TDMA卫星通信系统帧结构及资源分配方法与流程

tdma卫星通信系统帧结构及资源分配方法
技术领域
1.本发明涉及卫星通信，尤其与一种tdma卫星通信系统帧结构及资源分配方法相关。


背景技术：

2.在卫星双向交互式通信系统中，tdma或mf-tdma通信体制是支持大规模端站接入的最佳选择。而帧结构设计与资源分配方法特别是管理控制类时隙的分配是系统设计的关键问题，直接影响到接入端站的并发规模以及卫星资源的整体利用率。卫星通信系统帧结构和资源分配方法设计的目标是在卫星信道资源有限以及满足链路质量控制与业务传输质量的前提下，尽可能提供更多的端站接入能力以及更高的卫星资源利用效率。
3.dvb-rcs标准协议中规定了超帧/帧的构成单元：超帧序列-》超帧-》帧-》时隙，但对帧的具体时隙结构以及时隙如何划分并没有详细的阐述或约束。
4.目前，现有的一些tdma产品系统帧结构设计普遍采用管理控制时隙预留的方法，例如固定的登录时隙、固定的公共时隙、固定的同步时隙，但这种方法会导致带宽资源的极大浪费。
5.也有部分现有技术提及到如何优化帧结构设计和资源分配方法，但均不理想，例如登录时隙分配采用固定分配，未考虑并发登录的业务体验；分配时区分捕获时隙和同步时隙分配，导致资源的浪费；控制时隙分配方法未有效处理好业务带宽申请的突发性与同步指标周期间隔的矛盾。时隙资源分配未从全系统综合考虑资源占用与业务需求、登录端站规模之间的相互依赖关系。


技术实现要素：

6.本发明主要针对上述相关现有技术的不足与缺陷，提供一种tdma卫星通信系统帧结构及资源分配方法，实现接入能力与卫星资源利用的进一步优化，提高资源利用率。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术：一种tdma卫星通信系统帧结构，包括：若干个超帧；每个超帧包括多个帧；每个帧包括n1个登录时隙、n2个控制时隙、n3个业务时隙、n4个空闲时隙，其中，n1、n2、n3、n4均为≥0的整数；取值根据具体条件及业务需求动态调整。
8.登录时隙用于端站以时隙aloha方式发起入网登录请求；控制时隙用于维护端站的频率与时间同步关系，并用于承载最基本的卫星链路控制类的底层信令，所述最基本的卫星链路控制类的底层信令包括：接收信号质量上报、端站运行状态上报、端站告警上报、有业务传输触发的业务时隙申请；业务时隙主要用于承载业务数据报文；空闲时隙为未分配的时隙资源，用于端站新增业务时隙申请使用，和/或用于弹性增加控制时隙或调整登录时隙使用。
9.进一步，控制时隙和登录时隙分别位于帧的两端，业务时隙和空闲时隙位于控制
时隙和登录时隙之间；超帧的类型相同或者不同，超帧持续周期可配置；帧的类型可以相同或者不同，帧持续周期可变化。
10.一种tdma卫星通信系统资源分配方法，利用tdma卫星通信系统帧结构进行，对登录时隙进行动态自适应调整；对登录时隙进行动态自适应调整，包括登录时隙初始化预分配：在主站设备上线后启动登录时隙分配初始化，计算超帧持续周期内允许的最大登录时隙数，统计网络中注册的端站规模，计算登录时隙分配初始值，按登录时隙分配初始值初始化分配超帧包含的登录时隙数；其中，最大登录时隙数=超帧持续周期/登录时隙长度；登录时隙分配初始值=min{最大登录时隙数*（1-空闲时隙占比阈值）/2，网络注册端站数
÷
登录时隙复用因子}。登录时隙复用因子指单个登录时隙被多个端站登录的复用次数，一般根据全网登录总时长的要求确定。空闲时隙占比阈值指用户设定的空闲时隙数占超帧总时隙数的百分比门限值。
