动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配方法

本发明属于资源分配的技术领域，具体涉及一种动态可变的MF-TDMA卫 星通信系统资源分配方法，通过不断调整链接申请的调制编码模式以 提高系统容量。

多频时分接入技术 (MF-TDMA)是宽带多媒体卫星通信系统关键技术之 一，是目前卫星通信技术研究的热点，其具有分配策略灵活和信道利 用率高等特点。因此，在我军的卫星通信系统中也得到越来越广泛的 应用。一般的MF-TDMA卫星通信系统配置如图1所示，系统由若干地面 终端和网控中心组成，每个地面终端为可以同时支持多个链接，如电 话、传真以及IP数据等等。地面终端根据其支持的链接向网控中心发 送链接请求，网控中心根据相应的资源分配算法为每个链接分配资源 。

MF-TDMA卫星通信系统的信道结构如图2所示，其既有时分复用的特点 ，又有频分复用的特点。信道按工作频率分割为多个子载波，每个子 载波划分为多个时隙。MF-TDMA信道上不同载波上的时隙长度可以相等 ，也可以不等，不同时隙也可以采用不同的调制编码方式。MF-TDMA卫 星通信系统的资源分配就是在满足系统限制条件下，在不同的载波上 为不同链接申请分配其需要的时隙。

目前已有的研究集中于上行采用MF-TDMA体制，下行采用TDM（时分复 用）体制的卫星通信系统，并且在进行资源分配时有如下限制条件：

（1）同一信道的同一时隙资源不能分配给不同的申请终端；

（2）一个终端获得分配的时隙资源的总数不能超过一个的载波中用于 动态分配的总的时隙数；

（3）在不同载波上为终端分配时隙资源时，同一个时刻不同载波的时 隙不 能分配给同一个终端用户；

（4）为同一个用户的不同链接申请分配的资源都集中到一个载波中。

针对上述的卫星通信系统体制及其限制条件，Jung Min Park等人提 出的两阶段法，其首先根据链路情况为每个链接申请选择合适的调制 编码模式，计算其相应需要的时隙，然后采用RCP-Fit算法在整个时频 资源上为每个链接申请分配时隙。张军、董启佳等人对RCP-Fit算法进 行改进，提出的RCP-A算法。这些已有的技术手段主要存在如下3个问 题：

（1）在考虑系统模型时候把所有载波的速率都设为一致，当申请的业 务量变化范围很大时，这样的设置会带来问题。业务量大的申请占用 时隙过长，由于限制条件3的存在，为后续其他申请分配带来困难；业 务量小的申请却不能占满一个时隙，造成资源的浪费。

（2）上述RCP-Fit算法和RCP-A算法主要是消除限制条件4给系统分配 资源带来的不利影响。然而随着硬件水平的提高，限制条件4完全可以 忽略，因此在分配时隙时候采用这两种算法优点无法体现，而其算法 复杂度高的缺点却暴露出来。为此本发明设计了一种新的时隙分配算 法，与上述两种算法相比，其复杂度降低，更加便于实现。

（3）在为每个链接申请选择调制编码模式时完全根据链路条件，而忽 略了系统总体时隙资源使用情况。如果系统总体时隙资源比较富裕， 而链路申请采用了比较高阶的调制编码模式，这样地面终端的发射功 率便要提高，造成没有必要的浪费；如果系统总体时隙资源比较紧张 ，而链路采用了比较低阶的调制编码模式，这样系统无法容纳更多的 链接申请。

为此本发明在考虑卫星通信系统体制时便于以上研究不同，本发明针 对的MF-TDMA卫星通信系统中载波速率分为不同的几档，并且在研究分 配资源算法时去掉上述限制条件（4）。

本发明的目的在于提供一种动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配 方法，解决上下行都采用MF-TDMA体制的卫星通信系统中的时频资源分 配问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种动态可变的MF-TDMA卫星通信 系统资源分配方法，分配步骤如下：

步骤1、将每个链接申请分配到不同的载波上：

设N表示载波的总数量；W表示申请的总数量；S_total为载波速率总和，D_total
表示链接申请的总业务量；表示所有载波的集合，，其中F_i表示第
i条载波，并且假设载波按照载波速率的大小进行升序排列，即S₁≤S
₂≤……≤S_N，S_i表示第i条载波的载波速率；c表示所有链接申请的集
合，c = {C₁,C₂,…,C_W}，其中C_i表示第i个链接申请，并且按照链
接申请业务量的大小进行排序，即D₁≤D₂≤……≤D_W，D_i表示第i个链
接申请的业务量；Y_i表示第i条载波的时隙数目；

