本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星通信技術(shù)，具體為低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分配方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星通信憑借其覆蓋范圍廣、不受地理條件影響、可靠性高、抗毀能力強等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于地面通信系統(tǒng)不易覆蓋或建設(shè)成本過高的領(lǐng)域。與中高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，低軌衛(wèi)星(lowearthorbit,leo)通信系統(tǒng)鏈路時延小、路徑損耗低、便于終端設(shè)備小型化，同時，點波束和頻率復(fù)用技術(shù)的發(fā)展也為其提供了技術(shù)保障，被認為是最有發(fā)展前景的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。然而，低軌衛(wèi)星運動速度快，用戶切換頻繁，不合理的信道分配策略會造成用戶間的頻率干擾，降低資源利用率，影響用戶體驗，因此，合理的信道分配策略對提升系統(tǒng)整體的服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要。

隨著衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，用戶密度越來越大，業(yè)務(wù)類型逐漸豐富，單一的信道分配策略易造成珍貴衛(wèi)星信道資源的浪費，且無法最大程度上滿足全部用戶的需求，因此需要對移動用戶通信質(zhì)量的需求以及多媒體業(yè)務(wù)特點進行詳細分析，給出合理有效的信道分配整體方案。

目前的信道分配策略主要包含信道借用、保證切換和信道預(yù)留策略。對于信道預(yù)留策略，固定信道預(yù)留策略易造成較高的新呼叫阻塞率；動態(tài)信道預(yù)留方案雖能在保護切換呼叫的同時避免過高的新呼叫阻塞率，但已有的大部分研究方案較為單一，系統(tǒng)整體服務(wù)質(zhì)量有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分配采用固定信道預(yù)留，易造成較高的新呼叫阻塞率等不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可充分利用信道資源并最大程度上滿足不同用戶需求、提升整體的服務(wù)質(zhì)量的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分配方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分配方法，將自適應(yīng)信道預(yù)留策略和增強型排隊策略相結(jié)合，根據(jù)不同信道占用率動態(tài)調(diào)整信道分配方案，包括以下步驟：

通過事先分配，使每個衛(wèi)星波束小區(qū)具有相同且固定的信道數(shù)量，將每個衛(wèi)星波束小區(qū)中的信道分為普通信道和預(yù)留信道；

由終端向衛(wèi)星控制中心發(fā)送資源請求；

資源請求到達后，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)判斷其普通信道是否存在空閑；

如果普通信道存在空閑，則依據(jù)普通信道占用率確定不同的信道分配方案進行信道分配。

如果普通信道中沒有空閑信道，則低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)判斷接入請求優(yōu)先級，若為高等級業(yè)務(wù)則判斷預(yù)留信道中相應(yīng)等級信道是否存在空閑；

如果預(yù)留信道中相應(yīng)等級信道存在空閑，則直接為用戶進行信道分配。

如果接入請求為普通業(yè)務(wù)或預(yù)留信道中相應(yīng)等級信道沒有空閑信道，則采用增強型排隊策略；

如果排隊截止時間未到，則重新嘗試接入；

如果排隊截止時間到，仍未接入，則接入失敗。

將每個衛(wèi)星波束小區(qū)中的信道分為普通信道和預(yù)留信道，其中預(yù)留信道分配過程為：

預(yù)留信道包括一類業(yè)務(wù)新呼叫截止門限k1、二類業(yè)務(wù)新呼叫截止門限k2、一類業(yè)務(wù)切換截止門限k′1和二類業(yè)務(wù)切換截止門限k′2，即，k1與k2間的信道允許二類新呼叫和切換呼叫接入；k2與k′1間的信道只允許切換呼叫接入；而k′1與k′2間的信道只允許二類業(yè)務(wù)的切換呼叫接入；k1以上為普通信道，允許任何業(yè)務(wù)接入，cthresh1和cthresh2是普通信道占用數(shù)量的閾值；采用差分進化算法求解動態(tài)信道預(yù)留的閾值k，根據(jù)預(yù)留模型和以上假設(shè)，建立信道分配的markov過程。

