CN119449143B - 多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配方法与系统，该方法包括：用户管理单元感知用户接入卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源请求；上行资源分配单元接收到资源请求后，为用户分配上行波束、时隙和频道资源，并将资源分配结果分别发送给用户管理单元和星上传输单元，用户管理单元将接收到的资源分配结果发送给用户；星上传输单元按照资源分配结果，调度指定的波束在指定频道和指定时隙接收用户的上行数据。本发明具有较高的资源利用率，支持多用户按需动态调度卫星上行波束资源。

Description

多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配方法与系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配方法与系统。

背景技术

在多波束卫星通信系统中，每颗卫星携带多个波束，分别覆盖地面不同区域，这些波束合起来共同完成单颗卫星的地面可视区域覆盖。图1是典型的多波束低轨卫星通信系统示意图，主要由地面关口站、低轨卫星星座、用户三部分组成。地面关口站作为卫星通信系统的控制与管理中心，管理并控制整个卫星网络，通过馈电链路与卫星通信；低轨卫星星座由若干颗分布在不同轨道上的低轨卫星通过星间链路相连构成，具备广域覆盖能力；用户是利用卫星资源进行相互通信的卫星终端，用户之间通过星地链路与星间链路实现信息互通，用户通过上行链路将数据发送给卫星系统，卫星系统通过下行链路将该用户数据准确高效地转发至目的用户。低轨卫星按照各自预设的轨道相对于地面高速移动，星上配置多波束天线，单个波束对应的覆盖区域称为波位，卫星可覆盖的地面区域称为星下覆盖区域，星下覆盖区域由若干个波位构成。卫星可以根据需要灵活调度多波束资源，使其每个波束覆盖指定的波位，每个波束相对独立，具备一定的带宽资源，每个波束同一时刻只能指向一个波位，但多个波束可以覆盖不同的波位，也可覆盖相同的波位。移动用户在移动过程中，相对低轨卫星的高速运动容易造成覆盖区域的动态变化，需要通过波位切换及卫星切换，来保障业务的全程通信。用户的数据发送能力与其配置的天线口径及功放成正比，功放与天线口径越大，能支持的发送速率越大，支持的最大发送速率称为上行速率限制。

基于MF-TDMA(MultiFrequency Time-Division Multiple Access，多频时分多址接入)的卫星上行通信资源结构如图2所示，在频域上将所有频率资源分成多个正交频道，在时域上以时帧为循环结构分成多个时隙，每个时频二维栅格是信道资源的基本单元。多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配主要面临两大技术难题。一方面，相较于传统的MF-TDMA，多波束低轨卫星上行通信在其二维资源结构的基础上，引入了波束资源，系统可调度的资源更加丰富，频率和时隙的二维资源分配问题上升为波束、频率和时隙的三维资源优化调度问题，波束资源和时频资源相互约束，以提高资源利用率为目标的资源分配的复杂度显著增加。另一方面，低轨卫星通信系统自身存在高动态性，包括用户相对卫星的高速移动导致的波位频繁切换、众多用户的随遇接入和退出等，均对上行通信资源分配提出了较高的动态响应能力和灵活适变能力。因此，对于需要随时发起业务通信的移动用户来说，卫星系统如何高效合理地从波束、频率、时隙三维资源中为其分配合理的上行信道资源成为了需要解决的关键问题。

现有的技术方案主要有：

基于预先规划的固定分配方式：卫星的地面系统通过预先规划的方式，根据用户的活动区域和应用模式，为用户分配指定的波束、频率和时隙资源，并将资源分配结果通过馈电及星间链路上注至卫星。卫星按照上注的资源分配结果，为用户调度上行信道资源。该方式分配简单，便于星载设备实现，但由于在规划阶段不能准确预测各用户的移动轨迹及真实带宽需求，该方式主要用于保障极少数重要的固定用户，缺乏灵活性和动态适应性，资源利用率低，无法为随遇接入的移动用户提供相匹配的上行资源。

基于波束分区的轮询分配方式：卫星系统根据可用波束的数目，将星下覆盖区域均分为多个子区域，每个波束负责服务单个子区域下的多个波位。在业务通信过程中，卫星针对每个子区域，调度对应的波束资源，按照特定顺序对子区域内所有波位依次轮询，只有被询问到的用户才可以在指定的上行波束资源上发送数据。该分配方式操作简单，适合于用户数较多且地理位置分布比较均匀的卫星通信系统。该方法主要存在以下两个弊端。首先，大多数情况下用户在地理空间上分布不均匀，各子区域、各波位间的通信业务量差异较大，信道资源需求量不同，特别是某些波位没有用户使用资源，其它波位的用户也不能使用该资源，容易造成资源的大量浪费，以及某些波位的拥塞现象。其次，该方式在波位数目较多时，容易带来较大的上行服务时延，无法保证随遇接入的用户快速享用卫星资源。

现有的技术方案均存在各自的局限性，基于预先规划的固定分配具有资源利用率低、无法支持用户随遇接入等问题，基于波束分区的轮询分配方式具有资源分配不均、时延较大等固有缺陷。因此现有技术方案无法满足多个随遇接入移动用户高效率的上行资源分配需求。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配方法与系统，在实时获取用户所处波位、上行带宽需求及上行速率限制等用户信息的基础上，区分用户级别，具有较高资源利用率、支持用户随遇接入和退出、支持多用户灵活组网、适用于多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配。

