本发明是关于天基测控领域中继卫星系统，适用于天基ka频段多址测控系统的一种灵活可靠的ka频段多址测控资源调度方法。
背景技术
ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，ka波段的频率范围为26.5-40ghz。ka代表着k的正上方(k-above)，换句话说，该波段直接高于k波段。ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(hdtv)、卫星新闻采集(sng)、vsat业务、直接到户(dth)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。ka频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。ka波段也被称作30/20ghz波段，通常用于卫星通信。ka频段多址测控通信系统(kma)是一种包括地面段、空间段和用户段，通过波束资源调度、链路建立等工作，最终实现测控、数传等多种功能的基于中继卫星的多功能测控通信系统。kma利用搭载在中继卫星上的ka频段相控阵天线及相关设备，生成多个可控ka波束，通过多种用户接入的预分配接入、随遇接入方式和空分多址、码分多址、频分多址等多址手段，实现对多个目标飞行器的同时测控、高速数据中继和测控通信一体化等核心功能，同时利用波束铰链等方式，具有飞行器数据快速回传、飞行器间数据交互等扩展功能。现有的天基ka测控资源调度只能利用频分复用的方法对极少数目标进行预约数据中继服务，而无法对不同的宽带、窄带用户需求进行有效的区分，导致系统资源利用率非常低下，而目前卫星通信系统中一般采用的多频-时分多址(mf-tdma)技术，由于中继卫星与用户星之间的时间同步非常困难而无法适用。现有的天基系统(包括中继卫星、通信卫星)多址资源调度方法很难适用。为了降低计算的复杂度，现有技术提出了采用分步优化算法的联合分配算法和传统的固定分配算法。其中，基于两步优化算法采用了分配子载波、确定各载波功率，两种不同分配算法进行性能比较。固定分配算法采用假定整个系统的通信需求总量恒定不变，不考虑每个用户实际的通信需求，将q个载波带宽平均分配给每个用户。一方面，当较少的用户发送信息时，分配给用户的资源将大大浪费，且别的用户不能对其资源进行使用，另一方面当较多的用户发送信息时，随着用户波束数k的增加，系统频率效率分配的资源不足以满足用户通信需求。两种算法在多波束卫星通信模型下系统频谱效率的对比和系统通信需求满意度β的对比结果表明，随着用户波束数k的增加系统的吞吐量有所提高，但是系统的功耗和复杂度也相应的提高，并且增加了计算的复杂度。航天测控资源调度问题是带时间窗口约束的多资源调度问题,目前该问题在求解方法上的研究包括调度模型的建立和算法的设计。因此实际系统的资源分配时，需要在系统吞吐量和计算的复杂度之间寻求一个平衡点。由于ka频段多波束卫星通信系统资源动态分配优化问题是一个非凸联合优化问题，联合最优解是很难获得的。因此需要设计一种新的快速实用的天基ka频段多址测控资源调度技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对天基ka频段多址测控通信系统的特点与应用需求，提出一种灵活可靠的多址测控资源调度方法，为不同需求的用户提供分级有效的接入手段。
本发明上述目的可以通过以下措施来达到：一种ka频段多址测控资源调度方法，其特征在于包括如下步骤：将星载ka频段资源分成多波束资源，每个波束内再分为不重叠的子频段资源，每个子频段利用不同的扩频码进行区分，以实现ka频段多址测控通信系统资源的三维设置；然后将有接入需求的用户根据优先级、速率不同分为预分配宽带、预分配窄带、随遇接入宽带与随遇接入窄带四种类型；在多址测控资源调度中，首先根据用户接入请求，判断ka频段多址测控通信系统是否有空闲资源，否，拒绝接入，是则判断是否预分配用户接入，是则继续预分配接入，再判断是否宽带接入，否则进行预分配窄带接入；是则进行判断是否有空闲波束资源，有则进行分配波束资源，否则拒绝接入；若预分配不能接入，则进入随遇接入，判断是否宽带接入，否，则进行窄带随遇接入，是则判断是否有空闲波束资源，是则进行分配波束资源，否，则拒绝接入。
本发明相比于现有天基ka频段测控资源调度方法具有如下有益效果：
本发明将星载ka频段资源分成多波束资源，每个波束内再分为不重叠的子频段资源，每个子频段利用不同的扩频码进行区分，实现了ka频段多址测控通信系统资源的三维设置，可以有效的利用ka频段多波束资源，提供高效的多用户接入服务。这种为不同需求的用户提供分级有效的接入手段灵活可靠。能够更好地根据用户的需求动态分配ka频段多址测控通信系统资源，提高ka频段多址测控通信系统的公平性和效率，在天线与转发器资源限定的条件下，ka频段多址测控通信系统可以满足更多的用户需求。与传统分配算法相对比，显著提高了ka频段多址测控通信系统资源利用率和用户容量。
本发明针对不同优先级、不同速率的多用户接入需求，进行灵活的资源适配，将系统资源分成波束、频段与码字等子类，同时根据有接入需求的用户优先级、速率不同分为预分配宽带、预分配窄带、随遇接入宽带与随遇接入窄带四种类型；从波束资源、频段资源和码字资源3个维度进行资源的划分，利用空闲的波束资源进行接入，对于窄带接入根据是预分配还是随遇接入进行频段或码字的选择，实现ka频段多址测控资源的高效利用。仿真结果表明,相比传统的分配算法，新算法的测控通信满意度、频谱效率的值都有所提高，为中继卫星通信系统资源分配的研究提供一定的理论基础。
