一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法

本发明涉及卫星通信技术领域，具体为一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法。

近年来，随着我国综合国力不断增强，在面对各种应急突发事件时，卫星通信成为主要的应急保障手段。卫星通信相对于地面通信的局限性，其快速展开、不受地域限制、适合应急移动使用的特点显得尤为突出，因此应急卫星通信进入了一个快速发展的上升期。在这样的环境下，对应急卫星通信系统的应用和服务要求也越来越高，用于卫星通信的转发器资源具有高成本特性和相对有限性。

目前从卫星公司租用带宽为1MHz的转发器资源，每年的租用费用为30万元人民币左右，租金十分昂贵。因此如何使用卫星转发器资源，尤其是带宽资源的有效利用成为制约应急卫星通信网络发展的瓶颈问题，带宽优化的好坏也直接影响整个应急卫星通信网络的性能。在应急卫星通信网络中，现有的带宽分配方法虽然在一定程度上能够实现带宽的动态分配，但却难以满足各类通信业务的带宽需求，并且无法保证带宽资源能够被最大化利用，造成了很多带宽资源浪费。

针对应急卫星通信网络中转发器资源利用率不高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法，具备通过动态调配，最大化提高卫星带宽资源的利用率，为用户节约带宽资源的使用成本，创造更多的经济效益，使其更具有产业上的利用价值等优点，解决了应急卫星通信网络中转发器资源利用率不高的问题。

(二)技术方案

为解决上述应急卫星通信网络中转发器资源利用率不高的技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法：

S1、将中心站、卫星和若干远端站进行组网，形成卫星通信网络；

S2、从卫星运营商处租用的用户能使用的总带宽Bwt；其中，用户能使用的总带宽Bwt为控制信道所占带宽Bwc、业务信道所占带宽Bwb和空闲资源所占带宽Bws的总和，即Bwt＝Bwc+Bwb+Bws；

S3、控制信道所占带宽的分配：采用点名机制减少控制信道所占带宽Bwc的使用量；

S4、业务信道所占带宽的分配：采用动态分配机制提高业务信道所占带宽Bwb的使用量；

当需要进行新申请业务通讯时，计算新申请业务的所需带宽，将新申请业务的所需带宽片断按照优先级的先后顺序选择一种插帧方式，将新申请业务按照该种插帧方式插入到当前空闲资源片断中，提高业务信道所占带宽Bwb的使用量；其中插帧方式的优先级先后顺序从先到后依次为直接插帧、载波平移后插帧、载波压缩后插帧。

优选地，所述中心站内部配备有网管软件，即卫星资源调度系统NMS，卫星资源调度系统NMS用于对卫星通信网络进行管理调度；卫星作信号转发传输功能；中心站配制有若干台调制解调器，其中一台作为控制用调制解调器，其余作为业务用调制解调器；每个远端站均配制有两台调制解调器，一台调制解调器作控制使用，另一台调制解调器作为业务使用。

优选地，S3步骤中：

中心站的卫星资源调度系统NMS，采用点名机制，利用单向控制信道逐一对各个远端站进行点名；各个远端站，仅在被点名后，占用回传控制信道，发射回传信息，在回传信息发送完毕后，关闭发射信号，释放回传控制信道资源；

其中，点名机制的步骤如下：

S3.1、中心站使用下发信道，按照预设顺序，逐个给每个远端站发送点名命令；

S3.2、当前被点名远端站收到点名命令后，立即开启发射，向中心站回传信息，信息回传完毕后，关闭发射信号，释放回传信道；

S3.3、中心站在预设时间内，收到远端站的回传信息，将回传信息进行保存更新；中心站在预设时间内，未收到远端站的回传信息，判断远端站是否在线，对远端站进行站点记录；

