一种用于RDSS卫星通信系统入站流量的控制方法及系统

摘要

一种用于RDSS卫星通信系统入站流量的控制方法及系统，包括地面控制站设备和用户设备；地面控制设备用于为用户设备配置入站流量控制参数，并将配置的入站流量控制参数按一定的格式和频度发送给所述用户设备；用户设备用于接收地面控制站设备配置的入站流量控制参数，根据所述入站流量控制参数确定入站信号发送类型和发送概率。本综合考虑入站拥塞程度和出站调度能力，对入站流量实现快速有效控制，同时，本发明对各用户的抑制程度在默认情况下是相对公平的，但对不同优先级的业务实现不同的抑制程度。对于有特殊要求的用户，比如指挥型用户，可以基于他们的用户特征设置不同的抑制程度。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，更具体而言，涉及RDSS(RadioDeterminationSatellite Service)卫星通信系统入站流量的控制。

背景技术

RDSS业务系统主要由空间段、地面控制中心和用户段组成，空间段由包含若干颗卫星 的卫星星座组成，这些卫星(出站转发器、入站转发器)转发由地面中心站发出的出站信号 和用户机发出的入站信号，具备一定的抗干扰能力。地面控制中心完成用户信号收发测量和 信息收发处理，并对整个系统的运行进行管理控制。用户段是指带有RDSS功能的用户机终 端，接收来自地面控制中心的数据业务以及控制消息，并根据自身业务需求以及出站的控制 信令发送入站消息，实现定位、定时、短报文通信等功能。

卫星通信系统的入站数据业务具有强突发性，目前普遍采用的多址访问方式为随机多址 访问方式和可控多址访问方式。随机多址访问方式中，每个用户访问一条共享信道都无需与 其他用户进行协调，由于每个用户都可以随机地发送信息，就存在与其他用户发送的信息发 生碰撞的可能，入站用户数越多，碰撞概率越大，发生碰撞的信息都不能被正确接收，为此， 这些信息都需要重新发送。可控多址访问方式也叫预约协议，即用户先通过发送随机接入消 息为后续数据报文在信道上预约一段时间，一旦预约成功，就可以无碰撞的实现数据报文的 传输了。对于采用随机多址访问方式的卫星通信系统，目前没有合适的入站流量控制方法， 来调节入站用户数目，以降低碰撞概率。

发明内容

本发明提供一种用于RDSS卫星通信系统入站流量的控制方法及系统，实现对入站拥塞 有效控制的同时，尽量保证系统入站容量和用户使用体验。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于RDSS卫星通信系统入站流量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：地面控制站设备向用户设备发送完当前出站子帧，并在当前出站子帧持续时间 内收到所有新增的入站消息后，地面控制站设备计算当前出站缓冲区内“积压”的还未发送 给用户设备的出站队列长度，预测一定时延后出站缓冲区内队列长度；同时，地面控制站设 备还测量当前出站子帧持续时间内入站信号热噪水平ΔIoT以及入站缓冲区内“积压”的还 未处理的队列长度，并预测一定时延后的入站信号热噪水平ΔIoT和入站缓冲区内队列长度；

第二步：地面控制站设备根据预测的出入站缓冲区队列长度以及热噪水平，确定入站流 量控制等级，并将此流量控制信令通过出站链路广播给所有用户，不同流量控制等级对不同 入站业务类型规定不同的抑制程度；

第三步：各用户设备接收到入站流量控制信令之后，调整向地面控制站设备发送的业务 类型和发送概率和发送频度；若用户设备没有接收到地面控制站设备广播的流量控制信令， 则按流量控制最严格等级来发送入站消息，或者等待正确接收到入站流量控制信令后，再根 据信令指示发送入站消息。

第一步中包括：地面控制站设备测量当前出站子帧持续时间内入站信号热噪水平ΔIoT， 并预测一定时延后的入站信号热噪水平ΔIoT。其中，所述的一定时延设置为用户设备和地面 控制站之间双向往返时间。具体实现方法有两种，分别为：