還包括以下步驟：通過服務(wù)等級判斷服務(wù)質(zhì)量，具體為：

定義服務(wù)等級(gos，gradeofservice)為：

其中，αⁱ表示第i類業(yè)務(wù)的影響因子，β表示新呼叫的影響因子，γ表示切換呼叫的影響因子。gos是信道預(yù)留門限ki的函數(shù)，其值越小，服務(wù)質(zhì)量越高。

普通信道的分配過程如下：

終端根據(jù)業(yè)務(wù)類型和優(yōu)先級的不同請求不同的信道數(shù)目，每個業(yè)務(wù)的信道請求都包含標準帶寬與理想帶寬；

衛(wèi)星系統(tǒng)周期性檢測各個波束小區(qū)的普通信道占用數(shù)量cr，當(dāng)占用數(shù)量小于閾值cthresh1，即cr<cthresh1時，控制中心滿足業(yè)務(wù)的理想帶寬需求；

若隨用戶數(shù)量增加，cr>cthresh2，則僅滿足低優(yōu)先級用戶的標準帶寬需求，保持信道占用數(shù)量不高于閾值cthresh1；

如果仍高于閾值，則高優(yōu)先級用戶釋放信道，直到高優(yōu)先級用戶僅剩下標準帶寬或信道占用數(shù)量低于閾值cthresh1；

若cr>cthresh1，則控制中心滿足業(yè)務(wù)的標準帶寬需求；

如果用戶數(shù)量減少到cr<cthresh1，按用戶優(yōu)先級順序滿足理想帶寬。

信道釋放閾值

cthresh2大于閾值cthresh1。

增強型排隊策略為：

當(dāng)相應(yīng)等級信道過載，用戶無法接入時，根據(jù)業(yè)務(wù)特征的不同，用戶暫時加入隊列等待信道釋放，當(dāng)?shù)却龝r間超過相應(yīng)閾值后仍無信道空閑則產(chǎn)生掉話。

增強型排隊分為切換隊列和新呼叫隊列，當(dāng)出現(xiàn)空閑信道后，切換隊列中的業(yè)務(wù)優(yōu)先接入信道，直到切換隊列為空，開始接入新呼叫隊列中的業(yè)務(wù)。

采用多屬性聯(lián)合決策的方式對隊列中的業(yè)務(wù)進行排序，并實時更新；當(dāng)有空閑信道時，按順序依次接入信道。定義測度函數(shù)如下：

其中，a+b+c+d＝1，u為用戶本身的優(yōu)先級，umax為所有用戶的最高級別；b為業(yè)務(wù)優(yōu)先級，bmax的值為2，代表二類業(yè)務(wù)，即對實時性要求較高的業(yè)務(wù)；t為用戶在隊列內(nèi)等待的時間，tmax為不同特征的業(yè)務(wù)等待閾值的最大值；r為剩余等待時間，rmax為剩余時間最大值，隊列中按照w從大到小的順序排列。

本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：

1.本發(fā)明綜合考慮業(yè)務(wù)的多樣性、資源利用的公平性、用戶和業(yè)務(wù)的優(yōu)先級以及系統(tǒng)資源的利用率等，提出將自適應(yīng)信道預(yù)留策略和增強型排隊策略相結(jié)合，且根據(jù)不同信道占用率動態(tài)調(diào)整信道分配方案的信道分配整體解決方案，充分利用信道資源并最大程度上滿足不同用戶需求，提升整體的服務(wù)質(zhì)量。

