態(tài)調(diào)度方法，可以在保證多用戶多類型傳輸業(yè)務(wù)QoS要求的前提下，提高頻譜資源利用率，降低使用成本，增加用戶容量，提升經(jīng)濟效益。

(3)提出了一種基于空域、時域和頻域的多維資源的動態(tài)實時調(diào)度方法，可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景的需求，修改本專利模型中關(guān)于丟包率和任務(wù)優(yōu)先級的兩個函數(shù)權(quán)重調(diào)節(jié)參數(shù)，提升了中繼衛(wèi)星資源調(diào)度的靈活性。

附圖說明

圖1為中繼衛(wèi)星系統(tǒng)資源多用戶調(diào)度示意圖；

圖2為實施例中面向多用戶的中繼衛(wèi)星空時頻域資源動態(tài)調(diào)度方法的流程示意圖；

圖3為實施例中任務(wù)優(yōu)先級效用函數(shù)值與a的關(guān)系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，不同業(yè)務(wù)進入衛(wèi)星資源調(diào)度器，等待中繼衛(wèi)星的統(tǒng)一調(diào)配，調(diào)度器按照調(diào)度算法，將時頻資源塊(RB)分配給不同的業(yè)務(wù)。

本實施例改進傳統(tǒng)的針對單一目標進行優(yōu)化的調(diào)度算法，提出一種在用戶任務(wù)時延要求保障前提下面向多用戶的空時頻域中繼衛(wèi)通資源動態(tài)調(diào)度方法。該方法面向多用戶使用中繼衛(wèi)星資源應(yīng)用場景，提出改進的基于各個空間維度(不同中繼星)上時頻資源的對任務(wù)優(yōu)先級及超過時延門限的丟包率敏感的DPLS算法。該方法綜合了最大化吞吐量的最大載干比(MAX，C/I)算法、以多用戶公平調(diào)度為目標的輪詢(RR)算法、最大權(quán)重時延優(yōu)先(M-LWDF)算法以及最早到期優(yōu)先(EDF)調(diào)度算法的調(diào)度思想，綜合考慮了任務(wù)優(yōu)先級、時延要求、丟包率、吞吐量以及申請時間先后等因素，在空時域上為多用戶分配合理的衛(wèi)星資源。對中繼衛(wèi)星控管中心而言，有利于提升中繼衛(wèi)星資源的頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量；從用戶角度，有利于保證用戶不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，滿足用戶需求。

如圖2所示，本實施例面向多用戶的空時頻域中繼衛(wèi)通資源動態(tài)調(diào)度方法包含以下步驟：

一、調(diào)度器接收各路用戶數(shù)據(jù)流。

對于寬帶資源的動態(tài)調(diào)度，可以建模成在多個約束條件下尋求最優(yōu)解的非線性規(guī)劃問題，一般以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標，約束條件主要包括：

(1)一個RB只能分配給一個用戶數(shù)據(jù)流。

(2)一個用戶數(shù)據(jù)流可以擁有多個RB，但總資源不能超過緩存中的待傳數(shù)據(jù)量。

(3)分配給所有用戶資源塊的功率之和不能超過中繼衛(wèi)星的發(fā)射總功率。

(4)保證資源分配的公平性，使公平性指數(shù)盡可能趨近于1。

(5)盡可能滿足用戶的QoS要求，包括吞吐量、時延、丟包率等。

假設(shè)系統(tǒng)中的用戶數(shù)據(jù)流個數(shù)為N，總資源塊集合為Κ，用戶數(shù)據(jù)流i在調(diào)度周期n處分配到的資源塊集合為一個資源塊所占用的帶寬為△f，在中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，目標函數(shù)可以表示為

