一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法，属于卫星通信领域。该调度方法基于“跨层”分配模型，同时利用物理(PHY)层信道状态信息，结合媒体访问控制(MAC)层队列状态信息进行动态频域资源调度。在此基础上，通过在分配目标函数中引入服务速率浪费控制参数，有效控制由于调度器分配的数据传输速率超出用户业务需求所导致的系统服务速率浪费问题，从而有效利用系统资源服务于通信业务QoS需求。该调度方法在提升频谱效率的同时，降低受干扰频段对通信质量的影响，保证系统频域资源面向业务传输需求的高效利用。
【专利说明】
一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星通信领域，涉及一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度 方法。
【背景技术】
[0002] 随着卫星业务的快速普及和广泛应用，在当前时域、频域及空域资源均已获得充 分开发的情况下，单纯依赖信号处理技术增强通信传输有效性及可靠性的发展模式已无法 满足日益增长的业务需求。目前，无线资源的短缺已成为制约通信系统性能进一步提升的 关键因素。
[0003] 传统固定式分配方式灵活度差，分配效率低，无法实现无线资源的高效利用。以轮 循算法为例，无论当前信道通信质量如何，都将系统待分配子载波按照固定顺序依次面向 用户进行分配，因此必然会发生传输需求较高的用户分得传输性能较差的子载波的情况， 同时也存在高信道质量子载波分配给低传输需求用户所带来的资源浪费问题。由于固定式 分配方式自适应性能差且频谱效率低，因此需要设计一种动态频谱资源调度方法，通过合 理的调度规划和控制有效提高卫星通信系统业务传输需求处理能力，且实现简单、通用性 强。
[0004] 动态频谱调度作为无线通信系统及其资源的一种高效管理机制，其核心思想是利 用网络业务分布不均、无线信道时变特性及频率选择特性，对系统可用频谱资源进行自适 应调度，通过为系统终端动态的分配一系列具有最佳传输特性的子载波，实现系统频谱资 源的充分利用，从而满足多种业务服务质量(Quality of Service，QoS)需求。
[0005] 目前动态子载波分配方案多面向4G系统，与卫星通信应用场景不同。常见的基于 PHY层信息的调度算法，例如贪婪算法、比例公平算法等，是一种单层的优化方案，传输业务 处理能力有限。而现有基于跨层信息的调度算法，例如最大时延效用算法等，由于未考虑服 务速率控制问题，将导致较严重的资源浪费。
【发明内容】
[0006] 本发明所解决的技术问题是:针对现有技术的不足，提出一种能够有效提升系统 频谱效率，保证频域资源面向业务传输需求的高效利用的基于服务速率控制的星载动态频 谱资源调度方法。
[0007] 本发明的技术方案是:一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法，在 每个系统传输时间间隔内执行如下步骤：
[0008] (1)、提取当前用户集合尤、子载波集合和各用户队列缓存器中待传输数据量 Qk(t),^ eJC;
[0009] (2)、获取当用户k使用第η个子载波进行通信时的信噪比γ k,n(t)彳e λ：，" e ΛΓ ;
[0010] (3)、计算将子载波n分配给用户k时所能获得的香农信道容量Ck,n(t);
[0011] (4)、计算将子载波集合中的每一个子载波分配给用户集合尤中每一个用户的 效用函数u k,n(t)，得到二维分配效用矩阵U;
[0012] (5)、遍历矩阵U中所有的元素，根据分配目标函数寻找具有最高分配效用Uw(t) 的用户与子载波的组合(n'，k'），并将第η'个载波分配给用户k'；
[0013] (6)、将第η'个载波从子载波集合中剔除，得到新的子载波集合Λ/";
[0014] (7)、采用按步骤(5)的分配方案传输后剩余的待传输数据量更新用户k'队列缓存 器中待传输数据量；当用户k'的队列缓存器中待传输数据量为零时，将用户k'从用户集合 /C中剔除，得到新的用户集合C丨
[0015] (8)、判断待分配子载波集合或待分配用户集合是否为空，任何一个集合为空时， 则结束此轮调度，并将分配结果通知相关用户；否则，重新执行步骤(3)~步骤(8)，直到待 分配子载波集合#或待分配用户集合/C为空。
[0016] 所述效用函数为：
