CN109743164A - 一种量子卫星网络中信道资源分配方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子卫星网络中信道资源分配方法及装置,所述方法包括:给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙;在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径;所述传输路径包括卫星节点间的传输顺序;根据所述传输顺序将所述数据业务依次传输到相应的卫星节点;每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路;从所述传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,以对所述数据业务进行加密;所述传输链路中的数据业务传输分配时隙,从而能够使各链路的数据业务的传输具有足够的密钥量,且保障安全业务的传输。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,特别是指一种量子卫星网络中信道资源分配方法及装置。
背景技术
随着卫星通信的发展,卫星网络将会成为未来空天一体化通信网络的主干网,但由于激光的发散特性,光束容易被分光窃听,星间激光通信的安全传输问题亟待解决。量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术具有理论上绝对安全的优势,基于目前已实现星地间量子密钥分发的“墨子号”量子卫星,未来可实现量子卫星组网,利用星间量子密钥分发保障卫星通信安全。
但卫星网络中存在永久连接的链路和动态连接的链路,永久链路的密钥生成速率较稳定,动态链路的密钥生成速率则受传输距离变化和链路切换的影响而下降,在一个时间周期内,动态链路产生的密钥量小于永久链路。若所有链路的量子信道均采用相同的固定带宽分配,将会导致不同链路的密钥生成速率不一致,动态链路的可用密钥量较少,需要在动态链路上传输的业务无法获得足够的密钥量,从而限制了安全业务的传输容量。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种量子卫星网络中信道资源分配方法及装置,能够使各链路的数据业务的传输具有足够的密钥量,且保障安全业务的传输。
基于上述目的本发明提供的量子卫星网络中信道资源分配方法,包括:
给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙;
在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径;所述传输路径包括卫星节点间的传输顺序;
根据所述传输顺序将所述数据业务依次传输到相应的卫星节点;
每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路;
从所述传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,以对所述数据业务进行加密;
给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙。
进一步地,所述在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径,具体包括:
获取所述量子卫星网络在一个运动周期内的动态拓扑;
将所述运动周期划分为多个时间段,以将所述动态拓扑分割为与每个时间段相对应的静态拓扑;
在量子卫星网络接收到数据业务时,根据接收的时间段所对应的静态拓扑计算所述数据业务的最短传输路径。
进一步地,所述每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路,具体包括:
每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,判断当前时间段是否改变;
若是,则根据当前时间段所对应的静态拓扑重新计算所述数据业务的最短传输路径,以根据重新计算的传输路径获取所述卫星节点与下一个卫星节点之间的链路作为传输链路。
进一步地,在所述给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙之前,还包括:
部署卫星节点,以构成所述量子卫星网络;
给所述量子卫星网络中任意相邻的两个卫星节点间的链路部署量子密钥池,并将每个链路产生的量子密钥存储于对应的量子密钥池中。
进一步地,所述给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙,具体包括:
根据每个链路的类型给每个链路中的量子信道分配带宽;所述链路的类型包括永久链路或动态链路;
根据所述链路中的量子信道分配的带宽,选取所述量子密钥传输的时隙。
进一步地,所述根据每个传输链路的类型给每个传输链路中的量子信道分配带宽,具体包括:
分别获取永久链路和动态链路在一个运动周期内的密钥生成量;
根据所述密钥生成量分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽。
