一种星载无线资源管理分配方法

本发明涉及一种星载无线资源管理分配方法，可广泛应用于宽带多媒体 卫星。

宽带多媒体通信卫星是我国重点发展的新一代通信卫星系统，系统无线 资源管理与分配作为关键技术之一，直接关乎系统性能和用户使用体验的优 劣程度。宽带多媒体卫星中不同业务类型申请对于实时性和QoS保证的要 求存在很大差异，系统的无线资源管理与分配过程需要体现不同业务的优先 级同时满足具体业务实时带宽需求的变化。另一方面，传统的无线资源管理 与分配策略并没有考虑当前系统内各个信道的质量和实际使用状况，只是通 过一定的分配策略将当前的空闲信道或时隙分配给发起申请的用户。这样的 分配策略将导致一些质量较差的信道或时隙被分配给了当前申请，而一些质 量较好的信道/时隙却被闲置，整个系统的频谱资源并没有得到有效的利用。

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种星载无线资源 管理分配方法，该方法使整个宽带多媒体通信卫星系统的频谱资源能够得到 有效的利用，满足了静止轨道(GEO)卫星宽带多媒体应用的星载动态无线 资源管理与分配。

本发明的技术解决方案：一种星载无线资源管理分配方法实现如下：

(1)业务申请到多优先级业务队列映射

(1)业务申请到多优先级业务队列映射

将系统待处理业务队列划分为：实时业务队列，具有最高优先级；非实 时业务队列，具有高优先级；动态按需申请BoD业务队列，具有低优先级； 将不同类型的业务申请依次映射至所述相应的优先级业务队列，保证优先级 高的业务申请优先得到处理；所述不同类型的业务包括恒定比特率业务 (CBR)、实时可变比特率业务(RT-VBR)、非实时可变比特率业务 (NRT-VBR)、可用比特率业务(ABR)、未定比特率业务(UBR)和动态按需 申请BoD业务；所述动态按需申请BoD业务包括：RT-VBR业务、NRT-VBR 业务、ABR业务通信维持阶段的动态带宽按需申请；

将恒定比特率业务(CBR)、实时可变比特率业务(RT-VBR)映射至实时业 务队列；将非实时可变比特率业务(NRT-VBR)、可用比特率业务(ABR)映射 至非实时业务队列；将未定比特率业务(UBR)、动态按需申请BoD业务 映射至BoD业务队列；

(2)多优先级业务队列调度

其次进行多优先级业务队列调度，调度时首先对实时业务队列、非实时 业务队列和BoD业务队列的业务处理量进行评估，根据业务量确定不同优 先级业务队列占取业务处理时间的比例，并由此确定不同优先级队列中一次 处理的业务数据包数，在每次调度时根据不同优先级队列的处理单位数对各 队列依次进行调度，在保证高优先级业务申请优先得到处理的同时兼顾处理 的公平性；

(3)基于频谱检测的无线资源管理与分配

进行业务处理过程中，完成系统无线资源的管理与分配基于频谱检测结 果，实现过程为：首先根据空间频谱检测结果对频谱资源的质量等级进行划 分，对干扰类型进行记录，分别更新和维护对应不同质量等级的资源配置表； 其次根据业务申请的优先级与类型为不同申请分配不同质量等级的频谱资 源，保证高优先级的申请优先获取高质量的频谱资源，提高频谱利用率；

(4)对系统进行无线资源管理与分配

对系统进行无线资源管理与分配时，根据干扰量级和干扰时间特性完成 频谱资源的动态指配，在保证通信质量的同时达到了规避干扰的效果。

本发明的原理：GEO宽带多媒体卫星系统中，不同业务类型申请对于 实时性和QoS保证的要求存在很大差异，系统的无线资源管理与分配过程 需要体现不同业务的优先级同时满足具体业务实时带宽需求的变化；另一方 面，受不同形式干扰的影响，空间频谱的质量状况及对正常通信的影响程度 也存在着很大差异，传统的无线资源管理与分配策略并未结合频谱检测结 果，整个系统的频谱资源无法得到有效的利用。