本发明公开了一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配方法，其包括：

用户管理单元感知用户接入卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源请求；上行资源分配单元接收到资源请求后，为用户分配上行波束、时隙和频道资源，并将资源分配结果分别发送给用户管理单元和星上传输单元，用户管理单元将接收到的资源分配结果发送给用户；星上传输单元按照资源分配结果，调度指定的波束在指定频道和指定时隙接收用户的上行数据。

进一步地，还包括：

用户管理单元感知到用户加入卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源分配请求，携带用户的级别、波位、上行带宽需求和上行速率限制信息；上行资源分配单元接收后，为用户分配上行波束、时隙和频道资源，并将资源分配结果发送给用户管理单元，用户管理单元接收后将上行资源分配结果通过下行链路发送给用户；

用户管理单元感知到用户在网络运行过程中发生波位切换，向上行资源分配单元发送资源重分配请求，携带用户的新波位信息，上行资源分配单元接收后，清空用户的原有上行资源，并重新为用户分配上行资源，并将资源分配结果发送给用户管理单元，用户管理单元接收后将上行资源分配结果通过下行链路发送给用户；

用户管理单元感知到用户退出卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源释放请求，上行资源分配单元接收后，清空用户的原有上行资源。

进一步地，上行资源分配单元为用户分配上行波束，包括：

步骤11：上行资源分配单元提取用户的用户级别与所处波位C_u信息；

步骤12：上行资源分配单元计算用户的可用波束集合P；

步骤13：上行资源分配单元判断可用波束集合P是否非空，若非空，则转入步骤14，否则终止分配；

步骤14：上行资源分配单元根据波束的当前覆盖波位数目和等效用户数，计算可用波束集合P中表征每个波束负载状态的代价值；

步骤15：上行资源分配单元判断用户的级别，若用户为重要用户，则转入步骤16；若用户为普通用户，则转入步骤17；

步骤16：上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在空闲的预留波束，若是则转入步骤112，否则转入步骤17；

步骤17：上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在一个或多个波束覆盖同波位C_u，若是则转入步骤18，否则转入步骤19；

步骤18：上行资源分配单元从可用波束集合P中覆盖同波位C_u的一个或多个波束中选择代价值最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤19：上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在空闲的非预留波束，若是则转入步骤110，否则转入步骤111；

步骤110：上行资源分配单元从可用波束集合P所有空闲的非预留波束中选择波束号最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤111：上行资源分配单元从可用波束集合P中选择代价值最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤112：上行资源分配单元从可用波束集合P所有空闲的预留波束中选择波束号最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤113：上行资源分配单元更新资源分配表中被分配波束的相关表项。

进一步地，所述步骤12包括：

将可用波束集合P初始化为空，根据用户的用户级别遍历所有的上行波束b₁～b_B，将符合条件的波束加入到集合P；若用户为重要用户，若某波束同时满足覆盖波位数小于Nc和等效用户数小于Nu，则将该波束加入到集合P中；若用户为普通用户，若某波束同时满足覆盖波位数小于Nc、等效用户数小于Nu和波束是非预留波束，则将该波束加入到集合P中；其中，Nc和Nu分别为系统预置的覆盖波位数上限和等效用户数上限。

进一步地，系统为预留波束和非预留波束分别预置不同的数目上限，预留波束的覆盖波位数上限预置为Nc1，预留波束的等效用户数上限预置为Nu1，非预留波束的覆盖波位数上限预置为Nc2，非预留波束的等效用户数上限预置为Nu2，Nc和Nu的取值取决于上行波束资源的载波数目和时隙数目，满足Nu2>Nc2≥Nu1>Nc1。

进一步地，上行资源分配单元完成对用户的波束分配后，提取用户的上行带宽需求、上行速率限制、波位、波束分配结果信息，启动对用户的时频资源分配流程。

进一步地，所述对用户的时频资源分配流程，包括：

步骤21：计算时隙需求数目Si，计算同波位可用时隙集合并统计同波位可用时隙集合中包含的时隙数目Sp，计算空波位的可用时隙数并统计空波位可用时隙集合中包含的时隙数目Sw；

步骤22：上行资源分配单元判断Si≤Sp是否成立，若是，则转入步骤23，否则转入步骤24；

步骤23：上行资源分配单元按照均匀性原则，为用户从同波位可用时隙集合中u选择Si个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小；然后转入步骤33；

步骤24：上行资源分配单元判断0<Sp<Si是否成立，若是则转入步骤25，否则转入步骤29；

步骤25：上行资源分配单元判断Sw>0是否成立，若是则转入步骤26判断Sw≥Si-Sp是否成立，否则转入步骤23；

步骤26：上行资源分配单元判断Sw≥Si-Sp是否成立，若是，则转入步骤27，否则转入步骤28；

步骤27：上行资源分配单元为用户总共选择Si个时隙，其中从同波位可用时隙集合中选定全部Sp个时隙，再按照均匀性原则从空波位可用时隙集合中选择Si-Sp个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小；然后转入步骤33；

步骤28：上行资源分配单元为用户总共选择Sp+Sw个时隙，其中先从同波位可用时隙集合中选定全部Sp个时隙，再从空波位可用时隙集合中选定全部Sw个时隙；然后转入步骤33；