第一种方法，包括以下步骤：

S1：地面控制站设备统计[t_N-T_ul,max+T_delay,t_N]时间内新增入站用户的信号功率P_i，信号入 站时刻t_arrival,i和信号持续时间T_data，i，其中t_N是当前出站子帧的结束时刻，T_ul,max是入站信 号最大持续时间，T_delay是用户设备和地面控制站设备双向往返时间；

S2：由于入站信号持续时间有长有短，地面控制站设备根据第一步获知的各入站信号持 续时间，统计出(t_N+T_delay)时刻还持续发送的入站信号以及对应的总功率；即地面控制站设备 根据第一步的结果，获知各用户入站信号的接收时刻T_arrival,i和持续时间T_data,i，并从中挑选出 (t_arrival,i+T_data,i)>(T_delay+t_N)的用户设备和其对应的信号功率水平P_i，然后统计出在(t_N+T_delay/2) 时刻后仍持续发送的入站信号的总功率P_old,total＝ΣP_i；

S3：地面控制站设备预估出T_delay时间内的新增入站信号数目，由此估计新增入站信号的 总功率；

设入站信号按泊松分布，则新增入站信号路数的期望值为：

$E\left[N_{new}\right]=(1-\beta )\underset{k=1}{\overset{2\lambda }{\Sigma }}\frac{{\left({\mathrm{\lambda T}}_{delay}\right)}^k}{k!}{e}^{-{\mathrm{\lambda T}}_{delay}}·k$(式1)

其中，λ是单位时间内的平均入站信号路数，即N_i是地面控制站在事先 存储的前m个出站子帧内统计到的新增的入站信号数目，T_subframe是一个出站子帧的持续时 间，β是在T_delay时间内入站并在T_delay时间内完成信号传输的用户数目占所有在T_delay时间内 入站用户数目的比例，地面控制站根据已接收到的入站信号统计获得；

那么根据(式1)估计出新增入站信号总功率的期望值：

$P_{new,total}=\bar{P}·E\left[N_{new}\right]$(式2)

其中是入站信号的平均功率，由地面控制站根据已接收到的入站信号统计获得；

S4：地面控制站设备采用下式估算双向时延后的ΔIoT’值，

ΔIoT‘＝10log₁₀[(P_old,total+P_new,total)/N₀](式3)。

第二种方法：

根据当前测量到的ΔIoT_N值，以及事先存储的前k次测量到的ΔIoT_i值，采用线性回归 预测方法，来预估双向时延后的ΔIoT_N+M值；

${\mathrm{\Delta IoT}}_{N+M}=\underset{i=N-k+1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_i·{\mathrm{\Delta IoT}}_i$(式4)

其中k的取值与入站信号持续时间T_data和出站子帧长度T_subframe有关，设置为 a_i是线性预测系数，a_i通过最小化均方误差获得。

第一步中包括：地面控制站设备向用户设备发送完当前出站子帧，并在当前出站子帧持 续时间内收到所有新增的入站消息后，计算当前出站缓冲区内“积压”的还未发送给用户设 备的出站队列长度L_N,out，利用事先存储的前k次缓冲区队列长度L_i,out，采用线性回归方法预 测一定时延后的出站缓冲区内队列长度L_N+M,out；

$L_{N+M,out}=\underset{i=N-k+1}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_i·L_{i,out}$(式5)

其中，所述的一定时延可设置为用户设备和地面控制站设备之间双向往返时间；k可设 置为线性预测系数b_i根据最小化均方误差获得；

由此估算出一定时延后出站缓冲区的负荷程度：

(式6)

其中L_out是出站缓冲区的最大队列长度。

第一步中包括：地面控制站设备向用户用户发送完当前出站子帧，并在当前出站子帧持 续时间内收到所有新增的入站消息后，计算当前入站缓冲区内“积压”的还未处理的队列长 度L_N,in，利用事先存储的前k次缓冲区队列长度L_i,in，采用线性回归方法预测一定时间后的 缓冲区队列长度L_N+M,in；

$L_{N+M,in}=\underset{i=N-k+1}{\overset{N}{\Sigma }}{c}_i·L_{i,in}$(式7)