本发明基于以上两点从四个方面结合业务优先级与频谱检测结果给出 一种星载无线资源管理分配方法。

首先根据宽带多媒体卫星业务类型及星上ATM交换技术特点将系统待 处理业务队列划分为：实时业务队列(最高优先级)、非实时业务队列(高 优先级)和BoD业务队列(低优先级)，通过将不同类型的业务申请依次 映射至相应的优先级业务队列，保证优先级高的业务申请优先得到处理；

其次业务队列进行调度时，对实时业务队列、非实时业务队列和BoD 业务队列的业务处理量进行评估，根据业务量确定不同优先级业务队列占取 业务处理时间的比例，并由此确定不同优先级队列中一次处理的业务数据包 数，在每次调度时根据不同优先级队列的处理单位数对各队列依次进行调 度，在保证高优先级业务申请优先得到处理的同时兼顾处理的公平性；

业务处理过程中，系统无线资源的管理与分配基于频谱检测结果完成。 首先根据空间频谱检测结果对频谱资源的质量等级进行划分，分别更新和维 护对应不同质量等级的资源配置表；其次根据业务申请的优先级与类型为其 分配不同质量等级的频谱资源，保证高优先级的申请优先获取高质量的频谱 资源，提高频谱利用率；

最后对MF-TDMA系统进行无线资源管理与分配时，对不同频点的干扰 量级、干扰出现时刻及持续时间等进行评估，根据干扰在频段和时段的分布 特性与干扰量级，采取针对性的处理策略完成频谱资源的动态指配以规避干 扰。

本发明的优点在于：本发明由于采有业务申请到多优先级业务队列映 射、多优先级业务队列调度、基于频谱检测的无线资源管理与分配、结合频 谱质量评估与干扰量级及时段特性分析的频谱资源动态指配四个技术方案， 使整个系统的频谱资源能够得到有效的利用，在保证通信质量的同时达到了 规避干扰的效果，满足了静止轨道(GEO)卫星宽带多媒体应用的星载动态 无线资源管理与分配。

图1为本发明业务映射及多优先级业务队列处理流程图；

图2为本发明多优先级业务队列调度算法示意图；

图3为本发明基于频谱检测结果的无线资源管理与分配流程图。

本发明包括：业务申请到多优先级业务队列映射、多优先级业务队列调 度、基于频谱检测的无线资源管理与分配、结合频谱质量评估与干扰量级及 时段特性分析的频谱资源动态指配四个组成部分。

如图1、表1、表2所示，根据表1所示的业务类型划分及其实时性与 QoS要求首先将系统待处理业务队列划分为：实时业务队列(最高优先级)、 非实时业务队列(高优先级)和BoD业务队列(低优先级)；其次按表2 规定的方式完成业务映射：(1)恒定比特率业务(CBR)、实时可变比特率 业务(RT-VBR)映射至实时业务队列；(2)非实时可变比特率业务 (NRT-VBR)、可用比特率业务(ABR)映射至非实时业务队列；(3)未定比 特率业务(UBR)、动态按需申请BoD；动态按需申请BoD(包括：RT-VBR 业务、NRT-VBR业务、ABR业务通信维持阶段的动态带宽按需申请)映射 至BoD业务队列，最后依次完成对各优先级业务队列的调度和处理。

RT-VBR业务、NRT-VBR业务和ABR业务采用固定与按需分配组合的 资源分配方式。在通信或连接建立阶段，无线资源管理单元(RRM)为连 接固定分配一定数量的时隙资源；在通信维持阶段，终端根据业务ATM信 元的实际到达速率，在固定分配时隙资源不能满足需求的情况下，采用动态 按需申请方式发送资源请求(基于速率或基于容量的动态带宽请求)到 RRM，RRM为终端分配额外的时隙资源。