2.本發(fā)明基于固定信道分配(fixedchannelassignment,fca)方式，即系統(tǒng)通過事先的分配，讓每個衛(wèi)星波束小區(qū)具有相同且固定的信道數(shù)量，對將信道分配給用戶的策略展開研究，充分考慮用戶體驗和系統(tǒng)整體服務(wù)質(zhì)量等因素，在不可避免的犧牲了小部分低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的情況下保證了系統(tǒng)的整體服務(wù)質(zhì)量處于較高水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分配方法流程圖；

圖2為本發(fā)明方法中信道預(yù)留示意圖；

圖3為本發(fā)明方法中markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖；

圖4為本發(fā)明方法中基于差分進化算法的閾值求解流程圖；

圖5為本發(fā)明方法平均信道利用率對比曲線圖；

圖6為本發(fā)明方法整體接入失敗率對比曲線圖；

圖7為本發(fā)明方法服務(wù)等級(gos)對比曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步闡述。

如圖1所示，本發(fā)明一種低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分配方法，將自適應(yīng)信道預(yù)留策略和增強型排隊策略相結(jié)合，根據(jù)不同信道動態(tài)調(diào)整采用不同信道分配方案，包括以下步驟：

通過事先分配，使每個衛(wèi)星波束小區(qū)具有相同且具有固定的信道數(shù)量，將每個衛(wèi)星波束小區(qū)中的信道分為普通信道和預(yù)留信道；

由終端向衛(wèi)星控制中心發(fā)送資源請求；

資源請求到達后，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)判斷其普通信道是否存在空閑；

如果普通信道存在空閑，則依據(jù)普通信道占用率確定不同的信道分配方案進行信道分配。

如果普通信道中沒有空閑信道，則低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)判斷接入請求優(yōu)先級，若為高等級業(yè)務(wù)則判斷預(yù)留信道中相應(yīng)等級(即將高級用戶分為最高級，次高級)信道是否存在空閑；

如果預(yù)留信道中相應(yīng)等級信道存在空閑，則直接為用戶進行信道分配。

如果接入請求為普通業(yè)務(wù)或預(yù)留信道中相應(yīng)等級信道沒有空閑信道，則采用增強型排隊策略；

如果排隊截止時間未到，則重新嘗試接入；

如果排隊截止時間到，仍未接入，則接入失敗。

本發(fā)明基于固定信道分配(fixedchannelassignment,fca)方式，即系統(tǒng)通過事先的分配，讓每個衛(wèi)星波束小區(qū)具有相同且固定的信道數(shù)量。

基于業(yè)務(wù)的信道分配策略

首先根據(jù)業(yè)務(wù)特征，將業(yè)務(wù)分為兩種類型。一類是網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸?shù)葘崟r性要求不高，但增加帶寬會明顯提升用戶體驗的業(yè)務(wù)；二類是語音業(yè)務(wù)、流類業(yè)務(wù)等對時延和基本帶寬要求嚴格，但持續(xù)增加帶寬作用微乎其微的業(yè)務(wù)。對于用戶來說，掉話比無法接入更加難以忍受，因此，結(jié)合業(yè)務(wù)類型以及是否為切換用戶，信道預(yù)留門限設(shè)置如圖2所示：

將小區(qū)中的信道分為普通信道和預(yù)留信道。預(yù)留信道部分有一類業(yè)務(wù)新呼叫截止門限k1，二類業(yè)務(wù)新呼叫截止門限k2、一類業(yè)務(wù)切換截止門限k′1和二類業(yè)務(wù)切換截止門限k′2。即，k1與k2間的信道允許二類新呼叫和切換呼叫接入；k2與k′1間的信道只允許切換呼叫接入；而k′1與k′2間的信道只允許二類業(yè)務(wù)的切換呼叫接入。k1以上為普通信道，允許任何業(yè)務(wù)接入，cthresh1和cthresh2是普通信道占用數(shù)量的閾值。