进一步地,所述根据所述密钥生成量分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽,具体包括:
计算所述永久链路的密钥生成量与所述动态链路的密钥生成量的比例为M/N;
分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽,以使所述动态链路中的量子信道的带宽与所述永久链路中的量子信道的带宽的比例为M/N。
进一步地,所述根据所述链路中的量子信道分配的带宽,选取所述量子密钥传输的时隙,具体包括:
若所述链路为永久链路,则根据所述永久链路中的量子信道分配的带宽,选取所述永久链路的固定时隙作为量子密钥传输的时隙;
若所述链路为动态链路,则根据所述动态链路中的量子信道分配的带宽,从所述动态链路的可用时隙中首次命中选取量子密钥传输的时隙。
进一步地,所述给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙,具体包括:
根据所述数据业务所需的带宽,从所述传输链路的可用时隙中首次命中选取数据业务传输的时隙。
本发明还提出一种量子卫星网络中信道资源分配装置,能够实现上述量子卫星网络中信道资源分配方法,所述装置包括:
第一时隙分配模块,用于给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙;
传输路径获取模块,用于在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径;所述传输路径包括卫星节点间的传输顺序;
传输模块,用于根据所述传输顺序将所述数据业务依次传输到相应的卫星节点;
传输链路获取模块,用于每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路;
加密模块,用于从所述传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,以对所述数据业务进行加密;
第二时隙分配模块,用于给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙。
从上面所述可以看出,本发明提供的量子卫星网络中信道资源分配方法及装置,能够预先给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙,在量子卫星网络接收数据业务时,获取数据业务的传输链路,以在数据业务传输到传输链路时,从传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,对数据业务进行加密,并给传输链路中的量子密钥传输分配时隙,从而使传输链路的数据业务的传输具有足够的密钥量,且保障安全业务的传输。
附图说明
图1为本发明实施例提供的量子卫星网络中信道资源分配方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的量子卫星网络中信道资源分配方法中量子卫星网络分布图;
图3为本发明实施例提供的量子卫星网络中信道资源分配方法中链路信道分布图;
图4为本发明实施例提供的量子卫星网络中信道资源分配装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
参见图1,是本发明实施例提供的量子卫星网络中信道资源分配方法的流程示意图,所述方法包括:
S1、给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙。
具体地,步骤S1包括:
根据每个链路的类型给每个链路中的量子信道分配带宽;所述链路的类型包括永久链路或动态链路;
根据所述链路中的量子信道分配的带宽,选取所述量子密钥传输的时隙。
本实施例中,在量子卫星网络中,可采用时分复用的方式,为量子信道分配一定的时隙即带宽,使数据业务传输的同时可以进行量子密钥分发。本实施例中的量子信道和数据信道的混传是基于时分复用的方式,将整个信道划分成若干个时间片即时隙,将这些时隙分配给每一路信号使用,信号的带宽即是占用的时隙数。将一定的时隙分配给量子信道,在数据业务传输的同时可以持续进行量子密钥分发。
进一步地,所述根据每个链路的类型给每个链路中的量子信道分配带宽,具体包括:
分别获取永久链路和动态链路在一个运动周期内的密钥生成量;
根据所述密钥生成量分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽。
进一步地,所述根据所述密钥生成量分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽,具体包括:
计算所述永久链路的密钥生成量与所述动态链路的密钥生成量的比例为M/N;
分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽,以使所述动态链路中的量子信道的带宽与所述永久链路中的量子信道的带宽的比例为M/N。
需要说明的是,根据卫星拓扑在一个运动周期内的变化规律,对卫星节点间链路的密钥生成速率进行估算,得到每条链路在一个运动周期时间内的密钥生成量,作为其密钥生成速率。永久链路较为稳定,可用固定的每单位时间的密钥生成速率乘以一个周期时间作为密钥生成量,动态链路可用其持续时间内平均密钥生成速率乘以持续时间作为密钥生成量。如图2所示,m1到m7为各链路的密钥生成速率。