其中，所述的一定时延设置为用户设备和地面控制站设备之间双向往返时间；k可设置 为线性预测系数c_i根据最小化均方误差获得；

由此估算出一定时延后入站缓冲区的负荷程度：

(式8)。

本发明提供一种用于RDSS卫星通信系统入站流量的控制系统，其特征在于：包括地面 控制站设备和用户设备，地面控制设备用于为用户设备配置入站流量控制参数，并将配置的 入站流量控制参数按一定的格式和频度发送给所述用户设备；用户设备用于接收地面控制站 设备配置的入站流量控制参数，根据所述入站流量控制参数确定入站信号发送类型和发送概 率；

其中：所述地面控制站设备，包括：

入站信号接收和解析单元，用于接收和解析用户设备发送的入站信号。

入站信号热噪水平估测单元，用于测量当前出站子帧持续时间内入站信号热噪水平Δ IoT，并预估一段时间后的入站信号热噪水平。

入站缓冲区队列长度估测单元，用于计算当前缓冲区内“积压”的还未处理的入站队列 长度，并预测一定时间后入站缓冲区内队列长度。

出站缓冲区队列长度估测单元，用于计算当前缓冲区内“积压”的还未发送给用户设备 的出站队列长度，并预测一定时间后出站缓冲区内队列长度。

入站流量控制设置单元，用于根据入站信号热噪水平估测单元和出站缓冲区队列长度估 测单元的输出结果，确定入站流量控制等级。

出站信号发送单元，用于将携带入站流量控制信令的出站子帧向所有用户设备广播，以 便各用户设备接收到所述流量控制信令时，进行自身数据入站发送的流量控制。

其中，所述用户设备，包括：

出站信号接收和解析单元，用于接收和解析地面控制站设备通过卫星转发的入站流量控 制参数；

入站信号控制和发送单元，用于根据检测到的入站流量控制信令，确定入站数据业务类 型和发送概率。

本发明的有益效果是：

发明综合考虑入站拥塞程度和出站调度能力，对入站流量实现快速有效控制，同时，本 发明对各用户的抑制程度在默认情况下是相对公平的，但对不同优先级的业务实现不同的抑 制程度。对于有特殊要求的用户，比如指挥型用户，可以基于他们的用户特征设置不同的抑 制程度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示 意性实施例以及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例提供的地面控制站侧入站流量控制的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的用户侧基于业务类型和发送概率的入站流量控制方法的流程 示意图；

图3是本发明实施例提供的用户侧基于业务类型和发送频度的入站流量控制方法的流程 示意图；

图4是本发明提供的地面控制站设备结构示意图；

图5是本发明提供的用户设备结构示意图；

图6是本发明提供的入站流量控制的系统结构示意图；

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种用于RDSS卫星通信系统入站流量的控制方法。该方法通过地面控制 站实时跟踪入站信号热噪水平和出站缓冲区队列长度，确定流量控制等级，实现对不同数据 业务不同的抑制程度。

图1是本发明技术提供的地面控制站侧入站流量控制方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤S1：地面控制站设备测量当前出站子帧持续时间内入站信号热噪水平ΔIoT，并预 测一定时延后的入站信号热噪水平ΔIoT。

其中，所述的一定时延可设置为用户设备和地面控制站设备之间双向往返时间。对于卫 星通信系统，尤其是GEO(GeostationaryEarthOrbit相对地球静止轨道)卫星通信系统，信号传 输时延很大，即，从地面控制站设备接收到用户设备发送的入站信号，再基于入站信号发送 相关出站控制信令给用户用户，最后用户设备接收到出站控制信令这一往返过程，至少需要 0.54秒。换言之，用户设备接收到的出站控制信令是基于0.54秒前系统入站情况做出的判断， 因此，出站控制信令的时效性较差，将影响到入站流量控制的准确度。为克服大时延对ΔIoT 值时效性的影响，地面控制站设备需根据当前测量到的ΔIoT值估算至少双向传输时延后的 ΔIoT’值。具体实现方法有两种，分别为：

