CN103441790A - 适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法，博弈论和价格理论是根据信息分析及能力判断，研究多决策主体之间行为相互作用及其相互平衡，以使收益或效用最大化的一种对策理论。在此，我们尝试借用博弈论和价格理论解决通信***中的资源共享的问题，使资源使用更加公平。策略考虑到了特定的应用场景，支持多用户到达时通过区分vip用户和普通用户，以及同种用户不同业务来进行优先级考虑，从而实现信道资源管理；通过博弈论和价格理论实现不同业务类型之间资源使用的公平性，提高用户整体满意度；通过升降级的动态调整，提高资源利用率。

Description

适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法

技术领域

本发明是一种适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法，支持多用户到达时，通过区分vip用户和普通用户，以及同种用户不同业务来进行优先级划分；通过价格函数和博弈的方法实现不同业务类型之间资源使用的公平性，同时，通过升降级的方法提高信道资源利用率。

背景技术

随着LEO通信***的发展，它所提供的业务也从传统的语音业务扩展到数据业务和多媒体等多种类型业务，而且这些业务比传统业务对信道带宽的需求更高。不同业务对服务质量的要求也有差别，本文借鉴了3G***中承载的四种业务类型，它们代表了绝大部分通信***中的业务类型(如下表所示)。

对信道而言，它们的主要区别在于对传输时延、抖动、传输带宽以及数据误码率的不同。由于特定场景的需要，我们设置了vip用户和普通用户，vip用户的优先级会高于普通用户，因此多用户到达时，***需要区分不同用户、不同业务类型，根据它们的特点来进行信道资源分配，才能提供更好的服务，提高资源利用率。

传统的信道资源管理策略

1、基于多业务的多门限信道预留策略。将波束小区里部分信道预留下来给优先级较高的用户，这样能够保证优先级较高的用户能够得到足够的信道资源，但是，容易出现信道闲置，当没有或者高优先级用户数量较少时，导致信道资源浪费，同时低优先级用户无法得到信道资源，使得信道资源利用率较低且没有公平性。

2、基于多业务的升降级策略。根据各业务类型的QoS等级，按照一定的升降级准则令某些用户接受降级服务，以保证有新的带宽资源分配给更多的用户。通过运用QoS降级，带宽利用率得到明显提高，但忽略了用户本身受QoS降级策略的影响。

3、基于多业务的权重公平原则和价格函数策略。采用价格函数、效用函数和接入概率等参数控制接入呼叫，实现***收益的最大化，也间接实现了公平性，但是在业务量较小时，流量较大的流媒体业务因为价格较高，导致阻塞率较大，导致资源利用率不高。

发明内容

技术问题：由于信道资源的稀缺性，面临的问题是如何用有限的信道资源提供更高质量的服务，提高信道资源的利用率，使总的用户满意度更高。针对上述策略存在的不足，本发明提供一种适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法，支持多用户到达时通过区分vip用户和普通用户，以及同种用户不同业务来进行优先级考虑；通过价格函数和博弈的方法实现不同业务类型之间资源使用的公平性，提高用户整体满意度；通过升降级的动态调整，提高资源利用率。

技术方案：

1基于博弈论与价格理论的信道管理模型

本发明借用微观经济学中几个概念，采用柯布-道格拉斯效用函数，构造了一种价格函数，这里的价格并不是真正意义上的商品价格，而是一种虚指，用来反映负载和传输速率的变化，指导信道资源的分配。小区中用户的数目和信道资源的消耗是动态变化的。当用户数目较少，信道相对空闲的时候，信道资源的价格相对较低；当小区中用户数量较大，信道资源消耗较为严重的时候，价格就会提高。这样，既可以避免信道资源的过分闲置，也能防止过多用户无限制地使用信道资源，导致信道阻塞。

