本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信無線資源管理技術領域，具體是一種基于最大化吞吐量的多波束geo系統(tǒng)接入控制方法。

背景技術：

雖然科技發(fā)展日新月異，地面移動通信系統(tǒng)也日趨完善；但是，受到地理條件的限制以及全球經濟發(fā)展不均衡等條件的制約，地面移動通信系統(tǒng)在實現(xiàn)全球覆蓋的問題上有些力不從心；例如，我國地形復雜，山區(qū)、丘陵地帶較多，難以完成這些地區(qū)地面通信系統(tǒng)的網絡建設工作；占據地球面積大半的海洋也是地面移動通信覆蓋的難點；近年自然災害頻發(fā)，地面移動通信系統(tǒng)的網絡設備極易受到自然災害的影響而癱瘓，影響后續(xù)的抗災救援活動；軍事領域對于通信的精度要求也越來越高，信息化戰(zhàn)爭中對于通信的安全性也越來越重視，地面移動通信系統(tǒng)設備由于極易被敵方破壞而無法滿足軍方的需求；尤其是航空航天事業(yè)的發(fā)展，地面通信網更是無法將其覆蓋范圍延伸至深空。此時，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)得到了各國科學家的重視，成為了移動通信領域的研究熱點。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)，是指利用分布于不同軌道的人造地球衛(wèi)星代替地面基站作為中繼站，通過對無線電波進行轉發(fā)、放大或者星上處理等方式進而實現(xiàn)在兩個或多個地球站之間進行通信的一門新興的無線通信系統(tǒng)，其采用的無線電波頻率為微波頻段，即頻率為300mhz-300ghz，波長約為1mm-1m。

近年來，衛(wèi)星通信系統(tǒng)越來越多地與現(xiàn)代移動通信技術以及航空航天技術相結合，但也暴露出一些問題：對于采用了多波束技術的geo衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在geo系統(tǒng)中，geo衛(wèi)星具有更大的覆蓋范圍，此外，為了提高頻譜效率，衛(wèi)星系統(tǒng)越來越多地采用了衛(wèi)星多波束技術。但是由于軌道高度，帶來了高時延；除此之外，隨著用戶的接入，同頻干擾噪聲的增加會影響信干噪比的大小，進一步影響系統(tǒng)的傳輸時延。所以，需要根據用戶的業(yè)務類型，不同波束的負載情況以及信道質量等制定合理的接入控制策略以保證用戶的時延要求。與此同時，geo衛(wèi)星造價高昂，帶寬、功率等星上資源匱乏，如何合理地利用星上資源也是接入控制策略需要考慮的因素之一。

geo衛(wèi)星系統(tǒng)為全球提供同步服務，它可以擴大地面通信面積，為全球用戶提供接入服務，是通信系統(tǒng)中的重要組成部分。然而，由于星上處理能力和帶寬、功率等星上資源的有限性，在某些場景中，衛(wèi)星系統(tǒng)很有可能不能滿足大量用戶的接入需求，這可能會使呼叫阻塞率(callblockingprobability，cbp)升高，從而不能保證用戶的qos(qualityofservice，服務質量)。其次，geo衛(wèi)星與用戶之間距離很長，通信時產生的路徑損耗和傳輸時延也不能被忽略。

綜上所述，如何減輕路徑損耗和傳輸時延的影響，最大化衛(wèi)星系統(tǒng)吞吐量和資源利用率以保證用戶的服務質量，成為接入策略設計中的主要問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在保證用戶接入要求的前提下最大化系統(tǒng)資源利用率，為用戶提供更高的服務質量；提出了一種基于最大化吞吐量的多波束geo系統(tǒng)接入控制策略。

具體步驟如下：

步驟一、針對m個新用戶的呼叫請求隊列，geo衛(wèi)星系統(tǒng)在當前的固定頻率復用因子下，依次接收呼叫請求，根據當前用戶需要的信道數尋找滿足cio≤cia的波束；

cia為波束的可用信道數；cio為當前新用戶的呼叫請求發(fā)起時需要的信道數；

當前用戶的呼叫請求初始值為1；geo衛(wèi)星系統(tǒng)中滿足cio≤cia的波束總數為n個；

步驟二、針對滿足條件的n個波束，分別計算每個波束接收當前用戶的信噪比sinr；

針對第i個波束接收當前用戶的呼叫請求時的信噪比sinri計算如下：

si是當前用戶接入第i個波束時的信號功率；ii是第i個波束中干擾信號的功率，ni表示第i個波束的噪聲功率。

步驟三、利用n個信噪比sinr，計算當前用戶分別接入每個波束時的傳輸時延，并選擇傳輸時延小于系統(tǒng)時延閾值τ的波束，進入步驟四，否則，拒絕新用戶的接入；

