[发明专利]多层卫星网络信道资源管理方法

摘要

本发明是一种多层卫星网络信道资源管理方法，首先提出了一段时间小区内允许接入新呼叫用户业务量的预测模型，准确预测了在一段时间内一个小区允许接入新呼叫用户的业务量，为不同用户接入多层卫星网络提供了决策支持；然后针对多层卫星网络进行信道资源分配，提高了整个卫星网络的信道资源利用率；再利用博弈论判断降级用户类型和降级数量，改进的升降级模型确定被降级用户具体的降级方法和被降级用户降级后的接入，使降级过程更加合理透明，保证高优先级用户接入的同时，提高了整体用户满意度。本发明使卫星网络中不同优先级的用户合理的接入到多层卫星网络，提高了整个卫星系统的信道资源利用率和用户满意度，降低了卫星信道资源浪费，提高了卫星通信效率。

主权项

1.一种多层卫星网络信道资源管理方法，其特征在于该管理方法分为新呼叫用户业务量的预测、不同优先级用户接入多层卫星网络、博弈选择和升降级四个过程，新呼叫用户业务量的预测过程如下：对于零均值平稳序列{Xt}中，对任意时刻的样本值满足线性差分方程:Xt‑φ1Xt‑1‑φ2Xt‑2‑...‑φpXt‑p＝at‑θ1at‑1‑θ2at‑2‑...‑θqat‑q，上式是自回归滑动平均模型的标准形式，记为ARMA(p,q),其中a_t是白噪声序列满足E(a_t)＝0，E(a_t²)＝δ²＜∞，p和q分别为自回归项和滑动平均项的阶数，其中和θ_i分别称为自回归系数和滑动平均系数，在上述模型中序列{X_t}必须满足是平稳序列，但是在卫星网络中小区内新呼叫业务量序列是非平稳的，并且新呼叫业务量的产生伴随着一定的周期性，所以引入乘积季节ARIMA模型来预测卫星网络新呼叫业务量，若时间序列{Xt}满足如下公式：{Xt}满足乘积季节ARIMA模型，记为ARIMA(p,d,q)×(P,D,Q)s，在上式中，φ(B)＝1‑φ1B‑φ2B2‑...‑φpBp，θ(B)＝1‑θ1B‑θ2B2‑...‑θqBq，表示对时间序列d阶差分，满足φ(B)▽^dX_t＝θ(B)a_t，表示对时间序列以周期s间隔处理后的D阶差分，称为季节性差分，满足季节性表明在某一特定的时间间隔的观察值和以前时间间隔内的值相关，在以上公式中，B称为后项移动算子，满足X_t‑1＝B·X_t，d和D为非负整数，p、q、P和Q为阶数，具体预测步骤如下：步骤1：获得卫星网络中不同新呼叫用户在一个小区内一段时间的允许接入新呼叫业务量，步骤2：通过频谱分析，得到序列的周期，步骤3：计算离散时间序列的自相关函数和偏相关函数，利用单根检验ADF来确定d、D的值，步骤4：判断样本的平稳性，若样本为不平稳的，则对样本进行差分和季节性差分，以得到一个平稳的随机序列，步骤5：利用AIC准则来确定对于ARIMA模型的阶数，得到p、q、P和Q的估计值，步骤6：运用最小二乘法来估计模型的自回归参数和滑动平均参数，步骤7：模型检验，确定模型后，判断模型的平稳性和合理性，步骤8：根据观察值，预测出一段时间内小区允许接入卫星网络新呼叫用户的业务量，不同优先级用户选择接入多层卫星网络过程如下：按照用户到达顺序进行接入，不同业务的用户根据业务特点分配的带宽不等，语音业务为恒定速率业务，分配带宽为RV，流媒体业务分配带宽范围的[RSmin,RSmax]，数据业务分配带宽范围[RDmin,RDmax]，当到达用户为话音用户时，由于话音业务对时延要求高，所以话音业务接入到低地球轨道LEO层，当到达用户为非话音用户时，即为流媒体用户或者数据用户，此时考虑到用户对时延的要求不高，如果全部接入到低地球轨道LEO层卫星，所有用户的整体效用值会变低，所以考虑将流媒体用户和数据用户接入到中地球轨道MEO层或地球同步轨道GEO层卫星中；假设低地球轨道LEO层卫星中所有信道带宽为BL，空闲带宽为BL'，中地球轨道MEO层卫星中所有信道带宽为BM，空闲带宽为BM'，地球