假設(shè)新呼叫和切換呼叫的到達服從獨立的possion分布，平均到達率分別用λn和λh表示，表示i類業(yè)務(wù)的新呼叫到達率，且

所有呼叫的持續(xù)時間均服從參數(shù)為ω的指數(shù)分布，平均呼叫離開率μ＝1/(pn·e(tn)+(pq·e(tq))，公式中pn和pq為新呼叫和切換呼叫的概率，pn＝λn/(λn+λq)，pq＝λq/(λn+λq)，e(tn)和e(tq)分別為波束中新呼叫和切換呼叫占用時間的期望值，e(tn)＝tmax/2，tmax是用戶可在小區(qū)中停留的最大時間，e(tq)＝1/ω。

根據(jù)預(yù)留模型和以上假設(shè)，建立信道分配的markov過程，占用信道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

設(shè)j為系統(tǒng)狀態(tài)值，值在0到總信道數(shù)c之間，πj為平穩(wěn)轉(zhuǎn)移概率，根據(jù)以上狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可得平衡狀態(tài)方程如下：

結(jié)合歸一化條件解方程組得：

經(jīng)過以上分析，第i類業(yè)務(wù)的新呼叫阻塞率為系統(tǒng)狀態(tài)不小于ki的概率之和，即

第i類業(yè)務(wù)的切換呼叫阻塞率為系統(tǒng)狀態(tài)不小于ki'的概率之和，即

為衡量系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的好壞，考慮到第二類業(yè)務(wù)和切換業(yè)務(wù)的高優(yōu)先級，本發(fā)明定義服務(wù)等級(gos，gradeofservice)為：

其中，αⁱ表示第i類業(yè)務(wù)的影響因子，β表示新呼叫的影響因子，γ表示切換呼叫的影響因子。gos是信道預(yù)留門限ki的函數(shù)，其值越小，服務(wù)質(zhì)量越高。

由于衛(wèi)星星上處理能力有限，如果采用傳統(tǒng)的線性規(guī)劃等方法實時計算信道預(yù)留閾值將給衛(wèi)星帶來巨大的負擔(dān)，本發(fā)明采用差分進化算法求解動態(tài)信道預(yù)留的閾值k使服務(wù)質(zhì)量盡可能高。

本發(fā)明基于差分進化算法(differentialevolution,de)，首先在搜索空間內(nèi)生成一個隨機的初始種群，然后通過差分變異、交叉和選擇操作，產(chǎn)生新一代種群。與遺傳算法(geneticalgorithm,ga)相比，de算法收斂速度更快、結(jié)果更精確，如圖4所示，求解步驟如下：

步驟1初始化種群：本算法是建立在上文服務(wù)等級gos的基礎(chǔ)上，而gos是信道預(yù)留門限k的函數(shù)，所以在可行解空間生成四維隨機初始化種群。

步驟2判斷種群適應(yīng)性：計算服務(wù)等級，選出最優(yōu)個體作為目標向量，若目標向量滿足服務(wù)等級終止條件或進化代數(shù)達到設(shè)置的最大值，則算法終止，將其作為信道預(yù)留閾值的集合。否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟3。

步驟3變異操作：種群內(nèi)個體的差分向量經(jīng)過縮放，與種群內(nèi)另外的相異個體相加，得到變異向量。

步驟4交叉操作：通過與變異向量的交叉，產(chǎn)生試驗向量，試驗向量至少有一個分量由變異分量貢獻。

步驟5選擇操作：de采用“貪婪”選擇策略，根據(jù)目標向量和試驗向量的適應(yīng)值來選擇最優(yōu)個體作為下一個目標向量。

普通信道的信道分配策略

在業(yè)務(wù)不多的波束小區(qū)中，大部分信道處于空閑狀態(tài)，資源利用率較低，于是針對非預(yù)留信道，提出新的信道分配方案，避免資源浪費，提升用戶體驗，改善系統(tǒng)的整體服務(wù)質(zhì)量。

