本发明涉及一种卫星网络中具有高时隙利用率的自适应时隙分配方法。
背景技术：
卫星网络运行前，按照一定的分配算法，预先将信道资源分配给网络中的各节点。按分配的资源，有时分多址tdma、频分多址fdma、码分多址cdma和空分多址sdma等几种方式，目前，卫星网络一般采用tdma分配方式。
时分多址tdma将时间分割为周期性的时帧，每一时帧再分割为若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，给每个用户分配一个或多个时隙。用户在指定时隙内发送数据，如果用户在指定时隙中没有数据传输，相应时隙被浪费。
现有的时隙分配大致分为三类：静态时隙分配方式、动态时隙分配方式和混合时隙分配方式。
静态时隙分配方式：网络初始化过程中，将所有的时隙划分给制定终端或者制定业务，信道利用率不高，不能根据节点业务需求的变化及时调整时隙分配方案，从而导致某些终端在业务量很低时依然占用过多的时隙，造成资源浪费；当节点数量较大时，还可能出现时隙不够用的情况。
动态时隙分配方式：网络中的时隙不再固定分配给某一类业务或者某些节点，所有的有业务传输需求的终端需要通过竞争的方式抢占时隙，完成接入传输过程。这种分配方式在网络业务量大的时候，各个终端选择同一个时隙的概率很高，造成接入碰撞，不仅造成资源的浪费，较低的接入成功概率带来的不好的客户体验。
混合时隙分配方式：这种方式是静态分配和动态分配的组合，将整个时隙从结构上划分为静态区和动态区，这种方式同时满足了静态业务和动态业务的传输需求，但是在有限的时隙结构下也隐藏了两种分配方式的缺点：静态区的时隙利用率不高，动态区的时隙接入碰撞概率较大。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了卫星网络中具有高时隙利用率的自适应时隙分配方法，根据实际网络业务量动态调整时隙长度的按需时隙分配算法，该方法与现有技术相比提高了静态时隙的时隙利用率，同时保障了动态接入区的时隙长度预留比例与接入业务量维持在一个比较高的接入成功概率上；同时给出在静态业务需求大于业务传输容量的场景下的两种业务排队算法，进一步提高静态业务传输区域的时隙利用率。
本发明的技术解决方案是：卫星网络中具有高时隙利用率的自适应时隙分配方法，包括如下步骤：
(1)将自适应帧结构分为静态区和动态区；
(2)使用静态区传输具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据；
(3)使用动态区传输其余业务数据；
(4)根据网络业务类型和业务量动态调整自适应帧结构，并在自适应帧结构成型后，提前q帧广播自适应帧结构至终端。
所述的静态区、动态区长度均不为0。
所述的步骤(3)中其余业务数据在动态区传输所使用的时隙为终端随机竞争抢占。
所述的根据网络业务类型和业务量动态调整自适应帧结构过程中：
当(具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据/静态区传输容量)-1不大于20％时，不调整自适应帧结构。
所述的自适应帧结构还包括租用区，其中，静态区和动态区的长度固定；
当具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据没有静态区时隙时，分配租用区时隙进行数据传输；
当其余业务数据没有动态区时隙时，分配租用区时隙进行数据传输；
当具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据均有静态区时隙且其余业务数据均有动态区时隙时，将分配的租用区时隙释放，或者将租用区时隙租用给其他数据传输网络。
所述的具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据包括用户终端优先级、业务数据优先级，进而得到业务数据对应的效用函数，其中，效用函数为用户终端优先级、业务数据优先级乘积的倒数；