根据得到的各链路密钥生成量,以相应的比例增加动态链路量子信道的带宽,以提高其密钥生成速率。设在一个时间周期内永久链路密钥生成量为M,动态链路密钥生成量为N,则动态链路量子信道的带宽为持续性链路的M/N倍,进而为每条链路设定量子信道的带宽。
进一步地,所述根据所述链路中的量子信道分配的带宽,选取量子密钥传输的时隙,具体包括:
若所述链路为永久链路,则根据所述永久链路中的量子信道分配的带宽,选取所述永久链路的固定时隙作为量子密钥传输的时隙;
若所述链路为动态链路,则根据所述动态链路中的量子信道分配的带宽,从所述动态链路的可用时隙中首次命中选取量子密钥传输的时隙。
需要说明的是,量子密钥时隙分配时,根据为量子信道分配的带宽,在可用时隙中为量子信道选择时隙,选择时隙的方法可采用固定时隙或动态时隙,固定分配时隙即为量子信道分配固定的几个时隙;动态分配时隙即采用首次命中选择可用的时隙用作量子传输。
S2、在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径;所述传输路径包括卫星节点间的传输顺序。
具体地,步骤S2包括:
获取所述量子卫星网络在一个运动周期内的动态拓扑;
将所述运动周期划分为多个时间段,以将所述动态拓扑分割为与每个时间段相对应的静态拓扑;
在量子卫星网络接收到数据业务时,根据接收的时间段所对应的静态拓扑计算所述数据业务的最短传输路径。
本实施例中,量子卫星网络中的卫星具有周期性和可预测性,因此可预知卫星间链路的变化规律。获取卫星在一个运动周期内的动态拓扑后,采用时间切片方法,将卫星的一个运动周期划分为若干个时间段,从而将动态拓扑分割成一个个离散的静态拓扑。在数据业务到达时,根据所在的时间段获取对应的静态拓扑,进而根据链路权值矩阵以计算数据业务的最短传输路径。其中,传输路径包括源卫星节点到目的卫星节点之间的传输顺序。
S3、根据所述传输顺序将所述数据业务依次传输到相应的卫星节点。
本实施例中,采用前k条最短路径算法,获得若干条候选路径,进而筛选出满足资源需求的最短传输路径,以根据该最短传输路径传输数据业务。由于在不同的时间段内卫星网络拓扑可能会发生变化,因此在数据业务的传输过程中,可能需要切换传输路径。
S4、每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路。
具体地,步骤S4包括:
每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,判断当前时间段是否改变;
若是,则根据当前时间段所对应的静态拓扑重新计算所述数据业务的最短传输路径,以根据重新计算的传输路径获取所述卫星节点与下一个卫星节点之间的链路作为传输链路。
本实施例中,在卫星网络拓扑发生变化的时间点,由于卫星间的链路发生切换,数据业务可能需要切换传输路径,因此需在数据业务传输到每个卫星节点时判断卫星网络拓扑是否发生改变。若发生改变,则在该卫星节点处进行数据缓存,并重新计算传输路径进行切换,获取切换后的传输路径上的下一个卫星节点进行传输,直到传输到目的卫星节点;若未发生改变,则按照原始传输路径获取下一个卫星节点进行传输,直到传输到目的卫星节点。
S5、从所述传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,以对所述数据业务进行加密。
进一步地,在所述给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙之前,还包括:
部署卫星节点,以构成所述量子卫星网络;
给所述量子卫星网络中任意相邻的两个卫星节点间的链路部署量子密钥池,并将每个链路产生的量子密钥存储于对应的量子密钥池中。
需要说明的是,先部署量子卫星网络,即对量子卫星节点进行部署,将每个卫星节点作为量子收发节点和数据转发节点,并采用时分复用方式,使量子信道和数据信道于同一个激光链路中进行传输。
在基于地面光纤网络的量子组网中,点到点的通信可以通过量子密钥提供无条件的安全,然而对于长距离的量子密钥分发,需要量子中继以解决量子传输的损耗。而自由空间量子传输摆脱了基于光纤的量子通信的距离限制,可以实现长距离的量子密钥分发。通过星地和星间的量子密钥分发,可以保障卫星网络的通信安全,建立覆盖全区域的量子卫星网络。但是量子密钥生成速率主要受链路传输距离、链路持续时间和卫星位置等影响,由于星间距离远,密钥生成速率较低,难以满足安全业务的实时需求。因此可以在每对卫星节点处将产生的量子密钥存储,每一对卫星节点,即每个链路构建一个量子密钥池,节点间进行持续地量子密钥分发并存储在密钥池中,以保证安全业务有足够的密钥量。
在数据业务传输过程中,根据数据业务需要的带宽和密钥量,沿着传输路径发送信令,在传输到一个卫星节点时进行带宽预留,并从量子密钥池中取出相应的量子密钥用作加密业务。
S6、给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙。
具体地,步骤S6包括:
根据所述数据业务所需的带宽,从所述传输链路的可用时隙中首次命中选取数据业务传输的时隙。