同步轨道GEO层卫星中所有信道带宽为BG，空闲信道带宽为BG'，当到达的用户为切换流媒体用户时，由于新呼叫话音用户优先级高于流媒体用户，由预测部分可知小区内允许接入的新呼叫话音用户业务量为N1，则在该小区内新呼叫话音用户所需带宽为RV*N1，在低地球轨道LEO层卫星中，优先为新呼叫话音用户预留带宽，此时能够给切换流媒体用户分配的空闲带宽为BL'‑RV*N1；在中地球轨道MEO层卫星中，空闲带宽为BM'；在地球同步轨道GEO层卫星中，空闲带宽为BG'，比较各层能够分配给切换流媒体用户空闲带宽和RSmax的大小，如果只有某一层卫星提供的空闲带宽大于其所需带宽，则切换流媒体用户接入到该层卫星；如果不止一层卫星提供空闲带宽大于其所需带宽，则按优先级从高到低为低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO接入；如果三层卫星都不能提供其所需带宽，则选择所需带宽和各层卫星提供空闲带宽差值最小的那一层卫星接入，再博弈选择在该层卫星对低优先级用户进行降级操作，让出带宽，判断能否接入该层卫星，当到达用户为新呼叫流媒体用户时，处理方法和切换流媒体用户类似，当到达用户为切换数据用户时，由预测部分可知在该小区内允许接入卫星网络的新呼叫话音用户预测业务量为N1，其总所需带宽为：RV*N1，新呼叫流媒体用户预测业务量为N2，其总所需最小带宽为：RSmin*N2，新呼叫话音业务只能接入到低地球轨道LEO层，而新呼叫流媒体用户可以接入到不同的三层，由于新呼叫流媒体用户总是优先接入低地球轨道LEO，然后接入中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO，假设有NL个新呼叫流媒体用户接入到低地球轨道LEO层，其中0≤NL≤N2，有NM个新呼叫流媒体用户接入到中地球轨道MEO层，0≤NL≤N2‑NL，有NG个新呼叫流媒体用户接入到地球同步轨道GEO层，0≤NL≤N2‑NL‑NM，满足NL+NM+NG＝N2；则此时低地球轨道LEO层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BL'‑RV*N1‑RSmin*NL，中地球轨道MEO层能够为切换数据用户提供空闲带宽为：BM'‑RSmin*NM，地球同步轨道GEO层能够为切换数据业务提供空闲带宽为：BG'‑RSmin*NG，除了空闲带宽不一致外，切换数据用户剩余接入过程与切换流媒体用户类似；当到达用户为新呼叫数据用户时，由预测部分可知在小区内允许接入的新呼叫数据用户业务量为N3，处理方法和切换数据用户一致，但由于新呼叫数据用户优先级最低，不能对其他用户进行降级操作，所以若在t时刻低地球轨道LEO层能够为其提供的空闲带宽小于其所需最小带宽，则按顺序到达的t时刻后的新呼叫数据用户直接接入到中地球轨道MEO层或地球同步轨道GEO层，若中地球轨道MEO层能够提供空闲带宽不能满足要求，则其直接接入地球同步轨道GEO层，若地球同步轨道GEO层所能够提供空闲带宽也不能满足要求，则在该小区内的所有新呼叫数据用户被拒绝接入卫星网络中，博弈选择过程如下：博弈的参与双方是用户和信道，其中用户切换话音用户、新呼叫话音用户、切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户、新呼叫数据用户，当多个用户到达时，首先区分话音用户和非话音用户，按照用户到达顺序进行接入；当到达用户为切换话音用户时，按照接入过程将切换话音用户接入到低地球轨道LEO层卫星，在低地球轨道LEO层卫星中，其总带宽为BL，空闲带宽为BL'，如果BL'>＝RV,则信道为用户分配RV带宽，如果BL'信道方BS可以采取的策略集合可以表示为在策略Ss',d',s,d中，BS要从切换流媒体用户中提取s'个Δs的带宽，从新呼叫流媒体用