[0018] 式中，rk,n(t)为将子载波η分配给用户k时用户仍欠缺的传输速率;Ts为系统传输 时间间隔;wk, n( t)为服务速率浪费控制参数。
[0019] 所述步骤(5)中的分配目标函数为：
[0021] 式中，（k'n't)为第t个系统传输时间间隔内选定的用户与子载波的组合。
[0022] 所述步骤(1)各用户队列缓存器中待传输数据量表达式为：
[0023] Qk(t+l)=min(Qk(t)+A(t+l)，L)，t^0
[0024] 式中，Qk(t)为第t个系统传输时间间隔内分配完成后用户k待传输的数据量，当t =0时，Qk(t)=0;A(t+l)为第t+1个系统传输时间间隔内用户k队列缓存器中新到达数据 量;L为各用户缓存器队列存储空间大小。
[0025] 所述步骤(5)更新后用户k'队列缓存器中待传输数据量为：
[0026] Qk7 (t) =max(Qk, (t)-Ck7 ,n7 (t)*Ts ,0) 〇
[0027] 本发明与现有技术相比有益效果为：
[0028] (1)本发明基于跨层结构，在调度过程中同时考虑网络协议体系中PHY层信道状态 信息及MAC层队列状态信息，能够充分利用各层信息对系统整体QoS性能进行优化。
[0029] (2)本发明在效用函数中引入服务速率浪费控制参数，有效降低由于调度器分配 的数据传输速率超出用户业务需求所导致的"过分配"问题，保证系统频域资源面向业务传 输需求的高效利用。
[0030] (3)本发明基于有限队列缓存模型，采用"弃尾"策略及"先来先服务"的队列管理 方式，当数据包到达时若缓冲区队列已满则丢弃该数据包，考虑有限空间缓存器溢出所造 成的数据丢失对用户QoS性能的影响，更符合实际业务传输情况。
[0031] (4)本发明分配目标函数中考虑了信道传输能力，通过实现频谱的合理调度，有效 降低受干扰频段对通信质量的影响，在未来高效抗干扰通信系统中具有很强的竞争力和很 好的应用价值。
【附图说明】
[0032]图1为本发明实施例无线资源管理结构示意图；
[0033] 图2为本发明实施例跨层动态子载波分配结构示意图；
[0034] 图3为本发明实施例动态子载波分配流程示意图；
[0035] 图4为本发明实施例香农信道容量性能仿真结果图；
[0036] 图5为本发明实施例实际通信容量性能仿真结果图；
[0037] 图6为本发明实施例浪费信道容量性能仿真结果图；
[0038]图7为本发明实施例数据丢失率性能仿真结果图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步说明。
[0040] 图1为无线资源管理结构示意图，将动态频域资源调度技术应用于卫星通信系统， 一方面能够有效缓解系统接入用户数目及其需求日益增长所造成的频谱资源稀缺问题，另 一方面能够灵活规避受干扰频段，降低干扰对卫星通信的影响。卫星通信系统无线资源管 理结构包括接入选择与控制、队列管理、资源调度等模块。
[0041] (1)接入控制模块:负责调度卫星通信系统中用户的呼叫请求，并为其分配资源进 行准入控制，该模块决定后续资源调度模块的待分配用户集合；
[0042] (2)队列管理模块:根据一定的丢包机制对系统终端进行拥塞控制，考虑有限队列 缓存空间，并采用"弃尾"策略及"先来先服务"的队列管理方式，当数据包到达时若缓冲区 队列已满则丢弃该数据包，即产生队列"溢出"，造成数据丢失；
[0043] (3)资源调度模块:负责对系统频率资源进行调度。在调度过程中综合分析当前信 道传输特性、终端队列缓存状态及传输需求，建立系统各待分配子载波与各接入用户的合 理映射。
[0044] 跨层动态子载波分配实现过程为：
[0045] 第一步:在系统能够进行实时信道估计及频谱检测的基础上，当终端存在待传数 据时，向卫星发送调度请求并汇报当前队列缓存状况信息；
[0046] 第二步:星上调度处理器根据缓存状况信息以及信道质量情况，确定最佳的频谱 调度策略；
[0047]第三步：由星地统一根据第二步的分配结果进行业务传输。当信道状态改变，存在 新接入用户或业务需求发生变化时，则重新执行第一步到第三步，完成系统频域资源的重 新调度。
