CN107124726A - 基于最大化吞吐量的多波束geo***接入控制方法 - Google Patents

基于最大化吞吐量的多波束geo***接入控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法，属于卫星通信无线资源管理领域；具体为：GEO卫星***在当前的频率复用因子下，针对某用户的呼叫请求寻找满足信道条件和传输时延的波束；分别计算该用户在每个波束下***的总吞吐量；选择最大值将该用户接入到对应的波束中；将所有新用户全部接入到对应的波束中，计算此时***的总吞吐量之和；然后，选择下一个频率复用因子，重复计算所有用户在这个频率复用因子下的***总吞吐量之和；选择全部的总吞吐量之和中的最大值，则***的频率复用因子和用户接入方式确定。本发明考虑路径损耗、用户到达率和频率复用因子，在满足传输时延阈值的情况下，最大化***吞吐量。

Description

基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法
技术领域
本发明涉及卫星通信无线资源管理技术领域，具体是一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法。
背景技术
虽然科技发展日新月异，地面移动通信***也日趋完善；但是，受到地理条件的限制以及全球经济发展不均衡等条件的制约，地面移动通信***在实现全球覆盖的问题上有些力不从心；例如，我国地形复杂，山区、丘陵地带较多，难以完成这些地区地面通信***的网络建设工作；占据地球面积大半的海洋也是地面移动通信覆盖的难点；近年自然灾害频发，地面移动通信***的网络设备极易受到自然灾害的影响而瘫痪，影响后续的抗灾救援活动；军事领域对于通信的精度要求也越来越高，信息化战争中对于通信的安全性也越来越重视，地面移动通信***设备由于极易被敌方破坏而无法满足军方的需求；尤其是航空航天事业的发展，地面通信网更是无法将其覆盖范围延伸至深空。此时，卫星移动通信***得到了各国科学家的重视，成为了移动通信领域的研究热点。
卫星通信***，是指利用分布于不同轨道的人造地球卫星代替地面基站作为中继站，通过对无线电波进行转发、放大或者星上处理等方式进而实现在两个或多个地球站之间进行通信的一门新兴的无线通信***，其采用的无线电波频率为微波频段，即频率为300MHz-300Ghz，波长约为1mm-1m。
近年来，卫星通信***越来越多地与现代移动通信技术以及航空航天技术相结合，但也暴露出一些问题：对于采用了多波束技术的GEO卫星通信***，在GEO***中，GEO卫星具有更大的覆盖范围，此外，为了提高频谱效率，卫星***越来越多地采用了卫星多波束技术。但是由于轨道高度，带来了高时延；除此之外，随着用户的接入，同频干扰噪声的增加会影响信干噪比的大小，进一步影响***的传输时延。所以，需要根据用户的业务类型，不同波束的负载情况以及信道质量等制定合理的接入控制策略以保证用户的时延要求。与此同时，GEO卫星造价高昂，带宽、功率等星上资源匮乏，如何合理地利用星上资源也是接入控制策略需要考虑的因素之一。
GEO卫星***为全球提供同步服务，它可以扩大地面通信面积，为全球用户提供接入服务，是通信***中的重要组成部分。然而，由于星上处理能力和带宽、功率等星上资源的有限性，在某些场景中，卫星***很有可能不能满足大量用户的接入需求，这可能会使呼叫阻塞率(Call Blocking Probability，CBP)升高，从而不能保证用户的QoS(Quality ofService，服务质量)。其次，GEO卫星与用户之间距离很长，通信时产生的路径损耗和传输时延也不能被忽略。
综上所述，如何减轻路径损耗和传输时延的影响，最大化卫星***吞吐量和资源利用率以保证用户的服务质量，成为接入策略设计中的主要问题。
发明内容
本发明在保证用户接入要求的前提下最大化***资源利用率，为用户提供更高的服务质量；提出了一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制策略。
具体步骤如下：
步骤一、针对M个新用户的呼叫请求队列，GEO卫星***在当前的固定频率复用因子下，依次接收呼叫请求，根据当前用户需要的信道数寻找满足Cio≤Cia的波束；
Cia为波束的可用信道数；Cio为当前新用户的呼叫请求发起时需要的信道数；
当前用户的呼叫请求初始值为1；GEO卫星***中满足Cio≤Cia的波束总数为N个；
步骤二、针对满足条件的N个波束，分别计算每个波束接收当前用户的信噪比SINR；
针对第i个波束接收当前用户的呼叫请求时的信噪比SINRi计算如下：
Si是当前用户接入第i个波束时的信号功率；Ii是第i个波束中干扰信号的功率，Ni表示第i个波束的噪声功率。
步骤三、利用N个信噪比SINR，计算当前用户分别接入每个波束时的传输时延，并选择传输时延小于***时延阈值τ的波束，进入步骤四，否则，拒绝新用户的接入；
该用户接入第i个波束的传输时延Di：
Bi表示第i个波束的带宽，C表示用户要传送的数据量；
步骤四、将当前用户依次接入满足条件的N'个波束，分别计算在每个波束下GEO卫星***的总吞吐量；
该用户接入第i个波束时，GEO卫星***的总吞吐量Ti；
步骤五、选择该GEO卫星***的N'个总吞吐量中最大的值，将当前用户接入到该最大值对应的波束中；
步骤六、顺序选择下一个呼叫请求，重复步骤一到步骤五，直至M个呼叫请求全部接入到对应的波束中，计算此时GEO卫星***的总吞吐量之和；
步骤七、选择下一个固定频率复用因子，重复步骤一到步骤六，计算该呼叫请求队列在该固定频率复用因子下的GEO卫星***的总吞吐量之和；
步骤八、直至用完全部的固定频率复用因子，选择总吞吐量之和中的最大值，对应的频率复用因子作为最优频率复用因子，每个呼叫请求对应的波束作为最终的接入方式。
本发明的优点在于：
1)、一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法，通过考虑路径损耗、用户到达率和频率复用因子，在满足传输时延阈值的情况下，最大化***吞吐量。