户中提取s个Δs的带宽，从切换数据用户中提取d'个Δd的带宽，从新呼叫数据用户中提取d个Δd的带宽，而用户方的策略分为接受或者拒绝两种，双方博弈的模型为各自的效用，当博弈双方达到纳什均衡的时候，对应纳什均衡解即为双方采取的策略，来决定是接入还是拒绝，以及确定让出带宽的用户类型和数量，当到达用户为新呼叫话音用户时，其处理方法和切换话音用户类似，当到达用户为切换流媒体用户时，按照接入过程选择适合流媒体用户的某一层卫星接入，此时切换流媒体用户选择中地球轨道MEO层接入为其最优选择，若其所需带宽BM'>＝RSmax,则信道为此切换流媒体分配RSmax带宽，若BM'信道方BS可以采取的策略集为：用户方的博弈策略是接入或是拒绝，当博弈双方达到纳什均衡的时候，对应的纳什均衡解即为双方采取的策略，来决定是接入还是拒绝，以及确定让出带宽的用户类型和数量，当接入用户为新呼叫流媒体用户时，处理方法和切换流媒体用户类似，只是由于优先级关系，能够降级的用户只有切换数据用户和新呼叫数据用户，当接入用户为切换数据用户时，按照接入过程选择适合该切换数据用户的某一层卫星接入，例如此时切换数据用户选择接入地球同步轨道GEO层卫星为其最优选择，此时地球同步轨道GEO层卫星能够为切换数据用户提供的空闲带宽为BG'‑RSmin*NG，若其所需带宽BG'‑RSmin*NG>＝RDmax,则为切换数据用户分配RDmax带宽，若BG'‑RSmin*NG则这个策略组合是一个纯策略纳什均衡，求出纳什均衡的解，以此来判断用户的接入与否，并且判断需要降级的用户类型和数量，升降级过程如下：以上博弈选择过程解决了降级哪类用户以及降级多少带宽的问题，接下来解决具体降级哪个用户以及接入到达用户的问题，根据博弈的结果，找到对应的降级用户类型，由于被降级的用户都为非话音用户，其接入带宽是变化的，为了更好的描述降级过程，引入降级因子和柯布道格拉斯函数来描述降级模型，降级因子：对于带宽需求范围为[Rmin,Rmax]的非话音用户，R为实际分配带宽，其降级因子FD(R)定义为由公式可知，当实际分配带宽在最小所需带宽与最大所需带宽之间时，降级因子可以明显的表示用户被降级的程度，降级模型：用改进过的柯布道格拉斯函数来描述降级模型，并且将降级因子加入到函数中，W(R,T,M)＝[FD(R)]α·Tβ·M‑γ，其中，(0＜α＜1,0＜β＜1,0＜γ＜1,α+β+γ＝1)，FD(R)表示降级因子，T表示用户的服务持续时间，M表示用户被降级次数，α、β、γ为影响因子，W为权衡值；权衡值W主要受带宽的影响，因此，这里设置α＞＞β＞＞γ，保证了降级操作优先由带宽决定，然后考虑用户接入时间和被降级次数，具体实现，转化如下：在某一层卫星中，以降级对象为信道中的新呼叫数据用户为例，博弈的结果是需要降级d*Δd数量的带宽，查找信道中可以接受降级操作的新呼叫数据用户，数目为D_d，各个新呼叫数据用户的实际接入带宽分别是b[i],(i＝1,2....D_d)，按照W_i的大小对b[i]进行由大到小排序得到a[j],(j＝1,2....D_d),按照a[1],a[2]......a[D_d]的顺序进行降级操作，每次降级大小为Δa_j，Δa_j＝a[j]‑a[j‑1],(j＝1,2.....D_d)，直到为止，如果新呼叫用户中的带宽降至RDmin，仍然不能让出d*Δd带宽，则降级失败，该用户不能接入，反之持续降级，让出带宽以供到达用户接入，对于切换数据用户来说，只能通过降级新呼叫数据用户来获取带宽，具体降级操作类似；当服务时间结束后，用户会离开信道，释放出部分带宽，释放出来的带宽用作预留带宽，实时的给切换用户提供预留带宽，对于被降级的低优先级用户，例如被降级用户是新呼叫数据用户，如果该用户是在低地球轨道LEO层卫星中被降级，降级后低地球轨道LEO层卫星能够为其提供的带宽为RD_L，而此时中地球轨道MEO层和地球同