基于任務等級的衛(wèi)星資源分配算法研究

王曉杰+羅健欣+鄭成輝+倪桂強

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.02.004

摘 ?要： 衛(wèi)星通信不但通信容量大，通信距離遠，而且組網(wǎng)靈活，線路質(zhì)量安全可靠，具有許多其他通信手段無法比擬的優(yōu)點。衛(wèi)星資源分配主要研究在衛(wèi)星資源有限的情況下，針對不同等級的通信保障任務，采用多種資源分配策略，優(yōu)化衛(wèi)星資源的分配，確保高優(yōu)先級的任務能夠得到更好的資源。并通過資源分配展示控件，可視化的展示資源分配結(jié)果。實驗結(jié)果表明，基于任務等級的衛(wèi)星資源分配算法能夠很好的滿足不同等級的通信保障任務需求。

關(guān)鍵詞： 分配策略; 分配算法; 衛(wèi)星資源; 任務等級

中圖分類號：TN915 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2016）02-11-03

Satellite resource allocation algorithm base on task priority

Wang Xiaojie， Luo Jianxin， Zheng Chenghui， Ni Guiqiang

（The PLA university of science and technology institute of command information system， Nanjing， Jiangsu 210000， China）

Abstract： Satellite communication has not only the advantages of large capacity and long distance of communication， but also networking flexible， line quality safe and reliable， and has the incomparable virtues than the many other methods of communication. Satellite resource allocation is mainly studied in the case of limited satellite resources， for the communication guarantee tasks with different priorities， using multiple resource allocation strategies， optimizing the allocation of satellite resource， to ensure that higher priority tasks can get better resources. And through resource allocation display widget， visually display the results of resource allocation. The experiment results show that the satellite resource allocation algorithm base on task priority can meet the needs of communication guarantee tasks with different priorities.

Key words： allocation strategy; allocation algorithm; satellite resource; task priority

0 引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以其重要的戰(zhàn)略地位逐漸成為當今世界各航天大國研究的熱點。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)作為陸地網(wǎng)的重要補充，用來實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，為家庭和商業(yè)提供互聯(lián)網(wǎng)的接入服務，正逐步轉(zhuǎn)化為空間信息高速公路的主干網(wǎng)[2]。隨著衛(wèi)星資源日益豐富，各種通信保障任務，尤其是大地域、近海、海外和遠洋防御、訓練、演習、作戰(zhàn)任務對衛(wèi)星通信的依賴程度越來越大，研究如何管理和分配有限衛(wèi)星資源，以滿足不同等級任務的通信保障需求，是一件迫在眉睫的工作，也是發(fā)揮衛(wèi)星通信最大效能的關(guān)鍵。

1 衛(wèi)星資源的邏輯層次關(guān)系

對于衛(wèi)星資源，最終的落實點是波束或轉(zhuǎn)發(fā)器，如果落實點是波束則應該是整個波束被分配給某個任務;如果落實點是轉(zhuǎn)發(fā)器則可能只是轉(zhuǎn)發(fā)器中的某段頻率或某幾個信道/信道中的時隙[3]。衛(wèi)星資源按通信衛(wèi)星的邏輯層次關(guān)系組織，即通信衛(wèi)星、天線、波束、轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星資源的邏輯層次關(guān)系模型如圖1所示。

2 保障任務分級

為便于操作，應將任務的保障優(yōu)先級與具體的作戰(zhàn)任務緊密聯(lián)系起來。例如作戰(zhàn)、演習、訓練、執(zhí)勤等。

另外，需要確定不同優(yōu)先級下一般適用的信道分配策略。

目前可參照戰(zhàn)備等級將通信保障任務分為三個級別，與相應的保障任務類型可建立對應關(guān)系。

第1級：救災、戰(zhàn)爭等。

第2級：訓練、一般性演習保障任務等。

第3級：一般日常值班、執(zhí)勤。

3 資源分配策略

分配策略是為達到資源優(yōu)化分配使用的目標，綜合各種因素進行計算、權(quán)衡和優(yōu)化決策的過程[4-5]。針對不同等級的通信保障任務，為達到最佳的資源分配效果，本文設(shè)計了以下三種分配策略。

3.1 互調(diào)干擾最小分配策略

互調(diào)干擾是由傳輸信道中非線性電路產(chǎn)生的，當兩個或多個不同頻率的信號輸入到非線性電路時，由于非線性器件的作用，會產(chǎn)生很多諧波和組合頻率分量，其中與所需要的信號頻率相接近的組合頻率分量會順利通過接收機而形成干擾，這種干擾就是互調(diào)干擾[6]。