步骤29：上行资源分配单元判断Sw>0是否成立，若是，则转入步骤30，否则转入步骤36终止分配；

步骤30：上行资源分配单元判断Sw≥Si是否成立，若是，则转入步骤31，否则转入步骤32；

步骤31：上行资源分配单元按照均匀性原则，为用户从空波位可用时隙集合中选择Si个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小，然后转入步骤33；

步骤32：上行资源分配单元为用户从空波位可用时隙集合中选定全部Sw个时隙，然后转入步骤33；

步骤33：上行资源分配单元针对为用户选择的每个时隙，遵循频道号从小原则分配频道，即选择波束b_u该时隙上序号最小的空闲频道分配给用户，然后转入步骤34；

步骤34：上行资源分配单元根据为用户选择的时隙和频道资源，更新时频资源分配表中波束b_u下的相关信息，相关信息包括波位和用户，然后转入步骤35；

步骤35：上行资源分配单元输出资源分配结果，资源分配结果包含为用户分配的波束号、时隙号和频道号信息，并将资源分配结果发送给用户管理单元和星上传输单元；

步骤36：上行资源分配单元终止对用户的资源分配过程，并向用户管理单元反馈分配结果为资源不足造成无法分配。

进一步地，通过以下公式计算用户在时帧的时隙需求数目Si：

其中，Tf为时帧长度，Ts为时隙长度，Rq为用户的上行带宽需求，Rm为用户的上行速率限制，ceil为向上取整。

进一步地，所述计算同波位可用时隙集合，包括：

上行资源分配单元根据维护的时频资源分配表、用户的波束分配结果和用户的波位C_u，计算波束b_u的同波位可用时隙集合：

Q1初始化为空，遍历波束b_u在分配周期内的每个时隙t_j，1≤j≤T，T为时帧，若同时满足以下三个条件，则将时隙t_j加入同波位可用时隙集合Q1；条件一是波束b_u在时隙t_j覆盖波位C_u，即波位C(b_u,t_j)＝C_u；条件二是波束b_u中的时隙t_j上存在空闲的频道，即至少存在1个频道U(b_u,f_k,t_j)为空，1≤k≤F；条件三是波束b_u中的时隙t_j未分配给用户，即不存在任何一个频道U(b_u,f_k,t_j)＝u，1≤k≤F；F为波束b_u对应的频道总数。

进一步地，所述计算空波位的可用时隙数，包括：

上行资源分配单元根据维护的时频资源分配表、用户的波束分配结果，计算波束b_u的空波位可用时隙集合：

空波位可用时隙集合初始化为空，遍历波束b_u在分配周期内的每个时隙t_j，1≤j≤T，T为时帧，若同时满足以下两个条件，则将时隙t_j加入空波位可用时隙集合；条件一是波束b_u在时隙t_j未覆盖任何波位，即波位C(b_u,t_j)为空；条件二是波束b_u中的时隙t_j上存在空闲的频道，即至少存在1个频道U(b_u,f_k,t_j)为空，1≤k≤F；F为波束b_u对应的频道总数。

本发明还公开了一种适用于多波束低轨卫星通信系统的上行资源分配与调度系统，其包括：

用户管理单元用于实时获取各用户的用户信息，用户信息包括用户的级别，每个用户所处的波位，每个用户的上行带宽需求，以及每个用户的上行速率限制，并在用户随遇接入卫星通信网络或者波位切换后重新接入卫星通信网络时，向上行资源分配单元发送资源分配请求，携带用户的级别、波位、上行带宽需求和上行速率限制信息；用户的级别包括重要用户和普通用户；

上行资源分配单元用于根据用户的级别和波位信息，利用实时维护的波束资源分配表，计算用户的可用波束集合及表征每个可用波束负载状态的代价值，为用户分配上行波束，更新波束资源分配表，根据用户的上行带宽需求和上行速率限制信息，计算用户在时帧的时隙需求数目，并根据维护的时频资源分配表，依次计算用户的同波位可用时隙集合和空波位可用时隙集合，按照同波位时隙优先于空波位时隙的顺序，为用户在所分配波束上分配上行时隙，为每个分配的上行时隙分配空闲频道，并更新时频资源分配表；完成对用户的上行资源分配后，将资源分配结果发送给用户管理单元和星上传输单元；

用户管理单元用于将接收到的资源分配结果发送给用户；星上传输单元按照资源分配结果，调度指定的波束在指定频道和指定时隙接收用户的上行数据。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1.具有较高的资源利用率，支持多用户按需动态调度卫星上行波束资源。本发明在上行波束资源调度时，根据接入卫星通信网络的用户数、用户波位、上行带宽需求、上行速率限制等用户信息，动态分配上行波束及时频资源。一方面，在波束分配时，对于普通用户，遵循波位归集原则，尽量将新接入用户分配在已分配的同波位波束上，满足波束同一时刻只能覆盖一个波位的限制，更好复用同一个波束里面的多频道资源，避免将多个同波位用户分配在不同波束时造成的波束资源浪费问题，同时对于存在多个同波位波束时优先选择负载轻的波束，有利于波束资源的均衡分配；另一方面，在时频资源分配时，严格按照用户的上行带宽需求和上行速率限制分配时频资源块，精准匹配用户的需求和能力，避免资源浪费。另外，在为用户选择时频资源时，遵循同波位时隙优先于空波位时隙的原则，尽量通过频分的方式实现多用户复用相同时隙资源，进一步提高资源利用效率。最后，在为用户分配频道资源时，遵循序号从小原则，尽量使得分配频率向低段集中，避免频率资源的碎片化。因此与现有技术相比，可较大提高资源利用率，在相同网络配置条件下资源利用率至少可以提高1/3。