表1为本发明业务映射及多优先级业务队列处理流程

表2为本发明多优先级业务队列映射方式

如图1所示，业务申请处理流程实施步骤如下：

(1)从中断数据接收队列中读取待处理业务申请包；

(2)根据业务申请包中的业务类型，按表2中规定的映射方式将待处 理业务申请包拷贝至对应的优先级业务队列中；

(3)按图2所示的多优先级业务队列调度算法依次完成对实时业务队 列、非实时业务队列和BoD业务队列的调度处理；

(4)调度至本队列时，依次对队列中的业务申请进行处理。按图3所 示流程，基于频谱检测结果完成对无线资源的管理与分配；

(5)将无线资源分配结果发送给发起申请的用户。

如图2所示，多优先级业务队列调度实施步骤如下：

(1)根据有关文献对宽带多媒体系统的业务统计结果，实时业务占系 统总业务量的60％～70％左右，其余为非实时业务。本发明中结合上述统计 结果将实时业务队列、非实时业务队列和BoD业务队列占取业务处理时间 的比例划分为3∶2∶2；

(2)本发明中实时业务队列、非实时业务队列和BoD业务队列采用相 同的队列长度，根据上述(1)中划分的比例，用队列长度乘以对应的比例 即可得到各优先级队列一次调度处理的最大业务数据包数。例如：若队列长 度设置为70，则实时业务队列、非实时业务队列和BoD业务队列一次调度 处理的最大业务数据包数分别为：30包、20包、20包；

(3)在每一轮处理过程开始时，按照优先级依次对实时业务队列、非 实时业务队列和BoD业务队列进行调度；

(4)对单个队列进行调度处理时，依次逐个从队列中提取业务申请包 并完成业务处理，若队列中已无待处理业务申请包则直接切换至下一级队 列，否则判别已处理的业务申请包数是否已达到该队列一次调度处理的最大 业务数据包数，若已达到最大包数，即使该队列中仍有待处理业务申请包也 需要切换至下一级队列。例如：实时业务队列中待处理业务申请包数为10， 当调度至该队列时，依次处理队列中的业务申请，处理完10包后，因为该 队列中已无待处理业务，因而直接切换至非实时业务队列，开始对非实时业 务队列的调度处理过程。若当前非实时业务队列中待处理业务申请包数为 25，依次处理队列中的业务申请，处理完20包后，尽管队列中还有5包业 务申请未进行处理，但是处理包数已达到该队列一次调度处理的最大业务数 据包数，因而需要切换至BoD业务队列，开始对BoD业务队列的调度处理；

(5)按步骤(4)依次完成对实时业务队列、非实时业务队列和BoD 业务队列的一次调度处理后，标志着本轮的调度处理过程结束，返回至步骤 (3)开始新一轮的调度处理过程。

如图3所示，基于频谱检测结果的无线资源管理与分配实施步骤如下：

(1)星载频谱检测单元在系统频带范围内对各子带的频谱质量进行检 测，子带在MF-TDMA系统中对应为各子载波的频带带宽。例如：若系统可 用的频带范围大小为24MHz，各子载波的频带带宽为512kHz，那么星载频 谱检测单元需要完成24MHz频带范围内的频谱检测工作，形成48个子带 (24M/512k＝48)的频谱质量评估结果；

(2)星载频谱检测单元在检测过程中利用具体的检测算法(如：能量 检测法、循环平稳特征检测法等)根据检测门限设置对对应子带的受干扰量 级/质量等级进行评估，形成各子带的频谱质量检测结果。因为检测结果主 要用来为后续的无线资源管理与分配提供依据，因而对检测精度的要求可以 适当放宽，只需获得子带的频谱质量等级评估结果。

本发明中针对MF-TDMA系统将子带(对应各子载波)的频谱质量等级 划分为无干扰(频谱干扰量级很轻，可提供优质的通信服务质量)、轻度干 扰(频谱干扰量级较轻，对通信质量有所影响，但可提供基本的通信服务质 量)和重度干扰(频谱干扰严重，无法满足基本的通信服务质量要求)三级 (也可以根据实际情况进行更细的划分)；若星载频谱检测单元的检测精度 较高，可对频谱质量等级划分更多的级别。星载无线资源管理单元根据频谱 检测单元提交的检测结果对干扰类型进行记录，分别更新和维护无干扰、轻 度干扰和重度干扰资源配置表无线资源配置总表设计如下：

