一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道选择方法

技术领域

本发明属于航天信息领域，具体涉及一种应用于航天信息领域的MF-TDMA通信卫星的 无线资源管理中载波信道的选择和预留方法，尤其是一种适合于实现多用户(包括地面用户 或航空飞行器)多业务通信的天基移动通信系统无线资源管理方法。

背景技术

天基移动通信系统是一种以卫星网络为主，利用不同轨道上多种类型的卫星作为网络的 接入节点来实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间相互通信的一种无线通信系统。该 通信系统具有星上自主的信息获取、存储、处理及分发能力，能与陆、海、空基的信息系统 互联，实现信息的多元、立体共享，成为下一代移动通信(4G)和国家信息高速公路的重要 组成部分。

宽带多媒体卫星通信系统的无线资源分配与管理是系统的关键技术之一。资源管理器的 本质就是要解决多用户多业务的无线资源共享问题。多频时分接入技术(MF-TDMA)是时分 技术和频分技术的结合，被广泛应用于ATM-based、DVB-based和IP-based等卫星通信 系统的上行链路设计中，是目前卫星移动通信技术研究的热点。它允许多连接共享无线上行 链路资源，其中上行链路由多个载波信道构成，每个载波信道又被细分为若干个时隙。这种 设计可以保证多用户、多业务接入的灵活性，提高卫星系统无线资源的利用率。在业务接入 阶段，需要针对每个连接的QoS请求在复杂的信道结构中分配时隙资源，在多用户、多业务 环境下时隙资源的有效管理面临着巨大的挑战，面向用户QoS地高效时隙资源分配算法一直 都是MF-TDMA技术的难点。

若将MF-TDMA中的载波/时隙资源占用表看成是一个二维的时隙矩阵，如图1所示， 其中列代表不同频率的载波，行表示按时间划分的时隙，则MF-TDMA时隙资源分配问题可 以描述为：在一定约束条件下，针对某业务对时隙数目的需求，如何从上述二维时隙矩阵中 的空闲时隙中寻最优时隙位置的问题。具体来说，当MF-TDMA时隙资源管理器收到某业 务的时隙请求后，资源管理器将从现有的空闲时隙中到合适的时隙分配给该业务，这种分 配是需要满足一定约束条件的，并且需要保证尽可能的为用户分配时隙，即时隙资源利用率 最优。

目前，对于MF-TDMA宽带多媒体卫星通信系统中，时隙资源分配问题中的约束条件主 要有如下4个：

(1)资源管理器响应终端发起的请求，为一个连接分配的资源要限制在一个载波中。

(2)资源管理器对同一终端的分配的时隙资源，在时间上不能重叠。

(3)为避免冲突的发生，同一个时隙资源不能同时分配给两个连接。

(4)为一个终端分配的时隙总数不能超过一个载波的时隙容量。

限制条件(1)、(2)是受限于当前MF-TDMA卫星系统的硬件发展，避免终端在通信 时频繁跳频而带来过高的系统代价，限制条件(1)同时是为了简化卫星的时隙分配问题；限 制条件(2)则是受限于终端设备的多频调制器，避免生成互调干扰。限制条件(3)是非冲 突资源分配的系统要求。而限制条件(4)则是根据前三条限制条件的一个推论。同时，为避 免由于在不同载波信道中进行时隙分配引起的时隙时间重叠，在为终端的不同连接分配时隙 资源时，要尽量将其分配到一个载波信道中。所以在为终端分配资源时，遵循了一个潜在的 规则：同一个用户的所有连接资源都分配到一个载波信道中。

