跳波束资源调度方法

摘要

本发明提供了一种跳波束资源调度方法。方法步骤如下：定义跳波束图案；确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵；计算波位内终端的加权业务量；定义系统的数据传输矩阵；将跳波束资源调度转化成最优化问题；基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。本方法适用于采用跳波束方式工作的卫星通信系统，系统根据方法生成的跳波束图案动态调整波束所覆盖的波位，满足系统内卫星通信终端的业务数据传输需求。算法使用终端业务输入队列的长度作为业务量的指标，终端无需确定统计业务速率的时间间隔，能够快速、有效地更新跳波束图案，避免统计业务速率引起的统计准确性和跳波束图案更新频率间的矛盾。

权利要求

1.跳波束资源调度方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、定义跳波束图案：

定义系统帧长为n，即每一帧包含n个时隙；定义波位数量为m，跳波束在一个TDMA帧长内、在m个波位间的切换序列为跳波束图案，所述跳波束图案使用矩阵P表示：式中，表示系统具有的跳波束数量， 表示在时隙 ，波位 是否被跳波束覆盖，表示未覆盖，表示被覆盖；

步骤2、确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵；

所述系统优先级矩阵 表示如下：

式中， 表示在波位 处的第 个终端的优先级， 越大，则在波位 处的第 个终端的发送优先级越高， 为 表示不允许在波位 处的第 个终端发送数据，m表示波位数量；

步骤3、计算在波位 中所有卫星终端的业务量加权 ：式中， 表示在波位 处的第 个终端的优先级， 表示在波位 处的第 个终端的业务量， 表示波位 中的终端数量；

系统内每个波位内终端的加权业务量之和；

式中， 表示第m个波位的业务量加权；

步骤4、定义系统的数据传输矩阵；

数据传输矩阵表示如下：

式中，P表示跳波束图案使用矩阵， 表示系统内每个波位内终端的加权业务量之和的转置矩阵相乘，D表示数据传输矩阵； 表示第n个时隙发送数据的卫星终端对应加权业务量；

步骤5、将跳波束资源调度转化成最优化问题；

步骤5‑1、将跳波束卫星通信系统构建为“生产者‑消费者模型”；

系统内所有用户产生业务数据传输需求，构成消费者；

系统通过为卫星终端分配时隙和波束传输用户产生的业务数据，构成生产者；

步骤5‑2、选择加权业务量高于预定值的卫星终端进行数据传输；在一个TDMA帧周期内，使矩阵 的逐项和 最大，构成一个时隙和波位分配的最优化问题：式中，由 、 和 共同决定， 由用户产生， 根据用户或任务的重要性进行设置，在和 确定的前提下，得出使得 最大的 ，即系统的跳波束图案；

步骤6、基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。

2.根据权利要求1所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，步骤2中确定得到的所述波位业务量矩阵 表示如下：式中， 表示波位 中的终端数量； 表示在波位 处的第 个终端的业务量，m表示波位数量。

3.根据权利要求1所述的跳波束资源调度方法，其特征在于，步骤6进一步包括：选择波束内加权业务量最大的终端，以及系统内加权业务量最大的波位，确定波位和时隙的分配，输出系统的跳波束图案 。

4.跳波束资源调度设备，其特征在于，包括：至少一个处理器和存储器；

所述存储器存储计算机执行指令；

至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行如权利要求1至3任一项所述的跳波束资源调度方法。

5.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如权利要求1至3任一项所述的跳波束资源调度方法。

说明书

跳波束资源调度方法

技术领域

[0001] 本发明涉及G06F：电数字数据处理领域，尤其涉及一种跳波束资源调度方法。

背景技术

[0002] 在现代卫星通信系统中，多波束的应用越来越广泛，相比于传统的大波束系统，多波束系统能够提供更大的通信带宽，而对于一些采用跳波束的多波束系统，卫星波束可以在卫星视场内的多个波位间快速切换，还能够提供更加灵活的通信服务。跳波束在带来系统灵活性的同时，也增加了管理控制的复杂性，其核心问题在于如何调度卫星波束资源，使其满足系统的业务数据传输需求。

