阅读说明：本技术 基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法及装置、系统 (Spectrum resource allocation method, device and system based on satellite network single-hop link establishment ) 是由 张定林 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法及装置、系统,方法包括：从空闲频谱中选出≥单跳链路带宽的频谱,按带宽大小升序排列；计算所有接收设备可用频谱区间及公共可用频谱区间；将升序排列频谱中的第一个频谱作为预分配频谱与公共可用频谱区间做交集运算,得出≥单跳链路带宽的结果集；判断结果集是否为空：若否,从结果集左侧开始划分频谱；若是,判断所有接收设备是否已调整本振频率：若未调整,将所有接收设备本振频率调整至最靠近预分配频谱的位置,并返回至计算步骤；若已调整,判断升序排列的频谱中是否还有频谱未参与交集运算：若是,返回交集运算；若否,分配失败。不存在理论可分配而由于频谱分配方法缺陷导致的分配不成功的情况。(The method, the device and the system for distributing the spectrum resources based on the single-hop link establishment of the satellite network comprise the following steps: selecting frequency spectrums more than or equal to the bandwidth of the single-hop link from the idle frequency spectrums, and arranging the frequency spectrums in ascending order according to the size of the bandwidth; calculating available frequency spectrum intervals of all receiving devices and a public available frequency spectrum interval; taking the first frequency spectrum in the ascending sequence frequency spectrum as a pre-allocated frequency spectrum and performing intersection operation with a public available frequency spectrum interval to obtain a result set of the bandwidth of a link which is not less than a single hop; judging whether the result set is empty: if not, dividing the frequency spectrum from the left side of the result set; if yes, judging whether all receiving devices have adjusted local oscillation frequency: if not, adjusting the local oscillation frequencies of all the receiving devices to the positions closest to the pre-allocated frequency spectrum, and returning to the calculating step; if so, judging whether the frequency spectrums in the ascending sequence do not participate in intersection operation: if yes, returning intersection operation; if not, the allocation fails. There is no case where allocation is unsuccessful due to a spectrum allocation method defect because of theoretical allocable.)

基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法及装置、系统

技术领域

本发明涉及卫星通信单跳建链场景下的频谱规划，尤其与一种基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法及装置、系统相关。

背景技术

一般的卫星网络组网中，基本采用星型组网模式，即一个中心站与多个端站进行组网，中心站到各个端站的前向链路数据通过TDM(时分复用)进行下发，下游端站到中心站的反向链路数据通过中心站挂接一个多业务接收机(DTRU)来接收，DTRU一般均具有多个接收通道，能够同时接收多个端站的数据报文。中心站作为信息枢纽对下游端站的报文进行转发，每一个端站单独与中心站进行信息交换。如果中心站下游两个端站之间进行业务通信，那么就需要通过中心站进行转发，形成双跳链路，卫星网络的双跳链路会带来如下问题：

1、高时延：卫星链路自身具有高时延的特性，两个端站通信通过中心站转发时，时延就会比两个端站之间单跳通信增加一倍，这种高时延在用户时延要求苛刻的场景下是无法接受的。

2、中心站TDM载波频谱利用率低：由于中心站进行报文转发时均使用TDM载波进行转发，所有端站的报文均走TDM载波，所以中心站下游两个端站通信会占用TDM载波，一定程度上影响其他小站的下载速率，导致中心站的TDM载波频谱利用率较低。

单跳建链就可以解决中心站下游两个端站之间通信带来的高时延和频谱利用率低的问题。将两个端站之间单独建立连接，使之发送到对端的报文对端直接接收，单跳建链之后,中心站在收到两端站之间的互通的报文，中心站直接丢弃，不再转发。

端站之间的单跳通信使得卫星通信中的星状网与网状网能够共存，但与此同时也带来频谱资源分配困难的问题，由于端站仅有一个发射通道，建立单跳链路之后，端站发送的报文除了中心站的DTRU需要接收以外，另一个端站也需要接收，这样就会形成一发多收的场景，针对一发多收的场景进行频谱资源分配时，划分的频谱需要满足所有接收设备，有一个接收设备不适配划分的频谱，就会导致频谱重新划分。其中，接收设备的频率并不是随意配置的，它受到硬件接收规格的限制，一般的接收设备通常存在一个接收本振频率，多段接收频谱与本振频率之间存在如下的关系：接收频率[F1, F2]的边频（左边频F1，右边频F2）不能超过本振频率CF的N MHz范围内，即接收频率的取值应位于[CF-N, CF][CF, CF+N]区间内。