2)、一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法，频率复用因子在一些场景中很大地影响着***表现，是一个很重要的参数。与传统方案相比，本发明提出的策略在最优化资源利用率的方面有着更好的表现，在最大化***吞吐量方面有着显著的成效。
附图说明
图1是本发明采用的多波束GEO卫星模型示意图；
图2是本发明多波束GEO卫星***中频率不同的7个波束产生的频率复用因子；
图3是本发明基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法流程图。
具体实施例
下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。
本发明提出了一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制策略(A CallAdmission Control Scheme Based on Maximizing Throughput for the Multi-beamGEO Satellite Communication System)；首先对GEO通信***进行建模分析，如图1所示，是一个多波束GEO卫星，它可以为移动电话、飞机和车载电话等提供服务；由于用户终端的不均匀分布和新呼叫产生的随机性，每个波束的信道条件都不相同。因此多波束GEO***接入控制策略中的主要问题是波束的选择：假设1个GEO卫星***有多个波束，当有新呼叫请求时，***将会决定是否允许新呼叫请求接入，如果允许为其分配合适的波束；且波束的信道条件必须满足新呼叫请求的要求，同时使GEO卫星***的吞吐量最大化。
多波束使得频率复用成为可能，在本实施例的多波束GEO卫星***中，考虑频率复用技术，如图2所示，F1到F7代表频率不同的7个波束，它们的频率复用因子分别是3、4和7。总体来说，频率复用因子越高，频谱利用率越高；但是，相邻波束之间的同频干扰会大幅增加，尤其是波束边缘，导致接入用户的信噪比会降低。而当同频干扰降低，卫星***可以达到更高的总吞吐量；因此选取一个最优的***频率复用因子，最大化***吞吐量是重点。
当GEO卫星中有Ct个信道，频率复用因子是因此每个波束的信道即为本发明基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制策略如下：
1)实时计算GEO卫星***资源分配情况并更新；
2)当有新用户发起呼叫请求，首先检查资源状态，决定是否允许呼叫接入；
3)如果当前空闲资源足够，则计算每个波束的传输时延；
首先计算范根波束的传输时延，新用户的接入会给网络和信道状况带来改变，从而改变传输时延；然后计算同频波束的传输时延，由于信道干扰的不同，同频波束的信噪比可能会受到新用户接入的影响，这也使传输时延发生改变。
4)将Di与传输时延阈值τ作比较，如果Di≤τ，则进行下一步，否则拒绝此呼叫请求；
5)计算***的总吞吐量选择分配最优的波束，允许用户接入；
6)当有新用户请求接入时重复以上步骤。
具体步骤如下：
步骤一、针对M个新用户的呼叫请求队列，多波束GEO卫星***在当前的固定频率复用因子下，依次接收呼叫请求，根据当前用户需要的信道数寻找满足Cio≤Cia的波束；
Cia为波束的可用信道数；Cio为当前新用户的呼叫请求发起时需要的信道数；
呼叫请求队列集合为{1,2,...,m,...M}；当前用户的呼叫请求初始值为1；
多波束GEO卫星***中满足Cio≤Cia的波束总数为N个；多波束GEO卫星***中的信道为Ct个，频率复用因子为因此每个波束的信道即为
步骤二、针对满足条件的N个波束，分别计算每个波束接收当前用户的信噪比SINR；
针对第i个波束接收当前用户的呼叫请求时的信噪比SINRi计算如下：
Si是当前用户接入第i个波束时的信号功率，与路径损耗有关；Ii是第i个波束中干扰信号的功率，Ni表示第i个波束的噪声功率。
步骤三、利用N个信噪比SINR，计算当前用户分别接入每个波束时的传输时延，并选择传输时延小于***时延阈值τ的波束，进入步骤四，否则，拒绝新用户的接入；
该用户接入第i个波束的平均传输时延Di：
Bi表示第i个波束的带宽，C表示用户要传送的数据量；
步骤四、将当前用户依次接入满足条件的N'个波束，分别计算在每个波束下GEO卫星***的总吞吐量；
当前用户满足Cio≤Cia和Di≤τ后接入到第i个波束，计算GEO卫星***的总吞吐量Ti；
步骤五、选择该GEO卫星***的N'个总吞吐量中最大的值，将当前用户接入到该最大值对应的波束中；
从式中可以看出，最大化***吞吐量的关键是信噪比SINR，而SINR会受到同频波束干扰的影响；当更多的用户接入网络，就会带来更大的干扰；干扰增加，SINR将会降低。每当有用户发起请求，本发明将会计算当前卫星***资源配置情况和每个波束的SINR，来选择最优的波束接入用户；同时也会考虑到传输时延阈值的要求。
步骤六、顺序选择下一个呼叫请求，重复步骤一到步骤五，直至M个呼叫请求全部接入到对应的波束中，计算此时GEO卫星***的总吞吐量之和；
步骤七、选择下一个固定频率复用因子，重复步骤一到步骤六，计算该呼叫请求队列在该固定频率复用因子下的GEO卫星***的总吞吐量之和；
步骤八、直至用完全部的固定频率复用因子，选择总吞吐量之和中的最大值，对应的频率复用因子作为最优频率复用因子，每个呼叫请求对应的波束作为最终的接入方式。
在每个固定的频率复用因子下，每个用户的呼叫请求接入到GEO卫星***中符合条件的不同的波束，导致GEO卫星***产生不同的吞吐量，根据吞吐量最大值选择每个用户的最佳接入波束；
当该M个新用户的呼叫请求队列在固定的频率复用因子下，分别接入到GEO卫星***的最佳波束中，导致GEO卫星***产生最佳总吞吐量之和。
针对不同的频率复用因子，该M个新用户的呼叫请求队列会导致GEO卫星***产生不同的最佳总吞吐量之和，从中选择最大的最佳总吞吐量之和作为最终接入方式。