S3.4、中心站对下一个远端站发送点名命令；

循环执行S3.2-S3.4操作，直至最后一个远端站收到点名命令，该次循环仅执行至S3.3步骤后，停止本次循环，进行下一次点名操作。

优选地，直接插帧的使用条件如下：

判断当前全部空闲资源片断中是否有任意一个空闲资源片段满足新申请业务的带宽要求；是，则直接根据空闲资源片断计算发射频点、接收频点及带宽，将计算出的新申请业务载波参数发送给相应站点的调制解调器，调制解调器配置参数，建立载波进行业务通信；否，通过对现有载波进行平移，合成出一级新的空闲资源片断。

5、根据权利要求4所述的一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法，其特征在于：每个远端站在卫星通信网络中预设有优先级，各个远端站所产生的载波也设置有优先权重；在需要载波平移时，先对比新申请业务的载波优先级低的载波集合进行第一次平移；当第一次平移后形成的最大空闲片断无法满足新申请业务带宽需求时，再第二次平移比新申请业务的优先级高的载波集合；另外，如果载波设置为固定分配业务，那么这个载波将不会被平移。

优选地，载波平移后插帧的使用条件如下：判断一级新的空闲资源片断中是否有满足申请带宽要求；是，则直接根据空闲资源片断计算发射频点、接收频点及带宽；否，通过对现有载波集合进行压缩，合成二级新的空闲资源片断。

优选地，每个远端站在卫星通信网络中预设有优先级，各个远端站所产生的载波也设置有优先权重；在需要载波压缩时，先对比新申请业务的载波优先级低的载波集合进行第一次压缩；当第一次压缩后，形成的最大空闲片断无法满足新申请业务带宽需求时，对新申请业务的载波进行第二次压缩；当第二次压缩后，形成的最大空闲片断仍无法满足第二次压缩后的新申请业务需求时，再压缩比新申请业务的优先级高的载波集合；另外，如果载波设置为固定分配业务，那么这个载波将不会被压缩。

优选地，在第一次压缩过程中，在比新申请业务的载波优先级低的载波集合中，从优先级低到高依次压缩；在第三次压缩过程中，在比新申请业务的载波优先级高的载波集合中，从优先级低到高依次压缩。

优选地，载波压缩后插帧的使用条件如下：判断二级新的空闲资源片断是否有满足申请带宽要求；是，则直接根据空闲资源片断计算发射频点、接收频点及带宽；否，则卫星资源调度系统NMS给出提示用户暂时无法进行业务通信。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法，具备以下有益效果：

1、该种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法，通过多个远端地球站共用一个控制信道，在预先划分设定好的时隙内开启发射，通过发射的载波将回传信息发送给中心站，回传完成后关闭发射释放控制信道资源给其它远端站回传使用；控制信道采用的点名机制能提高卫星转发器资源的利用率。

2、该种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法，在业务通信结束时，远端站会释放其所占用的带宽资源，这样在能用的带宽资源中会形成多个空闲带宽片断，如果将已建立的载波集合进行平移，将这些空闲片断整合一起可以生成更大的空闲片断，满足更大业务需求的带宽申请，通过载波平移能提高卫星转发器资源的利用率。

3、该种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法，当带宽资源无法满足新业务的带宽申请时，可以采用载波压缩技术，将已有载波集合压缩，这样就会生成新的带宽空闲片断，再通过载波平移，将带宽空闲片断整合成更大的空闲片断，满足新业务的载波申请，通过载波压缩能提高卫星转发器资源的利用率。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的点名机制流程示意图；

图3为本发明的动态分配机制流程示意图；

图4为本发明的现有技术中常规控制信道通信示意图；

图5为本发明的突发回传控制信道示意图；

图6为本发明的多个远端站通信示意图；

图7为本发明的多个远端站通信产生空闲带宽片断的示意图；

图8为本发明的载波平移的示意图；

图9为本发明的载波平移后插帧的示意图；

图10为本发明的另一种载波平移示意图；

图11为本发明的另一种载波平移后插帧的示意图；

图12为本发明的载波压缩的示意图；

图13为本发明的载波压缩后载波平移的示意图；

图14为本发明的载波压缩后载波平移再插帧的示意图；

图15为本发明的实施例二的通信结构示意图；

图16为本发明的实施例二的控制信道分配示意图；

图17为本发明的实施例二的业务信道原始分配示意图；

图18为本发明的实施例二的业务信道载波平移示意图；

图19为本发明的实施例二的业务信道载波平移后插帧的示意图；

图20为本发明的实施例二的业务信道载波压缩示意图；

图21为本发明的实施例二的业务信道载波压缩后载波平移示意图；

图22为本发明的实施例二的业务信道载波压缩后载波平移再插帧的示意图。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法。