在资源池的多段空闲频谱中选取一段频谱能够刚好适配所有的接收设备就变得非常困难，早期的单跳链路资源分配算法采用盲选频谱的方法，即先从空闲频谱段左侧开始划分频谱，然后将划分频谱拿去与多个接收设备逐一适配，如果适配成功则分配成功，如果适配不成功，则从空闲频谱段的右侧开始划分频谱，再逐一适配接收设备，如果适配成功则分配成功，如果适配失败则分配失败。这种分配方法存在频谱资源的盲区，即很有可能资源池存在频谱资源，但是由于分配方法的缺陷导致分配不成功的情况。

发明内容

本发明主要针对相关现有技术的不足，提供基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法及装置、系统，实现了只要资源池有频谱资源且接收设备硬件规格满足的情况下就能分配成功，不存在理论可分配而由于频谱分配方法缺陷导致的分配不成功的情况，提高频谱资源分配的效率，最大程度利用频谱资源，避免频谱资源的浪费。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法，其特征在于，包括步骤：

从资源池空闲频谱中选出大于等于单跳链路带宽的频谱，并将获得的频谱按带宽大小升序排列；

计算所有接收设备可用频谱区间，并计算出所述可用频谱区间的公共可用频谱区间；

将升序排列的频谱中的第一个频谱作为预分配频谱与公共可用频谱区间做交集运算，得出大于等于单跳链路带宽的结果集；

判断所述结果集是否为空：

若不为空，则从所述结果集左侧开始划分频谱，分配成功；

若为空，则判断所有接收设备是否已调整本振频率：

若未调整，则将所有接收设备本振频率调整至最靠近预分配频谱的位置，并返回至计算所有接收设备可用频谱区间的步骤继续执行；

若已调整，则判断升序排列的频谱中是否还有频谱未参与所述交集运算：

若是，则将升序排列的频谱中下一个未参与所述交集运算的频谱作为预分配频谱与公共可用频谱区间做交集运算，得出大于等于单跳链路带宽的结果集，并返回判断所述结果集是否为空的步骤继续执行；

若否，则分配失败。

进一步，公共可用频谱区间的计算方法为：两个接收设备的可用频谱区间两两求交集，计算出的结果再与下一个接收设备的可用频谱区间求交集，最终所有接收设备均参与过交集运算之后，得出的交集则为公共可用频谱区间。

基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配装置，其特征在于，包括

筛选排序模块，用于从资源池空闲频谱中选出大于等于单跳链路带宽的频谱，并将获得的频谱按带宽大小升序排列；

计算模块，用于计算所有接收设备可用频谱区间，并计算出所述可用频谱区间的公共可用频谱区间；

交集运算模块，用于将升序排列的频谱中的第一个频谱作为预分配频谱与公共可用频谱区间做交集运算，得出大于等于单跳链路带宽的结果集；

第一判断模块，用于判断所述结果集是否为空；

分配模块，用于在第一判断模块判断不为空时，从所述结果集左侧开始划分频谱；

第二判断模块，用于在第一判断模块判断为空，判断所有接收设备是否已调整本振频率：

本振调整模块，用于在第二判断模块判断为未调整时，将所有接收设备本振频率调整至最靠近预分配频谱的位置，并返回至计算模块继续执行；

第三判断模块，用于在第二判断模块判断为已调整，则判断升序排列的频谱中是否还有频谱未参与所述交集运算，并在判断为是时，将升序排列的频谱中下一个未参与所述交集运算的频谱作为预分配频谱与公共可用频谱区间做交集运算，得出大于等于单跳链路带宽的结果集，并返回第一判断模块继续执行；在判断为若否，返回分配失败。

进一步，计算模块，在用于计算出所述可用频谱区间的公共可用频谱区间时，具体是：计算两个接收设备的可用频谱区间两两交集，计算出的结果再与下一个接收设备的可用频谱区间求交集，最终所有接收设备均参与过交集运算之后，得出的交集则为公共可用频谱区间。

一种单跳建链的卫星网络频谱资源分配系统，其特征在于，包括接入卫星网络的：

多个端站和中心站，多个端站之间具有单跳链路；以及

配置装置，用于在其中一个端站作为发送端站，其他端站和中心站作为接收设备时，按照基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法进行频谱资源分配。