MF-TDMA中的时隙资源分配问题可以分解为如下两个步骤：第一步是确定在哪个载 波信道中为终端用户分配资源，第二步是如何在该载波信道中确定可用时隙资源分配给终端。 其中，第一步需要解决用户载波信道选择问题，在这方面，最具代表的是Jung-Min Park 的RCP-fit算法。该算法中，MF-TDMA卫星系统的载波信道被划分成预约、共享等状态， 能够较好的避免时隙碎片在多载波信道结构中对时隙分配的负面影响。但RCP-fit算法不能 很好的适应多用户多业务的接入问题，如果用户被固定到一个载波信道中，由于不能灵活的 调整用户所在的载波信道，往往会导致载波信道的负载不均衡，时隙资源不能充分利用，系 统从而表现出低资源利用率和高连接拒绝率，需要针对其不足做出改进。

发明内容

本发明针对MF-TDMA卫星系统中的时隙资源分配中的载波信道选择问题，给出一种可 调整的载波信道选择方法，解决用户的载波信道选择问题，降低了由于载波信道负载不均衡 引起的资源利用率低的问题。采用可调整的载波信道选择方法，如果用户数不大于载波信道 数，那么每个用户将独占载波信道，可以保证用户的高带宽，高灵活性的要求；如果用户数 大于载波信道数，可以实现在尽量满足特殊高带宽终端独占信道的情况下，维持各个载波信 道的负载均衡，当出现用户多连接造成的载波信道负载不均衡时，对用户的信道进行调整， 避免用户拥有多业务连接时，由于固定载波信道预约策略而引起的时隙资源分配失败情况。

具体的载波信道选择方法如下步骤：

(I)终端A发起新的连接请求，并根据带宽需要向资源管理器发起时隙资源申请；

(II)资源管理器接收到终端A的时隙资源申请，判断终端A是否是首次发起时隙资源申请， 两种情况：一种情况是终端A初次发起时隙资源申请并且没有预定载波信道；另一种情况是 终端A不是初次发起时隙资源申请，即已有一个先前的连接被分配到某载波信道C中，那么 首先将载波信道C作为分配的目标载波信道；

对于情况一，如果终端A没有先前的连接，是初次发起时隙资源申请，并且没有预定载 波信道，则具有如下的处理过程：

1、查MF-TDMA系统中是否有空闲载波信道，如果有空闲载波信道，将该空闲载波信道 中合适的时隙资源分配给终端A，并在载波信道管理结构中做相应的标记，向终端A下发时 隙资源分配结果；如果没有，进入步骤2；

2、计算当前系统中各个载波信道的负载函数LoadCi，并到负载函数最小的载波信道作为分 配目标载波信道；

3、在目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功，将该载波信道中合适的时隙资源分配 给终端A，并在载波信道管理结构中做相应的标记，向终端A下发时隙资源分配结果；如果 失败，返回系统失败消息；

对于情况二，如果终端A不是初次发起时隙资源申请，即已有一个先前的连接被分配到 载波信道C中，即载波信道C为该终端A的预定载波信道时，其处理的过程为：

(1)将载波信道C作为时隙资源分配的目标载波信道，那么首先在该载波信道C中进行试 分配，如果成功，则进入步骤(3)；如果不成功，则进入步骤(2)；

(2)发起调整过程，尝试将终端A的所有连接调整到别的可用载波信道。所述的调整过程 具有如下步骤：

i、查询当前是否有空闲载波信道，记为C2，如果有，则直接把终端A的所有连接重定位 到空闲载波信道C2中，根据调整结果更新用户结构中的连接信息，将载波信道C2设定为 终端A的预约载波信道，在载波信道C结构中的用户列表中去掉终端A，在载波信道C2的 用户链表中添加终端A，载波信道调整成功进入步骤(3)；若没有空闲的载波信道，进入步 骤ii；

ii、获取终端A的所有连接情况，计算要调整终端A所有连接需要的时隙总数；

iii、计算各个载波信道的负载函数，将载波信道按照其负载函数进行排序，取负载最小载波 信道CLMIN；

iv、在载波信道CLMIN上进行试分配。尝试将终端A所有连接进行分配到载波信道CLMIN，在 载波信道CLMIN内进行重新定位；如果分配成功，即载波信道调整成功，根据调整结果更新用 户结构中的连接信息和载波信道结构中的用户链表，进入步骤(3)；如果分配不成功，还原 载波信道CLMIN的原分配信息，进入步骤v；