11.进一步，对登录时隙进行动态自适应调整，包括在控制时隙或业务时隙分配有变化时触发登录时隙调整：统计超帧持续周期内的当前空闲时隙数、空闲时隙占比。空闲时隙占比=空闲时隙数/超帧等效总时隙数；将当前空闲时隙占比与设定的阈值进行比较，若空闲时隙占比≥空闲时隙占比阈值，则登录时隙分配数不做调整，本次调整结束；若空闲时隙占比＜空闲时隙占比阈值，则在下一个超帧周期中减少登录时隙分配，使登录时隙数一直调整减少到最小登录时隙设定数为止，本次调整结束。
12.进一步，对登录时隙进行动态自适应调整，还包括在线端站数变化时触发登录时隙调整：统计网络中当前离线的端站规模：若超帧当前分配的登录时隙数≤离线端站数
÷
登录时隙复用因子，则登录时隙分配数不做调整，本次调整结束；若超帧当前分配的登录时隙数＞离线端站数
÷
登录时隙复用因子，则在下个超帧周期中将登录时隙分配数调减至离线端站数
÷
登录时隙复用因子的程度。
13.一种tdma卫星通信系统资源分配方法，利用tdma卫星通信系统帧结构进行，对控制时隙进行调整；对控制时隙进行调整，包括主站设备上线后进行控制时隙预分配，以便端站登录鉴权通过后在登录响应结果中快速指定分配结果：计算控制时隙数预分配数量；从超帧的空闲时隙中标识控制时隙资源；将控制时隙预分配表通过周期广播发送给端站。
14.进一步，对控制时隙进行调整，还包括控制时隙分配端站动态调整：统计空闲时隙的资源情况，空闲时隙是指在超帧内未分配的时隙；统计在线端站规模，分析已登录入网的在线端站数量；判断是否启动控制时隙分配间隔的自适应调整：
若当前空闲时隙资源占比＞空闲时隙占比阈值，在下一个超帧周期根据基于资源弹性区间动态调整控制时隙分配，若在线端站数量增多，则增大控制时隙分配间隔；若在线端站数量减少，则缩短控制时隙分配间隔；当然控制时隙的分配不管如何分配均要满足校正周期的要求。
15.若当前空闲时隙资源数占比≤空闲时隙占比阈值，在下一个超帧周期按保证同步指标的最大同步时间间隔来分配控制时隙间隔。
16.一种tdma卫星通信系统资源分配方法，利用tdma卫星通信系统帧结构，在端站从无业务传输切换到有业务传输时，使业务时隙申请信令在控制时隙中携带；在端站其他情况时，将业务时隙带宽请求信令封装于业务时隙中进行承载，或在业务时隙切片报文中间插入业务速率字段。
17.一种电子通信设备，包括：至少一个处理器和存储器；其中，存储器存储有计算机执行指令；在至少一个处理器执行存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行前文描述的任一种tdma卫星通信系统资源分配方法。
18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，在计算机程序被处理器运行时控制存储介质所在设备执行前文描述的任一种tdma卫星通信系统资源分配方法。
19.本发明有益效果在于：1、帧由控制时隙、业务时隙、登录时隙、空闲时隙构成，全动态分配与调整，信道资源的总体利用率更高；2、登录时隙根据在网端站规模、时隙资源的空闲情况动态调整，大大提升了并发登录效率；3、控制时隙周期分配间隔支持根据时隙资源的空闲情况动态调整，在资源比较宽松的条件下，能大大提升链路同步性能，提升链路的可靠性；弹性伸缩的控制时隙预分配能快速响应新入网端站的同步诉求；4、将资源变更增量请求设计在业务时隙或业务切片报文中承载，资源利用更高效，请求更及时，控制开销更小，且不依赖于为维护端站时钟时间同步指标的控制时隙分配间隔，方案更简单。
附图说明
20.本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。