一种单跳建链的卫星网络频谱资源分配装置，其特征在于，包括：

配置器，用于在接入卫星网络的一个端站所为发送端站，其他端站和中心站作为接收设备时，执行基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法进行频谱资源分配；其中，各端站之间具有单跳链路。

本发明有益效果在于：

1、在NCS分配频谱资源时，能够快速精准的匹配到可用频谱区间，只要资源池有频谱资源，且接收设备硬件规格满足的情况下就能分配成功，不存在理论可分配而由于频谱分配方法缺陷导致的分配不成功的情况；如果找不到可用频谱区间，则表明没有任何频谱适配；

2、与现有技术相比：

（1）提高了资源分配的效率，一次算法运算即可求出可用频谱区间；

（2）频谱区间全覆盖，不存在理论存在可用频谱，而算法缺陷导致的不可分配的情况。

附图说明

图1为未进行单跳建链时的组网场景。

图2为端站A和端站B进行单跳建链后的组网。

图3为本申请实施例的NCS服务器配置的资源池分配示意图。

图4为本申请实施例的单跳建链的频谱资源分配方法实施流程图。

图5为本申请实施例的升序排列频谱列表。

图6为本申请实施例的所有接收设备可用频谱区间。

图7为本申请实施例的所有接收设备公共可用频谱区间。

图8为本申请实施例的单跳建链的频谱资源分配装置结构图。

图9为本申请实施例的单跳建链的卫星网络频谱资源分配系统结构图。

图10为本申请实施例的单跳建链的卫星网络频谱资源分配装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图，举例详细说明本申请涉及方法、装置、系统的实施手段/方式。

未进行单跳建链时的组网场景如图1所示。

中心站H与下游两个端站A、B保持卫星链路的通路，这时A、B之间有报文往来均通过中心站转发，此时A的发送只有DTRU R来接收，B的发送也只有DTRU R来接收,详细见单跳建链前收发表。

现在将A与B进行单跳建链，建链后的组网如图2所示。

A-B之间添加了单跳链路之后，A由一发一收变成了一发两收，各设备的收发情况见单跳建链后收发表。

单跳建链不仅仅局限于两个端站之间，支持多个端站之间建立单跳通信，所以在实际的应用场景中，可能面临1发N收的场景。

接收设备均存在本振频谱，当接收设备有一个接收通道处于打开状态时，本振频谱就已固定，这时接收设备的可用频谱区间为[CF-N, CF][CF, CF+N]，如果接收设备没有通道打开，则表明任意频谱均满足，可用频谱区间设定一个尽可能接近无穷大的频谱范围。

假定NCS服务器配置的资源池分配情况如下图3所示，以此作为实施例。

频谱区间F1、F2、F3、F4代表未分配给端站的空闲频谱区间，先假定用户在端站A上手动建立了一条单跳链路，且带宽配置为F0。我现在需要给端站A分配一个大小为F0的频谱区间，且分配的区间必须满足端站A的所有接收设备的接收规格。

本实施例的频谱资源分配过程如图4所示。

（1）从资源池中选出大于等于F0的频谱，后按带宽大小升序排列，如图5所示，选出第一个空闲频谱F1，即需要进行遍历，从第一个空闲频谱开始，使升序排列的每个频谱按照顺序根据需求进行参与后续步骤。

（2）计算端站A的所有接收设备的可用频谱区间

假定端站A为1发3收的场景，接收设备分别为端站B、端站C、以及DTRU R，再假定计算出的所有接收设备的可用频谱区间如上图6所示，端站B的可用频谱区间为B1、B2，端站C的可用频谱区间为C1、C2，DTRU R的可用频谱区间为R1、R2。

计算出接收设备B、C、R的公共可用频谱区间

公共可用频谱区间的计算方法为两个接收设备的频谱区间两两求交集，计算出的结果再与下一个接收设备的可用频谱区间求交集，最终所有接收设备均参与过交集运算之后，得出的交集则为公共可用频谱区间。

如图7所示，具体实施如下：

B1∩C1=I1；B1∩C2=∅；B2∩C1=I2；B2∩C2= I3；

第一轮B与C的交集运算结果为I1、I2、I3；

I1∩R1=P1；I1∩R2=∅；I2∩R1=P2；I2∩R2=∅；I3∩R1=P3；I3∩R2=P4；

最终求出的公共可用频谱区间P1、P2、P3、P4。计算出所有接收设备的公共可用区间，则表明位于公共可用频谱区间的任何频谱均适配所有接收设备。

（4）资源池的空闲频谱段与公共可用频谱区间做交集运算，并选出可用的频谱段，详细步骤如下：

F1与P1、P2、P3、P4分别进行交集运算得出交集运算之后的结果集:

F1∩P1=F1P1；F1∩P2=F1P2；F1∩P3=F1P3；F1∩P4=F1P4，

产生的交集序列为F1P1，F1P2，F1P3，F1P4，从其中选出带宽长度大于等于单跳链路配置的带宽长度F0的可用频谱段。

（5）如果存在可用的频谱段，则从可用的频谱段左侧开始划分F0，尽可能的减小碎片的产生，划分之后的频谱区间一定满足所有接收设备。如果不存在可用的频谱段，则继续执行下一步。

（6）判断所有接收设备是否已调整本振频率，如果未调整本振频率，则将所有接收设备本振频率调整至最靠近预分配频谱的位置之后重复步骤（2）~（5）。如果已将本振频率调整，则继续执行下一步。

（7）判断（1）中的空闲频谱段列表是否均已遍历完成，如果未遍历完成，则选取下个空闲频谱之后重复步骤（2）~（6）。如果已遍历完成，则说明未找到合适的频谱满足所有接收通道的要求，分配资源失败。

如图8所示，为本申请提供的单跳建链的频谱资源分配装置实例结构图。

装置包括：筛选排序模块、计算模块、交集运算模块、多个判断模块、分配模块、本振调整模块等。

筛选排序模块，用于从资源池空闲频谱中选出大于等于单跳链路带宽的频谱，并将获得的频谱按带宽大小升序排列。

计算模块，用于计算端站所有接收设备可用频谱区间，并计算出所述可用频谱区间的公共可用频谱区间。具体是：计算两个接收设备的可用频谱区间两两交集，计算出的结果再与下一个接收设备的可用频谱区间求交集，最终所有接收设备均参与过交集运算之后，得出的交集则为公共可用频谱区间。

交集运算模块，用于将升序排列的频谱中的第一个频谱作为预分配频谱与公共可用频谱区间做交集运算，得出大于等于单跳链路带宽的结果集。

第一判断模块，用于判断所述结果集是否为空。

分配模块，用于在第一判断模块判断不为空时，从所述结果集左侧开始划分频谱。

第二判断模块，用于在第一判断模块判断为空，判断所有接收设备是否已调整本振频率。

本振调整模块，用于在第二判断模块判断为未调整时，将所有接收设备本振频率调整至最靠近预分配频谱的位置，并返回至计算模块继续执行。

第三判断模块，用于在第二判断模块判断为已调整，则判断升序排列的频谱中是否还有频谱未参与所述交集运算，并在判断为是时，将升序排列的频谱中下一个未参与所述交集运算的频谱作为预分配频谱与公共可用频谱区间做交集运算，得出大于等于单跳链路带宽的结果集，并返回第一判断模块继续执行；在判断为若否，返回分配失败。

图8所示的单跳建链的频谱资源分配装置，按照图3对应的实例进行处理，能够快速精准的匹配到可用频谱区间，只要资源池有频谱资源，且接收设备硬件规格满足的情况下就能分配成功，不存在理论可分配而由于频谱分配方法缺陷导致的分配不成功的情况；如果找不到可用频谱区间，则表明没有任何频谱适配。

如图9所示，为本申请同时提供的一种单跳建链的卫星网络频谱资源分配系统实施例结构图。

该系统中包括接入卫星网络的：多个端站和中心站、配置服务器。

多个端站之间具有单跳链路。

配置装置，用于在其中一个端站作为发送端站，其他端站和中心站作为接收设备时，进行频谱资源分配。具体的，配置装置为NCS控制器，具体进行频谱资源分配的方法，是基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法，可参照按照图3对应的实例，快速精准的匹配到可用频谱区间，只要资源池有频谱资源，且接收设备硬件规格满足的情况下就能分配成功，不存在理论可分配而由于频谱分配方法缺陷导致的分配不成功的情况；如果找不到可用频谱区间，则表明没有任何频谱适配。

如图10所示，为本申请同时提供的一种单跳建链的卫星网络频谱资源分配装置结构图。

装置包括配置器，具体的配置器为NCS控制器。

在接入卫星网络的一个端站所为发送端站，其他端站和中心站作为接收设备，且各端站之间具有单跳链路时，NCS控制器执行基于卫星网络单跳建链的频谱资源分配方法进行频谱资源分配。