需要说明的是,数据业务时隙分配时,根据数据业务所需的带宽,从数据业务可用的时隙中首次命中选择用于业务传输的若干个时隙。
在数据业务传输至目的卫星节点时,完成数据业务的传输,拆除预留和占用的带宽资源。
如图2所示,通过将卫星的一个时间周期划分为若干个区间,可得到一系列离散的静态拓扑,以其中一个拓扑为例,该拓扑包含两个轨道。每个卫星节点具有量子收发设备和激光收发设备,利用时分复用同时进行量子密钥分发和数据传输,每对节点构建一个量子密钥池,存储两点间链路的量子密钥。根据动态链路的周期性变化规律,对各链路的密钥速率进行估计,并分配量子信道的带宽,使不同链路的密钥生成量均衡。图3为永久链路和动态链路量子信道不同的带宽分配,基于时分复用将整个信道划分为若干个时隙,以时隙数作为带宽。
例如,图3中数据业务从节点1传输到节点4,数据业务传输经过永久链路和动态链路,其中,节点间的实线表示永久链路,节点间的虚线表示动态链路。将带宽的一部分用作量子密钥传输,其余用作数据业务传输。数据业务和量子信道的时隙分配流程为:(1)为每个链路的量子信道分配时隙;(2)从节点1到节点4的数据业务请求建立,根据时间获取当前拓扑;(3)计算路由,传输路径为节点1-节点2-节点4;(4)每经过一个节点判断是否需要路由切换;(5)为业务分配资源,在节点1、2、4处预留链路带宽,取出提供给业务的量子密钥;(6)查找链路的可用时隙,选择数据业务的时隙;(7)数据业务传输完成。
本发明提供的量子卫星网络中信道资源分配方法,能够通过时分复用的方式,为量子密钥分配时隙,实现在同一链路中实现数据传输和密钥分发,同时在卫星节点处存储持续产生的量子密钥,以保证业务有足够的密钥;通过提高动态链路量子信道的带宽,增加动态链路用于量子传输的时隙数,提升动态链路的量子密钥生成速率,从而使动态链路与永久链路的密钥生成速率一致,使各链路的密钥生成量达到均衡;解决了动态链路密钥量不足的问题,避免了对在动态链路上传输的业务容量的限制,提高了卫星网络传输量子加密业务的能力。
相应地,本发明还提供一种量子卫星网络中信道资源分配装置,能够实现上述量子卫星网络中信道资源分配方法的所有流程。
参见图4,是本发明实施例提供的量子卫星网络中信道资源分配装置的结构示意图,该装置包括:
第一时隙分配模块1,用于给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙;
传输路径获取模块2,用于在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径;所述传输路径包括卫星节点间的传输顺序;
传输模块3,用于根据所述传输顺序将所述数据业务依次传输到相应的卫星节点;
传输链路获取模块4,用于每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路;
加密模块5,用于从所述传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,以对所述数据业务进行加密;
第二时隙分配模块6,用于给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙。
本发明提供的量子卫星网络中信道资源分配装置,能够通过时分复用的方式,为量子密钥分配时隙,实现在同一链路中实现数据传输和密钥分发,同时在卫星节点处存储持续产生的量子密钥,以保证业务有足够的密钥;通过提高动态链路量子信道的带宽,增加动态链路用于量子传输的时隙数,提升动态链路的量子密钥生成速率,从而使动态链路与永久链路的密钥生成速率一致,使各链路的密钥生成量达到均衡;解决了动态链路密钥量不足的问题,避免了对在动态链路上传输的业务容量的限制,提高了卫星网络传输量子加密业务的能力。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
另外,为简化说明和讨论,并且为了不会使本发明难以理解,在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外,可以以框图的形式示出装置,以便避免使本发明难以理解,并且这也考虑了以下事实,即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即,这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如,电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下,对本领域技术人员来说显而易见的是,可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此,这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述,但是根据前面的描述,这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如,其它存储器架构(例如,动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,包括:
给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙;
在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径;所述传输路径包括卫星节点间的传输顺序;
根据所述传输顺序将所述数据业务依次传输到相应的卫星节点;
每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路;
从所述传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,以对所述数据业务进行加密;
给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙。
2.根据权利要求1所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径,具体包括:
获取所述量子卫星网络在一个运动周期内的动态拓扑;
将所述运动周期划分为多个时间段,以将所述动态拓扑分割为与每个时间段相对应的静态拓扑;
在量子卫星网络接收到数据业务时,根据接收的时间段所对应的静态拓扑计算所述数据业务的最短传输路径。
3.根据权利要求2所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路,具体包括:
每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,判断当前时间段是否改变;
若是,则根据当前时间段所对应的静态拓扑重新计算所述数据业务的最短传输路径,以根据重新计算的传输路径获取所述卫星节点与下一个卫星节点之间的链路作为传输链路。
4.根据权利要求1所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,在所述给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙之前,还包括:
部署卫星节点,以构成所述量子卫星网络;
给所述量子卫星网络中任意相邻的两个卫星节点间的链路部署量子密钥池,并将每个链路产生的量子密钥存储于对应的量子密钥池中。
5.根据权利要求1所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙,具体包括:
根据每个链路的类型给每个链路中的量子信道分配带宽;所述链路的类型包括永久链路或动态链路;
根据所述链路中的量子信道分配的带宽,选取所述量子密钥传输的时隙。
6.根据权利要求5所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述根据每个传输链路的类型给每个传输链路中的量子信道分配带宽,具体包括:
分别获取永久链路和动态链路在一个运动周期内的密钥生成量;
根据所述密钥生成量分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽。
7.根据权利要求6所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述根据所述密钥生成量分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽,具体包括:
计算所述永久链路的密钥生成量与所述动态链路的密钥生成量的比例为M/N;
分别给所述永久链路和所述动态链路中的量子信道分配带宽,以使所述动态链路中的量子信道的带宽与所述永久链路中的量子信道的带宽的比例为M/N。
8.根据权利要求5所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述根据所述链路中的量子信道分配的带宽,选取所述量子密钥传输的时隙,具体包括:
若所述链路为永久链路,则根据所述永久链路中的量子信道分配的带宽,选取所述永久链路的固定时隙作为量子密钥传输的时隙;
若所述链路为动态链路,则根据所述动态链路中的量子信道分配的带宽,从所述动态链路的可用时隙中首次命中选取量子密钥传输的时隙。
9.根据权利要求7所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙,具体包括:
根据所述数据业务所需的带宽,从所述传输链路的可用时隙中首次命中选取数据业务传输的时隙。
10.一种量子卫星网络中信道资源分配装置,能够实现如权利要求1至9任一项所述的量子卫星网络中信道资源分配方法,其特征在于,所述装置包括:
第一时隙分配模块,用于给量子卫星网络中卫星节点间的链路分配量子密钥传输的时隙;
传输路径获取模块,用于在量子卫星网络接收到数据业务时,获取所述数据业务的传输路径;所述传输路径包括卫星节点间的传输顺序;
传输模块,用于根据所述传输顺序将所述数据业务依次传输到相应的卫星节点;
传输链路获取模块,用于每将所述数据业务传输到一个卫星节点时,获取所述卫星节点与下一卫星节点之间的链路作为传输链路;
加密模块,用于从所述传输链路对应的量子密钥池中获取量子密钥,以对所述数据业务进行加密;
第二时隙分配模块,用于给所述传输链路中的数据业务传输分配时隙。
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