v、将载波信道按照当前分配的时隙数进行排序，到当前时隙使用率最低的载波信道CMIN；

vi、尝试将终端A所有连接分配到CMIN，在该载波信道内进行重新定位；如果分配成功，即 载波信道调整成功，根据调整结果更新用户结构中的连接信息和载波信道结构中的用户链表， 进入步骤(3)；如果分配失败，还原载波信道CMIN的原分配信息，进入步骤vii；

vii、载波信道调整失败，进入步骤(5)；

(3)将载波信道中查合适的时隙资源完成分配任务，并在载波信道管理结构中做相应的标 记；

(4)更新资源管理器中用户信息表中的用户连接和资源分配信息，并根据变化向终端下发新 的时隙分配结果；

(5)资源分配失败，拒绝终端连接申请。

本发明的优点在于：

(1)用户载波信道可调整，解决了固定用户载波信道在多用户多连接可能引起的载波信道负 载不均衡带来时隙资源浪费；载波信道调整过程可以使各个载波信道中用户分配不平衡状态 得到改善，而且新的分配过程有助于载波信道内时隙碎片的重新利用，降低了时隙资源申请 的拒绝率，并提高了时隙资源的利用率。

(2)选择负载最小的载波信道和利用率最小载波信道作为调整的目标，可以减少载波信道调 整过程的调用次数，保证调整过程成功概率。调整到负载最小或利用率最小的载波信道中， 可以避免由于载波信道负载不均衡引起的调整。

附图说明

图1MF-TDMA载波信道结构二维矩阵；

图2本发明的载波信道选择和预留方法的流程图；

图3本发明的载波信道选择和预留方法中的调整过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种MF-TDMA卫星系统中的载波信道选择方法进行详细说 明。

在进行载波信道管理时，资源管理器主要维护两个结构，即用户结构和载波信道管理结 构，在用户结构中保存该用户的预留载波信道信息和所有连接的具体资源占用情况，在载波 信道管理结构中，维护当前载波信道的当前占用情况和载波信道内的用户列表。

本发明通过连接请求到用户、用户到载波信道的统计方式，来实时掌握当前载波信道的 负载情况。用负载函数来作为载波信道选择的判断标准。

一个载波信道的负载情况可以通过载波信道负载函数来评价。采用下面三步来计算一个 载波信道内的当前负载。

1、计算载波信道内的各个连接的负载。一个连接给系统带来的负载影响主要体现在两个方面， 一个是其所占用的带宽，另一个是它将在该系统驻留的时间。所以连接的负载函数公式可以 表达为：LoadLi＝dLi×tLi

其中，LoadLi表示量化的连接Li对系统资源的占用情况，dLi表示一个超帧中连接 Li所占用的时隙资源，tLi表示当前连接还要在系统驻留的时间，即该连接还要停留的超帧 数。

每个超帧起始时，资源管理器通过更新用户连接表中的连接占用时间tLi，来更新连接 的负载函数。对于固定连接，采用一个固定的足够大数来表示其连接时间。

2、计算用户所有连接的负载。将用户所有连接的连接负载函数进行加和，从而进一步得到用 户负载。某用户终端的当前负载情况可以表示为 ${\mathrm{Load}}_{\mathrm{Ui}}=\underset{\mathrm{Li}}{\Sigma }{\mathrm{Load}}_{\mathrm{Li}}.$

3、载波信道结构内维护一个用户列表用来保存所有在该载波信道中的用户信息，一个载波信 道的当前负载情况可以表示所有在该载波信道上的用户负载和： ${\mathrm{Load}}_{\mathrm{Ci}}=\underset{\mathrm{Ui}}{\Sigma }{\mathrm{Load}}_{\mathrm{Ui}}.$

