一种面向跳波束的波位资源弹性调度系统及调度方法与流程

本发明涉及一种面向跳波束的波位资源弹性调度系统及调度方法，属于卫星通信资源管理领域。

背景技术：

采用跳波束技术可满足视场范围区内任意点的高增益覆盖需求，已成为卫星通信系统支持大区域内业务终端动态分布、灵活通信、提升系统抗干扰能力的载荷必要配置。鉴于跳波束的波位资源与用户位置分布密切相关，因此，研究面向跳波束的波位资源调度机制，具有极其重要的意义。

相控阵跳波束在系统频段资源有限、星上处理资源有限的情况下，解决容量小但地理位置相对分散的区域通信问题，其特点如下：

1)用较小的载荷代价实现大的区域覆盖；波束跳变灵活，自由度高；

2)星上的eipr和g/t值比较高，可支持高速业务/小终端通信；

3)根据用户需求支持同一个波束在多波位间的时分复用；

4)支持对多个用户的连续跟踪服务能力。

通用的波位资源划分方法是，在同一个系统中，跳波束波位的形状、大小是相同的，并在保障通信区域内按系统规划排布，由资源管理器根据用户的业务接入申请进行资源分配调度，分配到时隙的波位处于“激活”状态，即波位内的用户获得了可用时隙、频率资源。已知跳波束应用中，都是基于固定的波位规划确定跳波束数目，再根据业务接入申请在这种前提条件下进行资源调度，如spaceway3卫星下行24个跳波束对应784个波位。

在国外多个卫星通信系统中应用了跳波束技术，概述如下：

1)acts卫星：利用基带处理器(bbp)和两簇跳变点波束，波束宽度0.3°，以均匀增益覆盖夏威夷、阿拉斯加和整个半球，按用户的申请运作，对服务需求做出响应。基带处理器(bbp)方式中，用来控制两簇跳变指向的波束之间的tdma业务，每帧1728时隙，只有需要访问的那些波束才被激活，即提供按需分配多址(dama)信道，从而使卫星资源得到最大利用。

2)milstar卫星：低速载荷配置有5个接收/1个发射跳波束，每个跳波束天线通过37个呈六边形分布的波位覆盖对地视场，天线瞬时波束只有一个，可以在37个波位上以跳波束的方式进行切换。

3)spaceway3卫星：星上处理转发，上行配置112个接收波束，下行配置24个发射跳波束，可在784个波位之间以时隙为间隔进行跳变；每个发射跳波束配置1个高速tdm载波，载波最高有效信息速率为440mbps。每个发射跳波束都有输出队列缓存，根据数据包的优先级进行排队，资源管理器对多个优先级队列进行调度，复用成一条下行高速tdm信息流，并根据每个时隙中突发的目的地址在不同波位间进行跳变。

4)winds卫星：可实现2个独立可控移动点波束，每个波束可跳变8个区域，实现时分多址(tdma)的通信模式。

5)teledesic卫星网络：为确保频谱的有效利用，小区按照固定周期由卫星的发射和接收波束扫描，以时分复用方式排布于宏小区内(相当于划分了9个大小等同的波位，波束以固定周期扫描这9个波位)，所有的卫星和终端间的通信发生于小区和它所分配的时隙区间内。

国内，跳波束技术早期作为一种抗干扰的通信手段出现，在强方向的干扰条件下，利用跳波束技术增强通信性能(以信干噪比sinr为衡量指标)，提出了一种基于有组织跳波(obh)技术的cwcs多环网无线电资源管理机制；也有在时域上对资源进行优化的跳波束技术研究。

对跳波束而言，其最大的优势可以自由地在全球市场范围内改变波束指向和覆盖区。上述所有的已知系统中应用跳波束，都默认跳波束宽度固定，波位统一规划大小，跳波束在对地视场以均匀增益覆盖。而已知相控阵天线可实现对跳波束的跳变控制，能灵活改变跳波束的指向、波束宽度和形状，现有系统的跳波束技术方案没有利用跳波束赋形可变的特点。假设跳波束对地波位面积为ahbeam，0.1度、0.3度、0.6度…，2.1度，3.4度等不同的波束宽度对应的ahbeam不同，覆盖区内的增益不同，且覆盖区越小其空间抗干扰能力越强。

现有的跳波束技术方案在系统规划时采用统一大小、均匀增益的波位排布，跳波束的波位与增益设计需满足能力最小的终端接入需求。但在跳波束资源较少，而用户分布不集中时，就存在部分用户可以接入、部分用户没有资源可以使用的情况。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种面向跳波束的波位资源弹性调度系统及方法，解决卫星下的通信用户分布在大范围内极端变化时的跳波束波位资源灵活调度与优化分配问题，从而满足了卫星通信系统对用户移动性管理的灵活性需求。