21.图1为本技术实施例的登录时隙动态调整功能图。
22.图2为本技术实施例的控制时隙结构组成实例。
23.图3为本技术实施例的业务时隙带宽请求封装在业务时隙中承载示意图。
24.图4为本技术实施例的业务时隙带宽请求间插业务数据分片包文中承载示意图。
25.图5为本技术实施例的系统帧层次结构图。
26.图6为本技术实施例的帧类型结构组成图。
27.图7为本技术实施例的一种超帧实例。
28.图8为本技术实施例的另一种超帧实例。
29.图9为本技术实施例的帧实例。
30.图10为本技术实施例的登录时隙预分配初始化流程。
31.图11为本技术实施例的时隙分配变化触发登录时隙调整流程图。
32.图12为本技术实施例的端站上线规模数变化触发登录时隙调整处理流程图。
33.图13为本技术实施例的控制时隙的预分配处理流程图。
34.图14为本技术实施例的控制时隙分配间隔调整处理流程图。
35.图15为本技术实施例的空闲时隙资源占比高于设定门限条件下的控制时隙动态调整处理。
36.图16为本技术实施例的空闲时隙占比低于设定门限条件下的控制时隙动态调整处理示意图。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
38.实施例一本实例提供一种高效的tdma卫星通信系统帧结构，如图5为本实例的帧层次结构模型：系统帧结构-》超帧-》帧-》时隙。系统帧结构由多个超帧组成，超帧类型可相同，也可以不同。超帧由多个帧组成，帧类型可相同也可以不同；帧由多个时隙组成，时隙类型可相同，也可不同。
39.如图6为帧类型的构成图，帧由n个时隙组成,时隙类型包含登录时隙、控制时隙、业务时隙、空闲时隙四种。系统在设计帧的时隙构成时，可选择其中2-4种时隙来构成，没有被指定用途的时隙就是空闲时隙。控制时隙、业务时隙、登录时隙、空闲时隙的长度可不相同，可根据系统的实际情况来确定。
40.如图7为超帧的一种实例，此类超帧由多个相同帧类型的帧组成。这种帧包含100个时隙，其中控制时隙20个，业务时隙50个，登录时隙5个，空闲时隙25个。
41.如图8为另一种超帧的实例，此类超帧由两种不同帧类型的多个帧组成。第1种帧类型的控制时隙20个，业务时隙50个，登录时隙5个，空闲时隙25个。第2种帧类型只有控制时隙、业务时隙和空闲时隙，没有登录时隙。
42.系统帧结构可以有多个不同的超帧类型来组成，例如可定义系统帧结构由图3和图4定义的两种不同的超帧类型组成。
43.如图9为帧的一种实例，帧由10个控制时隙，50个业务时隙，5个登录时隙， 25个空闲时隙组成。其中登录时隙主要用于端站以时隙aloha方式发起入网登录请求；控制时隙用于维护端站的频率与时间同步关系以及维护链路控制；业务时隙用于端站业务数据承载；空闲时隙属于未分配的时隙资源，可以用于端站新增业务时隙申请使用，也可用于弹性增加控制时隙或登录时隙调整。控制时隙、业务时隙、登录时隙的长度可不同，其中控制时隙长度可短些，业务时隙可长些。分配时，建议登录时隙和控制时隙在帧的两端分配，业务时隙居中分配，这样时隙分配调整更稳定，处理更简单。
44.实施例二本实例提供一种利用实施例一的tdma卫星通信系统帧结构进行tdma卫星通信系
统资源分配方法。主要包括：登录时隙动态自适应调整、控制时隙设计与动态分配调整和在业务时隙中承载业务时隙请求信令。
45.（一）登录时隙动态自适应调整登录时隙用于远端站发起登录请求，属于卫星网络公共信道资源。分配的登录时隙数越多，虽然一定程度上提升了并发登录能力，但会增加系统信道资源开销。本实例综合考虑入网端站情况和时隙资源分配空闲情况等因素来动态调整登录时隙分配，一方面可提升卫星信道资源的利用率，另一方面在一定条件下能提升并发登录体验。