[0048]图2所示为跨层动态子载波分配结构示意图。传统基于严格分层网络模型的动态 子载波分配结构，其优化算法或基于PHY层信道状态信息，或基于MAC层队列状态信息，其设 计简单且易于实现，但未能充分利用网络协议体系中各层信息对系统整体性能进行优化， 因而无法有效支持QoS区分及保证。如图2所示，基于跨层(Cross-layer)结构的星载频域资 源调度器，通过综合分析PHY层信道状态信息（包括信噪比、干扰类型及强度等信息），以及 MAC层队列状态信息(包括缓存器大小、队列长度、溢出状态等信息)进行频域资源分配，其 调度性能同时取决于系统剩余资源情况、业务请求传输速率、信道质量及干扰等几方面因 素。能够将系统低层传输能力与高层传输需求相结合，实现层间工作的有效协调，从而充分 利用频域资源满足不同接入业务的QoS需求。
[0049] 图3所示为本发明的动态子载波分配流程示意图。
[0050] 通信网络引入经济学效用理论来评价系统满足业务传输需求的能力，并通过效用 函数衡量利用特定频谱资源进行数据传输所能获得的效益。本发明所设计的资源调度方法 基于效用理论建立与信道传输能力及传输容量需求相关的效用函数，并通过优化所构建的 效用评价体系以实现卫星通信系统吞吐量性能与各终端传输容量需求之间的有效权衡，在 提升业务传输需求处理能力的同时，获取较高的系统频谱利用率。
[0051] 资源调度模块以系统传输时间间隔（TTI)作为每次分配的时间单位，各子载波即 为每次分配的最小资源单元，且在动态分配过程考虑多用户不能共享同一子载波的分配约 束，即各子载波在同一 TTI内能且仅能分配给一个用户。则系统基于效用的动态子载波分配 目标函数具有如下形式：
[0053]其中Uk,n(t)即为在t个系统传输时间间隔内用户k使用子载波η进行通信时的效用 函数;C和Λ/*分别为系统用户集合和子载波集合。
[0054]在此基础上，为解决由于调度器分配的数据传输速率超出用户业务需求所导致的 系统服务速率浪费问题，提出一种基于服务速率控制的最大指数效用函数（Max Exponential Utility with Rate Constraints，MEU_RC)调度算法。
[0055] MEU-RC频谱资源调度方法的主要实现过程为在每个系统传输时间间隔内执行如 下步骤：
[0056] (1)、提取当前用户集合/C、子载波集合jV和Η €#，并从系统上行控制信息中 提取当前时刻各用户队列状态信息，即各用户队列缓存器中待传输数据量Qk(t)，秦e C。
[0057] 所述各用户队列缓存器中待传输数据量包括两部分内容，一部分是上一个系统传 输时间间隔内分配完成后剩下的用户k待传输的数据量；另一部分为这一个系统传输时间 间隔内用户k队列缓存器中新到达数据量。当两部分的数据量之和超过用户缓存器队列存 储空间大小时，用户会采用"弃尾"策略及"先来先服务"的队列管理方式，丢弃该超出部分 数据包。可以用下面的表达表示各用户队列缓存器中待传输数据量：
[0058] Qk(t+l)=min(Qk(t)+A(t+l)，L)，t^0
[0059] 式中，Qk(t)为第t个系统传输时间间隔内分配完成后用户k待传输的数据量，当t =0时，Qk(t)=0;A(t+l)为第t+1个系统传输时间间隔内用户k队列缓存器中新到达数据 量;L为各用户缓存器队列存储空间大小。
[0060] (2)、调度器执行实时频谱感知，获取当用户k使用第η个子载波进行通信时的信噪 比 Tk,n(t)，左 e/C ,/te A/";
[0061] (3)、计算将子载波n分配给用户k时所能获得的香农信道容量Ck,n(t):
[0062] Ck,n(t) =Bsubl〇g2[l+ γ k,n(t) ] (2)
[0063] 式中，Bsub为子载波带宽；
[0064] (4)、计算将子载波集合ΑΓ中的每一个子载波分配给用户集合中每一个用户的 效用函数Uk,n(t)，得到二维分配效用矩阵U，所述效用函数为：
[0065]
[0066] 式中，rk,n(t)为将子载波η分配给用户k时用户仍欠缺的传输速率，由当前实际传 输需求Qk(t)/T s减去所获得的香农信道容量Ck,n(t)计算得出；ΤΛ系统传输时间间隔;w k,n (t)为服务速率浪费控制参数，即用户k分得子载波η时服务速率浪费量，为所获得的香农信 道容量Ck,n(t)与当前实际传输需求Qk(t)/Tj^差值。
[0067] 该算法在效用函数中引入服务速率浪费控制参数Wk,n(t)，用以衡量执行对应分配 时，用户分得的理想信道容量超出实际缓存队列中传输速率需求的程度。
[0068]因此，MEU-RC算法在分配过程中综合衡量各用户业务传输能力、通信容量需求，以 及服务速率的浪费对业务性能的影响，能够更充分的利用频域资源有效服务于各终端的业 务需求，进一步提升系统频谱效率，同时降低受干扰频段对通信质量的影响。