表3

星载无线资源管理单元根据频谱检测单元提交的频谱质量检测结果维 护和更新无线资源配置总表：若子载波对应子带上的干扰十分严重，无法满 足正常的通信要求，则子载波可用标识字段置为不可用，否则子载波可用标 识字段置为可用并根据具体的检测结果填写子载波频谱质量等级字段的等 级数据(如：无干扰、轻度干扰等)；根据检测结果中有关子带干扰类型及 干扰时段分布规律的描述填写子载波干扰类型字段和子载波干扰时段分布 规律字段的具体数值。

针对无干扰、轻度干扰、重度干扰三种频谱质量等级，分别建立无干扰、 轻度干扰、重度干扰资源配置检索表，三类检索表中分别记录了相应质量等 级的频谱资源在无线资源配置总表中的对应表项和具体存储位置。检索表根 据频谱检测单元提交的检测结果及时进行调整和更新。在进行无线资源分配 时，根据业务申请的类型和优先级利用三类资源配置检索表可以很方便的检 索到对应质量等级的频谱资源以进行后续的资源分配过程。

(3)在对多优先级业务队列调度处理时，根据业务申请的优先级与类 型依次在无干扰、轻度干扰和重度干扰资源配置表中检索可用的资源，从而 为不同优先级的业务分配不同质量等级的频谱资源。

如表3所示，对于MF-TDMA系统，根据干扰量级和干扰时间特性完成 频谱资源的动态指配实施步骤如下：

(1)对于长时间重度干扰(如：一天24小时中，任何一个时段均有明 显的强干扰，严重影响正常通信)，将对应载波为不可用，对于新提交申请， 在确定预约载波时避开这些载波；对于已在该载波下分配资源终端的预约载 波进行调整，载波调整过程可采用可调整载波的预留算法(RCP-A)；

(2)对于长时间轻度干扰(如：一天24小时中，任何一个时段均有干 扰，但干扰量级较轻，虽然会使通信质量有所下降，但仍然能够满足基本的 通信要求)，根据干扰量级将对应的载波/时隙资源划归不同质量等级的资 源配置表；对于新提交申请，根据业务优先级等选择不同质量等级的资源配 置表为其分配资源；对于已在对应载波分配资源的终端，可视剩余资源状况、 用户意愿等选择性的进行资源调整以提高服务质量；

(3)对于短时随机重度干扰(如：一天24小时中，会随机的在某时段 出现，尽管每次出现时间较短，但发生的十分频繁，严重影响正常通信)， 对于频繁出现，每次持续时间较短但又没有时间分布规律的干扰，采用同步 骤(1)长时间重度干扰类似的处理方法；

(4)对于短时且具有时段和频段分布规律的重度干扰(如：一天24 小时中，只会在某个较短(如一小时左右)时段，如中午13:00～14:00 间，在某个频点(如：只出现在400MHz频点对应的子带范围内，至于具体 哪个频点，由统计结果来定，不属于本发明的范围)出现重度干扰，具有分 布规律；而在其他的时间段和频点，存在轻度干扰或无干扰，可以进行正常 通信)，结合时段和频段分布规律，在强干扰活跃期根据干扰量级将对应载 波/时隙置为不可用或置入不同质量等级的资源配置表，分别采用同步骤(1) 长时间重度干扰或同步骤(2)长时间轻度干扰类似的处理方法；在强干扰 平静期，根据干扰量级检测结果判别频谱资源能否满足基本的通信质量要 求，若能够满足，则将对应子载波重新恢复为可用并在相应质量等级的资源 配置检索表(如：无干扰资源配置检索表或轻度干扰资源配置检索表)中添 加对应的子载波资源配置检索表项。

表4针对不同干扰量级和干扰时间特性的频谱动态指配策略表