根据效用函数为具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据分配动态区时隙，当效用函数相等时，优先根据用户终端优先级分配动态区时隙。
所述的具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据包括上报周期，根据上报周期为具有固定传输频率、高优先级或者具有qos需求的业务数据分配静态区时隙，当上报周期相等时，优先根据效用函数分配静态区时隙，当效用函数相等时，优先根据用户终端优先级分配静态区时隙。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过将固定长度的帧结构划分为静态区和动态区两部分，静态区用于传输具有固定传输频率，高优先级或者具有一定的qos需求的业务，由中心控制器分配，具有最大长度约束；动态区用于传输随机业务，不受中心控制器分配，由节点随机竞争抢占时隙，完成接入传输过程，具有最小长度约束。中心控制器实时收集整理网络业务量信息，并根据网络中实际静态业务量和动态业务量的大小周期性调整帧结构中静态区和动态区的时隙长度，新的帧结构分配方案将在预定周期的帧内以系统广播或者专用广播的方式发送给网络用户终端，网络用户终端收到后，在接下来的传输帧内，将按照新的时隙分配方案完成业务传输过程；
(2)本发明较之于静态区和动态区长度保持不变的传统方案，可以有效在a)静态区业务量大的时候，及时为其补充静态时隙，保障静态业务的传输时延；b)在静态区业务量小的时候，及时为其释放时隙，保障较高的时隙利用效率，同时兼顾动态区的业务量大小，以保障随机接入业务的最低接入概率为下限，调整静态区的长度；
(3)本发明扩展了静态区和动态区的长度调整方式，即将整个帧结构划分为静态区，动态区和租用区三部分。在网络初始化的时候，固定静态区和动态区的时隙长度使其满足经验需求；在网络运行过程中，按需将租用区的时隙出租给静态业务和动态业务，即当网络业务量大的时候，没有传输时隙的静态业务和随机业务可以向中心控制器申请租用区的时隙；当网路业务量小的时候，中心控制器还可以将租用区的时隙租用给其他网络用户终端，实现时隙共享，进一步提高时隙的利用率，较之于传统的固定不变的分配方式，不但可以按需满足增量业务的传输需求还可以通过与其他网络以时隙共享的方式达到提高时隙利用率的目的；
(4)在非帧结构更新周期，网络静态业务传输需求大于业务传输容量的场景下，本发明中的排队算法建立了联合考虑终端优先级和业务优先级的效用函数，较之于传统的单一考虑终端优先级或者优先级的算法更能满足高优先级业务的传输需求；以业务上报周期为参数，优先分配业务上报周期短的时隙，没有被分配到时隙的业务在动态接入区传输；上报周期间隔内空闲的时隙，由中心控制器动态分配，通过这种“插缝”的方式充分利用时隙，较之于传统的以终端优先级或者业务优先级为参考的算法将进一步改善时隙利用率。
附图说明
图1为本发明方法中自适应帧结构分配示意图；
图2为本发明方法中时隙更新流程图；
图3为本发明方法中自适应帧结构分配示意图；
具体实施方式
本发明实施例描述了动态帧结构设计的原理和过程，以及静态接入区在业务传输需求大于传输容量的场景下的时隙分配算法。
实施例一
自适应帧结构如图1所示，整个帧划分为静态区和动态区。
静态区：传输具有固定传输频率，高优先级或者具有一定的qos需求的业务，由中心控制器进行集中分配，具有最大长度约束；
动态区：传输随机业务，不受中心控制器分配，由终端随机竞争抢占时隙，具有最小长度约束；
中心控制器会根据网络实际的业务类型和业务量按需调整帧结构，并将新的帧结构在帧结构更新周期广播给网络用户终端，网络用户终端按照接收到的信息在下一个周期使用新的帧结构传输业务(一个更新周期包含n个帧)。为了保证所有的网络用户终端都能够收听到新的帧结构，中心控制器会提前q帧广播该帧结构消息q-1次。
帧结构更新流程如图2所示