1.1博弈论与价格理论中的相关定义

纳什均衡：在有限策略集的非合作双人博弈中，博弈方甲和乙，他们的策略集分别为A={a₁，a₂,…,a_m}和B={b₁,b₂,…b_m}，不同策略集条件下的效用为（a_ij,b_ij），其中，a_ij、b_ij分别为博弈方甲和乙在取策略a_i和b_j时的效用。对于一个策略组合（a_i0，b_j0），如果满足max a_ij0=a_i0j0和max b_i0j=b_i0j0，则该策略组合就被认为达到了纳什均衡。

价格函数：采用柯布-道格拉斯偏好模式，即P(η,R)=η^αR^β，η表示负载，R表示传输比特率。α和β为敏感因子。

效用：效用在经济学中是指当一个消费者消费一件商品或服务时所获得的福利。此处是指用户对提供的信道资源服务质量的满意度。

效用函数：用来衡量满意度的表达式。

1.2一些典型业务的效用表达式：

话音业务 $U\left(R\right)=\frac{1}{1+e^{-\mathrm{\αR}}}---\left(1\right)$

数据业务U_d(R)=4(1-e^-0.012R)（2）

多媒体业务 $U_m\left(R\right)=\frac{7}{1+e^{-0.1(R-55)}}---\left(3\right)$

R为传输比特率。

效用值： $A(u,P)=1-e^{-{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{\μ}}{P}^{-\mathrm{\ξ}}}---\left(4\right)$

u、P分别为用户满意度和价格，μ和ξ是敏感因子，是可调的。总体效用值的计算

效用值（接入概率）：

u、P分别为用户效用函数和价格，μ和ξ是敏感因子，是可调的。不同业务的效用函数在上边已经给出。价格函数采用柯布-道格拉斯偏好模式，即P(η,R)=η^αR^β。

总体效用：多用户到达时，根据用户的策略选择（接入或者不接入），计算总体的效用值，根据总体效用值选择纳什均衡点，决定接入用户。

表达式：MaxU_total=∑A_d(m)+∑A_s(n)+∑A_v(k)；

A_d(m)：数据用户的效用，0≤m≤N_d,N_d为数据用户的数量；

A_s(n)：流媒体用户的效用，0≤n≤N_s，N_s为流媒体用户的数量；

A_v(k)：语音用户的效用，0≤k≤N_v，N_v为语音用户的数量；

1.3基于博弈论与价格理论的管理流程

当2个（及两个以上）不同类型用户到达时，激发博弈策略。以用户能否接入作为策略集的两个选项，根据不同业务的效用函数公式，算得单个用户满意度，并以价格函数求得接入和不接入的价格变化，再按照上述公式中的效用值公式分别算得不同用户的效用，然后按照效用值公式（4）中的定义算出总体效用，最后依据总体效用值求纳什均衡点，判断哪些用户可以接入。

2 以流媒体业务为例面向多业务的升降级方法

根据图4中带宽-效用的关系，我们发现各种业务在占用带宽增加到一定程度时，对应的效用增长变缓。也可以这么认为，不同业务的效用都有个极值，每个极值对应一个带宽值，超出该带宽值的部分均没有获得相应的效用。因此，我们可以在信道管理方法中，试图通过对不同业务进行降级的方式，让出超出部分的带宽，来提高信道利用率。下面，以流媒体业务为例，阐述升降级方法。