約束條件可以表示為

在式(2)中，部分表達式的含義如下：

r_i(n)：用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的數(shù)據(jù)傳輸速率；

Q_i(n)：用戶數(shù)據(jù)流i在時隙n處的待傳數(shù)據(jù)量；

T_slot：一個調(diào)度周期的長度；

P_i(k,n)：用戶數(shù)據(jù)流i的資源塊k在時隙n處所分配的發(fā)射功率；

P_total：中繼衛(wèi)星發(fā)射總功率；

I_Jain：Jain公平性指數(shù)，其值越接近于1說明公平性越高。

r_i：用戶數(shù)據(jù)流i在一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)速率；

Q：用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，要滿足不低于標準值的要求。

調(diào)度的目標是希望通過上述非線性方程尋找到最優(yōu)解，使系統(tǒng)性能達到最佳。但是由于需要考慮的因素都非常復(fù)雜，在實際應(yīng)用中很難求得最優(yōu)解，所以通過將問題簡單化，采用次優(yōu)的方法進行調(diào)度是比較有效可行的。

二、對每一路用戶數(shù)據(jù)流分別計算權(quán)重值。

影響分組調(diào)度的因素很多，包括業(yè)務(wù)類型、信號質(zhì)量、隊列長度、時延、任務(wù)優(yōu)先級等，并且各個因素之間存在一定的關(guān)聯(lián)，所以在調(diào)度算法中，考慮哪些因素及各個因素所占的比重如何分配，決定了系統(tǒng)的整體性能。本實施例綜合考慮各因素之間的相互影響關(guān)系，以確保軍事任務(wù)等高優(yōu)先級業(yè)務(wù)首先調(diào)度、并減小實時業(yè)務(wù)的時延和丟包率，增加系統(tǒng)總體吞吐量為目標，設(shè)計的權(quán)重值計算公式如下：

其中：

式(9)、(10)中的部分表達式含義如下：

plr_req,i：用戶數(shù)據(jù)流i的最大丟包率，是一個常數(shù)，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型定義為不同值。

plr_act,i：用戶數(shù)據(jù)流i的超過時延門限的實際丟包率。

σ：控制丟包率的調(diào)節(jié)因子，不同的業(yè)務(wù)類型可以定義不同的σ參數(shù)。對于可靠性要求比較高的業(yè)務(wù)，σ取值可以相對較大，通過提高優(yōu)先級獲得更多調(diào)度機會，從而減少由于超過時延門限引起的丟包率。

U(D_HOL,i)：關(guān)于用戶數(shù)據(jù)流i的任務(wù)優(yōu)先級效用函數(shù)。采用指數(shù)形式的權(quán)重因子，當優(yōu)先級較高時，效用函數(shù)逐漸增大，也即調(diào)度概率逐步提升，其提升速度與a有關(guān)。

a：控制優(yōu)先級提高速度的調(diào)節(jié)因子，用來控制優(yōu)先級提高的速度，圖3描繪了任務(wù)優(yōu)先級效用函數(shù)值與a的關(guān)系，由圖可以看出，隨著a的不斷增加，效用函數(shù)值的提升速度也越來越快。對于不同的業(yè)務(wù)類型以及不同的時延區(qū)間，可以采用不同的a值，以滿足各種場景的需求。

由(9)、(10)可以看到，本實施例加入了關(guān)于丟包率和任務(wù)優(yōu)先級的兩個函數(shù)權(quán)重因子，并各有一個調(diào)節(jié)參數(shù)，可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)的需求對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使得調(diào)度更具靈活性，相應(yīng)的代價是算法復(fù)雜度的提升。

三、根據(jù)權(quán)重值為各用戶數(shù)據(jù)流分配時頻資源塊，具體包含以下步驟：

(a)將各用戶數(shù)據(jù)流的權(quán)重值按大小進行排序；

(b)檢查時頻資源塊是否已分配完，如有空閑的時頻資源塊，將空閑的時頻資源塊分配給權(quán)重值排在前面的用戶數(shù)據(jù)流；否則執(zhí)行(d)；

(c)檢查獲得時頻資源塊的用戶數(shù)據(jù)流是否有足夠的時頻資源塊進行中繼傳輸，如有，則將用戶數(shù)據(jù)流從等待隊列中刪除，執(zhí)行(b)；否則直接執(zhí)行(b)；

(d)確定各用戶數(shù)據(jù)流中繼傳輸資源分配方案。

可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。