[0069] (5)、遍历矩阵U中所有的元素，根据分配目标函数寻找具有最高分配效用Uw(t) 的用户与子载波的组合(n'，k'），并将第η'个载波分配给用户k'，所述分配目标函数为：
[0071] 式中，（k'n't)为第t个TTIt内选定的最优用户与子载波的组合；
[0072] (6)、根据分配的条件，即同一子载波不能面向不同的用户再次分配，将第η'个载 波从子载波集合中剔除，得到新的子载波集合Λ/";
[0073] (7)、采用按步骤(5)的分配方案传输后剩余的待传输数据量更新用户k'队列
[0074] 缓存器中待传输数据量，更新后的数据量为：
[0075] Qk7 (t) =max(Qk, (t)-Ck7 ,n7 (t)*Ts ,0)；
[0076] 当第k'个用户的队列缓存空间中待传输数据量为零，即Qv(t)=0时，将第k'个用 户从用户集合冗中剔除，得到新的用户集合C ;
[0077] (8)、判断待分配子载波集合或待分配用户集合是否为空，任何一个集合为空时， 则结束此轮调度，并将分配结果发送给执行模块;否则，重新执行步骤(3)~步骤(8)，直到 待分配子载波集合ΛΓ或待分配用户集合C为空。
[0078] 上述基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度过程，与现有技术相比其技术优 势在于：
[0079] (1)基于跨层分配结构，调度过程中同时考虑网络协议体系中PHY层信道状态信息 及MAC层队列状态信息，充分利用各层信息对系统整体QoS性能进行优化。
[0080] (2)采用效用理论及其评价机制，将系统频域资源与业务传输需求映射为相应的 系统效用，通过优化所建立的效用评价体系来提升系统传输性能。
[0081] (3)基于实际缓存器模型，考虑有限队列缓存空间限制下由于缓存器溢出所造成 的数据丢失对用户QoS性能的影响，更符合实际业务传输情况。
[0082] (4)在调度目标函数中引入服务速率浪费控制参数，有效控制由于调度器分配的 数据传输速率超出用户业务需求所导致的系统服务速率浪费问题，保证频域资源面向业务 传输需求的高效利用。
[0083] 本发明基于面向卫星通信系统的跨层频域资源调度模型，通过仿真软件将所提出 的MEU-RC调度方案与传统轮循(Round Robin，RR)算法、贪婪(Greedy)算法及最大延迟效用 (Max Delay Utility，MDU)算法分别从系统香农信道容量、系统实际通信容量、服务速率浪 费率、数据丢失率四个方面进行分析比较，验证所提出算法的调度性能。仿真条件考虑 100MHz通信带宽内同时存在多音、扫频及部分频带干扰的复合式干扰环境，子载波带宽 2MHz，系统信噪比OdB，同时考虑有限队列空间条件约束，且系统缓存器队列存储空间L为 lOOKbits。
[0084] 图4为本发明的系统香农信道容量性能仿真结果图。如图所示，轮循算法及贪婪算 法基于单层分配结构，在调度过程中仅考虑与PHY层信道状态相关的香农信道容量指标，并 以将可用资源全部分配作为调度结束条件，因此其香农信道容量性能与用户数目无关。而 MEU-RC算法不以最大化香农信道容量为调度目标，其香农信道容量随着用户数目的增加而 增加，当用户数目为35时达到最大。值得注意的是香农容量仅能表征当前信道吞吐量的理 想上限，实际传输能力还受业务种类及到数据达速率的限制，所以对调度算法性能优劣的 评判还需综合考量系统其他性能指标。
[0085] 图5为本发明的系统实际通信容量性能仿真结果图。如图所示，所提出的MEU-RC算 法所能达到的实际通信容量性能显著优于其他传统算法。当用户数目为30时，MEU-RC算法 的实际通信容量分别高于轮循算法、贪婪算法及MDU算法11.3%，41.6%及52.6%，而当用 户数目继续增加时，受当前信道传输能力限制，其实际通信容量已经达到香农容量上限，因 此不再增加。
[0086] 图6为本发明的系统浪费信道容量性能仿真结果图。各TTI内系统服务速率浪费水 平可通过如下式所示的服务速率浪费率进行衡量。
[0088]由仿真结果可知，MEU-RC算法的服务速率浪费率最低。当用户数目为30时，浪费率 仅为0.05%，而MDU算法、贪婪算法及轮循算法则分别高达10.24%，29.34%和34.5%。严重 的服务速率浪费将影响调度算法频谱利用率，使频率资源无法有效服务于业务传输需求， 造成系统面向业务的QoS性能的降低。