2.具有较好的动态适应能力。本发明提出的上行资源分配方法根据用户管理单元实时感知的用户变化进行资源动态分配。一方面，能够立即响应随遇接入用户的资源分配需求，根据当前上行资源的分配状态，动态为其分配合理的波束及时频资源，而无需为其静态规划资源。另一方面，能够立即响应用户因为相对移动造成的波位切换带来的资源重新分配需求，可以根据新波位重新为其分配波束资源，有效适应高动态低轨卫星网络的相对拓扑变化。另外，还能在用户随时退出网络时及时回收资源，可用于后续其它接入用户的资源分配，具备较好的分配灵活性。因此与现有技术相比，具有较好的动态资源分配能力，能适应低轨卫星网络用户的各种动态变化。

3.具有较好的用户分级资源保障能力。本发明在对用户进行波束分配时，对用户进行了级别区分，对于重要用户预留了部分波束资源，普通用户不可使用预留波束，重要用户优先使用空闲的预留波束，在预留波束资源不足时，可与普通用户共享非预留波束，并且为预留波束和非预留波束设置了不同的覆盖波位数和等效用户数上限，预留波束的上限小于非预留波束，从而在最大程度上保障了重要用户的持续稳定的资源需求。

4.具有较低的上行服务时延及时延抖动。本发明在对用户进行时隙分配时，在从可用时隙集合选择分配时隙时，按照均匀性原则选取，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小。因此用户在使用时隙发送上行数据时，相邻时隙的间隔尽量稳定，具有较低的上行服务时延及时延抖动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为典型的多波束低轨卫星通信系统示意图；

图2为基于MF-TDMA的卫星上行通信资源结构示意图；

图3为一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配系统的框图；

图4为多波束低轨卫星通信系统上行通信的资源构成示意图；

图5为又一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配系统的框图；

图6为用户管理单元与上行资源分配单元的交互处理示意图；

图7为上行资源分配单元波束分配的处理流程图；

图8为上行资源分配单元时频资源分配的处理流程图；

图9为上行资源分配单元维护的波束资源分配表的构成图；

图10为上行资源分配单元维护的时频资源分配表的构成图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

参见图3，卫星上行通信功能主要由星上协议处理单元与星上传输单元组成，星上传输单元包含波束1、波束2、…波束B等多个波束接收单元，分别用于接收各波束覆盖区域下用户发送的上行数据。星上协议处理单元主要包含用户管理单元与上行资源分配单元，其中，用户管理单元利用用户管理协议负责用户的入网、退网、波位切换等管理，实时获得每个用户的级别、所处波位、上行带宽需求及上行速率限制等用户信息。上行资源分配单元在网络运行过程中，响应用户管理单元输入的资源分配或释放请求，根据用户信息为用户动态分配或释放波束、频道和时隙资源，并将资源分配结果信息发送给星上传输单元和用户管理单元。

参见图4。图中给出了多波束低轨卫星通信系统上行通信的资源构成，上行资源分配单元将系统配置的B个上行波束b₁～b_B分成两组，一组为预留波束，专门分配给重要用户使用；另一组为非预留波束，重要用户和普通用户均可使用。上行资源分配单元在频域上将每个波束b_i的总带宽分成相互正交的F个频道f_i1～f_iF，在时域上将时帧分成T个时隙t₁～t_T，波束上的每一个栅格称为一个资源块RB，是系统可分配的最小资源单元。

参见图5，用户管理单元利用通用的用户管理协议实时获取用户u₁、u₂、…中每个用户的级别(重要用户还是普通用户)，每个用户所处的波位C_u1、C_u2、…，每个用户的上行带宽需求Rq_u1、Rq_u2、…，以及每个用户的上行速率限制Rm_u1、Rm_u2、…，并在用户u随遇接入卫星通信网络或者波位切换等管理过程中向上行资源分配单元发送资源分配请求，携带用户u的级别、波位、上行带宽需求和上行速率限制信息。上行资源分配单元首先根据用户u的级别和波位信息，利用实时维护的波束资源分配表，计算用户u的可用波束集合及表征每个可用波束负载状态的代价值，并按照重要用户优先分配空闲的预留波束、无空闲波束时的重要用户及普通用户优先分配同波位波束、同等条件下优先分配负载轻的波束等分配原则，为用户u分配唯一的上行波束，并更新波束资源分配表。然后，上行资源分配单元根据用户u的上行带宽需求和上行速率限制信息，计算用户u在时帧的时隙需求数目，并根据维护的时频资源分配表，依次计算用户u的同波位可用时隙集合和空波位可用时隙集合，按照同波位时隙优先于空波位时隙的顺序，为用户u在所分配波束上分配尽量匹配带宽需求、尽量均匀分布的上行时隙，再按照序号从小原则为每个分配时隙分配空闲频道，并更新时频资源分配表。上行资源分配单元完成对用户u的上行资源分配后，将资源分配结果发送给用户管理单元和星上传输单元。星上传输单元按照资源分配结果，调度指定的波束在指定频道和指定时隙接收用户u的上行数据。

