本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信，特別涉及一種下行鏈路衛(wèi)星資源調(diào)度方法系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(vhf?data?exchange?system，vdes)是船舶自動識別系統(tǒng)(automatic?identification?system，ais)加強和升級版系統(tǒng)，集成現(xiàn)有ais功能，并增加了特殊應(yīng)用報文(application-specific?messages，asm)和寬帶甚高頻數(shù)據(jù)交換(vhfdata?exchange，vde)功能，可有效緩解現(xiàn)有ais數(shù)據(jù)通信的壓力，滿足船對船、船對岸、船對衛(wèi)星、岸對衛(wèi)星相互之間的所有數(shù)據(jù)交換服務(wù)的需要，屬于第三代海事通信系統(tǒng)。

2、船舶自動識別系統(tǒng)在海洋船舶的交通安全、跟蹤和管理中起著至關(guān)重要的作用。然而，隨著船舶規(guī)模的擴大和ais用戶數(shù)量的增加，以及用戶需求的多樣化，ais系統(tǒng)面臨的消息碰撞問題日益加劇。為解決這一挑戰(zhàn)，2013年，國際海事組織、國際航標(biāo)協(xié)會和國際電信聯(lián)盟共同倡議推動vdes系統(tǒng)的研究與設(shè)計，推出了未來海上通信平臺—vdes計劃。vdes系統(tǒng)設(shè)計考慮了地面(vde-terrestrial，vde-ter)與衛(wèi)星(vde-satellite，vde-sat)兩大子系統(tǒng)。vde-ter為近海區(qū)的大量用戶提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，vde-sat為陸地岸站信號覆蓋范圍以外的區(qū)域以及沒有陸地岸站設(shè)施存在的區(qū)域提供甚高頻數(shù)據(jù)交換功能，將衛(wèi)星通信技術(shù)與vdes相結(jié)合，可以達到全球覆蓋、遠距離追蹤，使得其在海洋監(jiān)管領(lǐng)域具有獨到的優(yōu)勢。

3、目前vdes還在預(yù)研階段，許多技術(shù)和性能仍然能有待研究。在vdes系統(tǒng)中，vde-sat子系統(tǒng)尤為重要，因為船舶通信的很大一部分是在遠離岸站覆蓋范圍的海上。在itu-rm.2092-1中對頻率、時隙資源的使用給了一定的建議。如在vde-sat通信系統(tǒng)的上下行鏈路中定義了多種link?id，不同link?id的物理層參數(shù)設(shè)置不一樣，包括調(diào)制方式、編碼率、擴頻方式等。vde-sat系統(tǒng)支持雙工通信，采用turbo碼技術(shù)。默認公告牌定義了6個信道對，標(biāo)記為a至f，其中信道對a和b使用vde衛(wèi)星專用頻段1026、1086、2026、2086，信道對c至f用到vde衛(wèi)星和地面的共享頻段1024、1084、1025、1085、2024、2084、2025、2085。在vde-sat系統(tǒng)中，采用時分多址(time?division?multiple?access，tdma)的技術(shù)，即將通信資源劃分為時間時隙；而邏輯信道是對時隙功能的描述，按照時隙功能的不同，將邏輯信道分為信令信道和數(shù)據(jù)信道(data?channel，dc)兩類，前者用于傳送信令，后者專用于交換數(shù)據(jù)。vde-sat通信資源的分配可定義為已知多個用戶終端(待傳數(shù)據(jù)包)發(fā)起的資源請求，以優(yōu)化帶寬利用率和服務(wù)質(zhì)量為目標(biāo)，將dc通道分配給用戶終端，其中每個dc通道上的信道和link?id是唯一確定的，dc通道所占用的時隙數(shù)量即為分配給該用戶的時隙資源。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，衛(wèi)星通信基本都采用時分多址、頻分多址(frequency?divisionmultiple?access，fdma)、碼分多址和空分多址等多址方式，這些方式各自有不同的應(yīng)用場景。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，用戶數(shù)量激增，業(yè)務(wù)種類多樣，各類信息呈爆炸式增長，傳統(tǒng)的多址方式由于自身的限制，已無法滿足多用戶多業(yè)務(wù)的要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種下行鏈路衛(wèi)星資源調(diào)度方法及系統(tǒng)，構(gòu)建面向vde-sat系統(tǒng)的衛(wèi)星資源智能調(diào)度優(yōu)化模型，滿足一些較為復(fù)雜的實際應(yīng)用，使衛(wèi)星資源得到最大化利用。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種下行鏈路衛(wèi)星資源調(diào)度方法，包括以下步驟：