参考甄皓琮，方旭明等人的研究，将流媒体业务量化为8个级别，占用带宽的等级也分为8个级别。不同的带宽分配周期，流媒体需要的带宽速率可能不一样，假设Rs为当前占用的带宽，R's为下个资源分配周期流媒体用户需要的带宽，设ΔR=Rs-R′s。若ΔR<0，说明下个周期需要更多的带宽，采取的操作是：查看是否有可以接受降级操作的数据用户，数目为D_d，各个数据用户的带宽分别是a[i]=W_i（i=1,2，...,D_d）。按照W_i的大小进行由大到小排序形成b[i]（i=1,2，...,D_d）,按照b[1],b[2]...b[D_d]的顺序进行降级操作，每次降级大小为Δbi，Δbi=b[i-1]-b[i];（i=1,2,...,D_d）。若ΔR>0,说明下个周期该流媒体用户需要的带宽较小，于是释放部分带宽ΔR，这部分带宽用于对降级用户的升级操作。具体操作：首先查找接受降级操作的用户（流媒体用户和数据用户），通过博弈的方法进行判断，选择是对流媒体用户还是数据用户进行升级操作。以升级的对象为数据用户为例，简述升级操作：假设存在接受降级操作的用户数位D_d，各个数据用户的占用带宽分别是a[i]=W_i（i=1,2，...,D_d）。按照W_i的大小进行由小到大的排序形成c[i]（i=1,2，...,D_d），按照c[1],c[2]...c[D_d]的顺序进行升级操作，每次降级大小为Δc，Δc[i]=c[i]-c[i-1]（i=2,3...D_d）。

一、体系结构

现代的卫星移动通信***一般采用多波束天线，不仅可以降低对移动终端等效全向同性辐射功率EIRP和品质因数G/T的要求，更重要的是可以在不同的波束上进行频率复用，从而实现在有限的频带内为更多的用户服务。采用多波束进行频率复用就形成了卫星蜂窝覆盖的概念，每个波束所覆盖的范围称为一个小区。

卫星的覆盖区可以简化为一个地球表面的圆形区域，称为卫星脚印。卫星脚印的覆盖区又被划分成许多互有少许重叠的点波束小区。小区内有多种业务类型的用户，***将信道资源分配给不同类型的用户。

二、方法流程

本发明针对vip用户和普通用户分别采取不同的策略：vip用户申请接入时无需考虑普通用户的满意度，只需根据业务类型信道尽最大努力满足；普通用户申请接入时，一方面通过升价级的策略提高信道利用率，另一方面通过博弈论和价格理论兼顾公平性。

步骤1：持续监听，多用户到达时，区分是vip用户和普通用户，若为vip用户，转至步骤2；否则转至步骤4；

步骤2：如果信道资源足够则直接接入，否则转步骤3；

步骤3：找出可以接受降级的普通用户，按照数据业务、流媒体用户、话音用户的顺序进行降级处理，让出部分带宽，vip用户接入；若为vip语音业务，先对普通用户进行降级处理，若普通用户让出带宽不够，接着对vip数据业务、vip流媒体用户进行降级处理以接入vip语音用户，返回步骤1；

步骤4：通过第4节中介绍的基于博弈论与价格理论的信道管理模型判断是否有可以接入的用户，若有转至步骤5；否则拒绝接入；

步骤5：计算价格和接入概率，判断接入概率是否大于设定值，若大于设定值则接入，否则转步骤6；

步骤6：判断剩余信道能否接入用户，若可以则接入，若剩余信道不足，则转步骤7；

步骤7：判断业务类型，如果是话音业务，则查看正在进行的服务中是否有可以接受降级的数据业务或者流媒体业务，如果没有，则阻塞，如果有，则通过博弈的方法选择是对数据业务还是流媒体业务进行降级，让出部分带宽，直到能够接入话音业务为止；如果是流媒体业务，则查看进行的服务中有没有可以降级的数据业务，如没有则阻塞，如果有，则对数据业务进行降级，让出带宽以接入流媒体业务；如果是数据业务，则只能阻塞。返回步骤1。

有益效果：随着卫星网络技术的不断发展，卫星通信正发挥着不可替代的用。卫星的覆盖区可以简化为一个地球表面的圆形区域，称为卫星脚印。卫星脚印的覆盖区又被划分成许多互有少许重叠的点波束小区。本发明可应用于波束小区内多用户到达时的信道资源分配。