46.入网端站的数量越多，并发登录请求的机率会越小，则分配的登录时隙数会越少；入网端站的数量越少，潜在的并发登录可能越大，则分配的登录时隙相对多些。空闲时隙资源越少时，登录时隙分配越少，以提供更多的时隙资源给业务使用；空闲时隙越多时，分配的登录时隙相对多些。
47.例如：主站启动初期时，在线端站数不多，空闲时隙资源多，则多分配登录时隙资源，以减少端站并发登录的冲突，减少登录总时长，提升用户并发登录体验。
48.如图1，登录时隙动态调整处理包含登录时隙初始化预分配、控制或业务时隙分配变化触发登录时隙分配调整、入网端站数量变化触发登录时隙分配调整三部分的处理。
49.1、登录时隙预分配初始化：在预留一定百分比的空闲时隙的前提下，结合网络注册的端站规模和全网同时登录时长要求分配初始的登录时隙。
50.具体的，主站设备上线后启动登录时隙分配初始化，如图10是登录时隙初始化预分配流程，包含如下步骤：(1)计算超帧持续周期内允许的最大登录时隙数：超帧最大登录时隙数=超帧持续周期/登录时隙长度；(2)统计网络中注册的端站规模；(3)计算登录时隙分配初始值；登录时隙分配初始化取值=min{最大登录时隙数*（1-空闲时隙占比阈值）/2，网络注册端站数
÷
登录时隙复用因子}。其中，登录时隙复用因子基于全网登录总时长要求来确定，复用因子取值越大，单个时隙登录的端站持续时间会越长，则全网并发登录的总时长会越长。
51.(4)按初始化取值初始化分配超帧包含登录时隙数。
52.2、时隙分配变化触发登录时隙分配调整：控制或业务时隙分配变化，会导致空闲时隙增加或减少。控制或业务时隙分配变化导致空闲时隙占比低于设定的门限阈值，需减少登录时隙占用比例；占比高于设定的门限阈值时，则登录时隙分配数无需调整。
53.控制时隙或业务时隙分配有变化，会触发本次登录时隙调整，如图11是时隙分配变化触发的登录时隙调整流程，具体步骤如下；(1)统计超帧持续周期内的当前空闲时隙数和空闲时隙占比；(2)判断是否需要调整登录时隙数：如果空闲时隙占比≥设定的空闲时隙占比阈值，则登录时隙分配数不做调整，本次调整结束；如果空闲时隙占比＜设定的空闲时隙占比阈值，则减少登录时隙数来保持空闲时隙占比达到门限值。登录时隙数一直调整减小到最小登录时隙设定数为止后不再减少。进
入步骤(3)。
54.(3)在下一个超帧周期中调整登录时隙分配，本次调整结束。
55.3、在网端站数变化触发登录时隙分配调整：已入网端站数量增加，未入网的端站数量减少，登录时隙分配数需要相应减少；入网端站数量减少，未入网的端站数量增加，则需要增加登录时隙数，以减少登录冲突，提升并发登录能力。
56.在线端站数发生变化，触发本次调整检测。如图12是在线端站数变化触发的登录时隙调整流程，具体如下：(1)统计网络中当前离线的端站规模；(2)判断本次是否需要调整登录时隙数；如果超帧当前分配的登录时隙数≤离线端站数/登录时隙复用因子，则登录时隙分配数不做调整，本次检测结束；如果超帧当前分配的登录时隙数＞离线端站数/登录时隙复用因子,则登录时隙分配数调整到离线端站数/登录时隙复用因子。如果需要调整则进入步骤(3)。
57.(3)在下个超帧周期中调整登录时隙分配数。
58.（二）控制时隙设计与动态分配调整采用如下方法来实现控制时隙占用开销最小：1、控制时隙开销精简设计原则：区分常用与非常用管理信令，缩短控制时隙开销。对于常用的必要信息，例如端站状态上报、信号质量上报等在控制时隙中承载；不常用的信令（例如软件升级和故障定位信令信息）。在业务时隙触发承载，从而减少控制时隙占用开销。如图2是一种控制时隙结构实例。