3、步驟一，在衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型中引入數(shù)據(jù)包有效服務(wù)決策變量以及與鏈路標(biāo)識link?id、信道和dc通道選擇相關(guān)的決策變量；

4、步驟二，分析數(shù)據(jù)包傳輸過程中數(shù)據(jù)包有效服務(wù)決策變量與時隙資源分配相關(guān)的決策變量的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)據(jù)包傳輸過程中與link?id、信道和dc通道選擇相關(guān)的決策變量之間的關(guān)聯(lián)約束；

5、步驟三，分析數(shù)據(jù)包傳輸與有效服務(wù)決策變量之間的關(guān)系，構(gòu)建link?id、信道選擇與有效服務(wù)決策變量的非線性關(guān)聯(lián)約束；

6、步驟四，分析資源分配方案與數(shù)據(jù)包傳輸優(yōu)化目標(biāo)之間的聯(lián)系，構(gòu)建以系統(tǒng)吞吐量、帶寬資源利用率和業(yè)務(wù)接收率為目標(biāo)的面向vde-sat的下行鏈路衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型；所述衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型的決策變量包含有效服務(wù)決策變量、link?id選擇決策變量、信道選擇決策變量、dc通道選擇決策變量。

7、所述步驟一，具體包括：

8、有效服務(wù)決策變量：yu表示數(shù)據(jù)包u是否為有效服務(wù)；

9、與link?id、信道和dc通道選擇相關(guān)的決策變量：zu，c，l表示數(shù)據(jù)包u是否在dc通道c上使用link?idl服務(wù)；δu，c，f表示數(shù)據(jù)包u是否在dc通道c上占用信道f。

10、所述步驟二，具體包括：

11、link?id選擇約束：數(shù)據(jù)包u選擇link?id時所依據(jù)的信道質(zhì)量cqi值為一個tdma子幀即6個連續(xù)的dc通道的信道質(zhì)量均值；同時選擇的link?id的cqi值應(yīng)不大于鏈路計算的cqi值；

12、所分配的link?id滿足信道帶寬約束，即在信道上使用的link?id所需的帶寬應(yīng)小于等于信道帶寬；

13、link?id選擇滿足一次觸發(fā)的時隙數(shù)目小于等于dc通道的時隙數(shù)；具體表述為：

14、

15、

16、其中，cqiu，c表示數(shù)據(jù)包u在一個tdma子幀上的cqi均值；cqi(u，c)表示數(shù)據(jù)包u在dc通道c上的信道質(zhì)量；bwl和bwf分別表示link?idl和信道f的帶寬；tc表示dc通道c占用的時隙數(shù)目；表示link?id?l一次突發(fā)的時隙數(shù)量；

17、信道選擇約束：接入技術(shù)采用mf-tdma的多址接入方式，在同一時刻dc通道可接入多個數(shù)據(jù)包傳輸，允許多個信道同時使用，但需要滿足這些數(shù)據(jù)包使用的信道在頻率上不重疊；

18、構(gòu)建信道矩陣ff，j，若ff，j＝1表示信道f占用載波j；否則，ff，j＝0；

19、頻率不重疊的約束表述如下：

20、

21、其中，ff表示信道f所占用的載波；e表示1×|j|全1矩陣。

22、所述步驟三，具體包括：

23、定義表示數(shù)據(jù)包u在一個dc通道c使用link?idl最大可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；若數(shù)據(jù)包u為有效服務(wù)，即yu＝1，則數(shù)據(jù)包傳輸過程至少占用一個dc通道，并使用link?id和信道進行傳輸；在一分鐘的調(diào)度周期內(nèi)數(shù)據(jù)包傳輸完成；若數(shù)據(jù)包u為無效服務(wù)，即yu＝0，存在以下兩種情況：一是數(shù)據(jù)包u還未開始傳輸；二是數(shù)據(jù)包u傳輸未完成；