步骤1-1：从载波集合中的第一个载波开始其为分配链接申请，需要
分配在此载波上链接申请的总业务量为D_totalS₁/S_total，然后从链接申请集合
c中的第一个链接申请开始，取x个链接申请，满足的条件，则分配到
第一个载波的链接申请数目j=min{x,Y_i}，进入步骤1-2；

步骤1-2：从载波集合和链接申请集合中去掉已经分配的载波和链接申
请，即, c←c-{C₁,C₂,…,C_T}，判断是否所有的链接申请已经分配
到载波上，即或c是否为空集，若否，转入步骤1-1；若是，载波分配
结束，进入步骤2；

步骤2、为同一个载波上的不同链接申请选择调制编码模式，然后确定 需要为其分配的时隙：

步骤2-1：将同一个载波上的每个链接申请的调制编码模式设为最低阶 的调制编码模式，然后根据公式8确定每个链接申请的链路余量，进入 步骤2-2；

步骤2-2：根据公式1确定此时需要的总时隙，如果所有链接申请需要 的总 时隙没有超过载波的总时隙，则转入步骤2-5；否则，进入步骤2-3；

步骤2-3：选择链路余量最大的链接申请，并判断此申请是否支持效率 高一阶的调制编码方式，如果支持，则将此链接申请的调制编码模式 提高一阶，并修改其链路余量，然后进入步骤2-4；如果不支持，则此 终端调制方式不再改变，继续选择下一个链路余量最大的链接申请， 重复步骤2-3；

步骤2-4：判断是否所有的链接申请都选择了其所能支持的最高阶的调 制编码模式，如果是，跳至步骤2-5；否则转入步骤2-2；

步骤2-5：链接申请的调制模式调整过程结束，根据链接申请的业务量 ，按照公式1计算链接申请需要分配的时隙数目，进入步骤3；

步骤3、在得到为每个链接申请所需要分配的时隙数目后，为每个链接 申请在信道结构中分配时隙：

步骤3-1：确定剩余时间最大的载波，如果两个载波剩余时间一样，则 选择时隙长度大的载波，进入步骤3-2；

步骤3-2：在剩余时间最大的载波上为其链接申请分配时隙时，如果此 载波上的当前待分配链接申请的发送端和前面已分配的申请关于限制 条件3没有冲突，则在此载波上为当前待分配的链接申请分配时隙，并 将此载波的剩余时隙数减去当前申请的申请时隙数目，进入步骤3-3； 如果当前待分配申请和前面以分配的申请关于限制条件3冲突，选择同 一载波上的下一个申请，重复步骤3-2；如果当前时隙对于所有的申请 都不合适，则当前时隙不分配，并且此载波的剩余时隙减1，跳至步骤 3-3；

步骤3-3：判断所有载波的申请是否全部分配完毕或者所有载波的时隙 是否全部利用完毕，若是，则分配结束；否则转入步骤3-1。

本发明与现有技术相比，其显著优点：MF-TDMA卫星通信系统资源分配 方案通过不断调整每个链接申请的调制编码模式，在有限的系统资源 情况下，尽最大可能的为更多的链接申请提供服务。本发明提高系统 容量，减小了链接申请的拒绝率。

图1是本发明动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配方法的MF-TDM A卫星通信系统配置图。

图2是本发明动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配方法的MF-TDM A信道结构图。

图3是本发明动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配方法的每个时 隙的结构图。

图4是本发明动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配方法的实施例 中模式1和模式6占用比例示意图。

图5是本发明动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配方法的实施例 中系统时隙利用率示意图。

图6是本发明动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源分配方法的流程图 。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，MF-TDMA卫星通信系统由一个网控中心和若干地面站组成，
其中每个地面站可以同时支持多个链接。设系统中有K个终端，W个链
接申请。第i个终端能够支持的调制编码种类为V_i，其支持的链接申请
集合记为，i∈{1,2,…,K}。

结合图3，每个时隙由时隙头、业务部分以及时隙尾组成。时隙头由若
干符号组成，其主要用于位定时；业务部分主要用来传输有效信息；
时隙尾是一段空余时间，其主要用于时隙保护。设MF-TDMA卫星通信系
统的信道由N个载波构成，N∈{1,2,3,4,……}，第i个载波的符号速率
和时隙长度为S_i和L_i，每个时隙的时隙头为H_i，时隙尾为T_i，其中i∈
{1,2,……,N}。每个帧的长度为T_frame，则第i个载波上的时隙数目Y_i为
。