本发明的技术解决方案是：

一种面向跳波束的波位资源弹性调度系统，包括：资源管理器、处理器、发射波束控制器、接收波束控制器、发射天线和接收天线；

资源管理器接收外部输入的业务接入申请信令后，进行波位资源调度，生成控制指令，分别发送给位于接收天线和发送天线内部的接收波束控制器和发射波束控制器，控制跳波束的跳变时序；资源管理器还发送数据调度信息给处理器，处理器对接收到的信号依次进行解调、解码和信息发送处理，令发送数据与波位同步。

所述的业务接入申请信令，指的是卫星通信系统中的用户希望获得资源的申请信令。

一种基于所述调度系统实现的面向跳波束的波位资源弹性调度方法，步骤如下：

(1)资源管理器接收跳波束覆盖区域内用户的业务接入申请信令；

(2)确定最佳匹配波位；

(3)在所述最佳匹配波位下，分配时间频率资源；

(4)根据时间频率资源的分配结果，控制跳波束的跳变时序，实现波位资源的弹性调度。

所述步骤(2)确定最佳匹配波位具体为：

(2.1)根据收到的业务接入申请信令，获取用户终端类型、位置以及业务需求信息；

(2.2)根据获取的终端类型，结合资源管理器中预设的终端－波位映射表，确定该用户终端支持的波位等级范围；

(2.3)根据所述终端支持的波位等级范围，确定最大载波信息速率，判断是否满足用户提出的业务接入需求，不满足则结束退出，满足则进入步骤(2.4)；

(2.4)根据用户位置信息查询该用户所属的波位大区lai(j)，其中，i标识波位划分的等级，j标识该波位所属的大区编号；

(2.5)在找到的波位大区内查找最佳匹配波位。

所述的终端－波位映射表如下所示：

其中，以k标识预规划的波位等级数，规划的波位等级，即l1,…,lk；l1表示等级为1的波位，即最小波位；ln则表示等级为n的波位，n≤k；vm1,n表示终端类型为m1时，波位等级为n时的载波信息速率。

所述的波位大区定义如下：

对跳波束指向范围内的地表区域进行多等级位置区划分，最大的位置区命名为波位大区，波位大区进一步划分为多个子节点波位，以k标识划分的波位大区数目，p标识划分的波位等级数目；p＝1时，层级为1，跳波束指向范围内的地表区域由la1(1)～la1(k)共k个大区组成，不存在子节点波位；以m标识子节点波位成员数目，p≥2时，则lai(j)包含了lai－1(j,1)，lai－1(j,2)，…，lai－1(j,m)子节点波位。

所述步骤(2.5)在找到的波位大区内查找最佳匹配波位具体为：

(a)基于树形结构进行查找，波位大区为根节点，它的下一级位置区为大区的分支，下一级位置区再分为更低等级的位置区，每个节点都有其位置范围，无分支节点，则为叶子节点；

(b)将用户位置值与大区分支节点的位置范围进行比对，若在范围内，且该分支节点可再分，继续向下查找，直至叶子节点，找到的叶子节点对应的波位就是最佳匹配波位；若不在范围内，则按顺序查找与当前节点并列的其他分支节点，如果查找完与当前节点并列的所有分支节点，仍未找到最佳匹配波位，则将所述当前分支节点的上一级波位确定为最佳匹配波位；如果在当前节点并列的其他分支节点中找到了位置范围与用户位置相匹配的节点，则继续向下查找。

所述步骤(3)在所述最佳匹配波位下，分配时间、频率资源，具体为：

(a1)通过资源分配算法，判断最佳匹配波位lbest下是否可以分配到满足业务接入需求的时间、频率资源，如果资源分配成功，则进入步骤(4)；如果分配失败，则回溯至当前波位所属的上一等级波位lbest+1；

(b1)判断波位lbest+1下是否在该终端支持的波位等级范围内，如果在，再次调用资源分配算法，判断是否可以分配到满足业务接入需求的时间、频率资源，资源分配成功，则进入步骤(4)，资源分配失败，则继续回溯至波位lbest+2；如果不在该终端支持的波位等级范围内，则跳出回溯过程；

(c1)以此类推，直至回溯的波位等级不在该终端支持的波位等级范围内，跳出回溯过程；

(d1)遍历完该终端支持的所有波位等级，仍未分配到满足业务接入需求的资源，则在跳波束指向范围内的地表区域内执行波位资源合并后，再次重复上述步骤(a1)～步骤(c1)，判断是否资源分配成功，若成功，则进入步骤(4)，若失败则结束退出。