参见图6。图中给出了用户管理单元与上行资源分配单元的交互处理示意图。主要包括三次资源动态分配交互情形。

情形一：用户管理单元感知到用户u加入卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源分配请求，携带用户u的级别、波位、上行带宽需求和上行速率限制信息。上行资源分配单元接收后，为用户u分配上行波束、时隙和频道资源，并将资源分配结果发送给用户管理单元，用户管理单元接收后将上行资源分配结果通过下行链路发送给用户u。

情形二：用户管理单元感知到用户u在网络运行过程中发生波位切换，向上行资源分配单元发送资源重分配请求，携带用户的新波位信息，上行资源分配单元接收后，清空用户u的原有上行资源，并重新为用户u分配上行资源，并将资源分配结果发送给用户管理单元，用户管理单元接收后将上行资源分配结果通过下行链路发送给用户u。

情形三：用户管理单元感知到用户u退出卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源释放请求，上行资源分配单元接收后，清空用户u的原有上行资源。

参见图7，图中给出了上行资源分配单元的波束分配处理流程。

步骤100，上行资源分配单元提取用户u的用户级别与所处波位C_u信息，启动对用户u的波束分配流程，转入步骤101计算可用波束集合；

步骤101，上行资源分配单元计算用户u的可用波束集合P，计算方法如下，然后转入步骤102判断P是否非空；

计算用户u的可用波束集合P的方法为:先将可用波束集合P初始化为空，然后根据用户u的用户级别遍历所有的上行波束b₁～b_B，将符合条件的波束加入到集合P。若u为重要用户，若某波束同时满足覆盖波位数<Nc和等效用户数<Nu这两个条件，则将该波束加入到集合P中；若u为普通用户，若某波束同时满足覆盖波位数<Nc、等效用户数<Nu和波束是非预留波束这三个条件，则将该波束加入到集合P中。其中，Nc和Nu分别为系统预置的覆盖波位数上限和等效用户数上限。系统为预留波束和非预留波束分别预置不同的数目上限，预留波束的覆盖波位数上限预置为Nc1，预留波束的等效用户数上限预置为Nu1，非预留波束的覆盖波位数上限预置为Nc2，非预留波束的等效用户数上限预置为Nu2，Nc和Nu的具体取值取决于上行波束资源的载波数目和时隙数目，满足Nu2>Nc2≥Nu1>Nc1。

步骤102，上行资源分配单元判断可用波束集合P是否非空，若非空，则转入步骤103计算每个波束的代价值，否则转入步骤113终止分配；

步骤103，上行资源分配单元根据波束的当前覆盖波位数目和等效用户数，计算可用波束集合P中表征每个波束负载状态的代价值代价值越小，表示该波束的负载越轻。其中，nc为该波束当前的覆盖波位数目，nu为该波束当前的等效用户数，Nc为该波束覆盖波位数上限，Nu为该波束等效用户数上限，F为该波束的频道数目，α为系统预置的比例因子，0<α<1。然后转入步骤104判断用户级别；

步骤104，上行资源分配单元判断用户u的级别，若u为重要用户，则转入步骤105判断P中是否存在空闲的预留波束；若u为普通用户，则转入步骤106判断P中是否存在已有波束覆盖同波位C_u；

步骤105，上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在空闲的预留波束，若是则转入步骤111选择1个空闲的预留波束分配给用户u，否则转入步骤106判断P中是否存在已有波束覆盖同波位C_u；

步骤106，上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在一个或多个波束覆盖同波位C_u，若是则转入步骤107选择代价值最小的分配给用户u，否则转入步骤108判断P中是否存在空闲的非预留波束；

步骤107，上行资源分配单元从可用波束集合P中覆盖同波位C_u的一个或多个波束中选择代价值最小的波束分配给用户u，然后转入步骤112更新波束资源分配表；

步骤108，上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在空闲的非预留波束，若是则转入步骤109选择1个空闲的非预留波束分配给用户u，否则转入步骤110从P中选择代价值最小的波束分配给用户u；

步骤109，上行资源分配单元从可用波束集合P所有空闲的非预留波束中选择波束号最小的波束分配给用户u，然后转入步骤112更新波束资源分配表；

步骤110，上行资源分配单元从可用波束集合P中选择代价值最小的波束分配给用户u，然后转入步骤112更新波束资源分配表；

步骤111，上行资源分配单元从可用波束集合P所有空闲的预留波束中选择波束号最小的波束分配给用户u，然后转入步骤112更新波束资源分配表；

步骤112，上行资源分配单元更新资源分配表中被分配波束的相关表项：令U＝U∪{u}，C＝C∪{C_u}，Z为系统预置参数，取值为大于1的整数。

步骤113，上行资源分配单元终止对用户u的资源分配过程，并向用户管理单元反馈分配结果为资源不足造成无法分配。

参见图8，图中给出了上行资源分配单元的时频资源分配处理流程。

步骤200，上行资源分配单元完成对用户u的波束分配后，提取用户u的上行带宽需求、上行速率限制、波位、波束分配结果信息，启动对用户u的时频资源分配流程，转入步骤201计算时隙需求；

步骤201，上行资源分配单元根据用户u的上行带宽需求和上行速率限制等信息，计算用户u在时帧的时隙需求数目Tf为时帧长度(s)，Ts为时隙长度(s)，Rq为上行带宽需求(bps)，Rm为上行速率限制(bps)，ceil为向上取整。然后转入步骤202计算同波位可用时隙集合；