24、構(gòu)建如下約束：

25、

26、

27、其中，表示link?idl一次突發(fā)時隙傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)；表示在dc通道c最大觸發(fā)的link?id?l的次數(shù)，表示向下取整，du表示數(shù)據(jù)包u的數(shù)據(jù)量；

28、由于zu，c，l、yu均為決策變量，導(dǎo)致以上四個公式均為非線性約束，為方便求解，通過以下方法將其轉(zhuǎn)化為線性約束：

29、

30、其中m表示一個非常大的正整數(shù)。

31、所述步驟四，具體包括：

32、若在調(diào)度周期內(nèi)，數(shù)據(jù)包u為有效服務(wù)，則數(shù)據(jù)包u的傳輸數(shù)據(jù)量為du；否則傳輸數(shù)據(jù)量計算為系統(tǒng)的總吞吐量tc為：

33、

34、系統(tǒng)帶寬資源利用率表述為：

35、

36、其中，|u|表示數(shù)據(jù)包的個數(shù)，bw表示系統(tǒng)總帶寬；

37、業(yè)務(wù)接收率表述為：

38、

39、面向vde-sat的下行鏈路衛(wèi)星資源分配優(yōu)化模型為：

40、

41、其中，tc為系統(tǒng)總吞吐量；rb為系統(tǒng)帶寬資源利用率；rr為業(yè)務(wù)接收率；ωt、ωb和ωr分別為相應(yīng)目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

42、所述方法還包括：

43、步驟五，分析所構(gòu)建的衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型中決策變量與目標(biāo)間的關(guān)系，對模型進行優(yōu)化分析。

44、所述步驟五，具體包括：

45、將所述衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型作為裝箱問題，并用集合覆蓋問題來描述；

46、在全集n＝{n1，n2，...，ni}和其子集v＝{v1，v2，...，vs}中，v的子集對應(yīng)一個權(quán)值εm，集合覆蓋問題的目標(biāo)是找到全集n的一組子集，使得這組子集的并集等于全集n并且總權(quán)值最大或者最??；

47、把集合覆蓋問題規(guī)約為衛(wèi)星時隙資源調(diào)度問題，做出如下設(shè)定：

48、全集n對應(yīng)于系統(tǒng)在調(diào)度周期即一幀的分配集；

49、子集合v＝{v1，v2，...，v2}由各數(shù)據(jù)包的的時隙分配方案組成；

50、每個vn分配后更新的目標(biāo)函數(shù)值的提升大小視為其對應(yīng)子集的權(quán)值；

51、從歸約的集合覆蓋問題可知，yu、zu，c，l和δu，c，f表示用戶服務(wù)和衛(wèi)星資源的分配情況，則集合v中每種分配方案可以由集合{a1，c，l，f，a2，c，l，f，...，a|u|，c，l，f}組成，獲得au，c，l，f對應(yīng)的權(quán)重值；

52、所述衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型的問題轉(zhuǎn)化為選擇一組子集并且滿足v1∪v2∪...∪vs＝n使得其總目標(biāo)函數(shù)值最大；

53、在|u|個待傳數(shù)據(jù)包，|l|個link?id、|f|個信道及|c|個dc通道的場景下，資源的分配方案共有|u|·|l|·|f|·|c|種，求解時間復(fù)雜度為o(|u|4)；隨著終端請求的增加，載波信道和時隙資源數(shù)的增大，問題的規(guī)模相應(yīng)在增大，組合優(yōu)化問題的搜索空間也急劇擴大，模型得到優(yōu)化。