所述波位资源合并具体包括如下步骤：

(a2)查看跳波束时隙跳变控制序列，建立已激活波位与时隙的对应列表，所述的已激活波位是指分配有时隙供跳波束驻留的波位；

(b2)从最低等级波位开始，整理出具有同一个上一级波位的波位集合；判断集合数目是否为空，是则合并失败，退出；否则执行下一个步骤；

(c2)依次查询波位集合中的通信记录，读取通信终端类型和通信业务速率，将有通信终端类型不支持上一级波位的波位排除出集合，统计各波位内通信业务的速率需求；判断满足条件的集合数目是否为空，是，合并失败退出；否，执行下一个步骤；

(d2)计算波位集合内任两个波位合并后的时隙、载波频率资源，可否满足合并前这两个波位内通信终端的业务需求，满足则执行下一个步骤；不满足则继续判断，直至遍历完所有符合条件的波位集合，结束退出；

(e2)波位合并，为通信终端在新波位下分配资源，记录合并后的资源分配结果、更新资源维护数据，并发送资源调配信令给对应的通信终端。

所述步骤(4)根据时间频率资源分配结果，控制跳波束的跳变时序，具体为：

(a3)资源管理器更新波位跳变时序，发送指令给波束控制器；

(b3)资源管理器更新用户数据与时隙映射表，发送指令给处理器。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出一种面向跳波束的波位资源弹性调度系统及调度方法，支持波位资源多级规划与管理调度，可更好地解决卫星通信系统内大范围内用户需求分布的动态分布带来的资源优化问题。

(2)本发明基于波位资源弹性调度方法，可针对用户终端类型和业务接入需求进行波位资源的匹配调度，最大限度提升用户体验，且可根据用户要求为其分配小波位以增强空间抗干扰能力。

(3)本发明能够灵活支持卫星通信系统中的跳波束应用规划，填补了现有跳波束技术仅支持固定波位规划、无法满足跳波束波位资源根据用户业务接入需求灵活调配的技术空白。

附图说明

图1为本发明波位弹性调度系统示意图；

图2为本发明波位资源弹性调度流程示意图；

图3为本发明波位弹性划分示例示意图；

图4为本发明波位的多等级逻辑关系示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出一种面向跳波束的波位资源弹性调度系统，包括：资源管理器、处理器、发射波束控制器、接收波束控制器、发射天线和接收天线；

资源管理器接收外部输入的业务接入申请信令后，进行波位资源调度，生成控制指令，分别发送给位于接收天线和发送天线内部的接收波束控制器和发射波束控制器，控制跳波束的跳变时序；资源管理器还发送数据调度信息给处理器，处理器对接收到的信号依次进行解调、解码和信息发送处理，令发送数据与波位同步。业务接入申请信令，指的是卫星通信系统中的用户希望获得资源的申请信令。

基于上述资源调度系统，本发明还提出了一种面向跳波束的波位资源弹性调度方法，如图2所示，步骤如下：

(1)资源管理器接收跳波束覆盖区域内用户的业务接入申请信令；

(2)确定最佳匹配波位；具体为：

(2.1)根据收到的业务接入申请信令，获取用户终端类型、位置以及业务需求信息；

(2.2)根据获取的终端类型，结合资源管理器中预设的终端－波位映射表，确定该用户终端支持的波位等级范围；

终端－波位映射表如下所示：

其中，以k标识预规划的波位等级数，规划的波位等级，即l1,…,lk；l1表示等级为1的波位，即最小波位；ln则表示等级为n的波位，n≤k；vm1,n表示终端类型为m1时，波位等级为n时的载波信息速率。

(2.3)根据所述终端支持的波位等级范围，确定最大载波信息速率，判断是否满足用户提出的业务接入需求，不满足则结束退出，满足则进入步骤(2.4)；

(2.4)根据用户位置信息查询该用户所属的波位大区lai(j)，其中，i标识波位划分的等级，j标识该波位所属的大区编号；

(2.5)在找到的波位大区内查找最佳匹配波位。波位大区定义如下：

对跳波束指向范围内的地表区域进行多等级位置区划分，最大的位置区命名为波位大区，波位大区进一步划分为多个子节点波位，以k标识划分的波位大区数目，p标识划分的波位等级数目；p＝1时，层级为1，跳波束指向范围内的地表区域由la1(1)～la1(k)共k个大区组成，不存在子节点波位；以m标识子节点波位成员数目，p≥2时，则lai(j)包含了lai－1(j,1)，lai－1(j,2)，…，lai－1(j,m)子节点波位。