步骤202，上行资源分配单元根据维护的时频资源分配表、用户u的波束分配结果b_u和用户u的波位C_u，计算波束b_u的同波位可用时隙集合Q1，方法如下，并统计Q1中包含的时隙数目Sp。然后转入步骤203计算空波位的可用时隙数；

Q1初始化为空，遍历波束b_u在分配周期内的每个时隙t_j，1≤j≤T，若同时满足以下三个条件，则将时隙t_j加入同波位可用时隙集合Q1。条件一是波束b_u在时隙t_j覆盖波位C_u，即C(b_u,t_j)＝C_u；条件二是波束b_u中的时隙t_j上存在空闲的频道，即至少存在1个U(b_u,f_k,t_j)为空，1≤k≤F；条件三是波束b_u中的时隙t_j未分配给用户u，即不存在任何一个U(b_u,f_k,t_j)＝u，1≤k≤F；

步骤203，上行资源分配单元根据维护的时频资源分配表、用户u的波束分配结果b_u，计算波束b_u的空波位可用时隙集合Q2，方法如下，并统计Q2中包含的时隙数目Sw。然后转入步骤204判断Si≤Sp是否成立；

Q2初始化为空，遍历波束b_u在分配周期内的每个时隙t_j，1≤j≤T，若同时满足以下两个条件，则将时隙t_j加入空波位可用时隙集合Q2。条件一是波束b_u在时隙t_j未覆盖任何波位，即C(b_u,t_j)＝空；条件二是波束b_u中的时隙t_j上存在空闲的频道，即至少存在1个U(b_u,f_k,t_j)为空，1≤k≤F；

步骤204，上行资源分配单元判断Si≤Sp是否成立，若是则转入步骤205从Q1中均匀选择Si个时隙，否则转入步骤206判断0<Sp<Si是否成立；

步骤205，上行资源分配单元按照均匀性原则，为用户u从Q1中u选择Si个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小。然后转入步骤215分配频道号；

步骤206，上行资源分配单元判断0<Sp<Si是否成立，若是则转入步骤207判断Sw>0是否成立，否则转入步骤211判断Sw>0是否成立；

步骤207，上行资源分配单元判断Sw>0是否成立，若是则转入步骤208判断Sw≥Si-Sp是否成立，否则转入步骤205从Q1中均匀选择Si个时隙；

步骤208，上行资源分配单元判断Sw≥Si-Sp是否成立，若是则转入步骤209从Q1中选定全部Sp个时隙，再从Q2中均匀选择Si-Sp个时隙，否则转入步骤210从Q1中选定全部Sp个时隙，再从Q2中全部选定Sw个时隙；

步骤209，上行资源分配单元为用户u总共选择Si个时隙，其中从Q1中选定全部Sp个时隙，再按照均匀性原则从Q2中选择Si-Sp个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小。然后转入步骤215分配频道号；

步骤210，上行资源分配单元为用户u总共选择Sp+Sw个时隙，其中先从Q1中选定全部Sp个时隙，再从Q2中选定全部Sw个时隙。然后转入步骤215分配频道号；

步骤211，上行资源分配单元判断Sw>0是否成立，若是则转入步骤212判断Sw≥Si是否成立，否则转入步骤218终止分配；

步骤212，上行资源分配单元判断Sw≥Si是否成立，若是则转入步骤213从Q2中均匀选择Si个时隙，否则转入步骤214从Q2中全部选择Sw个时隙；

步骤213，上行资源分配单元按照均匀性原则，为用户u从Q2中选择Si个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小。然后转入步骤215分配频道号；

步骤214，上行资源分配单元为用户u从Q2中选定全部Sw个时隙。然后转入步骤215分配频道号；

步骤215，上行资源分配单元针对为用户u选择的每个时隙，遵循频道号从小原则分配频道，即选择波束b_u该时隙上序号最小的空闲频道分配给用户u。然后转入步骤216更新时频资源分配表；

步骤216，上行资源分配单元根据为用户u的选择的时隙和频道资源，更新时频资源分配表中波束b_u下的波位和用户等信息。然后转入步骤217输出资源分配结果；

步骤217，上行资源分配单元输出资源分配结果，资源分配结果包含为用户u分配的波束号、时隙号和频道号信息，并将资源分配结果发送给用户管理单元和星上传输单元。

步骤218，上行资源分配单元终止对用户u的资源分配过程，并向用户管理单元反馈分配结果为资源不足造成无法分配。

参见图9。图中给出了波束资源分配表的构成。上行资源分配单元实时维护该波束资源分配表，该表记录每个波束的分配标识、覆盖波位和分配用户等状态信息，用于波束分配过程。其中，波束分配标识表示当前波束是否空闲，初始为空闲，一旦分配用户集合为非空，则将波束分配标识置为占用。波束预留标识表示当前波束是预留波束还是非预留波束，该属性由系统预置，在资源分配过程中维持不变。分配用户集合U表示当前波束分配给了哪些用户，初始为空集，一旦将该波束分配给了用户u，则将用户u加入到分配用户集合中，若用户u退出网络造成资源释放或者波位切换造成波束重新分配时，需要将用户u从当前波束的分配用户集合中移除。覆盖波位集合C表示当前波束覆盖了哪些波位，该集合等于分配用户集合中所有用户所处波位的并集。等效用户数nu表示当前波束已分配的等效用户数，初始为0，一旦将该波束分配给了用户u或清空u的原有资源时，则需要根据用户u的级别对等效用户数更新。