為達到互調(diào)干擾最小的效果，互調(diào)干擾最小分配策略應遵循轉(zhuǎn)發(fā)器分配的載波按馬鞍型排列的原則，即分配資源時，尋找與已分配資源相隔頻率最大的空閑頻率段，在該頻率段上進行資源的分配。該分配策略適用于對通信質(zhì)量要求較高的通信保障任務，如救災、戰(zhàn)爭等。

3.2 利用率最高分配策略

利用率最高分配策略比較簡單，該策略不用考慮互調(diào)干擾的問題，對于空閑的頻率資源，只需按照資源的順序進行分配即可，這樣做可以達到資源利用率最高。當然，為盡量保證通信的質(zhì)量，在相鄰兩個任務的頻率段之間會根據(jù)規(guī)則預留一定的保護帶寬。該分配策略適用于對通信質(zhì)量要求比較低的通信保障任務，如常規(guī)執(zhí)勤等。

3.3 最佳匹配分配策略

最佳匹配分配策略，顧名思義，是根據(jù)任務所需頻率段的大小，去資源池中尋找與之相差最小，也即最匹配的頻率段來進行分配。該策略相比于互調(diào)干擾最小分配策略來說，資源的利用率有所提高，但還比不上利用率最高分配策略，因為該策略會產(chǎn)生一些資源碎片，無法利用，導致資源利用率有所降低。該策略適用于對通信質(zhì)量要求一般的通信保障任務，如平時的訓練、演習等。

4 資源分配算法流程

以下是資源分配的整體思路。

⑴ 資源分配子系統(tǒng)在能夠接受資源分配請求之前，需要對資源進行預處理，評估資源的良好狀態(tài)，以此作為后續(xù)資源分配的依據(jù)。衛(wèi)星信道資源的評分依據(jù)：

① 頻段信號特點;

② 歷史干擾情況;

③ 當前分配使用狀態(tài)。

⑵ 通信資源保障的最終目的是將適當?shù)馁Y源分配給適當?shù)娜蝿?。為此，需要對通信保障任務進行分級評定。在此基礎(chǔ)上，可以讓最優(yōu)的資源保障優(yōu)先級最高的任務，從而達到很好的保障效果。

⑶ 資源分配的過程可以轉(zhuǎn)化為類似于計算機內(nèi)存分配的問題，但是需要考慮資源使用時的互調(diào)干擾等問題。

為了達到較好的保障效果和較高的資源利用效率，需要考慮采用不同策略來滿足不同級別的通信任務需求。即采用基于策略的資源分配算法，根據(jù)規(guī)劃預案及分配策略，綜合考慮當前資源使用情況，為任務合理的分配頻率資源。分配算法設(shè)計流程如圖2所示。

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圖2 ?資源分配算法流程圖

5 資源分配結(jié)果

任務等級為1，采用互調(diào)干擾最小分配策略的分配結(jié)果如圖3所示，圖3中分別標出了第1、2、3……次分配，圖4、圖5也一樣標出了第1、2、3……次分配。根據(jù)分配結(jié)果可看出，互調(diào)干擾最小分配算法滿足互調(diào)干擾最小原則，達到了互調(diào)干擾最小的目的。

任務等級為3，采用利用率最高分配策略的分配結(jié)果如圖4所示，根據(jù)分配結(jié)果可以看出，利用率最高分配算法對空閑資源按順序依次分配，幾乎不會產(chǎn)生資源碎片，達到了利用率最高的目的。

任務等級為2，采用最佳匹配分配策略的分配結(jié)果如圖5所示，根據(jù)分配結(jié)果可看出，最佳匹配分配算法會根據(jù)任務所需的頻率大小去尋找與之差額最小的頻率資源段來進行資源分配。達到了最佳匹配的目的。

6 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星資源日益豐富，衛(wèi)星資源的爭奪必將愈演愈烈，本文分析和研究了針對不同等級的通信保障任務，采用相應的資源分配策略，實現(xiàn)了分配算法，并可視化的展示了分配結(jié)果，初步提出了一種基于任務等級的衛(wèi)星資源分配算法，希望對衛(wèi)星資源分配方面的研究有所幫助。另外，因為本文中的分配策略還不足以覆蓋所有類型的通信保障任務，所以下一步的研究方向是根據(jù)通信保障任務的類型制定更多的、更加完善的分配策略，以滿足不同等級的通信保障任務。

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