[0003] 现有的跳波束资源调度方法分为两类：一类是静态分配，系统在运行过程中使用固定不变的跳波束图案。这种方法的优点是实现简单、适合业务量分布变动小的卫星通信系统，但其无法适用于业务量分布可能有较大变化的系统；第二类是动态分配，系统在运行过程中不断调整跳波束图案，适应各波位业务量的动态变化。由于大部分卫星通信系统业务量的分布都可能出现较大的变化，所以，这类方法相比于静态分配具有更好的适应性，实现思路是先统计系统内各波位的业务量，然后再根据业务量进行动态的波束调整。此类方法通常存在两个方面的问题：1）需要在终端侧计算一定时间间隔内的业务传输速率，一方面占用了终端的计算资源，另一方面统计时间间隔也难以确定，间隔过小会导致业务传输速率计算不准确，间隔过大又无法及时更新跳波束图案；2）未考虑终端优先级等其他因素，卫星资源需求实际上不仅仅同业务量相关，还跟终端的重要性相关，虽然有些终端的业务量不大，但可能是需要重点保障的终端，需要分配更多的时隙，这种情况在一些应急通信的场景十分常见。

发明内容

[0004] 发明目的：提出一种基于终端业务加权值和业务队列长度的跳波束资源调度方法，并进一步提出一种用于实现上述方法的系统，以解决现有技术存在的上述问题。

[0005] 第一方面，提出一种跳波束资源调度方法，该方法步骤如下：

[0006] 1）定义跳波束图案。

[0007] 2）确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵。

[0008] 3）计算波位内终端的加权业务量。

[0009] 4）定义系统的数据传输矩阵。

[0010] 5）将跳波束资源调度转化成最优化问题。

[0011] 6）基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。

[0012] 在第一方面的一些可实现方式中，1）定义跳波束图案的过程如下：

[0013] 跳波束卫星通信系统采用MF‑TDMA体制，假设系统帧长为 ，即每一帧包含 个时隙，当卫星终端有业务数据需要传输时，网控系统为其分配一个或多个时隙，卫星终端在相应时隙处发送数据。卫星配置的跳波束能够在卫星视场内的多个固定波位间快速切换，为卫星覆盖区域内的终端提供分时服务，假设波位数量为 ，跳波束在一个TDMA帧长内、在个波位间的切换序列称为跳波束图案。

[0014] 跳波束图案可以使用矩阵 表示：

[0015]

[0016] 其中， 、分别表示时隙和波位数量,  表示系统具有的跳波束数量， 表示在时隙 ，波位 是否被跳波束覆盖，表示未覆盖，表示被覆盖。

[0017] 在第一方面的一些可实现方式中，2）确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵的过程如下：

[0018] 卫星终端分布于各个波位中， 表示在波位 处的第 个终端， 表示波位 中的终端数量。用 表示 的业务量，则 表示在波位 中每个卫星终端的业务量：

[0019]

[0020] MF‑TDMA系统允许不同终端同时在多个频点发送数据，如果系统频点个数为 ，那么在波位 中最多能够同时工作的终端数目为 。为每个卫星终端 分配一个优先级 ，越大 的发送优先级越高， 为 表示不允许终端 发送数据。

[0021]

[0022] 在第一方面的一些可实现方式中，3）计算波位内终端的加权业务量的过程如下：

[0023] 由于系统频点数量的限制， 中最多只能有 个元素不为零。计算在波位 中所有卫星终端的业务量加权之和：

[0024]

[0025] 矩阵 是系统内每个波位内终端的加权业务量之和：

[0026]

[0027] 在第一方面的一些可实现方式中，4）定义系统的数据传输矩阵的过程如下：

[0028] 跳波束图案决定了每个时隙哪一个波位能够发送数据，因此，将矩阵 与 的转置矩阵相乘，得到系统的传输矩阵：

[0029]

[0030] 可见，矩阵 表示了系统在各个时隙发送数据的卫星终端对应的加权业务量之和。

[0031] 在第一方面的一些可实现方式中，5）将跳波束资源调度转化成最优化问题的过程如下：

[0032] 系统可以抽象成一个“生产者‑消费者”模型，系统内所有用户产生业务数据传输需求，系统通过为卫星终端分配时隙和波束传输用户产生的业务数据，为提高系统整体的传输效率，需优先选择加权业务量高的卫星终端进行数据传输。因此，如何进行时隙和波位分配是一个最优化问题，在一个TDMA帧周期内，如何使矩阵 的逐项和 最大：

[0033]

[0034] 由 、 和 共同决定， 由用户产生， 根据用户或任务的重要性进行设置，在和 确定的前提下，可以得出使得 最大的 ，即系统的跳波束图案。

[0035] 在第一方面的一些可实现方式中，6）基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案的过程如下：