参见图10。图中给出了时频资源分配表的构成。上行信道分配单元实时维护该时频资源分配表，该表记录每个波束上的时频资源分配情况，用于时频分配过程。其中，C(b_i,t_j)表示波束b_i在时隙t_j覆盖的波位，每个波束在同一个时隙只能覆盖一个波位，但在不同时隙可以覆盖相同或不同的波位。U(b_i,f_ik,t_j)表示获得资源块RB(b_i,f_ik,t_j)的用户，每个波束上同一个时隙的不同频道可以分配给不同的用户使用，而不能分配给同一用户使用。C(b_i,t_j)和U(b_i,f_ik,t_j)初始均为空，一旦RB(b_i,f_ik,t_j)分配给了某个用户u，则令U(b_i,f_ik,t_j)＝u，C(b_i,t_j)＝u的波位C_u，1≤i≤B，1≤j≤T，1≤k≤F。若在网络运行过程中因用户u退网造成资源释放或波位切换造成资源重新分配，上行信道分配单元需要将原分配给用户的所有U(b_i,f_ik,t_j)清空，只有当波束b_i在时隙t_j上的所有频道均空闲时才清空C(b_i,t_j)。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配方法，其特征在于，包括：

用户管理单元感知用户接入卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源请求，携带用户的级别、波位、上行带宽需求和上行速率限制信息；上行资源分配单元接收到资源请求后，为用户分配上行波束、时隙和频道资源，并将资源分配结果分别发送给用户管理单元和星上传输单元，用户管理单元将接收到的资源分配结果通过下行链路发送给用户；星上传输单元按照资源分配结果，调度指定的波束在指定频道和指定时隙接收用户的上行数据；

上行资源分配单元为用户分配上行波束，包括：

步骤11：上行资源分配单元提取用户的用户级别与所处波位C_u信息；

步骤12：上行资源分配单元计算用户的可用波束集合P；

步骤13：上行资源分配单元判断可用波束集合P是否非空，若非空，则转入步骤14，否则终止分配；

步骤14：上行资源分配单元根据波束的当前覆盖波位数目和等效用户数，计算可用波束集合P中表征每个波束负载状态的代价值；

步骤15：上行资源分配单元判断用户的级别，若用户为重要用户，则转入步骤16；若用户为普通用户，则转入步骤17；

步骤16：上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在空闲的预留波束，若是则转入步骤112，否则转入步骤17；

步骤17：上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在一个或多个波束覆盖同波位C_u，若是则转入步骤18，否则转入步骤19；

步骤18：上行资源分配单元从可用波束集合P中覆盖同波位C_u的一个或多个波束中选择代价值最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤19：上行资源分配单元判断可用波束集合P中是否存在空闲的非预留波束，若是则转入步骤110，否则转入步骤111；

步骤110：上行资源分配单元从可用波束集合P所有空闲的非预留波束中选择波束号最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤111：上行资源分配单元从可用波束集合P中选择代价值最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤112：上行资源分配单元从可用波束集合P所有空闲的预留波束中选择波束号最小的波束分配给用户，然后转入步骤113更新波束资源分配表；

步骤113：上行资源分配单元更新资源分配表中被分配波束的相关表项。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

用户管理单元感知到用户在网络运行过程中发生波位切换，向上行资源分配单元发送资源重分配请求，携带用户的新波位信息，上行资源分配单元接收后，清空用户的原有上行资源，并重新为用户分配上行资源，并将资源分配结果发送给用户管理单元，用户管理单元接收后将上行资源分配结果通过下行链路发送给用户；

用户管理单元感知到用户退出卫星通信网络，向上行资源分配单元发送资源释放请求，上行资源分配单元接收后，清空用户的原有上行资源。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤12包括：

将可用波束集合P初始化为空，根据用户的用户级别遍历所有的上行波束b₁～b_B，将符合条件的波束加入到集合P；若用户为重要用户，若某波束同时满足覆盖波位数小于Nc和等效用户数小于Nu，则将该波束加入到集合P中；若用户为普通用户，若某波束同时满足覆盖波位数小于Nc、等效用户数小于Nu和波束是非预留波束，则将该波束加入到集合P中；其中，Nc和Nu分别为系统预置的覆盖波位数上限和等效用户数上限。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，系统为预留波束和非预留波束分别预置不同的数目上限，预留波束的覆盖波位数上限预置为Nc1，预留波束的等效用户数上限预置为Nu1，非预留波束的覆盖波位数上限预置为Nc2，非预留波束的等效用户数上限预置为Nu2，Nc和Nu的取值取决于上行波束资源的载波数目和时隙数目，满足Nu2>Nc2≥Nu1>Nc1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上行资源分配单元完成对用户的波束分配后，提取用户的上行带宽需求、上行速率限制、波位、波束分配结果信息，启动对用户的时频资源分配流程。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对用户的时频资源分配流程，包括：

步骤21：计算时隙需求数目Si，计算同波位可用时隙集合并统计同波位可用时隙集合中包含的时隙数目Sp，计算空波位的可用时隙数并统计空波位可用时隙集合中包含的时隙数目Sw；

步骤22：上行资源分配单元判断Si≤Sp是否成立，若是，则转入步骤23，否则转入步骤24；

步骤23：上行资源分配单元按照均匀性原则，为用户从同波位可用时隙集合中u选择Si个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小；然后转入步骤33；