Claims (2)

1.一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、针对M个新用户的呼叫请求队列，GEO卫星***在当前的固定频率复用因子下，依次接收呼叫请求，根据当前用户需要的信道数寻找满足Cio≤Cia的波束；
Cia为波束的可用信道数；Cio为当前新用户的呼叫请求发起时需要的信道数；
步骤二、针对满足条件的N个波束，分别计算每个波束接收当前用户的信噪比SINR；
步骤三、利用N个信噪比SINR，计算当前用户分别接入每个波束时的传输时延，并选择传输时延小于***时延阈值τ的波束，进入步骤四，否则，拒绝新用户的接入；
该用户接入第i个波束的传输时延Di：
Bi表示第i个波束的带宽，C表示用户要传送的数据量；SINRi表示第i个波束接收当前用户的呼叫请求时的信噪比；
步骤四、将当前用户依次接入满足条件的N'个波束，分别计算在每个波束下GEO卫星***的总吞吐量；
该用户接入第i个波束时，GEO卫星***的总吞吐量Ti；
<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msup> <mi>N</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </munderover> <msub> <mi>B</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>SINR</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
步骤五、选择该GEO卫星***的N'个总吞吐量中最大的值，将当前用户接入到该最大值对应的波束中；
<mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>X</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>B</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>SINR</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
步骤六、顺序选择下一个呼叫请求，重复步骤一到步骤五，直至M个呼叫请求全部接入到对应的波束中，计算此时GEO卫星***的总吞吐量之和；
步骤七、选择下一个固定频率复用因子，重复步骤一到步骤六，计算该呼叫请求队列在该固定频率复用因子下的GEO卫星***的总吞吐量之和；
步骤八、直至用完全部的固定频率复用因子，选择总吞吐量之和中的最大值，对应的频率复用因子作为最优频率复用因子，每个呼叫请求对应的波束作为最终的接入方式。
2.如权利要求1所述的一种基于最大化吞吐量的多波束GEO***接入控制方法，其特征在于，所述步骤二中，第i个波束接收当前用户的呼叫请求时的信噪比SINRi计算如下：
<mrow> <msub> <mi>SINR</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
Si是当前用户接入第i个波束时的信号功率；Ii是第i个波束中干扰信号的功率，Ni表示第i个波束的噪声功率。
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