該用戶接入第i個波束的傳輸時延di：

bi表示第i個波束的帶寬，c表示用戶要傳送的數據量；

步驟四、將當前用戶依次接入滿足條件的n'個波束，分別計算在每個波束下geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量；

該用戶接入第i個波束時，geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量ti；

步驟五、選擇該geo衛(wèi)星系統(tǒng)的n'個總吞吐量中最大的值，將當前用戶接入到該最大值對應的波束中；

步驟六、順序選擇下一個呼叫請求，重復步驟一到步驟五，直至m個呼叫請求全部接入到對應的波束中，計算此時geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量之和；

步驟七、選擇下一個固定頻率復用因子，重復步驟一到步驟六，計算該呼叫請求隊列在該固定頻率復用因子下的geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量之和；

步驟八、直至用完全部的固定頻率復用因子，選擇總吞吐量之和中的最大值，對應的頻率復用因子作為最優(yōu)頻率復用因子，每個呼叫請求對應的波束作為最終的接入方式。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1)、一種基于最大化吞吐量的多波束geo系統(tǒng)接入控制方法，通過考慮路徑損耗、用戶到達率和頻率復用因子，在滿足傳輸時延閾值的情況下，最大化系統(tǒng)吞吐量。

2)、一種基于最大化吞吐量的多波束geo系統(tǒng)接入控制方法，頻率復用因子在一些場景中很大地影響著系統(tǒng)表現(xiàn)，是一個很重要的參數。與傳統(tǒng)方案相比，本發(fā)明提出的策略在最優(yōu)化資源利用率的方面有著更好的表現(xiàn)，在最大化系統(tǒng)吞吐量方面有著顯著的成效。

附圖說明

圖1是本發(fā)明采用的多波束geo衛(wèi)星模型示意圖；

圖2是本發(fā)明多波束geo衛(wèi)星系統(tǒng)中頻率不同的7個波束產生的頻率復用因子；

圖3是本發(fā)明基于最大化吞吐量的多波束geo系統(tǒng)接入控制方法流程圖。

具體實施例

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方法進行詳細說明。

本發(fā)明提出了一種基于最大化吞吐量的多波束geo系統(tǒng)接入控制策略(acalladmissioncontrolschemebasedonmaximizingthroughputforthemulti-beamgeosatellitecommunicationsystem)；首先對geo通信系統(tǒng)進行建模分析，如圖1所示，是一個多波束geo衛(wèi)星，它可以為移動電話、飛機和車載電話等提供服務；由于用戶終端的不均勻分布和新呼叫產生的隨機性，每個波束的信道條件都不相同。因此多波束geo系統(tǒng)接入控制策略中的主要問題是波束的選擇：假設1個geo衛(wèi)星系統(tǒng)有多個波束，當有新呼叫請求時，系統(tǒng)將會決定是否允許新呼叫請求接入，如果允許為其分配合適的波束；且波束的信道條件必須滿足新呼叫請求的要求，同時使geo衛(wèi)星系統(tǒng)的吞吐量最大化。

多波束使得頻率復用成為可能，在本實施例的多波束geo衛(wèi)星系統(tǒng)中，考慮頻率復用技術，如圖2所示，f1到f7代表頻率不同的7個波束，它們的頻率復用因子分別是3、4和7?？傮w來說，頻率復用因子越高，頻譜利用率越高；但是，相鄰波束之間的同頻干擾會大幅增加，尤其是波束邊緣，導致接入用戶的信噪比會降低。而當同頻干擾降低，衛(wèi)星系統(tǒng)可以達到更高的總吞吐量；因此選取一個最優(yōu)的系統(tǒng)頻率復用因子，最大化系統(tǒng)吞吐量是重點。