終端根據(jù)業(yè)務(wù)類型和優(yōu)先級的不同請求不同的信道數(shù)目，每個業(yè)務(wù)的信道請求都包含標準帶寬與理想帶寬。衛(wèi)星周期性檢測各個波束小區(qū)的非預(yù)留信道占用數(shù)量cr，當(dāng)占用數(shù)量小于閾值cthresh1，即cr<cthresh1時，控制中心滿足業(yè)務(wù)的理想帶寬需求，若隨用戶數(shù)量增加，cr>cthresh2，則僅滿足低優(yōu)先級用戶的標準帶寬需求，保持信道占用數(shù)量不高于閾值cthresh1，如果仍高于閾值，則高優(yōu)先級用戶釋放信道，直到高優(yōu)先級用戶僅剩下標準帶寬或信道占用數(shù)量低于閾值cthresh1；若cr>cthresh1，則控制中心滿足業(yè)務(wù)的標準帶寬需求，如果用戶數(shù)量減少到cr<cthresh1，按用戶優(yōu)先級順序滿足理想帶寬。

其中，為防止產(chǎn)生乒乓效應(yīng)，在特定情景下，用戶不斷的競爭與釋放信道，造成較多的信令交互，信道釋放閾值cthresh2需要大于閾值cthresh1。

增強型排隊策略

當(dāng)小區(qū)中沒有空閑信道時，與短暫的通信質(zhì)量不佳相比，更加難以忍受的是直接掉話，因此更合理的方式是令切換用戶在波束小區(qū)的重疊區(qū)內(nèi)加入目標小區(qū)的隊列進行排隊，如果目標小區(qū)出現(xiàn)空閑信道則立即接入。對于新用戶，尤其是二類業(yè)務(wù)和高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，也是如此，在等待一定時間后接入信道比直接被拒絕服務(wù)的用戶體驗更好。

因此，提出增強型排隊策略(enhancedqueue,eq)，當(dāng)小區(qū)內(nèi)全部信道被占用后，根據(jù)業(yè)務(wù)特征的不同，用戶可以暫時加入隊列等待信道釋放，當(dāng)?shù)却龝r間超過相應(yīng)閾值后仍無信道空閑則產(chǎn)生掉話。

與以往的切換排隊(handoverqueue,hq)策略不同，eq策略分為兩個隊列，分別是切換和新呼叫隊列。當(dāng)出現(xiàn)空閑信道后，切換隊列中的業(yè)務(wù)可優(yōu)先接入信道，直到切換隊列為空，開始接入新呼叫隊列中的業(yè)務(wù)。此外，為保證高優(yōu)先級用戶和業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，同時兼顧用戶使用信道資源的公平性，最大程度保障用戶體驗，提出采用多屬性聯(lián)合決策的方式對隊列中的業(yè)務(wù)進行排序，并實時更新，當(dāng)有空閑信道時，按順序依次接入信道。定義測度函數(shù)如下：

其中，a+b+c+d＝1。u代表用戶本身的優(yōu)先級，umax代表所有用戶的最高級別；b代表業(yè)務(wù)優(yōu)先級，bmax的值為2，代表二類業(yè)務(wù)，即對實時性要求較高的業(yè)務(wù)；t代表用戶在隊列內(nèi)等待的時間，tmax代表不同特征的業(yè)務(wù)等待閾值的最大值；r代表剩余等待時間，例如切換呼叫，在一定的時間后，用戶會離開當(dāng)前小區(qū)和目標小區(qū)的覆蓋區(qū)，產(chǎn)生掉話，剩余等待時間即為強迫掉話前的時間，rmax代表剩余時間最大值。隊列中按照w從大到小的順序排列。

仿真驗證

本發(fā)明采用visualstudio2015進行方案仿真。為驗證提出的將基于業(yè)務(wù)的信道分配(channelassignmentbasedservice,cabs)策略和增強型排隊(eq)策略相結(jié)合的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道分配方案的有效性，對整體方案進行了仿真實驗，并將結(jié)果與僅采用固定信道分配(fca)的方案和固定信道預(yù)留策略(fixedchannelreservation,fcr)相比較。實驗中涉及到的參數(shù)如下：

