卫星频段资源规划设计

words: 1.2k    views:    time: 4min
开发笔记

问题

在通信卫星的组网场景中，如何规划卫星频段资源，让不同的子网可以在不同的时间内进行资源复用，并提供一种办法来量化资源的使用率。

背景

在说明具体问题之前，先介绍下关于卫星资源的几个概念，实际在卫星上的物理资源只有天线，真正的资源就是天线能够接收和发送的频段范围。

  • 波束：指卫星天线所形成的辐射方向，用于指定卫星通信覆盖区域，这样通过物理空间上的隔离，同样的频段可以在不同的波束中进行复用。
  • 通道：对于卫星频段资源的一种划分，分为上行通道和下行通道，比如将某一段频率定义为上行通道，而将某一段频率定义为下行通道。
  • 子网：多个终端通过卫星组成的一种局部网络，子网具有时效性，就是一个子网只在某一段时间内需要使用某段资源。同一个波束下的终端可以使用不同的频段组建多个子网，但同一时刻任意两个子网使用的频段资源不能出现冲突，否则会出现通信干扰。

关于卫星、波束、通道的关系，可以简单如下图所示

思路

  • 资源分配

所以要解决的具体问题就是如何给多个不同的子网分配频段资源，并避免使用冲突。这里我们可以将时间也视为一种资源，同样的频段可以在不同的时间段上进行复用。如果要避免冲突，只要在时间或频段上能隔离开就行。

这样我们可以如下用一个简单的二维坐标来描述可用的资源，比如频段(H0, H0’)在时间段(T0, T0’)上可用，并用平面上的一个区域来表示被占用的资源，比如频段(H1, H1’)在时间段(T1, T’)上被占用

但是对于剩余的可用资源并不能通过一个完整的区域来表示，只能通过多个区域来拼凑。比如下面这样需要通过4个区域来描述，如果按从下往上，从左往右，那么四个区域分别为(T0, T0’)/(H0, H1)、(T0, T1)/(H1, H1’)、(T1’, T0’)/(H1, H1’)、(T0, T0’)/(H1’, H0)

虽然通过拼凑可以描述剩余可用资源，但是很难解决后续的资源分配的问题，因为待分配资源可能跨多个可用区域。如果将待分配的资源在多个不同的可用区域上进行分配，比如下图所示，同时还要维护分配的资源与多个剩余可用资源区域之间的关系，必然是一个很繁琐的处理。

其实可以放弃对剩余可用资源的描述，我们真正关心问题的是待分配的资源与已分配的资源不要发生冲突。这样的话了，只需将最初的可用资源和已经分配的资源描述清楚，后续再分配资源时只要不出现区域重叠就行。

如下图所示，如果两个区域要出现重叠，则必然要满足条件：T2 < T1’ && T2’ > T1 && H2 < H1’ && H2’ > H1。所以我们在分配资源时只需根据这个条件将待分配的资源与已分配的资源记录进行比较，如果没有符合条件的已分配记录，则证明待分配资源是没有冲突可以使用的。

  • 资源使用率

如果是讨论某一时刻使用率，可以直接用(已用频段/总的可用资源)来表示，比如10M资源用了5M，那就是50%。但是如果要表示某段时间内的资源使用率，就不好这样直接计算了，比如还是10M资源，上午用了3M，下午用了6M，那么如何计算这一天的资源使用率。

还是基于上面使用平面区域来表示已分配资源的想法，使用面积占比来表示资源使用率。假设总的时间宽度为t，频段宽度为h，第i个已分配资源的时间宽度和频段宽度分别记为$t_i$和$h_i$，那么我们可以如下来计算t时间段内的资源使用率：$\sum_{i=1}^n t_i \times h_i \over t \times h$


参考：