[0089]图7为本发明的系统数据丢失率性能仿真结果图。如图所示，MEU-RC算法的数据丢 失率最低，这是由于香农信道容量仅表征当前调度策略下物理层所能达到的最大传输能 力，而实际的传输能力还取决于当前业务特性及需求。本发明所提出的调度方案通过在分 配效用函数中引入"服务速率浪费"参数，能够为当前信道传输能力与业务通信需求相匹配 的用户与分配组合提供更高的分配优先级，有效避免将高通信容量子载波分配给低传输业 务需求终端所导致的吞吐量浪费问题。同时，通过对系统频域资源的高效合理利用，有效降 低由于队列缓存器"溢出"所造成数据丢失，提高系统服务质量。
[0090] 综上所述，本发明采用跨层动态频谱资源调度结构，通过建立与信道传输能力及 传输容量需求相关的分配目标函数，并引入服务浪费速率控制参数，并通过优化所构建的 效用评价体系以实现卫星通信系统吞吐量性能与各终端传输容量需求之间的有效权衡，有 效控制系统服务速率浪费，在提升业务传输需求处理能力的同时，获取较高的系统频谱利 用率。
[0091] 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。
【主权项】
1. 一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法，其特征在于在每个系统传输 时间间隔内执行如下步骤： (1) 、提取当前用户集合/C、子载波集合Λ/*和各用户队列缓存器中待传输数据量Qk(t)， k G JC : (2) 、获取当用户k使用第η个子载波进行通信时的信噪比γ k,n(t) J e/G ^ ; (3) 、计算将子载波η分配给用户k时所能获得的香农信道容量Ck,n(t); (4) 、计算将子载波集合ΛΓ中的每一个子载波分配给用户集合X：中每一个用户的效用 函数Uk,n(t)，得到二维分配效用矩阵U; (5) 、遍历矩阵U中所有的元素，根据分配目标函数寻找具有最高分配效用Uw (t)的用 户与子载波的组合(n'，k'），并将第η'个载波分配给用户k'； (6 )、将第η '个载波从子载波集合中剔除，得到新的子载波集合ΛΓ; (7) 、采用按步骤(5)的分配方案传输后剩余的待传输数据量更新用户k'队列缓存器中 待传输数据量；当用户k'的队列缓存器中待传输数据量为零时，将用户k'从用户集合/C中 剔除，得到新的用户集合/C (8) 、判断待分配子载波集合或待分配用户集合是否为空，任何一个集合为空时，则结 束此轮调度，并将分配结果通知相关用户；否则，重新执行步骤(3)~步骤(8)，直到待分配 子载波集合ΛΓ或待分配用户集合为空。2. 根据权利要求1所述的一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法，其特 ?正在不?^太谢田l^1撒士1.式中，rk,n(t)为将子载波η分配给用户k时用户仍欠缺的传输速率;Ts为系统传输时间间 隔;wk, n( t)为服务速率浪费控制参数。3. 根据权利要求1所述的一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法，其特 征在于所述步骤(5)中的分配目标函数为：瓦甲，U' IT，t)艿弟t个糸统传揃的?日」间隔内选定的用户与子载波的组合。4. 根据权利要求1所述的一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法，其特 征在于所述步骤(1)各用户队列缓存器中待传输数据量表达式为： Qk(t+1) =min(Qk(t)+A(t+l)，L)，t^0 式中，Qk(t)为第t个系统传输时间间隔内分配完成后用户k待传输的数据量，当t = 0时， Qk(t) = 0;A(t+l)为第t+Ι个系统传输时间间隔内用户k队列缓存器中新到达数据量;L为各 用户缓存器队列存储空间大小。5.根据权利要求1所述的一种基于服务速率控制的星载动态频谱资源调度方法，其特 征在于所述步骤(5)更新后用户k'队列缓存器中待传输数据量为： Qk7 (t)=max(Qk7 (t)^^ M (t)*Ts,0)〇
【文档编号】H04W72/12GK106028463SQ201610497720
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】张旭, 樊宁波, 李加洪, 李雄飞, 侴胜男
【申请人】西安空间无线电技术研究所