设第i个链接的链接申请的业务量为D_i，为其分配的调制编码模式为m
_i，调制编码模式对应的带宽效率为η_i，解调时需要的门限信噪比为
。如果第i个链接分配的第n个载波上，则记为，否则，i∈{1,2,…
,W}, n∈{1,2,…,N}。因此第i个链接分配到第n个载波需要分配的时
隙数目为：

设第i个申请分配在第n个载波上的起始时隙尾，，则其终止时隙。
根据每个载波上时隙的长度可以计算出为每个链接分配的用于传输信
息时间的起止时刻p_i和q_i为：

$p_i=(b_n^i-1)L_n---\left(2\right)$

$q_i=(e_n^i-1)L_n---\left(3\right)$

根据MF-TDMA卫星通信系统资源分配时的限制条件，可以将资源分配建 模为如下的整数规划问题:

$\underset{w_n^i,m_i,b_n^i}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{W}{\Sigma }}{w}_n^i---\left(4\right)$

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{W}{\Sigma }}{a}_n^i\le Y_n---\left(5\right)$

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{w}_n^i\le 1,\forall 1\in \{1,...,W\},w_n^i\in \left\{\mathrm{0,1}\right\}---\left(6\right)$

上述优化问题的优化目标为最大化链接申请的数目，优化的变量为、
m_i、，即如何为每个链接分配到不同的载波上，为每个链接分配调制
编码模式、为每个链接在载波上分配起始时隙。由于整数规划问题一
般都是NP-hard问题，因此随着申请个数的增加，求解最优解的算法复
杂度大大增加，导致无法在有限时间内得到最优解。

结合图2、图4、图5和图6，一种动态可变的MF-TDMA卫星通信系统资源 分配方法，方法步骤如下：

步骤1：将每个链接申请分配到不同的载波上。

设N表示载波的总数量；W表示申请的总数量；S_total为载波速率总和，D_total
表示链接申请的总业务量；表示所有载波的集合，，其中F_i表示第
i条载波，并且假设载波按照载波速率的大小进行升序排列，即S₁≤S
₂≤……≤S_N，S_i表示第i条载波的载波速率；c表示所有链接申请的集
合，c = {C₁,C₂,…,C_W}，其中C_i表示第i个链接申请，并且按照链
接申请业务量的大小进行排序，即D₁≤D₂≤……≤D_W，D_i表示第i个链
接申请的业务量；Y_i表示第i条载波的时隙数目；具体分配步骤如下：

步骤1-1：从载波集合中的第一个载波开始其为分配链接申请，需要
分配在此载波上链接申请的总业务量为D_totalS₁/S_total，然后从链接申请集合
c中的第一个链接申请开始，取x个链接申请，满足的条件，则分配到
第一个载波的链接申请数目j=min{x,Y_i}，进入步骤1-2；

步骤1-2：判断是否所有的链接申请已经分配到载波上，若为否，从载 波集合和链接申请集合中去掉已经分配的载波和链接申请，重复步骤 1-1；若为是，载波分配结束，进入步骤2。

步骤2：为每个链接申请选择合适的调制编码模式并确定需要为其分配 的时隙。

一般对于调制模式而言，带宽效率越高，其功率效率越低。如果选择 了高阶的调制模式，虽然对于时频资源分配有利，但是对于地面终端 的发送功率要求很高，尤其是使用电池的小型终端，这点很难满足。 如果选择了低阶的调制模式，虽然对于地面终端的发送功率要求小了 ，但是其占用的时隙相对而言就较长，根据上述限制条件3，会给资源 分配带来很不利的影响，无法同时满足很多申请。 对于一个链接申请的合理的调制编码模式选择必须满足下面的卫星链 路计算方程：

$\left[M_i\right]=\left[{\left(\frac{C}{T}\right)}^i\right]-\left[{\left(\frac{C}{T}\right)}_{\mathrm{th}}^i\right]\ge 0---\left(8\right)$

${\left(\frac{C}{T}\right)}_{\mathrm{th}}^i={\left(\frac{E_b}{n_0}\right)}_{\mathrm{th}}^i·D_i·k---\left(9\right)$

上式(8)和(9)中，[ ]表示一种运算，[x] = 10log(x)；M_i 表示
第i个链路申请的链路余量；D_i表示第i个链路申请的业务量；k表示波
尔兹曼常数；表示选择的调制编码模式对应的解调比特信噪比；(C/
T)ⁱ表示第i个链路整个链路的载波功率与噪声温度比，其可有下面公
式计算得到：