方法一，包括以下步骤：

第一步：地面控制站设备统计[t_N-T_ul,max+T_delay,t_N]时间内新增入站用户的信号功率P_i，信 号入站时刻t_arrival,i和信号持续时间T_data，i，其中t_N是当前出站子帧的结束时刻，T_ul,max是入 站信号最大持续时间，T_delay是用户设备和卫星网络侧设备双向往返时间。若(T_delay-T_ul,max)>0， 第一步可省略。

第二步：由于入站信号持续时间有长有短，地面控制站设备根据第一步获知的各入站信 号持续时间，统计出(t_N+T_delay)时刻还持续发送的入站信号以及对应的总功率。即，地面控制 站设备根据第一步的结果，获知各用户入站信号的接收时刻T_arrival,i和持续时间T_data,i，并从中 挑选出(t_arrival,i+T_data,i)>(T_delay+t_N)的用户和其对应的信号功率水平P_i，然后统计出在(t_N+T_delay/2) 时刻后仍持续发送的入站信号的总功率P_old,total＝ΣP_i。

第三步：地面控制站设备预估出T_delay时间内的新增入站信号数目，由此估计新增入站信 号的总功率。假设入站信号按泊松分布，则新增入站信号路数的期望值为：

$E\left[N_{new}\right]=(1-\beta )\underset{k=1}{\overset{2\lambda }{\Sigma }}\frac{{\left({\mathrm{\lambda T}}_{delay}\right)}^k}{k!}{e}^{-{\mathrm{\lambda T}}_{delay}}·k$(式1)

其中，λ是单位时间内的平均入站信号路数，即N_i是地面控制站设备在 事先存储的前m个出站子帧内统计到的新增的入站信号数目，T_subframe是一个出站子帧的持续 时间。β是在T_delay时间内入站并在T_delay时间内完成信号传输的用户数目占所有在T_delay时间 内入站用户数目的比例，地面控制站设备根据已接收到的入站信号统计获得。

那么根据(式1)可以估计出新增入站信号总功率的期望值：

$P_{new,total}=\bar{P}·E\left[N_{new}\right]$(式2)

其中是入站信号的平均功率，由地面控制站设备根据已接收到的入站信号统计获得。

第四步：地面控制站设备估算双向时延后的ΔIoT’值，如(式3)

ΔIoT‘＝10log₁₀[(P_old,total+P_new,total)/N₀](式3)

方法二：根据当前测量到的ΔIoT_N值，以及事先存储的前k次测量到的ΔIoT_i值，采用 线性回归预测方法，来预估双向时延后的ΔIoT_N+M值。

${\mathrm{\Delta IoT}}_{N+M}=\underset{i=N-k+1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_i·{\mathrm{\Delta IoT}}_i$(式4)

其中k的取值与入站信号持续时间T_data和出站子帧长度T_subframe有关，一般设置为 若k值太大导致a_i估算复杂，或是新增用户等不可预测因素导致ΔIoT_N值呈现非平稳的特性时，可适当减小k值。a_i是线性预测系数，a_i通过最小化均方误差获得。

步骤S2：地面控制站设备向用户设备发送完当前出站子帧，并在当前出站子帧持续时间 内收到所有新增的入站消息后，计算当前缓冲区内“积压”的还未发送给用户设备的出站队 列长度L_N,out，利用事先存储的前k次缓冲区队列长度L_i,out，采用线性回归方法预测一定时间 后的缓冲区队列长度L_N+M,out。

$L_{N+M,out}=\underset{i=N-k+1}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_i·L_{i,out}$(式5)

其中，所述的一定时延可设置为用户设备和地面控制站设备之间双向往返时间。K可设 置为线性预测系数b_i可根据最小化均方误差获得。

由此可以估算出一定时延后出站缓冲区的负荷程度：

(式6)

其中L_out是出站缓冲区的最大队列长度。

步骤S3：地面控制站设备向用户设备发送完当前出站子帧，并在当前出站子帧持续时间 内收到所有新增的入站消息后，计算当前入站缓冲区内“积压”的还未处理的队列长度L_N,in， 利用事先存储的前k次缓冲区队列长度L_i,in，采用线性回归方法预测一定时间后的入站缓冲 区队列长度L_N+M,in。