由于信道资源的稀缺性，提高信道资源的利用率，提高通信业务的服务质量变得越来越重要。本发明提出了可升降级动态信道带宽分配方法，以提高信道利用率；根据价格理论和博弈论，提高整体用户满意度，兼顾公平性。同时区分了vip用户和普通用户，vip用户优先级较高，这对特定环境下（如军事卫星网络）的信道资源分配有一定现实意义。

附图说明

图1介绍卫星网络中卫星脚印与波束小区；

图2介绍具体波束小区；

图3介绍不同类型业务效用与带宽的关系；

图4介绍多vip用户到达时信道资源管理流程；

图5介绍多普通用户到达时信道资源管理流程；

图6具体介绍升降级策略。

具体实施方式

本发明的适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法具体为：

步骤1：持续监听，多用户到达时，区分是vip用户和普通用户，若为vip用户，转至步骤2；否则转至步骤4；

步骤2：如果信道资源足够则直接接入，否则转步骤3；

步骤3：找出可以接受降级的普通用户，按照数据业务、流媒体用户、话音用户的顺序进行降级处理，让出部分带宽，vip用户接入；若为vip语音业务，先对普通用户进行降级处理，若普通用户让出带宽不够，接着对vip数据业务、vip流媒体用户进行降级处理以接入vip语音用户，返回步骤1；

步骤4：通过第4节中介绍的基于博弈论与价格理论的信道管理模型判断是否有可以接入的用户，若有转至步骤5；否则拒绝接入；

步骤5：计算价格和接入概率，判断接入概率是否大于设定值，若大于设定值则接入，否则转步骤6；

步骤6：判断剩余信道能否接入用户，若可以则接入，若剩余信道不足，则转步骤7；

步骤7：判断业务类型，如果是话音业务，则查看正在进行的服务中是否有可以接受降级的数据业务或者流媒体业务，如果没有，则阻塞，如果有，则通过博弈的方法选择是对数据业务还是流媒体业务进行降级，让出部分带宽，直到能够接入话音业务为止；如果是流媒体业务，则查看进行的服务中有没有可以降级的数据业务，如没有则阻塞，如果有，则对数据业务进行降级，让出带宽以接入流媒体业务；如果是数据业务，则只能阻塞，返回步骤1。

本发明可用于卫星网络波束小区里边的信道资源分配，当多个用户到达，先进行用户类型区分，再根据不同业务进行不同的资源分配策略。实例具体如下：

8个用户同时到达，其中，4个vip用户A（语音）、B（流媒体）、C（数据业务）、D（数据业务）和4个普通用户E（语音）、F（流媒体）、G（数据业务）、H（数据业务）。

首先区分用户类型，A、B、C、D为vip用户，考虑优先接入。由于四种vip用户的业务类型不同，所以按照不同业务的优先级，接入顺序应当为A、B、C（或D）。下面根据空闲信道的大小考虑不同接入情况：

当空闲信道足够的时候，则按A、B、C、D的顺序接入用户，分配所需带宽；

当空闲信道不够的时候，如果空闲信道不足以接入A：首先，找出信道中可以接受降级的普通用户（即当前占用信道>最少所需信道），从普通数据用户开始降级，普通数据用户数目为D_d，各个数据用户的带宽分别是a[i]=W_i（i=1,2,...,D_d）。按照W_i的大小进行由大到小排序形成b[i]（i=1,2，...,D_d）,按照b[1],b[2]...b[D_d]的顺序进行降级操作，每次降级大小为Δbi，Δbi=b[i-1]-b[i];（i=1,2，...,D_d）。如果普通数据用户让出的带宽不能满足vip用户的接入，则接着对普通流媒体用户、普通话音用户进行降级直到让出带宽能够接入A为止；如果当前信道普通用户数量较少，通过普通用户让出的带宽还不足以接入A则接着对vip用户中的数据用户和流媒体用户进行降级处理，以接入A；