[0036] 只要确定了 和 ，通过选择波束内加权业务量最大的终端，以及系统内加权业务量最大的波位，便可以确定波位和时隙的分配，输出系统的跳波束图案 。传输优先级由管理员根据终端的重要性进行设置。当不需要考虑卫星终端发送优先级时， 退化成只包含 个 ，其余元素为 的一维矩阵。此时系统仅根据卫星终端的业务量进行波束调度。用户业务量 的取值为卫星终端的业务输入队列长度。

[0037] 第二方面，提出一种跳波束资源调度系统，该系统包括跳波束图案定义模块、矩阵生成模块、业务量计算模块、优化模块、输出模块五部分。

[0038] 跳波束图案定义模块基于MF‑TDMA体制定义跳波束图案；矩阵生成模块用于确定波位业务量矩阵、系统优先级矩阵、数据传输矩阵；业务量计算模块用于计算波位内终端的加权业务量；优化模块用于将跳波束资源调度转化成最优化问题；输出模块基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案。

[0039] 第三方面，提出一种跳波束资源调度设备，该设备包括至少一个处理器和存储器；存储器存储计算机执行指令；至少一个处理器执行存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行如第一方面所述的跳波束资源调度方法。

[0040] 第四方面，提出一种可读存储介质，该可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行计算机执行指令时，实现如第一方面所述的跳波束资源调度方法。

[0041] 有益效果：本发明提供的跳波束资源调度方法，基于终端业务加权值和业务队列长度来实现，适用于采用跳波束方式工作的卫星通信系统，系统根据方法生成的跳波束图案动态调整波束所覆盖的波位，满足系统内卫星通信终端的业务数据传输需求。算法使用终端业务输入队列的长度作为业务量的指标，终端无需确定统计业务速率的时间间隔，也不用进行任何计算，能够快速、有效地更新跳波束图案，避免统计业务速率引起的统计准确性和跳波束图案更新频率间的矛盾。

附图说明

[0042] 图1 为本发明的整体工作流程图。

[0043] 图2为本发明跳波束图案示意图。

[0044] 图3为本发明方法和随机跳波束资源调度方法的对比示意图。

[0045] 图4为是否考虑终端优先级的情况下的对比示意图。

具体实施方式

[0046] 在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

[0047] 申请人认为，现有跳波束资源调度方法中存在两个问题：一是业务量统计的实现方式占用终端计算资源并且难以确定合理的统计时间间隔；二是仅以业务量作为优化指标，未考虑终端优先级等其他方面的因素。

[0048] 为此，本发明提出一种跳波束资源调度方法，并进一步提出一种用于实现上述方法的系统，适用于采用跳波束方式工作的卫星通信系统，系统根据方法生成的跳波束图案动态调整波束所覆盖的波位，满足系统内卫星通信终端的业务数据传输需求。

[0049] 实施例一：

[0050] 本实施例提出一种跳波束资源调度方法，该方法步骤见图1，如下：

[0051] 1）定义跳波束图案

[0052] 跳波束卫星通信系统采用MF‑TDMA体制，假设系统帧长为 ，即每一帧包含 个时隙，当卫星终端有业务数据需要传输时，网控系统为其分配一个或多个时隙，卫星终端在相应时隙处发送数据。卫星配置的跳波束能够在卫星视场内的多个固定波位间快速切换，为卫星覆盖区域内的终端提供分时服务，假设波位数量为 ，跳波束在一个TDMA帧长内、在个波位间的切换序列称为跳波束图案，如图2所示。

[0053] 跳波束图案可以使用矩阵 表示：

[0054]

[0055] 其中， 、分别表示时隙和波位数量, 表示系统具有的跳波束数量，表示在时隙，波位 是否被跳波束覆盖，表示未覆盖，表示被覆盖。

[0056] ）确定波位业务量矩阵

[0057] 卫星终端分布于各个波位中， 表示在波位 处的第 个终端， 表示波位 中的终端数量。用 表示 的业务量，则 表示在波位 中每个卫星终端的业务量：

[0058]

[0059] 3）确定系统优先级矩阵

[0060] MF‑TDMA系统允许不同终端同时在多个频点发送数据，如果系统频点个数为 ，那么在波位 中最多能够同时工作的终端数目为 。为每个卫星终端 分配一个优先级 ，越大 的发送优先级越高， 为 表示不允许终端 发送数据。