當geo衛(wèi)星中有ct個信道，頻率復用因子是因此每個波束的信道即為本發(fā)明基于最大化吞吐量的多波束geo系統(tǒng)接入控制策略如下：

1)實時計算geo衛(wèi)星系統(tǒng)資源分配情況并更新；

2)當有新用戶發(fā)起呼叫請求，首先檢查資源狀態(tài)，決定是否允許呼叫接入；

3)如果當前空閑資源足夠，則計算每個波束的傳輸時延；

首先計算范根波束的傳輸時延，新用戶的接入會給網絡和信道狀況帶來改變，從而改變傳輸時延；然后計算同頻波束的傳輸時延，由于信道干擾的不同，同頻波束的信噪比可能會受到新用戶接入的影響，這也使傳輸時延發(fā)生改變。

4)將di與傳輸時延閾值τ作比較，如果di≤τ，則進行下一步，否則拒絕此呼叫請求；

5)計算系統(tǒng)的總吞吐量選擇分配最優(yōu)的波束，允許用戶接入；

6)當有新用戶請求接入時重復以上步驟。

具體步驟如下：

步驟一、針對m個新用戶的呼叫請求隊列，多波束geo衛(wèi)星系統(tǒng)在當前的固定頻率復用因子下，依次接收呼叫請求，根據當前用戶需要的信道數尋找滿足cio≤cia的波束；

cia為波束的可用信道數；cio為當前新用戶的呼叫請求發(fā)起時需要的信道數；

呼叫請求隊列集合為{1,2,...,m,...m}；當前用戶的呼叫請求初始值為1；

多波束geo衛(wèi)星系統(tǒng)中滿足cio≤cia的波束總數為n個；多波束geo衛(wèi)星系統(tǒng)中的信道為ct個，頻率復用因子為因此每個波束的信道即為

步驟二、針對滿足條件的n個波束，分別計算每個波束接收當前用戶的信噪比sinr；

針對第i個波束接收當前用戶的呼叫請求時的信噪比sinri計算如下：

si是當前用戶接入第i個波束時的信號功率，與路徑損耗有關；ii是第i個波束中干擾信號的功率，ni表示第i個波束的噪聲功率。

步驟三、利用n個信噪比sinr，計算當前用戶分別接入每個波束時的傳輸時延，并選擇傳輸時延小于系統(tǒng)時延閾值τ的波束，進入步驟四，否則，拒絕新用戶的接入；

該用戶接入第i個波束的平均傳輸時延di：

bi表示第i個波束的帶寬，c表示用戶要傳送的數據量；

步驟四、將當前用戶依次接入滿足條件的n'個波束，分別計算在每個波束下geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量；

當前用戶滿足cio≤cia和di≤τ后接入到第i個波束，計算geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量ti；

步驟五、選擇該geo衛(wèi)星系統(tǒng)的n'個總吞吐量中最大的值，將當前用戶接入到該最大值對應的波束中；

從式中可以看出，最大化系統(tǒng)吞吐量的關鍵是信噪比sinr，而sinr會受到同頻波束干擾的影響；當更多的用戶接入網絡，就會帶來更大的干擾；干擾增加，sinr將會降低。每當有用戶發(fā)起請求，本發(fā)明將會計算當前衛(wèi)星系統(tǒng)資源配置情況和每個波束的sinr，來選擇最優(yōu)的波束接入用戶；同時也會考慮到傳輸時延閾值的要求。

步驟六、順序選擇下一個呼叫請求，重復步驟一到步驟五，直至m個呼叫請求全部接入到對應的波束中，計算此時geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量之和；

步驟七、選擇下一個固定頻率復用因子，重復步驟一到步驟六，計算該呼叫請求隊列在該固定頻率復用因子下的geo衛(wèi)星系統(tǒng)的總吞吐量之和；

步驟八、直至用完全部的固定頻率復用因子，選擇總吞吐量之和中的最大值，對應的頻率復用因子作為最優(yōu)頻率復用因子，每個呼叫請求對應的波束作為最終的接入方式。

在每個固定的頻率復用因子下，每個用戶的呼叫請求接入到geo衛(wèi)星系統(tǒng)中符合條件的不同的波束，導致geo衛(wèi)星系統(tǒng)產生不同的吞吐量，根據吞吐量最大值選擇每個用戶的最佳接入波束；

當該m個新用戶的呼叫請求隊列在固定的頻率復用因子下，分別接入到geo衛(wèi)星系統(tǒng)的最佳波束中，導致geo衛(wèi)星系統(tǒng)產生最佳總吞吐量之和。

針對不同的頻率復用因子，該m個新用戶的呼叫請求隊列會導致geo衛(wèi)星系統(tǒng)產生不同的最佳總吞吐量之和，從中選擇最大的最佳總吞吐量之和作為最終接入方式。