类似的方式管理B、C、D。

普通用户E、F、G、H需要通过博弈的方法判断是否满足一定的接入概率，满足一定的接入概率后可以直接接入。拟定接入概率为0.9.如果E、F、G、H的接入概率分别为0.8、0.9、0.9、0.8，那么F、G两个用户可以直接接入，而用户E和H需要进行更多的判断。如果剩余信道能够接入E、H则E和H接入，若剩余信道不够，由于H是普通数据业务，优先级最低，只能选择阻塞。

因为E为普通语音用户，具有较高的优先级。找出信道中可以降级的普通数据用户和流媒体用户，通过博弈的方法判断是对普通数据业务进行降级还是对普通流媒体用户进行降级，然后进行降级操作，让出部分带宽接入用户E，如果信道中没有可以接受降级的普通流媒体用户或者数据用户，则E只能阻塞。

流媒体用户F接入后，不同的带宽分配周期，流媒体需要的带宽速率可能不一样，假设Rs为当前占用的带宽，R's为下个资源分配周期流媒体用户需要的带宽，设ΔR=Rs-R′s。若ΔR<0，说明下个周期需要更多的带宽，采取的操作是：查看是否有可以接受降级操作的数据用户，数目为D_d，各数据用户的带宽分别是a[i]=W_i（i=1,2，...,D_d）。按照W_i的大小进行由大到小排序形成b[i]（i=1,2，...,D_d）,按照b[1],b[2]...b[D_d]的顺序进行降级操作，每次降级大小为Δbi，Δbi=b[i-1]-b[i];（i=1,2,...,D_d）。若ΔR>0,说明下个周期该流媒体用户需要的带宽较小，于是释放部分带宽ΔR，这部分带宽用于对降级用户的升级操作。具体操作：首先查找接受降级操作的用户（流媒体用户和数据用户），通过博弈的方法进行判断，选择是对流媒体用户还是数据用户进行升级操作。以升级的对象为数据用户为例，简述升级操作：假设存在接受降级操作的用户数位D_d，各个数据用户的占用带宽分别是a[i]=W_i（i=1,2,...,D_d）。按照W_i的大小进行由小到大的排序形成c[i]（i=1,2,...,D_d），按照c[1],c[2]...c[D_d]的顺序进行升级操作，每次降级大小为Δc，Δc[i]=c[i]-c[i-1]（i=2,3...D_d）。

Claims (1)

1.一种适用于卫星网络的多业务信道资源管理方法，其特征在于该方法具体为：

步骤1：持续监听，多用户到达时，区分是vip用户和普通用户，若为vip

用户，转至步骤2；否则转至步骤4；

步骤2：如果信道资源足够则直接接入，否则转步骤3；

步骤3：找出可以接受降级的普通用户，按照数据业务、流媒体用户、话音用户的顺序进行降级处理，让出部分带宽，vip用户接入；若为vip语音业务，先对普通用户进行降级处理，若普通用户让出带宽不够，接着对vip数据业务、vip流媒体用户进行降级处理以接入vip语音用户，返回步骤1；

步骤4：通过第4节中介绍的基于博弈论与价格理论的信道管理模型判断是否有可以接入的用户，若有转至步骤5；否则拒绝接入；

步骤5：计算价格和接入概率，判断接入概率是否大于设定值，若大于设定值则接入，否则转步骤6；

步骤6：判断剩余信道能否接入用户，若可以则接入，若剩余信道不足，则转步骤7；

步骤7：判断业务类型，如果是话音业务，则查看正在进行的服务中是否有可以接受降级的数据业务或者流媒体业务，如果没有，则阻塞，如果有，则通过博弈的方法选择是对数据业务还是流媒体业务进行降级，让出部分带宽，直到能够接入话音业务为止；如果是流媒体业务，则查看进行的服务中有没有可以降级的数据业务，如没有则阻塞，如果有，则对数据业务进行降级，让出带宽以接入流媒体业务；如果是数据业务，则只能阻塞，返回步骤1。

Images