面向多用户的中继卫星空时频域资源动态调度方法与流程

本发明属于中继卫星通信多用户接入技术，解决多用户使用中继卫星资源的动态调度问题。本发明综合考虑系统吞吐量、任务优先级、用户信号质量、任务时延要求等影响因素，提出一种面向多用户的中继卫星空时频域资源动态调度模型。该技术创新性地在系统吞吐量和多用户公平性间找到一种改进的中继星资源调配方法，能够提升中继卫星资源的频谱利用率和网络吞吐量。

技术背景

在中继卫星通信系统中，空时频域资源调度是一项不可忽视的研究内容，对提高用户服务质量起着至关重要的作用。从中继卫星控管中心的角度，需要尽可能地提高中继卫星通信资源的利用率和网络吞吐量，从用户的角度，要保证用户的各种不同业务的服务质量，满足用户的需求。关于调度算法的研究一直在进行，根据调度实现的目标不同，有几种常见的算法，

1)PF算法

PF算法在最大载干比(MAX,C/I)和轮询(RR)算法的基础上，综合考虑了系统吞吐量及公平性的指标。该算法将瞬时速率和平均速率的比值作为度量基准，不仅考虑了用户当前的信号质量，它是总的吞吐量和每个用户吞吐量之间的一个折中，由于没有考虑时延和优先级因素的影响，所以该算法仅适用于非实时业务。表达式为：

其中

是估计的用户数据流i在时隙n处的平均速率，ε是值在0到1之间的可调节因子。

由式(2)可以看出，用户的瞬时速率在平均速率中所占的比重是ε，ε越小，瞬时速率对平均速率的影响就越小，也即公平性越高，反之则公平性越差。在实际应用中，可以根据需要动态调节ε，使之满足服务需求。

2)M-LWDF算法

M-LWDF算法在PF算法的基础上，综合考虑了时延因素，使之适用于对时延比较敏感的实时业务，从而保证不同业务的QoS要求。表达式为

其中

D_HOL,i为用户数据流i的首包时延，τ_i为用户数据流i的时延门限,δ_i为用户数据流i的首包时延超过时延门限的最大丢包率，是一个常数。由式(5)可以看出，M-LWDF算法是在PF算法的基础上，添加了α_i和D_HOL,i两个权重因子，由于α_i是仅和业务类型相关的一个常数，所以主要由D_HOL,i体现实时业务的优先性。当用户数据流的首包时延越大时，由于越接近时延门限值，则其被丢弃的概率越大，所以数据包的优先级也就越高，保证了业务的实时性要求。

3)EXP算法

EXP算法是针对多类型业务提出的调度算法，适用于不同任务优先级的业务调度。该算法在PF算法的基础上，增加了一个指数权重因子，相对于优先级较低的业务，能快速提高高优先级业务的调度概率。表达式为：

其中

N_rt表示实时用户数据流的数目，其余表达式含义与M-LWDF相同。对于没有优先级限制的非实时业务，α_i的值趋近于0，而对于紧急程度较高(如军事任务)的业务，α_iD_HOL,i的值始终大于0，所以增加的指数权重因子是为了提高业务调度的优先级。在同等条件下，高优先级业务的调度机会始终大于低优先级业务，但是当高优先级业务在一段时间之内连续获得资源时，会使得整体的度量值下降，这时低优先级业务将有机会获得带宽资源，保证了一定的公平性。

此外，不同于M-LWDF算法中优先级随着时延增加而线性提升的特征，EXP算法中对任务优先级的处理采用指数形式，优先级呈指数级增长，确保紧急任务能够首先获得调度机会。

随着多用户、多任务、多业务类型中继通信的不断发展，上述算法已经不能满足用户的服务质量要求。由于调度需要考虑的因素很多，它作为影响多用户中继卫星通信系统性能的重要因素之一，具有很大的研究价值。

技术实现要素：

随着越来越多的无线通信应用中需使用到中继卫星，国内中继卫星通讯资源日趋紧张，针对多用户使用中继卫星资源时容易产生时间冲突、优先级冲突造成卫星资源难以调配的问题，本发明的发明目的在于提供一种面向多用户的中继卫星空时频域资源动态调度方法，可以在保证多用户多类型业务接入需求的前提下，进一步提高频谱资源利用率，降低使用成本，增加用户容量，提升经济效益。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种面向多用户的中继卫星空时频域资源动态调度方法，包含以下步骤：