54、所述方法之前，還包括：

55、定義網(wǎng)絡(luò)中待傳數(shù)據(jù)包集合為u，link?id工作模式集合為l，系統(tǒng)總帶寬為rw，共劃分|j|個載波；

56、連續(xù)多個載波可組成不同的信道，信道劃分方式集合為f；

57、將一幀劃分為3個tdma子幀，每個子幀劃分為6個dc通道，且dc通道包含時隙數(shù)目為30或60；

58、衛(wèi)星時隙資源調(diào)度周期為一幀，則調(diào)度周期內(nèi)共有18個dc通道，定義dc通道集合為c；

59、定義link?id的選擇機制；信道質(zhì)量采用cqi表示，cqi越大指示信道質(zhì)量越好，其計算公式如下：

60、cqi＝40+4·sinr

61、c/(n0+i0)＝sinr+10log10rs

62、其中，sinr表示信號與干擾加噪聲電平之比，n0表示接收信號電平，i0表示干擾信號電平，rs表示符號速率；

63、acm的工作流程如下：

64、系統(tǒng)運行；接收端將當(dāng)前的信道狀態(tài)信息反饋給發(fā)射端，以便發(fā)射端調(diào)整自身的通信方式；

65、計算cqi值，獲取數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路信干噪比，根據(jù)上述公式得到信道的cqi值；

66、link?id選擇，將cqi與第n種所對應(yīng)的區(qū)間值進行對比，若其值恰好在區(qū)間內(nèi)，則選擇第n種link?id；若其cqi值不在第n組的區(qū)間內(nèi)，則與n-1組的區(qū)間值進行對比，直到找到其適合的link?id；

67、若當(dāng)前信道的cqi值所對應(yīng)的區(qū)間為第0組時，則終端中斷通信傳輸。

68、根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種下行鏈路衛(wèi)星資源調(diào)度系統(tǒng)，包括：

69、決策變量選擇單元，用于在衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型中引入數(shù)據(jù)包有效服務(wù)決策變量以及與鏈路標(biāo)識link?id、信道和dc通道選擇相關(guān)的決策變量；

70、決策變量約束單元，用于分析數(shù)據(jù)包傳輸過程中數(shù)據(jù)包有效服務(wù)決策變量與時隙資源分配相關(guān)的決策變量的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)據(jù)包傳輸過程中與link?id、信道和dc通道選擇相關(guān)的決策變量之間的關(guān)聯(lián)約束；

71、非線性約束單元，用于分析數(shù)據(jù)包傳輸與有效服務(wù)決策變量之間的關(guān)系，構(gòu)建link?id、信道選擇與有效服務(wù)決策變量的非線性關(guān)聯(lián)約束；

72、模型建立單元，用于分析資源分配方案與數(shù)據(jù)包傳輸優(yōu)化目標(biāo)之間的聯(lián)系，構(gòu)建以系統(tǒng)吞吐量、時隙資源利用率和業(yè)務(wù)接收率為目標(biāo)的面向vde-sat的下行鏈路衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型；所述衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型的決策變量包含有效服務(wù)決策變量、link?id選擇決策變量、信道選擇決策變量、dc通道選擇決策變量。

73、所述系統(tǒng)還包括：

74、模型優(yōu)化單元，用于分析所構(gòu)建的衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型中決策變量與目標(biāo)間的關(guān)系，對模型進行優(yōu)化分析。

75、本發(fā)明提出的方案中，在衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型中引入數(shù)據(jù)包有效服務(wù)決策變量以及與鏈路標(biāo)識link?id、信道和dc通道選擇相關(guān)的決策變量；分析數(shù)據(jù)包傳輸過程中數(shù)據(jù)包有效服務(wù)決策變量與時隙資源分配相關(guān)的決策變量的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)據(jù)包傳輸過程中與link?id、信道和dc通道選擇相關(guān)的決策變量之間的關(guān)聯(lián)約束；分析數(shù)據(jù)包傳輸與有效服務(wù)決策變量之間的關(guān)系，構(gòu)建link?id、信道選擇與有效服務(wù)決策變量的非線性關(guān)聯(lián)約束；分析資源分配方案與數(shù)據(jù)包傳輸優(yōu)化目標(biāo)之間的聯(lián)系，構(gòu)建以系統(tǒng)吞吐量、帶寬資源利用率和業(yè)務(wù)接收率為目標(biāo)的面向vde-sat的下行鏈路衛(wèi)星資源優(yōu)化調(diào)度模型。提出一種面向vde-sat的下行鏈路衛(wèi)星時隙資源智能調(diào)度方案，考慮vdes系統(tǒng)的特性，建立vde-sat的下行鏈路衛(wèi)星時隙資源分配優(yōu)化模型，優(yōu)化下行鏈路完整數(shù)據(jù)包的link?id、信道和dc通道分配方法，提高分配方案的合理性。

76、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。