等级为i的波位与其子节点波位间的逻辑关系描述如下：

其中，order标识该波位的序列编号，m标识子节点波位的序号。

当i＝p时,order＝j,1≤j≤k；

当i＝p-1时,order＝(j,snp－1)1≤j≤k，snp-1指p-1等级波位的序号，1≤snp-1≤m；

如图4所示，跳波束覆盖范围可划分为k个波位大区，则地域编号分别为lap(1)，lap(2)，…，lap(k)。lap(j)标识其中编号为j的波位大区，该大区内每一层级间的逻辑关系表述如下：

在设计实现时，可根据逻辑关系建立对应的树形数据结构，根据波位规划更新树形结构、对其进行管理与维护；根据用户信息查找并确定最佳匹配波位。具体为：

(a)基于树形结构进行查找，波位大区为根节点，它的下一级位置区为大区的分支，下一级位置区再分为更低等级的位置区，每个节点都有其位置范围，无分支节点，则为叶子节点；

(b)将用户位置值与大区分支节点的位置范围进行比对，若在范围内，且该分支节点可再分，继续向下查找，直至叶子节点，找到的叶子节点对应的波位就是最佳匹配波位；若不在范围内，则按顺序查找与当前节点并列的其他分支节点，如果查找完与当前节点并列的所有分支节点，仍未找到最佳匹配波位，则将所述当前分支节点的上一级波位确定为最佳匹配波位；如果在当前节点并列的其他分支节点中找到了位置范围与用户位置相匹配的节点，则继续向下查找。

(3)在所述最佳匹配波位下，分配时间频率资源；

具体为：

(a)通过资源分配算法，判断最佳匹配波位lbest下是否可以分配到满足业务接入需求的时间、频率资源，如果资源分配成功，则进入步骤(4)；如果分配失败，则回溯至当前波位所属的上一等级波位lbest+1；

(b)判断波位lbest+1下是否在该终端支持的波位等级范围内，如果在，再次调用资源分配算法，判断是否可以分配到满足业务接入需求的时间、频率资源，资源分配成功，则进入步骤(4)，资源分配失败，则继续回溯至波位lbest+2；如果不在该终端支持的波位等级范围内，则跳出回溯过程；

(c)以此类推，直至回溯的波位等级不在该终端支持的波位等级范围内，跳出回溯过程；

(d)遍历完该终端支持的所有波位等级，仍未分配到满足业务接入需求的资源，则在跳波束指向范围内的地表区域内执行波位资源合并后，再次重复上述步骤(a)～步骤(c)，判断是否资源分配成功，若成功，则进入步骤(4)，若失败则结束退出。

波位资源合并具体包括如下步骤：

(a11)查看跳波束时隙跳变控制序列，建立已激活波位与时隙的对应列表，所述的已激活波位是指分配有时隙供跳波束驻留的波位；

(b11)从最低等级波位开始，整理出具有同一个上一级波位的波位集合；判断集合数目是否为空，是则合并失败，退出；否则执行下一个步骤；

(c11)依次查询波位集合中的通信记录，读取通信终端类型和通信业务速率，将有通信终端类型不支持上一级波位的波位排除出集合，统计各波位内通信业务的速率需求；判断满足条件的集合数目是否为空，是，合并失败退出；否，执行下一个步骤；

(d11)计算波位集合内任两个波位合并后的时隙、载波频率资源，可否满足合并前这两个波位内通信终端的业务需求，满足则执行下一个步骤；不满足则继续判断，直至遍历完所有符合条件的波位集合，结束退出；

(e11)为通信终端在新波位下分配资源，记录合并后的资源分配结果、更新资源维护数据，并发送资源调配信令给对应的通信终端。

(4)根据时间频率资源的分配结果，控制跳波束的跳变时序，实现波位资源的弹性调度。

具体为：

(a)资源管理器更新波位跳变时序，发送指令给波束控制器；

(b)资源管理器更新用户数据与时隙映射表，发送指令给处理器。

本发明提出的波位资源弹性调度，指的是，划分出多等级波位，同一等级波位的增益相同，等级越低，波位越小，增益越高。资源管理器在调度时可根据需要选择大波位或者小波位，大波位对应的波束张角宽，可支持的终端类型有限，空间抗干扰能力弱，信息传输速率低；小波位对应的波束张角窄，可支持小终端，空间抗干扰能力强，信息传输速率较高。资源管理器根据用户的业务接入申请信令选择最佳匹配波位去满足通信需求，在用户相对集中时，采用窄点跳波束不仅提高信息传输速率，还能有效对抗空间干扰；通过波位资源的按需分配－多等级弹性调度机制，实现网络服务能力和容量的提升。