一、接收各路用户数据流；

二、对每一路用户数据流分别计算权重值；

三、根据权重值为各用户数据流分配时频资源块；

所述权重值ω_i(k,n)为：

其中

k：时频资源块；

n：时隙；

用户数据流i在时隙n处的平均时延；

τ_i：用户数据流i的时延门限；

plr_req,i：用户数据流i的最大丢包率；

plr_act,i：用户数据流i的超过时延门限的实际丢包率。

r_i(k,n)：用户数据流i的时频资源块k在时隙n处的数据传输速率；

用户数据流i在时隙n处的平均速率

σ：控制丢包率的调节因子；

U(D_HOL,i)：用户数据流_i的任务优先级效用函数

a：控制优先级提高速度的调节因子。

进一步，在接收各路用户数据流后，先对用户数据流进行约束条件判断，

所述约束条件为：

(1)一个时频资源块只能分配给一个用户数据流。

(2)一个用户数据流可以拥有多个时频资源块，但总时频资源块不能超过缓存中的待传用户数据流；

(3)分配给所有用户数据流的时频资源块的功率之和不能超过中继卫星的发射总功率；

(4)公平性指数尽可能趋近于1；

(5)尽可能满足用户的QoS要求。

进一步，根据权重值为各用户数据流分配时频资源块包含以下步骤：

(a)将各用户数据流的权重值按大小进行排序；

(b)检查时频资源块是否已分配完，如有空闲的时频资源块，将空闲的时频资源块分配给权重值排在前面的用户数据流；否则执行(d)；

(c)检查获得时频资源块的用户数据流是否有足够的时频资源块进行中继传输，如有，则将用户数据流从等待队列中删除，执行(b)；否则直接执行(b)；

(d)确定各用户数据流中继传输资源分配方案。

本发明中有以下三个主要的技术要点。

(1)空域、时域与频域多维资源动态实时调度机制。本发明通过建模非线性宽带资源动态调度问题，在空域、时域和频域上对多用户进行联合调度。在实际应用中，将一定频率带宽、一个调度周期作为一个时频资源块(RB)，并在同一RB上利用不同中继卫星进行空分复用，对所有中继卫星进行全局的统筹规划，尽可能提高系统的吞吐量和频谱利用率。

(2)业务服务质量(QoS)保证机制。中继卫星通信需要能够支持多类型媒体业务的传输，并且针对各种不同的业务类型，要提供相应的QoS保证。例如，对于语音、视频等实时业务，调度需要考虑时延敏感性要求；对于数据类等非实时业务，调度需要考虑数据包的可靠性传输要求。本专利在多用户比例公平调度的基础上，综合考虑了时延因素，使之适用于对时延比较敏感的实时业务，从而保证不同业务的QoS要求。

(3)优先级、公平性与有效性兼顾机制。加入了关于丢包率和任务优先级的两个函数权重因子，并各有一个调节参数，可以根据不同业务的需求对参数进行调节，使得调度更具灵活性。公平性是指各个用户能够获得平等的调度机会，而有效性是指系统的频谱利用率应尽可能地达到最大。公平性与有效性是相互制约的关系，当用户信道条件较差时，若保证公平性，则必然会损失有效性，调度时应综合考虑这两个方面。对于军事任务等任务优先级较高的资源使用申请，使用本专利提出的调度算法，会快速提升其调度权重，提升其调度优先级。

本发明的有益效果为：

(1)多用户申请中继卫星资源提供了科学合理的调度方法，解决多用户使用中继卫星资源时造成时间冲突、优先级冲突造成卫星资源难以调配的问题。

(2)通过建模非线性宽带资源动态调度问题，解决多影响因子下资源调度复杂度过高难以量化计算的问题。使用本专利发明的基于优先级的空时域卫通资源动态调度方法，可以在保证多用户多类型传输业务QoS要求的前提下，提高频谱资源利用率，降低使用成本，增加用户容量，提升经济效益。

(3)提出了一种基于空域、时域和频域的多维资源的动态实时调度方法，可以根据不同业务和应用场景的需求，修改本专利模型中关于丢包率和任务优先级的两个函数权重调节参数，提升了中继卫星资源调度的灵活性。

附图说明

图1为中继卫星系统资源多用户调度示意图；

图2为实施例中面向多用户的中继卫星空时频域资源动态调度方法的流程示意图；

图3为实施例中任务优先级效用函数值与a的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，不同业务进入卫星资源调度器，等待中继卫星的统一调配，调度器按照调度算法，将时频资源块(RB)分配给不同的业务。