实施例一：

一种基于应急卫星通信带宽资源动态分配方法，请参考图1：

S1、将中心站、卫星和若干远端站进行组网，形成卫星通信网络；

S2、从卫星运营商处租用的能为用户提供正常通信的带宽资源，即用户能使用的总带宽Bwt；其中，用户能使用的总带宽Bwt为控制信道所占带宽Bwc、业务信道所占带宽Bwb和空闲资源所占带宽Bws的总和，即Bwt＝Bwc+Bwb+Bws；

S3、控制信道所占带宽的分配：采用点名机制减少控制信道所占带宽Bwc的使用量；

S4、业务信道所占带宽的分配：采用动态分配机制提高业务信道所占带宽Bwb的使用量；当需要进行新申请业务通讯时，计算新申请业务的所需带宽，将新申请业务的所需带宽片断按照直接插帧、载波平移后插帧、载波压缩后插帧的方式之中任意一种，并且按照优先级的先后循序，插入到当前空闲资源片断中，提高业务信道所占带宽Bwb的使用量；其中优先级的先后顺序从先到后依次为直接插帧、载波平移后插帧、载波压缩后插帧。

进一步地，其中，所述中心站内部配备有网管软件，即卫星资源调度系统NMS，卫星资源调度系统NMS用于对卫星通信网络进行管理调度；卫星作信号转发传输功能；中心站配制有若干台调制解调器，其中一台作为控制用调制解调器，其余作为业务用调制解调器；每个远端站均配制有两台调制解调器，一台调制解调器作控制使用，另一台调制解调器作为业务使用，其中，调制解调器及调制解调器的使用方式为现有技术中的常见技术手段，在此不再赘述。

针对控制信道而言，请参考图2：

进一步地，S3步骤中：中心站的卫星网管系统，采用点名机制，利用单向控制信道逐一对各个远端站进行点名；各个远端站，仅在被点名后，占用回传控制信道，发射回传信息，在回传信息发送完毕后，关闭发射信号，释放回传控制信道资源；

其中，点名机制的步骤如下：

S3.1、中心站使用下发信道，按照预设顺序，逐个给每个远端站(P1、P2、P3、P4、P5、P6……Pn)发送点名命令；其中，n为远端站总数量，n取正整数；

S3.2、当前被点名远端站Pk收到点名命令后，立即开启发射，向中心站回传信息，信息回传完毕后，关闭发射信号，释放回传信道；其中，k取正整数，并且k≤n；

S3.3、中心站在预设时间内，收到远端站Pk的回传信息，将回传信息进行保存更新；中心站在预设时间内，未收到远端站Pk的回传信息，判断远端站Pk是否在线，对远端站Pk进行站点记录；

S3.4、中心站对下一个远端站Pk+1发送点名命令；循环执行S3.2-S3.4操作，直至最后一个远端站收到点名命令，即k＝n时，该次循环仅执行至S3.3步骤后，停止本次循环，进行下一次点名操作。

现有技术中，请参考图4，在不使用点名机制下，通常为了保证卫星网络正常通信，中心站需要与每个远端站建立一对控制信道，中心站的下发控制信道只需要建立一个载波(一般所占卫星转发器带宽为64KHz或128KHz)，所有远端站利用调制解调器的一路解调来接收这个信道即可，远端站的回传信道则是每个远端站分别建立一个载波进行信息回传，中心站则需要有与所有远端站数目对应的解调器分别对应接收各远端站的回传信息才能实现中心站与所有远端站控制信道的互通。如果远端站的数量是几百个站或者上千个甚至更多个的时候，控制信道占用的资源就会成倍增长，这是用户所不能接受的，用户所租用的卫星带宽资源费用昂贵且资源有限，控制信道的占用资源必须足够小，才能留出更多资源给业务通信使用。