跳波束在系统频段资源有限、星上处理资源有限的情况下，解决用户容量小但用户在广域范围内动态、不均衡分布时的业务接入与资源共享问题。具体应用时，系统中可能存在多个跳波束，若多个跳波束在频率上互为区分，则各个跳波束的资源分配相对独立；若多个跳波束共用一段频率资源，则需要建立大区与跳波束的约束联系实现空间频率复用，每个跳波束都可以占用卫星通信系统分配的所有频率资源。大区对应的服务跳波束可以在大区内跳变任何等级的波位，根据需要进行波位切换。支持空间频率复用的跳波束方案，频段上重叠的跳波束不能支持同一个大区，适用于业务在多个大区间较均匀分布的应用场景；采用多跳波束频率规划，适用于业务极端分布、动态变化的应用场景。

当一个作战群的指挥节点从信令通道发起业务接入申请后，卫星的星载资源管理器收到信令后，根据作战群的位置分布，为其分配一个能覆盖所有位置的最小波位。当作战区域扩大后，若无法分配多个小波位来满足需求，则可调整扩大波位至高一级波位来保障通信；当作战区域缩小，可再次调整波位等级降低，可有效保障战区内通信、屏蔽战区外干扰。

下面结合附图3进行例子说明：

(1)士兵、坦克和指挥车都位于集中的区域内，根据其业务接入申请信令中携带的终端类型、位置和通信需求信息，确定波位l1(1,1,7)可以满足其接入需求；假设系统设计l1等级的波位可支持的载波信息速率为128mbps，且每帧周期可划分256个时隙，该波束支持16路载波，那么分配一个时隙给波位l1(1,1,7)，则该波位下单载波用户业务速率为0.5mbps，16路载波可支持8mbps的通信容量；指挥车接入速率2mbps，坦克接入速率0.5mbps，单兵接入速率64kbps，则需分配4个时隙给波位l1(1,1,7)，以满足指挥车接入需求，16路载波可支持16辆指挥车同时接入。

(2)如上所述，资源管理器根据业务接入申请信令为位于波位l1(1,1,7)的1个士兵、1台坦克和1辆指挥车分配了4个时隙满足其通信需求，则该波位下还有这4个时隙对应的14路载波资源空闲可支持其他用户接入通信。

(3)战场态势变化，坦克开到了l1(1,1,2)，士兵和指挥车还在原地，资源管理器为l1(1,1,2)分配一个时隙，使该波位处于激活状态，此时，波位l1(1,1,7)有指挥车和单兵接入，波位l1(1,1,2)有坦克接入。同时，如无人侦察机、预警机等多个高机动节点分别在l2(4,1)、l2(5,1)、l2(6,1)区域内发起业务接入申请,资源管理器都根据其接入位置为其分配时隙、激活最佳匹配波位，保障其通信速率。

(4)大量士兵涌入战场，均匀分布在l2(1,1)、l2(2,1)、l2(3,1)，假设跳波束所剩空闲时隙只余10个。此时，面对新的业务接入需求，先根据位置判断其最佳匹配波位是否是l2(1,1)、l2(2,1)、l2(3,1)内已经激活的波位，若是，则查看空闲的载波资源是否可用；若不是，则分配空闲时隙去激活用户所在波位。

(5)l2(1,1)、l2(2,1)、l2(3,1)共有21个l1波位，10个空闲时隙分配完毕，共有12个l1波位处于“激活”状态，此时，其他9个l1波位的用户无法获得接入资源。此时，启用波位合并策略，将该波位大区内的波位从l1等级开始根据用户接入状态进行合并，合并后12个时隙再次分配；激活的波位从l1等级的小波位变为大波位，可保障l2(1,1)、l2(2,1)、l2(3,1)区域内的用户接入。

从上述例子可以看出，采用本发明提出的方法，可以在用户分散时，采用大波位解决较大范围内用户的接入问题，降低接入速率提供服务、而不是没有资源可以使用。本发明使得跳波束的波位资源能够根据用户终端类型、分布以及需求的变化去动态调度并控制跳波束的指向、波位大小和驻留时间，以尽可能优化资源分配，提升系统接入容量，增加服务的灵活性，不是像传统方法那样，设计相同大小的波位排列，由终端去适应系统的特点；而是通过多等级波位的弹性调度，去适应用户需求的变化。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。