(1)网络初始化的过程中，初始化系统时间t静＝0，t动＝t；
(2)缓冲时间结束，中心控制器统计网络业务类型和业务量，为静态业务和动态业务分别分配时隙，更新t静,t动,广播帧结构；
在时隙更新周期之前的q帧开始连续广播q-1次。
在时隙更新周期，检测网络业务量是否在改变
如果在改变，计算该业务量是够满足业务通量均衡值(设置为网络静态业务/传输容量-1，一般设置为20％，可以根据实际需求设置)；
如果满足，则更新t静,t动,准备广播帧结构；
如果不满足，则不更新t静,t动；
如果没有改变，则不更新t静,t动,在帧结构更新周期发布老的帧结构。
实施例二
为了降低更新整个帧结构的复杂度和过程，在低网络业务量场景下仍能够保持较高的时隙利用率，修正自适应帧结构如图3所示，包括三部分：静态区，租用区和动态区：
静态区：传输具有固定传输频率，高优先级或者具有一定的qos需求的业务，由中心控制器集中分配；
动态区：传输随机业务，不受中心控制器分配，由终端随机竞争抢占时隙，；
租用区：可以传输任何满足传输要求的业务，由中心控制器按需将租用区的时隙出租给静态业务和动态业务，即当网络业务量大的时候，没有传输时隙的静态业务和随机业务可以向中心控制器申请租用区的时隙；当网路业务量小的时候，中心控制器还可以将租用区的时隙租用给其他网络用户终端，实现时隙共享，进一步提高时隙的利用率。租用区的租用原则描述如下：
优先租用给本网络的网络用户终端，同一个时隙优先租用给高优先级业务节点；
租用给不会对本网络业务产生有害干扰的其他网络用户终端。
帧结构更新过程描述如下：
(1)网络初始化的过程中，按照网络经验值分配t静，t租，t动，确定帧结构，本发明不限于将t静设置为最小长度这种方法；
(2)没有传输时隙的节点在动态接入区向中心控制器发送资源申请消息，中心控制器根据节点的业务类型检测不同的时隙的使用状态：
(21)如果是静态周期性发送业务，则检测静态区的空闲状态：
如果静态区尚有空闲时隙，则为该节点分配静态区时隙；
如果静态区没有空闲时隙，则为该节点分配租用区时隙；
(22)如果是随机单次业务，则为该节点分配租用区时隙；
中心控制器将时隙分配信息单播或者广播给节点；
(3)中心控制器在广播系统消息之前需要根据网络的业务量按需分配时隙，统计之前n个帧的动态接入区的节点的重传概率：
如果重传概率大于阈值，说明动态区的业务拥挤，接入碰撞概率高，检测租用区的时隙使用状态：
如果租用区尚有空闲时隙，则扩展部分租用时隙给动态区，改善其接入情况；
如果租用区没有空闲时隙，则不作任何处理；
如果重传概率小于阈值，则不作任何处理；
(32)检测租用区的时隙状态：
如果租用区时隙尚有空闲，则协商将该时隙租用给其他网络；
如果租用区时隙没有空闲，则不作任何处理。
租用算法不局限于博弈论，图论，图优化以及基于背包理论的算法。
实施例三
为均衡静态业务和动态接入的接入需求，需要合理的设计静态区和动态区的区域长度。为静态区设置最大的时长约束，记为t静_max，为动态区设置最小的时长约束，记为t动_min。当t静_max不满足传输需求的时候，传统方法一般会根据用户终端优先级或者业务优先级对业务进行排序，删除溢出业务队列长度的业务。本实施例将联合考虑用户终端优先级和业务优先级，建立排队效用函数，给出队列溢出删选算法。
该算法首先给出了评价时隙分配指标的效用函数，效用函数值越大，优先级越高；优先为效用函数值高的业务分配时隙；没有被分配到时隙的业务在动态区接入。
效用函数定义如下
其中，p表示用户优先级，取值为
q表示业务优先级，取值为
例如，存在用户终端u1，u2，u3，u4(用户终端优先级为u1>u2>u3>u4)，分别有优先级为s1，s2，s3的三项业务(业务优先级为s1>s2>s3)，一个业务一次传输一个报文，一个报文占用一个时隙，用uxsy表示用户x的第y种业务，则时隙分配算法描述如下
(1)按照公式(1)，为所有用户终端的所有业务计算效用函数值；
用户终端1的效用函数值集合为
用户终端2的效用函数值集合为