仿真時間為三個小時，波束小區(qū)中信道總數(shù)為80，fcr策略預(yù)留的信道數(shù)始終為10，僅供切換業(yè)務(wù)使用。各類業(yè)務(wù)呼叫到達率均服從泊松分布，一類新呼叫業(yè)務(wù)、二類新呼叫業(yè)務(wù)、一類切換呼叫業(yè)務(wù)和二類切換呼叫業(yè)務(wù)的到達比例是1:1:1:1，呼叫時間服從負指數(shù)分布，平均呼叫時間設(shè)置為180s。一類業(yè)務(wù)的影響因子為1，二類業(yè)務(wù)的影響因子為2，新呼叫業(yè)務(wù)的影響因子取值為1，切換呼叫業(yè)務(wù)的影響因子取值為10。差分進化算法中的種群規(guī)模大小為200，最大進化代數(shù)為1000，交叉概率為0.3，縮放因子為0.5。

將fca、fcr與本文信道分配方案的平均信道利用率進行對比，如圖5所示。fcr策略由于始終預(yù)留部分信道僅供切換用戶使用，因此信道利用率最低；fca不進行信道預(yù)留，信道利用率略高于fcr策略；而本文方案取得較好效果的原因一方面是自適應(yīng)信道預(yù)留策略可以動態(tài)調(diào)整預(yù)留信道數(shù)目，避免過低的信道利用率，更重要的是，可以看出，尤其在呼叫到達率較低時，本文方案信道利用率大幅度高于其他兩種方案，因此說明本文的非預(yù)留信道分配方案的有效性。

在信道分配方案中，對切換呼叫的保護往往會造成較高的新呼叫阻塞率，如圖6，fcr策略由于始終預(yù)留固定數(shù)量的信道，其新呼叫阻塞率遠大于無信道預(yù)留方案，采用本文方案在呼叫到達率較低時得益于eq策略，新呼叫阻塞率略低于無信道預(yù)留策略，取得了較好的效果。當(dāng)呼叫到達率升高后，切換呼叫的到達率也隨之升高，本文的自適應(yīng)信道預(yù)留策略將預(yù)留更多的信道，因此，新呼叫阻塞率略高于無信道預(yù)留的fca策略，但仍低于fcr策略，體現(xiàn)了eq策略的必要性。

由圖7可見，fca由于不區(qū)分業(yè)務(wù)等級等，所有業(yè)務(wù)共享信道，gos值最高；fcr保留部分信道供切換業(yè)務(wù)使用，服務(wù)質(zhì)量有所提升；本文結(jié)合eq策略和cabs策略，綜合考慮用戶優(yōu)先級和業(yè)務(wù)類型的優(yōu)先級，并充分考慮用戶體驗和系統(tǒng)整體服務(wù)質(zhì)量，gos值始終在較低水平，服務(wù)質(zhì)量最佳。

本發(fā)明基于業(yè)務(wù)的信道分配策略，首先劃分業(yè)務(wù)類型，建立信道分配的markov模型，再用差分進化算法實時更新不同場景下的最佳信道預(yù)留門限值實現(xiàn)信道預(yù)留，對于非預(yù)留信道，根據(jù)信道占用率動態(tài)調(diào)整信道分配方案。此外，在波束小區(qū)業(yè)務(wù)繁忙時采用增強型排隊策略避免用戶直接掉話或被拒絕接入，同時根據(jù)業(yè)務(wù)類型、優(yōu)先級和等待時間等信息進行多屬性聯(lián)合決策，動態(tài)更新隊列中的業(yè)務(wù)順序。實驗證明，方案可有效提高系統(tǒng)資源利用率，保障各類用戶的體驗，使系統(tǒng)整體服務(wù)質(zhì)量更佳。