本发明适用于中继卫星系统中ka频段多址测控通信的天基资源调度。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1是本发明ka频段多址测控资源调度用户接入流程图。
图2是ka频段多址测控通信系统用户窄带接入流程图。
图3是ka频段多址测控通信系统的系统资源表。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，一种ka频段多址测控资源调度方法，其特征在于包括如下步骤：将星载ka频段资源分成多波束资源，每个波束内再分为不重叠的子频段资源，每个子频段利用不同的扩频码进行区分，以实现ka频段多址测控通信系统资源的三维设置；然后将有接入需求的用户根据优先级、速率不同分为预分配宽带、预分配窄带、随遇接入宽带与随遇接入窄带四种类型；在ka频段多址测控资源调度中，首先根据用户接入请求，判断ka频段多址测控通信系统是否有空闲资源，否，拒绝接入，是则判断是否预分配用户接入，是则继续预分配接入，再判断是否宽带接入，否则进行预分配窄带接入；是则进行判断是否有空闲波束资源，有则进行分配波束资源，否则拒绝接入；若预分配不能接入，则进入随遇接入，判断是否宽带接入，否，则进行窄带随遇接入，是则判断是否有空闲波束资源，是则进行分配波束资源，否，则拒绝接入。
对于窄带接入，则根据是预分配还是随遇接入进行频段或码字的选择，从波束资源、频段资源和码字资源3个维度进行资源的划分。
ka频段多址测控通信系统的接入用户分为：需要独占1个波束资源的高优先级预分配宽带接入、可以与其它用户共享1个波束资源的高优先级预分配窄带接入、需要独占1个波束资源的低优先级随遇宽带接入和可以与其它用户共享1个波束资源的低优先级随遇窄带接入。在预分配窄带接入中，ka频段多址测控系统判断是否有空闲的波束资源，若有则分配波束资源给用户接入，若无，分析已使用的波束中是否存在满足服务时间内覆盖的资源，是则分配空闲的波束资源，否则拒绝接入。
在随遇窄带接入中，分析系统已使用的波束中是否存在满足服务时间内覆盖的资源，若有则分配波束空闲资源给用户接入，若无，判断是否有空闲波束，是则分配空闲的波束资源，否则拒绝接入。
ka频段多址测控通信系统用户接入流程如下：
1、ka频段多址测控资源调度系统kma针对不同用户的接入需求，根据系统空闲资源的能力，进行用户接入资源分配。用户发起接入请求，当有用户需要接入时，ka频段多址测控资源调度系统首先判断是否有空闲资源，包括波束频带和码字是否存在可供分配，。若无空闲资源则拒绝用户接入，有则继续接入流程；
2、判断是否预分配接入，是则转步骤3，否则转步骤5；
3、判断是否预分配宽带接入，是则转步骤4，否则进入预分配窄带接入流程；
4、判断ka频段多址测控资源调度系统是否有空闲波束资源，是则允许接入并分配波束资源，否则拒绝接入；
5、判断是否随遇宽带接入，是则转步骤6，否则进入随遇窄带接入流程；
6、判断ka频段多址测控通信系统是否有空闲波束资源，是则允许接入并分配波束资源，否则拒绝接入。
参阅图2。在窄带接入过程中，预分配接入与随遇接入的不同在于当存在空闲波束时，预分配接入优先使用空闲波束，而随遇接入则首先看已经使用的波束中是否还存在可以接入的频段或码字，若有则优先使用那些资源。在ka频段多址测控系统用户窄带接入流程中，ka频段多址测控资源调度系统判断用户的接入方式是否预分配接入，若是则进入预分配窄带接入流程，否则进入随遇窄带接入流程。
在ka频段多址测控系统用户窄带接入流程中，ka频段多址测控资源调度系统判断用户的接入方式是否预分配接入，若是则进入预分配窄带接入流程，否则进入随遇窄带接入流程。
在预分配窄带接入中，判断ka频段多址测控系统是否有空闲的波束资源，若有则分配波束资源给用户接入，若无，分析已使用的波束中是否存在满足服务时间内覆盖的资源，是则分配空闲的波束资源，否则拒绝接入。
在随遇接入中，分析已使用的波束中是否存在满足服务时间内覆盖的资源，若有则分配波束空闲资源给用户接入，若无，判断是否有空闲波束，是则分配空闲的波束资源，否则拒绝接入。
预分配窄带接入流程如下：
1、判断ka频段多址测控通信系统是否有空闲波束，是则允许接入并分配空闲波束资源，否则转步骤2；
2、判断已使用的波束中是否存在满足服务时间内覆盖的资源，是则分配空闲的波束资源，否则拒绝接入。
随遇窄带接入流程如下：
1、判断已使用的波束中是否存在满足服务时间内覆盖的资源，是则分配波束空闲资源给用户接入，否则转步骤2；
2、判断是否有空闲波束，是则分配空闲的波束资源，否则拒绝接入。
参阅图3。ka频段多址测控通信系统的接入用户可以分为如下4类：需要独占1个波束资源的高优先级预分配宽带接入；可以与其它用户共享1个波束资源的高优先级预分配窄带接入；需要独占1个波束资源的低优先级随遇接入宽带接入；可以与其它用户共享1个波束资源的低优先级随遇接入窄带接入。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。