[0061]

[0062] ）计算波位内终端的加权业务量

[0063] 由于系统频点数量的限制， 中最多只能有 个元素不为零。计算在波位 中所有卫星终端的业务量加权之和：

[0064]

[0065] 矩阵 是系统内每个波位内终端的加权业务量之和：

[0066]

[0067] 5）定义系统的数据传输矩阵

[0068] 跳波束图案决定了每个时隙哪一个波位能够发送数据，因此，将矩阵 与 的转置矩阵相乘，得到系统的传输矩阵：

[0069]

[0070] 可见，矩阵 表示了系统在各个时隙发送数据的卫星终端对应的加权业务量之和。

[0071] ）将跳波束资源调度转化成最优化问题

[0072] 系统可以抽象成一个“生产者‑消费者”模型，系统内所有用户产生业务数据传输需求，系统通过为卫星终端分配时隙和波束传输用户产生的业务数据，为提高系统整体的传输效率，需优先选择加权业务量高的卫星终端进行数据传输。因此，如何进行时隙和波位分配是一个最优化问题，在一个TDMA帧周期内，如何使矩阵 的逐项和 最大：

[0073]

[0074] 由 、 和 共同决定， 由用户产生， 根据用户或任务的重要性进行设置，在和 确定的前提下，可以得出使得 最大的 ，即系统的跳波束图案。

[0075] ）基于业务加权值和业务队列长度输出跳波束图案

[0076] 如上所述，只要确定了 和 ，通过选择波束内加权业务量最大的终端，以及系统内加权业务量最大的波位，便可以确定波位和时隙的分配，输出系统的跳波束图案 。传输优先级 由管理员根据终端的重要性进行设置。当不需要考虑卫星终端发送优先级时，退化成只包含 个 ，其余元素为 的一维矩阵。此时系统仅根据卫星终端的业务量进行波束调度。用户业务量 的取值为卫星终端的业务输入队列长度。跳波束图案生成算法如下：

[0077] n = TDMA帧的时隙数

[0078] m = 系统波位数

[0079] r = 系统频点数

[0080] g = 系统跳波束个数

[0081] s = 系统一个时隙传输的数据量

[0082]  = 波位j中终端数量

[0083] A：存储优先级的二维数组

[0084] B：存储业务量的二维数组

[0085] C：存储各波位内终端加权业务量之和的一维数组

[0086] X：存储各波位内各终端的加权业务量的二维数组

[0087] E：存储r个加权业务量最大的波位的一维数组

[0088] P：存储跳波束图案的二维数组

[0089] for i = 1 to n

[0090] {

[0091] for j = 1 to m

[0092] {

[0093]         P[ i ][ j ] = 0

[0094]         for k = 1 to 

[0095]         {

[0096]             X[ j ][ k ] = A[ j ][ k ] * B[ j ][ k ]

[0097]         }

[0098]         取X[ j ]中数值最大的个元素的下标，存入数组E

[0099]         for k = 1 to 

[0100]         {

[0101]             if k not in E then

[0102]             {

[0103]                 X[ j ][ k ] = 0

[0104]             }

[0105]         }

[0106]         C[j] = 0

[0107] for k = 1 to 

[0108] {

[0109]             C[ j ] = C[ j ] + X[ j ][ k ]

[0110]         }

[0111]     }

[0112]     取C中数值最大的 个元素的下标，存入数组G

[0113]     for k = 1 to g

[0114]     {

[0115]         C[ G[ k ] ] = C[ G[ k ] ] – s  // s是一个时隙传输的数据量[0116]         P[i][ G[ k ] ] = 1

[0117]     }

[0118] }

[0119] 输出P

[0120] 从上述对算法的描述可以看出，通过设置优先级矩阵 ，算法能够综合终端业务量和优先级的影响，使得跳波束图案能够更好地满足实际系统的需求。当需要增加其他相关因素时，算法本身也无需做任何改变，只需调整优先级矩阵 即可。算法使用终端业务输入队列的长度作为业务量的指标，终端无需确定统计业务速率的时间间隔，也不用进行任何计算，能够快速、有效地更新跳波束图案，避免统计业务速率引起的统计准确性和跳波束图案更新频率间的矛盾。

[0121] 通过模拟实验对本发明方法进行验证，假设系统有20个波位，2个频点，3个跳波束，3个优先保障终端，随机产生系统的初始业务量，随机产生每个波位内的终端，执行算法，记录业务量的传输情况，实验结果如图3和图4所示。