本发明提供的载波信道的选择方法实现步骤流程如图2所示，具体描述如下：

(I)终端A发起新的连接请求，并根据带宽需要向资源管理器发起时隙资源申请；

(II)资源管理器接收到终端A的时隙资源申请，判断终端A是否是首次发起时隙资源申请， 两种情况：一种情况是终端A初次发起时隙资源申请并且没有预定载波信道；另一种情况是 终端A不是初次发起时隙资源申请，即已有一个先前的连接被分配到某载波信道C中，那么 首先将载波信道C作为分配的目标载波信道；

对于情况一，如果终端A没有先前连接，是初次发起时隙资源申请，并且没有预定载波 信道，则具有如下的处理过程：

(1)查MF-TDMA系统中是否有空闲载波信道，如果有空闲载波信道，将该空闲载波信 道中合适的时隙资源分配给终端A，并在载波信道管理结构中做相应的标记，向终端A下发 时隙资源分配结果；如果没有，则计算当前系统中各个载波信道的负载函数LoadCi，并到 负载函数最小的载波信道作为分配目标载波信道；

(2)在目标载波信道中进行时隙资源试分配，如果成功，将该空闲载波信道中合适的时隙资 源分配给终端A，并在载波信道管理结构中做相应的标记，向终端A下发时隙资源分配结果； 如果失败，则返回系统资源分配失败消息；

对于情况二，如果终端A不是初次发起时隙资源申请，即已有一个先前的连接被分配到 载波信道C中，即载波信道C为该终端A的预定载波信道时，其处理的过程为：

(1)将载波信道C作为时隙资源分配的目标载波信道，那么首先在该载波信道C中进行试 分配，如果成功，则进入步骤(3)；如果不成功，则进入步骤(2)；

(2)发起用户载波信道调整过程，尝试将终端A的所有连接调整到别的可用载波信道，具 体的用户载波信道调整方法如图3所示，具体可以描述为：

i、查询当前是否有空闲载波信道，如果有，则直接把终端A的所有连接重定位到空闲载波 信道C2中，根据调整结果更新用户结构中的连接信息，将载波信道C2设定为终端A的预 约载波信道，在载波信道C结构中的用户列表中去掉终端A，在载波信道C2的用户链表中 添加终端A，载波信道调整成功，进入步骤(3)；若没有空闲载波信道，进入步骤ii；

ii、获取终端A的所有连接情况，计算要调整终端A所有连接需要的时隙总数；

iii、计算各个载波信道的负载函数，将载波信道按照其负载函数进行排序，取负载最小载波 信道CLMIN；

iv、在载波信道CLMIN上进行试分配。尝试将终端A所有连接进行分配到载波信道CLMIN，在 载波信道CLMIN内进行重新定位；如果分配成功，载波信道调整成功，根据调整结果更新用户 结构中的连接信息和载波信道结构中的用户链表，进入步骤(c)；如果分配不成功，还原载 波信道CLMIN的原分配信息，进入步骤v；

v、将载波信道按照当前分配的时隙数进行排序，到当前时隙使用率最低的载波信道CMIN；

vi、尝试将终端A所有连接分配到CMIN，在该载波信道内进行重新定位；如果分配成功，载 波信道调整成功，根据调整结果更新用户结构中的连接信息和载波信道结构中的用户链表， 进入步骤(3)；如果分配失败，还原载波信道CMIN的原分配信息，进入步骤vii；

vii、载波信道调整失败，进入步骤(5)；

(3)将载波信道中查合适的时隙资源完成分配任务，并在载波信道管理结构中做相应的标 记；

(4)更新资源管理器中用户信息表中的用户连接和资源分配信息，并根据变化向终端下发新 的时隙分配结果；

(5)资源分配失败，拒绝终端连接申请。