请参考图5，当采用点名机制时，远端站回传信道方式为常发状态，如果回传信道调整为突发状态，那么回传信道所占用的带宽资源就会大大减少，其中回传信道突发状态就是指远端站通常将回传信道关闭，需要该远端站回传信息时，再将回传信道打开，将信息回传给中心站。信息回传完毕后再次关闭回传信道。利用这种方式就能实现所有远端站的回传控制信道都发到同一频点，通过一路带宽资源就能实现所有远端站的控制信息回传，中心站也只需要一路解调接收这个回传信道即可。

点名机制利用远端站突发回传技术完成控制信道的带宽分配，从而实现中心站与所有远端站点间的控制通信。如果一个卫星通信网络中心站同时管控x个远端站,中心站与每个远端站间通信所占单向控制信道资源为bw(MHz),那么使用点名机制可以节省的卫星转发器带宽资源为：

bw(MHz)×[(x+1)－(1+1)]＝bw(MHz)×(x-1)

在bw固定时，远端站点数量x越大时，节省的带宽资源越多。针对业务信道而言，请参考图3：

进一步地，直接插帧的使用条件如下：判断当前全部空闲资源片断中是否有任意一个空闲资源片段满足新申请业务的带宽要求；是，则直接根据空闲资源片断计算发射频点、接收频点及带宽，将计算后的新申请业务载波参数发送给相应站点的调制解调器，调制解调器配置参数，建立载波进行业务通信；否，通过对现有载波进行平移，合成出一级新的空闲资源片断。

请参考图6，通常情况下，两个地球站之间通信，会使用卫星转发器上的一对带宽资源用作业务信道，收发频点相对固定，所占用的带宽固定；多个地球站之间通信，会占用卫星转发器上的多个带宽资源用作业务信道，收发频点相对固定，所占用的带宽固定；

请参考图7，当这些地球站中的部分地球站结束业务通信后，会释放其所占用的带宽资源，这样在能用的带宽资源中会形成多个空闲带宽片断。

其中，空闲带宽为；Bws＝Bws1+Bws2+Bws3；

这时如果再有地球站5需要业务通信，其占用的业务信道带宽Bwb5,如果Bwb5满足下面四个条件：

Bwb>Bws1；Bwb>Bws2；Bwb>Bws3；Bwb5<(Bws2+Bws3)；

那么按照这种业务信道频点、速率固定的方式，没有空闲带宽满足地球站5的带宽需求，无法再为这个地球站提供信道带宽Bwb5的业务；

请参考图8，如果将Bwb2的载波片断与Bws2的空闲片断互换位置，也就是将Bwb2的载波片断平移到其左侧的空闲片断，那么就会形成一个新空闲片断；

请参考图9，载波平移后形成新的空闲片断的能用带宽为Bws2+Bws3,可以满足Bwb5的带宽需求，这样就可以为地球站5提供信道带宽Bwb5的业务载波。

请参考图10，如果Bws2+Bws3的资源不能满足Bwb5的带宽需求，可以判断Bws1+Bws2+Bws3的资源是否满足Bwb5的带宽需求，如果满足，可以利用同上的原理将Bwb4的业务载波进行平移，这样就形成了Bws2+Bws3+Bws1的空闲片断。

请参考图11，在新生成的空闲片断中，建立载波为地球站5提供信道带宽Bwb5的业务载波；

进一步地，每个远端站在卫星通信网络中预设有优先级，各个远端站所产生的载波也设置有优先权重；在需要载波平移时，先对比新申请业务的载波优先级低的载波集合进行第一次平移；当第一次平移后形成的最大空闲片断无法满足新申请业务需求时，再第二次平移比新申请业务的优先级高的载波集合；另外，如果载波设置为固定分配业务，那么这个载波将不会被平移。