本实施例改进传统的针对单一目标进行优化的调度算法，提出一种在用户任务时延要求保障前提下面向多用户的空时频域中继卫通资源动态调度方法。该方法面向多用户使用中继卫星资源应用场景，提出改进的基于各个空间维度(不同中继星)上时频资源的对任务优先级及超过时延门限的丢包率敏感的DPLS算法。该方法综合了最大化吞吐量的最大载干比(MAX，C/I)算法、以多用户公平调度为目标的轮询(RR)算法、最大权重时延优先(M-LWDF)算法以及最早到期优先(EDF)调度算法的调度思想，综合考虑了任务优先级、时延要求、丢包率、吞吐量以及申请时间先后等因素，在空时域上为多用户分配合理的卫星资源。对中继卫星控管中心而言，有利于提升中继卫星资源的频谱利用率和网络吞吐量；从用户角度，有利于保证用户不同业务的服务质量，满足用户需求。

如图2所示，本实施例面向多用户的空时频域中继卫通资源动态调度方法包含以下步骤：

一、调度器接收各路用户数据流。

对于宽带资源的动态调度，可以建模成在多个约束条件下寻求最优解的非线性规划问题，一般以最大化系统吞吐量为目标，约束条件主要包括：

(1)一个RB只能分配给一个用户数据流。

(2)一个用户数据流可以拥有多个RB，但总资源不能超过缓存中的待传数据量。

(3)分配给所有用户资源块的功率之和不能超过中继卫星的发射总功率。

(4)保证资源分配的公平性，使公平性指数尽可能趋近于1。

(5)尽可能满足用户的QoS要求，包括吞吐量、时延、丢包率等。

假设系统中的用户数据流个数为N，总资源块集合为Κ，用户数据流i在调度周期n处分配到的资源块集合为一个资源块所占用的带宽为△f，在中继卫星通信系统中，目标函数可以表示为

约束条件可以表示为

在式(2)中，部分表达式的含义如下：

r_i(n)：用户数据流i在时隙n处的数据传输速率；

Q_i(n)：用户数据流i在时隙n处的待传数据量；

T_slot：一个调度周期的长度；

P_i(k,n)：用户数据流i的资源块k在时隙n处所分配的发射功率；

P_total：中继卫星发射总功率；

I_Jain：Jain公平性指数，其值越接近于1说明公平性越高。

r_i：用户数据流i在一段时间内的数据速率；

Q：用户的业务服务质量，要满足不低于标准值的要求。

调度的目标是希望通过上述非线性方程寻找到最优解，使系统性能达到最佳。但是由于需要考虑的因素都非常复杂，在实际应用中很难求得最优解，所以通过将问题简单化，采用次优的方法进行调度是比较有效可行的。

二、对每一路用户数据流分别计算权重值。

影响分组调度的因素很多，包括业务类型、信号质量、队列长度、时延、任务优先级等，并且各个因素之间存在一定的关联，所以在调度算法中，考虑哪些因素及各个因素所占的比重如何分配，决定了系统的整体性能。本实施例综合考虑各因素之间的相互影响关系，以确保军事任务等高优先级业务首先调度、并减小实时业务的时延和丢包率，增加系统总体吞吐量为目标，设计的权重值计算公式如下：

其中：

式(9)、(10)中的部分表达式含义如下：

plr_req,i：用户数据流i的最大丢包率，是一个常数，根据不同的业务类型定义为不同值。

plr_act,i：用户数据流i的超过时延门限的实际丢包率。

σ：控制丢包率的调节因子，不同的业务类型可以定义不同的σ参数。对于可靠性要求比较高的业务，σ取值可以相对较大，通过提高优先级获得更多调度机会，从而减少由于超过时延门限引起的丢包率。

U(D_HOL,i)：关于用户数据流i的任务优先级效用函数。采用指数形式的权重因子，当优先级较高时，效用函数逐渐增大，也即调度概率逐步提升，其提升速度与a有关。

a：控制优先级提高速度的调节因子，用来控制优先级提高的速度，图3描绘了任务优先级效用函数值与a的关系，由图可以看出，随着a的不断增加，效用函数值的提升速度也越来越快。对于不同的业务类型以及不同的时延区间，可以采用不同的a值，以满足各种场景的需求。

由(9)、(10)可以看到，本实施例加入了关于丢包率和任务优先级的两个函数权重因子，并各有一个调节参数，可以根据不同业务的需求对参数进行调节，使得调度更具灵活性，相应的代价是算法复杂度的提升。

三、根据权重值为各用户数据流分配时频资源块，具体包含以下步骤：

(a)将各用户数据流的权重值按大小进行排序；

(b)检查时频资源块是否已分配完，如有空闲的时频资源块，将空闲的时频资源块分配给权重值排在前面的用户数据流；否则执行(d)；

(c)检查获得时频资源块的用户数据流是否有足够的时频资源块进行中继传输，如有，则将用户数据流从等待队列中删除，执行(b)；否则直接执行(b)；

(d)确定各用户数据流中继传输资源分配方案。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。