步骤24：上行资源分配单元判断0<Sp<Si是否成立，若是则转入步骤25，否则转入步骤29；

步骤25：上行资源分配单元判断Sw>0是否成立，若是则转入步骤26判断Sw≥Si-Sp是否成立，否则转入步骤23；

步骤26：上行资源分配单元判断Sw≥Si-Sp是否成立，若是，则转入步骤27，否则转入步骤28；

步骤27：上行资源分配单元为用户总共选择Si个时隙，其中从同波位可用时隙集合中选定全部Sp个时隙，再按照均匀性原则从空波位可用时隙集合中选择Si-Sp个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小；然后转入步骤33；

步骤28：上行资源分配单元为用户总共选择Sp+Sw个时隙，其中先从同波位可用时隙集合中选定全部Sp个时隙，再从空波位可用时隙集合中选定全部Sw个时隙；然后转入步骤33；

步骤29：上行资源分配单元判断Sw>0是否成立，若是，则转入步骤30，否则转入步骤36终止分配；

步骤30：上行资源分配单元判断Sw≥Si是否成立，若是，则转入步骤31，否则转入步骤32；

步骤31：上行资源分配单元按照均匀性原则，为用户从空波位可用时隙集合中选择Si个时隙，使得选中的所有相邻时隙的时隙号差值的方差最小，然后转入步骤33；

步骤32：上行资源分配单元为用户从空波位可用时隙集合中选定全部Sw个时隙，然后转入步骤33；

步骤33：上行资源分配单元针对为用户选择的每个时隙，遵循频道号从小原则分配频道，即选择波束b_u该时隙上序号最小的空闲频道分配给用户，然后转入步骤34；

步骤34：上行资源分配单元根据为用户选择的时隙和频道资源，更新时频资源分配表中波束b_u下的相关信息，相关信息包括波位和用户，然后转入步骤35；

步骤35：上行资源分配单元输出资源分配结果，资源分配结果包含为用户分配的波束号、时隙号和频道号信息，并将资源分配结果发送给用户管理单元和星上传输单元；

步骤36：上行资源分配单元终止对用户的资源分配过程，并向用户管理单元反馈分配结果为资源不足造成无法分配。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算用户在时帧的时隙需求数目Si：

其中，Tf为时帧长度，Ts为时隙长度，Rq为用户的上行带宽需求，Rm为用户的上行速率限制，ceil为向上取整。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算同波位可用时隙集合，包括：

上行资源分配单元根据维护的时频资源分配表、用户的波束分配结果和用户的波位C_u，计算波束b_u的同波位可用时隙集合：

同波位可用时隙集合初始化为空，遍历波束b_u在分配周期内的每个时隙t_j，1≤j≤T，T为时帧，若同时满足以下三个条件，则将时隙t_j加入同波位可用时隙集合；条件一是波束b_u在时隙t_j覆盖波位C_u，即波位C(b_u,t_j)＝C_u；条件二是波束b_u中的时隙t_j上存在空闲的频道，即至少存在1个频道U(b_u,f_k,t_j)为空，1≤k≤F；条件三是波束b_u中的时隙t_j未分配给用户，即不存在任何一个频道U(b_u,f_k,t_j)＝u，1≤k≤F；f_k为波束b_u对应的第k个频道，F为波束b_u对应的频道总数。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算空波位的可用时隙数，包括：

上行资源分配单元根据维护的时频资源分配表、用户的波束分配结果，计算波束b_u的空波位可用时隙集合：

空波位可用时隙集合初始化为空，遍历波束b_u在分配周期内的每个时隙t_j，1≤j≤T，T为时帧，若同时满足以下两个条件，则将时隙t_j加入空波位可用时隙集合；条件一是波束b_u在时隙t_j未覆盖任何波位，即波位C(b_u,t_j)为空；条件二是波束b_u中的时隙t_j上存在空闲的频道，即至少存在1个频道U(b_u,f_k,t_j)为空，1≤k≤F；f_k为波束b_u对应的第k个频道，F为波束b_u对应的频道总数。

10.一种多波束低轨卫星上行通信的资源动态分配系统，其特征在于，包括：

用户管理单元用于实时获取各用户的用户信息，用户信息包括用户的级别，每个用户所处的波位，每个用户的上行带宽需求，以及每个用户的上行速率限制，并在用户随遇接入卫星通信网络或者波位切换后重新接入卫星通信网络时，向上行资源分配单元发送资源分配请求，携带用户的级别、波位、上行带宽需求和上行速率限制信息；用户的级别包括重要用户和普通用户；

上行资源分配单元用于根据用户的级别和波位信息，利用实时维护的波束资源分配表，计算用户的可用波束集合及表征每个可用波束负载状态的代价值，为用户分配上行波束，更新波束资源分配表，根据用户的上行带宽需求和上行速率限制信息，计算用户在时帧的时隙需求数目，并根据维护的时频资源分配表，依次计算用户的同波位可用时隙集合和空波位可用时隙集合，按照同波位时隙优先于空波位时隙的顺序，为用户在所分配波束上分配上行时隙，为每个分配的上行时隙分配空闲频道，并更新时频资源分配表；完成对用户的上行资源分配后，将资源分配结果发送给用户管理单元和星上传输单元；

用户管理单元用于将接收到的资源分配结果发送给用户；星上传输单元按照资源分配结果，调度指定的波束在指定频道和指定时隙接收用户的上行数据。