$L_{N+M,in}=\underset{i=N-k+1}{\overset{N}{\Sigma }}{c}_i·L_{i,in}$(式7)

其中，所述的一定时延可设置为用户设备和地面控制站设备之间双向往返时间。k可设 置为线性预测系数c_i可根据最小化均方误差获得。

由此可以估算出一定时延后入站缓冲区的负荷程度：

(式8)

步骤S4：地面控制站设备根据预测的出入站缓冲区负荷程度以及热噪水平，确定入站流 量控制等级，并将此流量控制信令通过出站链路广播给所有用户设备。

其中，本实施例提供了3种入站流量控制等级的设置方法，实际使用时可以采用其中一 种方法或几种方法的组合。

方法一：不区分用户机类型的场景下，入站流量控制对所有用户设备的抑制程度都是一 致的，但不同优先级的业务对应的抑制程度不同，以保证重要或紧急消息的优先入站。表1 举例说明基于业务类型和发送概率的入站流量控制等级的设置方法，各流量控制等级对应的 3个触发条件中只需要满足其中1个即启动该等级的入站流量控制。随着入站流量控制等级 的提升，受抑制的入站数据业务从普通非紧急数据业务扩展到除紧急通信外的所有数据业务， 受抑制的入站控制帧也从对系统性能影响较轻的控制信令扩展到除回执以外的所有控制信 令。

表1举例说明用户设备根据入站流量控制等级的指示，按照对应的概率发送入站消息。 当流量控制等级为1时，用户可以按业务需求正常入站。随着流量控制等级的提高，用户入 站概率越来越低，尤其是普通数据业务。

表1基于业务类型和发送概率的入站流量控制等级

方法二：不区分用户机类型的场景下，入站流量控制对所有用户设备的抑制程度都是一 致的，但不同优先级的业务对应的抑制程度不同，以保证重要或紧急消息的优先入站。表2 举例说明基于业务类型和发送频度的入站流量控制等级的设置方法。各流量控制等级对应的 3个触发条件中只需要满足其中1个即启动该等级的入站流量控制。随着入站流量控制等级 的提升，受抑制的入站数据业务从普通非紧急数据业务扩展到除紧急通信外的所有数据业务， 受抑制的入站控制帧也从对系统性能影响较轻的控制信令扩展到除回执以外的所有控制信 令。

表2举例说明用户根据入站流量控制等级的指示，按照对应的频度发送入站消息。当入 站流量控制等级为1时，各类型用户机按其正常频度要求发送入站消息。随着入站流量等级 的提高，入站频度也随之降低，比如，用户正常入站频度为5秒/次，当入站流量控制等级为 2时，普通短消息的入站频度分别降7.5秒/次，除回执外的入站控制信令降为10秒/次。

表2基于业务类型和发送频度的入站流量控制等级

需要说明的是，表1和表2只给出了4个不同等级的入站流量控制，地面控制站设备可 以根据实际情况设置不同数目的入站流量控制等级；此外表1和表2中的触发条件所设置的 阈值，以及受抑制的入站业务类型和发送概率/发送频度都可以根据系统实际情况进行调整， 其遵循的原则是先抑制入站不迫切的数据业务和对系统性能影响较小的控制信令，保障紧急 重要的业务优先入站。表1和表2中的具体参数设置不构成对本实施方案的限制。

方法三：在区分用户机类型的场景下，可以基于用户特征，设置不同的抑制程度，即相 同的入站流量控制等级对于不同类型的用户，设置不同的抑制程度。比如对于级别较高的用 户，可以调整表1和表2中的触发条件的阈值或/和调高受抑制入站业务的发送概率或发送频 度，从而降低流量控制对高级别用户的影响。