59.2、控制时隙分配动态调整：登录端站规模不大，空闲时隙较多时，控制时隙的分配间隔周期可小一些，可以充分利用卫星资源来提升链路传输性能；登录端站规模较大，空闲时隙较少时，控制时隙的分配间隔周期可大一些，但控制时隙分配间隔必须满足端站同步指标要求。
60.控制时隙的分配间隔要匹配不同端站的特点。在同等载波带宽条件下，端站运动速率（或加速度）越大，其要求的同步周期间隔越小，因此要求的控制时隙分配间隔越小。反之，端站运动速率（或加速度）越趋向于静止，其要求的同步周期间隔越大些，因此控制时隙分配间隔可越大。
61.总来的来说控制时隙的分配根据端站类型、登录端站规模、时隙资源空闲情况等因素做动态调整。
62.控制时隙动态调整包括：(1)控制时隙预分配。预分配控制时隙指从时隙资源中指定一部分时隙资源作为控制时隙使用，当端站发起登录申请时，直接返向控制信令通道。预分配的控制时隙数由超帧周期内的最大并发登录端站数来决定。
63.具体的，进行控制时隙预分配：主站设备上线后要进行控制时隙预分配，控制时隙预分配只是提前标识哪些时隙作为控制时隙使用，并不实际分配给端站，以便端站登录鉴权通过后在登录响应结果中快
速指定分配结果。如图13是控制时隙预分配发初始化过程，具体如下：1)计算控制时隙数预分配数量；控制时隙预分配数量由超帧周期内最大并发登录数来确定。最大并发登录基于网络具体情况来规划指定。
64.2)从超帧的空闲时隙中标识控制时隙资源。
65.3)周期控制时隙预分配表广播发送给端站。
66.(2)根据时隙资源的空闲情况以及端站在线规模，来动态调整入网端站的控制时隙分配间隔。空闲资源满足设定的空闲时隙门限要求时，可以减少控制时隙分配间隔，提升链路同步性能；空闲资源不满足设定的空闲时隙门限要求时，则按保证同步指标的最大同步时间间隔来分配控制时隙间隔。控制时隙的分配间隔在下一计算周期进行调整生效，在本计算周期内维持不变。
67.具体的，如图14是控制时隙分配动态调整流程，具体包含：1)统计时隙资源的空闲情况：空闲时隙资源是指在超帧内未分配或未指定时隙类型的时隙资源。
68.2)统计在线端站规模：分析已登录入网的端站数量。
69.3)判断是否启动控制时隙分配间隔的自适应调整：如果当前空闲时隙占比＞空闲时隙占比阈值，则参照图15启动控制时隙分配间隔的自适应调整，在线端站数量越多，控制时隙分配间隔越长；在线端站数量越少，则控制时隙分配间隔越短。
70.如果当前空闲时隙占比≤空闲时隙占比阈值，则时隙资源比较紧张，则参照图16调整为确保端站同步性能的最大周期间隔分配控制时隙。如果需要调整控制时隙分配间隔则进入第4)步，如果不需要调整控制时隙分配间隔，则本次检测结束。
71.4)在下一计算周期内调整控制时隙的分配间隔，空闲资源充分、在线端站数量越少时，控制时隙分配间隔可短些；空闲资源越紧张，在线端站数量越多时，控制时隙分配间隔越长。
72.（三）在业务时隙中承载业务时隙请求信令端站业务流量传输具有随机性、突发性特点。卫星通信系统支持根据业务流量的大小动态申请业务时隙资源。利用控制时隙中承载带宽请求信令不具备时效性。
73.对于端站来说，在从无业务传输切换到有业务传输时，业务时隙申请在控制时隙中携带。对于其他的情况的业务时隙变更请求则通过两种方法来承载。方法1：如图3，在业务时隙中发送业务时隙请求信令分片报文。方法2：如图4，在业务时隙切片报文中间插业务速率字段。
74.以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。