步轨道GEO层能够为该新呼叫数据用户提供空闲带宽分别为RD_M和RD_G，考虑用户总是优先选择接入低地球轨道LEO层，假设新呼叫数据用户在LEO低地球轨道、中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO的数据传输时延分别为T_DL、T_DM、T_DG，定义权值S(P,t)＝P'^λt^μ(λ+μ＝1，λ＞＞μ)，其中P为此时各层能够分配给新呼叫数据用户的空闲带宽为R时的效用值，P_max为用户获取最大带宽时的效用值，P_min为用户获取最小带宽时的效用值，t为用户选择接入各层后的传输时延归一化到0到1之间的值，λ＞＞μ表示权值S主要由效用决定，分别得到用户接入到各层不同的权值，此时被降级后的用户选择权值最大的那一层卫星接入，由用户小区模型可知，此时低地球轨道LEO层中被降级的用户可以接入到低地球轨道LEO、中地球轨道MEO或地球同步轨道GEO层；中地球轨道MEO层中被降级的用户只可以中地球轨道MEO和地球同步轨道GEO层；地球同步轨道GEO层中被降级的用户仍然只能留在地球同步轨道GEO层中；所述一种多层卫星网络信道资源管理方法具体执行步骤如下：步骤1：获取一段时间内小区内新呼叫用户业务量的历史值，运用季节差分时间序列模型来预测卫星覆盖该小区时新呼叫用户的业务量；步骤2：持续监听，多用户到达，按照用户到达顺序接入，判断用户类型，如果是切换话音用户或者新呼叫话音用户则转步骤3，如果是切换流媒体用户转步骤4，新呼叫流媒体用户转步骤5，如果是切换数据用户则转步骤6；如果是新呼叫数据用户则转步骤7；步骤3：直接接入低地球轨道LEO层卫星，如果空闲带宽足够则直接接入，否则用博弈论的方法进行判断，根据博弈结果在LEO层中接入的切换流媒体用户、新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型来确定具体哪些用户进行降级，让出相应的带宽；转步骤8；步骤4：分别比较切换流媒体用户所需最大带宽RSmax和低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、地球同步轨道GEO三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；然后根据博弈论来对选择接入的那一层中新呼叫流媒体用户、切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；转步骤8；步骤5：分别比较新呼叫流媒体用户所需最大带宽RSmax和LEO、MEO、GEO三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；然后根据博弈论来对选择接入的那一层中切换数据用户以及新呼叫数据用户中选择降级用户类型以及求出降级带宽大小，再根据降级模型进行具体的降级操作，让出相应的带宽；转步骤8；步骤6：分别比较切换数据用户所需最大带宽RDmax和LEO、MEO、GEO三层卫星中能够为切换流媒体用户提供的空闲带宽，如果只有某一层卫星满足流媒体业务带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，则比较所需带宽和各层能够提供空闲带宽之间的差值，选择差值最小的那一层卫星接入；查看是否有可以降级的新呼叫数据用户，如果有进行降级操作，让出带宽，转步骤8；步骤7：分别比较新呼叫数据用户所需最大带宽RDmax和LEO、MEO、GEO三层卫星中能够为新呼叫数据用户提供的空闲带宽，如果只有某一层满足其带宽需求，则直接接入到这一层，如果有多层满足带宽要求，则按优先级从高到低为LEO、MEO、GEO层接入，如果都不满足，拒绝接入；步骤8：空闲带宽加上让出的带宽是否能满足接入要求，如满足则接入，否则拒绝，转步骤2。