步骤S5：图2是本发明技术提供的用户侧基于业务类型和发送概率的入站流量控制方法 的流程示意图。若用户接收到流量控制信令，则调整向地面控制站发送的业务类型和发送概 率。若用户机在当前时刻的入站业务因受到抑制没能发送，那么用户机根据业务需求决定是 否重新发送该入站消息。若需要重新发送，那么用户机将等待一段时间后再次发送，该段时 间可以是系统或用户机预先设定的固定值或随机值。若该消息不需要重新发送，那么本次入 站就此结束。

图3是本发明技术提供的用户侧基于业务类型和发送频度的入站流量控制方法的流程示 意图。若用户接收到流量控制信令，则调整向地面控制站发送的业务类型对应的发送频度， 若用户没能接收到地面控制站广播的入站流量控制信令，则按流量控制最严格等级来发送入 站数据，或是等待正确接收到入站流量控制信令后，再根据信令指示发送入站消息。

在本发明实施例中，通过改进的入站流量控制方法，可以提高RDSS卫星通信系统入站 流量控制的有效性。在默认情况下对各用户的抑制程度是相对公平的，即对各用户的抑制程 度都是一样的，但对不同优先级的业务实现不同的抑制程度，以保障紧急或重要的业务优先 入站。对有特殊需求的用户(比如指挥型用户)，可以保证系统不拥塞的情况下，采用不同于 普通用户的抑制参数。

本领域普通技术人员可以理解，上述各实施例中的全部或部分步骤可以通过程序指令相 关的硬件来实现，上述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，上述的存储介质可以是 ROM/RAM，磁盘，光盘等。

图4所示为本发明实施例提供的一种地面控制站设备示意图，能够用于实现本发明上述 实施例所提供的入站流量控制方法。该地面控制设备包括：入站信号接收和解析单元，入站 信号热噪水平估测单元，入站缓冲区队列长度估测单元，出站缓冲区队列长度估测单元，入 站流量控制设置单元，和出站信号发送单元。其中，入站信号接收和解析单元，用于接收和 解析用户发送的入站信号；入站信号热噪水平估测单元用于测量当前出站子帧持续时间内入 站信号热噪水平ΔIoT，并通过线性回归方法或泊松分布方法预估双向时延后的入站信号热噪 水平。入站缓冲区队列长度估测单元，用于计算当前缓冲区内“积压”的还未处理的入站队 列长度，并通过线性回归方法预测双向时延后的入站缓冲区内队列长度。出站缓冲区队列长 度估测单元，用于计算当前缓冲区内“积压”的还未发送给用户的出站队列长度，并通过线 性回归方法预测双向时延后的出站缓冲区内队列长度。入站流量控制设置单元，用于根据入 站信号热噪水平估测单元和出站缓冲区队列长度估测单元的输出结果，确定入站流量控制等 级。该流量控制等级可以对所有用户都是一致的，也可以根据用户类别进行区分。出站信号 发送单元，用于将携带入站流量控制信令的出站子帧向所有用户广播，以便各用户接收到所 述流量控制信令时，进行自身数据入站发送的流量控制。

图5所示为本发明实施例提供的一种用户设备，能够实现本发明上述方法实施例所提供 的入站流量控制方法。该用户设备包括：出站信号接收和解析单元，入站信号控制和发送单 元。其中，出站信号接收和解析单元，用于接收和解析地面控制中心设备通过卫星转发的入 站流量控制参数；入站信号控制和发送单元，用于根据检测到的入站流量控制信令，确定入 站数据业务类型和发送概率/发送频度，进行信号发送。

本发明实施例还相应提供一种入站流量控制系统，如图6所示，包括：

地面控制站设备，用于根据入站拥塞程度和出站缓冲区负载能力，向用户设备配置和发 送入站流量控制参数。

用户设备，根据入站流量控制信令的指示决定发送消息的类型和相应的发送概率/发送频 度。

需要特别说明的是，附图和相关描述只是为了说明本发明的原理，并非用于限定本发明 的保护范围。例如，本发明实施例中的消息名称和实体可以根据网络的不同而有所变化，一 些消息也可以省略。因此，凡这在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换，改 进等均包含在本发明的保护范围内。虽然通过参照本发明的实施例，已经对本发明进行了图 示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而 不偏离本发明的精神和范围。