[0122] 图3比较了使用本发明方法和随机跳波束资源调度方法，给定相同的起始系统总业务量，采用本发明方法时，系统总业务量下降的速度远远快于随机地调度跳波束，说明本发明方法具有更高的业务传输率。

[0123] 图4比较了是否考虑终端优先级的情况，本发明方法根据优先级进行加权，能够大大加快优先保障终端的业务传输率。

[0124] 从实验结果可以看出，本发明的跳波束资源调度方法能够有效地提高系统的传输效率，同时，该方法支持设置终端优先级，保证高优先级终端的业务得到优先传输，能够很好地满足真实系统的实际应用需求。

[0125] 实施例二：

[0126] 实施例二在实施例一的基础之上，提出具体的跳波束资源调度流程。

[0127] （1）跳波束卫星通信系统具有TDMA时隙数、波位数、频点数等多个基本参数，分别使用变量进行存储；同时，定义一维和二维数组存储相应的优先级、队列长度等信息。具体的变量和数组定义如下：

[0128] n = TDMA帧的时隙数，m = 系统所具有的波位数记为，r = 系统的频点数，g = 系统跳波束的个数，s = 系统一个时隙传输的数据量，hj= 波位j中终端数量，A为存储优先级的二维数组，B为存储终端业务队列长度的二维数组，C为存储每个波位内终端加权业务量之和的一维数组，P为存储跳波束图案的二维数组。

[0129] （2）i = 1；计数器i用来遍历TDMA帧的所有时隙。

[0130] （3）如果i ≤ n，那么j = 1，否则转到（30）；计数器j用来遍历系统的所有波位。

[0131] （4）如果j ≤ m，那么P[ i ][ j ] = 0，否则转到（21）；先将时隙i时波位j置为不分配资源。

[0132] （5）k = 1；计数器k用于遍历波位j中所有的终端。

[0133] （6）如果k ≤ hj，那么X[ j ][ k ] = A[ j ][ k ]*B[ j ][ k ]，否则转到（9）；计算波位j中终端业务量的加权值，并且进行累加。

[0134] （7）k = k + 1；访问下一个终端。

[0135] （8）转到（6）。

[0136] （9）取X[ j ]中数值最大的r个元素的下标，存入数组E；数组X中存放了时隙i时波位j中所有终端的业务量加权值，但一个波位同时能够使用的频点只有r个，因此只取其中业务量加权值最大的r个终端。

[0137] （10）k = 1；计数器k用于遍历波位j中所有的终端。

[0138] （11）如果k > hj，那么转到（15）；

[0139] （12）如果k不在数组E中，那么X[ j ][ k ] = 0；因为一个波束在一个时隙仅能同时服务r个终端，所以只计算业务量加权值最高的r个终端，不考虑其他终端。

[0140] （13）k = k + 1；访问下一个终端。

[0141] （14）转到（11）。

[0142] （15）k = 1；计数器k用于遍历波位j中所有的终端。

[0143] （16）如果k ≤ hj，那么C[ j ] = C[ j ] + X[ j ][ k ]，否则转到（19）；对波位j中终端的业务量加权值进行累加。

[0144] （17）k = k + 1；访问下一个终端。

[0145] （18）转到（16）。

[0146] （19）j = j + 1；访问下一个波位。

[0147] （20）转到（4）；

[0148] （21）取C中数值最大的g个元素的下标，存入数组G；由于系统具有g个跳波束可以同时使用，因此选取业务量加权值最大的g个波位提供服务。

[0149] （22）k = 1；计数器k用于遍历所有跳波束。

[0150] （23）如果k > g，那么转到（28）。

[0151] （24）C[ G[ k ] ] = C[ G[ k ] ] – s；由于为波位分配了跳波束资源，实现了终端业务数据传输，所以要将该波位的现存业务量减去传输的业务量。

[0152] （25）P[i][ G[ k ] ] = 1；二维数组P存储跳波束图案，将相应元素置位表示在时隙i为波位G[k]分配跳波束资源。

[0153] （26）k = k + 1；访问下一个跳波束。

[0154] （27）转到（23）。

[0155] （28）i = i + 1；访问下一个时隙。

[0156] （29）转到（3）；

[0157] （30）输出P。此时，二维数组记录了一个TDMA帧完整的跳波束图案，系统根据该图案进行跳波束资源的调度。

[0158] 如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。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。