用户终端3的效用函数值集合为
用户终端4的效用函数值集合为
每一个效用函数值与所在的终端及其业务唯一映射。
(2)判断并产生截止到固定时隙分配时间，可以实际传输的报文个数；
(3)将(1)中得到的所有的效用函数按照从大到小的顺序排序，形成集合u：
(4)在u中取当前时隙分配周期可以承载的最大的业务量，例如，实际可以承载的报文个数为10，则新集合
当效用函数值相同的时候，选择用户终端优先级较高的业务；
(5)完成步骤(3)中集合到用户终端与业务形态的映射，即：
u′＝{u1s1，u2s1，u3s1，u4s1，u1s2，u1s3，u2s2，u2s3，u3s2，u4s2}；
(6)按照用户终端类型，对集合u′中的用户终端分配时隙：为u1分配连续的3个时隙，为u2分配连续的3个时隙，为u3分配连续的3个时隙，为u4分配1个时隙。
(7)集合u-u′中的业务需要在动态接入区上报，即u3，u4均在动态接入区上报业务。
当用户终端具有多级优先级的时候，该联合分配算法将被扩展为多级联合时隙分配算法。例如，当用户终端具有多级优先级界定时，算法将扩展为用户终端多级优先级时隙分配算法，即优先考虑高优先级，同高优先级内再通过低级优先级进行划分。例如用户终端u1，u2，u3，u4，u5，u6均具有2级优先级，高优先级表示用户终端类型属性，分为3类，表示为p1，p2，p3，(优先级p1>p2>p3)，其中属于优先级p1的用户终端有u1，u4，属于优先级p2的用户终端有u2，u3，u5，属于优先级p3的用户终端有u6；低级优先级表示用户终端自身属性，u2，u3，u5在同级p2中通过低级优先级进行界定，优先级分别为u5>u3>u2，因此所有用户终端的优先级排序为u4>u1>u5>u3>u2>u6。
实施例四
在实施例三的基础上，将排队参数修改为业务上报周期，优先固定业务上报周期短的业务传输时隙，没有被分配到时隙的业务在动态接入区接入；上报周期间隔内空闲的时隙，由中心控制器动态分配。
例如，假设存在用户终端u1，u2，u3，u4(终端优先级为u1>u2>u3>u4)，分别有优先级为s1，s2，s3的三项业务(业务优先级为s1>s2>s3)，s1,s3的上报周期为p1，s2的上报周期为p2(p1<p2)，一个业务一次传输一个报文，一个报文占用一个时隙，用uxsy表示用户x的第y种业务，则时隙分配算法描述如下
(1)分别以上报周期为准则将用户终端划分为多个子集合；
选择具有上报周期为p1的业务，形成子集合{u1s1，u2s1，u3s1，u4s1，u1s3，u2s3，u3s3，u4s3}；
选择具有上报周期为p2的业务，形成子集合{u2s2，u3s2，u4s2，u1s2}；
判断并产生截止到固定时隙分配时间，可以实际传输的业务报文个数；
(3)依照(1)中的有序集合选择业务，直到满足(2)中得到的报文个数，截断形成新的集合。例如，实际可以承载的报文个数为10，则新集合u表示为
u＝{u1s1，u2s1，u3s1，u4s1，u1s3，u2s3，u3s3，u4s3，u1s2，u2s2}；
上报周期相同的时候，选择用户终端优先级比较高的业务；用户终端优先级相同的时候，选择业务优先级比较高的业务
(4)对集合u内业务按照用户终端类型和业务优先级进行排序，形成集合
u*＝{u1s1，u1s2，u1s3，u2s1，u2s2，u2s3，u3s1，u3s3，u4s1，u4s3}；
(5)对集合u*中的用户终端分配时隙：
(51)为u1分配连续的3个时隙，为u2分配连续的3个时隙，为u3分配连续的2个时隙，为u4分配2个时隙。
(52)对于集合u-u*中的业务需要在动态接入区上报，即u3，u4均在动态接入区上报业务。
假设p1＝1，p2＝3，则帧1的全部时隙将被占用，帧2的部分时隙将会处于空闲状态，此时，中心控制器可以动态分配这部分时隙给随机业务传输或者有传输资源申请的业务。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。