${\left\{{(C/T)}^i\right\}}^{-1}={\left\{{(c/T)}_{\mathrm{up}}^i\right\}}^{-1}+{\left\{{(C/T)}_{\mathrm{down}}^i\right\}}^{-1}---\left(10\right)$

上式(10)-(12)中，表示第i条链路申请的上行链路载波功率与噪声温
度比；表示第i条链路申请的下行链路载波功率与噪声温度比；表示
第i个链路申请发端地面站的EIRP值；表示第i个链路申请的上行链路
损耗；(G/T)_S表示卫星接收系统的G/T值；G_S表示卫星的通道增益，由
卫星接收天线增益、功率放大器增益以及发射天线增益组成；表示第
i个链路申请的下行链路损耗；第i个链路申请的接收端地面站接收系
统G/T值。

由上述方程(8)-(12)可知，一个链路申请的和值越大，在相同的链
路余量前提下，其能够支持的调制编码模式越多；而在采用相同调制
编码模式的前提下，其链路余量越大。因此系统余量大的链接申请，
其进一步提高调制
编码模式带宽效率的可能性更大，因此可用链路余量作为调制编码模
式调整的依据。

在同一个载波上为不同链接申请选择调制编码模式可以按照如下算法 进行：

步骤2-1：将每个链接申请的调制编码模式定为最低阶的调制编码模式 ，然后根据公式(8)计算每个链接申请的链路余量，进入步骤2-2。

步骤2-2：根据公式(1)确定此时需要的总时隙，如果所有链接申请需 要的总时隙没有超过载波的总时隙，则转入步骤2-5；否则，进入步骤 2-3。

步骤2-3：选择链路余量最大的链接申请，并判断此申请是否支持效率 高一阶的调制编码方式（如QPSK相对BPSK高一阶），如果支持，则将 此链接申请的调制编码模式提高一阶，并修改其链路余量，然后进入 步骤2-4；如果不支持，则此终端调制方式不再改变，继续选择下一个 链路余量最大的链接申请，重复步骤2-3。

步骤2-4：判断是否所有的链接申请都选择了其所能支持的最高阶的调 制编码模式，如果是，跳至步骤2-5；否则转入步骤2-2。

步骤2-5：链接申请的调制模式调整过程结束，根据链接申请的业务量 ，按照公式(1)计算需要分配的时隙数目，进入步骤3。

步骤3：为每个链接申请在信道结构中分配时隙

在得到为每个链接申请所需要分配的时隙数目后，根据如下算法进行 时隙分配：

步骤3-1：确定剩余时间最大的载波，如果两个载波剩余时间一样，则 选择时隙长度大的载波，进入步骤3-2；

步骤3-2：在剩余时间最大的载波上为其链接申请分配时隙时，如果此 载波上的当前待分配链接申请的发送端和前面已分配的申请关于限制 条件3没有冲突，则在此载波上为当前待分配的链接申请分配时隙，并 将此载波的剩余时隙数减去当前申请的申请时隙数目，进入步骤3-3； 如果当前待分配申请和前面以分 配的申请关于限制条件3冲突，选择同一载波上的下一个申请，重复步 骤3-2；如果当前时隙对于所有的申请都不合适，则当前时隙不分配， 并且此载波的剩余时隙减1，跳至步骤3-3； 

步骤3-3：判断所有载波的申请是否全部分配完毕或者所有载波的时隙 是否全部利用完毕，若是，则分配结束；否则转入步骤3-1。

下面以如下一个实施例说明本发明的效果。实施例中的MF-TDMA卫星通 信系统的参数如下表所示：

系统中每个链接申请源站和目的站都是在这20个地面站中随机选取， 链接申请的业务量服从均值为w的指数分配。图4显示出链接申请的调 制编码模式随着系统总业务申请量的变化而变化，图中模式1指BPSK( 1/2)，模式6指 16PSK(7/8)。从图4中可以发现，当系统总业务申请量小时，每个链接 申请的调制编码模式相对低阶，以节省地面站的发射功率。当系统总 的业务申请量大时，每个链接申请的调制编码模式相对高阶，以容纳 更多的业务申请。图5显示出系统时隙资源利用率的情况。从图5中可 以发现，系统资源利用率基本保持在一个比较高的状态，很少造成资 源的浪费。