进一步地，载波平移后插帧的使用条件如下：判断一级新的空闲资源片断中是否有满足申请带宽要求；是，则直接根据空闲资源片断计算发射/接收频点及带宽；否，通过对现有载波进行压缩，合成二级新的空闲资源片断。

请参考图12，在转发器内判断所有载波通过平移后形成的新的空闲片断仍然无法满足新业务申请的资源带宽，还可以通过带宽压缩的方法再进一步扩大合成空闲片断。

请参考图13，判断当载波被压到CIR，空闲片断合并后，新的空闲片断能否满足新的业务载波带宽，如果满足，则压缩载波并平移载波，合并新形成的空闲片断，

请参考图14，在新生成的空闲片断中，建立载波为地球站提供信道带宽Bwb3的业务载波，

进一步地，每个远端站在卫星通信网络中预设有优先级，各个远端站所产生的载波也设置有优先权重；在需要载波压缩时，先对比新申请业务的载波优先级低的载波集合进行第一次压缩；当第一次压缩后，形成的最大空闲片断无法满足新申请业务需求时，对新申请业务的载波进行第二次压缩；当第二次压缩后，形成的最大空闲片断仍无法满足第二次压缩后的新申请业务需求时，再压缩比新申请业务的优先级高的载波集合；另外，如果载波设置为固定分配业务，那么这个载波将不会被压缩。

其中载波会根据业务种类的不同，设置一个最低保证信息速率(CIR：CommittedInformation Rate)，CIR是保证业务正常通信的最低传输速率，正常载波建立时的传输速率为Rd，一般会比CIR大，当载波的传输速率在CIR至Rd之间时，也就是说当载波带宽被压缩到不低于CIR对应的带宽时，不会影响正常的业务通信。

进一步地，在第一次压缩过程中，在比新申请业务的载波优先级低的载波集合中，从优先级低到高依次压缩；在第三次压缩过程中，在比新申请业务的载波优先级高的载波集合中，从优先级低到高依次压缩。

进一步地，载波压缩后插帧的使用条件如下：判断二级新的空闲资源片断是否有满足申请带宽要求；是，则直接根据空闲资源片断计算发射/接收频点及带宽；否，则网管软件给出提示用户暂时无法进行业务通信。

实施例二：

本实施例中，卫星通信网络由1颗卫星，1个中心站Hub，4个远端地球站(R1、R2、R3、R4)组成。

中心站配置5台调制解调器，1台作控制功能使用(IP为192.168.1.181)，另外4台作业务功能使用(IP分别为192.168.1.182、192.168.1.183、192.168.1.184、192.168.1.185)；远端站1配有2台调制解调器，1台作控制功能使用(IP为10.10.1.1)，另1台作业务功能使用(IP为10.10.1.2)；远端站2配有2台调制解调器，1台作控制功能使用(IP为10.10.2.1)，另1台作业务功能使用(IP为10.10.2.2)；远端站3配有2台调制解调器，1台作控制功能使用(IP为10.10.3.1)，另1台作业务功能使用(IP为10.10.3.2)；远端站4配有2台调制解调器，1台作控制功能使用(IP为10.10.4.1)，另1台作业务功能使用(IP为10.10.4.2)。

其中，控制信道实现：

请参考图15，在无业务请求的状态下，中心站IP为192.168.1.181的调制解调器发射开启，发射频点：f1；带宽：64KHz；远端站1的IP为10.10.1.1的调制解调器配置接收频点f1；带宽：64KHz,这样就实现了一条由中心站发射、远端站1接收的单向控制信道；同理远端站2的IP为10.10.2.1的调制解调器、远端站3的IP为10.10.3.1的调制解调器、远端站4的IP为10.10.4.1的调制解调器与远端站1的IP为10.10.1.1的调制解调器接收参数配置相同，也实现一条中心站发射，远端站2、远端站3、远端站4接收的单向控制信道；

请参考图16，同时部署在中心站的卫星网管系统(NMS)软件利用上述的单向控制信道，采用点名机制定时循环向远端站1、2、3、4发送点名命令，各远端站的控制用调制解调器进行突发回传，暨收到中心站点名本站的控制命令后，随即开启发射，发射频点为f2,带宽为64KHz，回传信息发送完毕后，关闭发射，释放回传控制信道资源，以便给其它远端站点回传信息时使用。这样就形成了中心站与4个远端站之间利用控制信道进行相互通信。

业务信道实现：

请参考图17，当中心站需要与远端站1进行业务通信时，卫星网管系统(NMS)软件通过中心站与远端站1建立的单向控制信道向IP为10.10.1.2的调制解调器发送SNMP命令，配置其发射中频频点为f3，带宽为1MHz；同时NMS软件也向中心站IP为192.168.1.182的调制解调器发送SNMP命令，配置其接收中频频点为f3，带宽为1MHz；这两台调制解调器相互锁定后就建立起中心站与远端站1之间的带宽为1MHz的单向业务信道，远端站1可向中心站回传带宽为1MHz的业务数据。同理，中心站也可与远端站2建立发射中频频点为f4，带宽为1MHz的业务信道；这样远端站2也可向中心站回传带宽为1MHz的业务数据。

业务信道被分成Bwb1、Bws1、Bwb2、Bws2 4个片断，Bwb1、Bwb2被占用，Bws1、Bws2空闲。这种情况下，如果满足条件Bws1<1M；Bws2<1M；Bws1+Bws2>1M这时要建立远端站3与中心站间的带宽为1MHz的业务信道，则需要对远端站2所占用的Bwb2片断资源进行平移，使Bws1与Bws2合并形成新的空闲片断，来满足远端站3的业务信道资源申请要求。

请参考图18，首先，NMS软件计算出远端站2载波需要平移的发射频点f5,通过控制信道将平移命令发送至远端站2的业务调制解调器，该调制解调器根据收到的平移指令修改相关发射参数，发射频点调整为f3，带宽为1MHz；

请参考图19，然后，NMS软件将Bws1与Bws2整合成新的空闲片断，计算出远端站3业务信道的发射频点f6，通过控制信道将发射参数发送至远端站3的业务调制解调器和中心站的业务3调制解调器，远端站3的业务调制解调器根据收到的发射指令后配置相关发射参数，发射频点调整为f6，带宽为1MHz；中心站业务3调制解调器配置接收频点为f6，带宽为1MHz；远端站3业务调制解调器开启发射，建立与中心站间的单向业务通信信道。

请参考图20，此时，业务信道资源被分成新的4个片断，Bwb1片断、Bwb2片断、Bwb3片断分别占用1MHz的带宽资源，Bws3片断空闲且Bws3<1MHz。这种情况下，中心站要建立与远端站4的单向通信业务信道，Bws3无法满足带宽申请，NMS软件通过计算需要分别对远端站1、远端站2、远端站3进行带宽压缩。

请参考图21，压缩各载波后生成的空闲片断通过平移，远端站1的发射频点调整为f7；远端站2的发射频点调整为f8；远端站3的发射频点调整为f9；整合成新的空闲片断，满足远端站4的带宽申请；

请参考图22，NMS软件将Bws1、Bws2、Bws3、Bws4整合成新的空闲片断，计算出远端站4业务信道的发射频点f10，通过控制信道将发射参数发送至远端站4的业务调制解调器和中心站的业务4调制解调器，远端站4的业务调制解调器根据收到的发射指令配置相关发射参数，发射频点调整为f10，带宽为1MHz；中心站业务4调制解调器配置接收频点为f10，带宽为1MHz；远端站4业务调制解调器开启发射，建立与中心站间的单向业务通信信道。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。