基于任务等级的卫星资源分配算法研究

王晓杰+罗健欣+郑成辉+倪桂强

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

摘  要： 卫星通信不但通信容量大，通信距离远，而且组网灵活，线路质量安全可靠，具有许多其他通信手段无法比拟的优点。卫星资源分配主要研究在卫星资源有限的情况下，针对不同等级的通信保障任务，采用多种资源分配策略，优化卫星资源的分配，确保高优先级的任务能够得到更好的资源。并通过资源分配展示控件，可视化的展示资源分配结果。实验结果表明，基于任务等级的卫星资源分配算法能够很好的满足不同等级的通信保障任务需求。

关键词： 分配策略; 分配算法; 卫星资源; 任务等级

中图分类号：TN915          文献标志码：A     文章编号：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

卫星网络以其重要的战略地位逐渐成为当今世界各航天大国研究的热点。卫星网络从传统作为陆地网的重要补充，用来实现各种网络的互联，为家庭和商业提供互联网的接入服务，正逐步转化为空间信息高速公路的主干网[2]。随着卫星资源日益丰富，各种通信保障任务，尤其是大地域、近海、海外和远洋防御、训练、演习、作战任务对卫星通信的依赖程度越来越大，研究如何管理和分配有限卫星资源，以满足不同等级任务的通信保障需求，是一件迫在眉睫的工作，也是发挥卫星通信最大效能的关键。

1 卫星资源的逻辑层次关系

对于卫星资源，最终的落实点是波束或转发器，如果落实点是波束则应该是整个波束被分配给某个任务;如果落实点是转发器则可能只是转发器中的某段频率或某几个信道/信道中的时隙[3]。卫星资源按通信卫星的逻辑层次关系组织，即通信卫星、天线、波束、转发器。卫星资源的逻辑层次关系模型如图1所示。

2 保障任务分级

为便于操作，应将任务的保障优先级与具体的作战任务紧密联系起来。例如作战、演习、训练、执勤等。

另外，需要确定不同优先级下一般适用的信道分配策略。

目前可参照战备等级将通信保障任务分为三个级别，与相应的保障任务类型可建立对应关系。

第1级：救灾、战争等。

第2级：训练、一般性演习保障任务等。

第3级：一般日常值班、执勤。

3 资源分配策略

分配策略是为达到资源优化分配使用的目标，综合各种因素进行计算、权衡和优化决策的过程[4-5]。针对不同等级的通信保障任务，为达到最佳的资源分配效果，本文设计了以下三种分配策略。

3.1 互调干扰最小分配策略

互调干扰是由传输信道中非线性电路产生的，当两个或多个不同频率的信号输入到非线性电路时，由于非线性器件的作用，会产生很多谐波和组合频率分量，其中与所需要的信号频率相接近的组合频率分量会顺利通过接收机而形成干扰，这种干扰就是互调干扰[6]。

为达到互调干扰最小的效果，互调干扰最小分配策略应遵循转发器分配的载波按马鞍型排列的原则，即分配资源时，寻找与已分配资源相隔频率最大的空闲频率段，在该频率段上进行资源的分配。该分配策略适用于对通信质量要求较高的通信保障任务，如救灾、战争等。

3.2 利用率最高分配策略

利用率最高分配策略比较简单，该策略不用考虑互调干扰的问题，对于空闲的频率资源，只需按照资源的顺序进行分配即可，这样做可以达到资源利用率最高。当然，为尽量保证通信的质量，在相邻两个任务的频率段之间会根据规则预留一定的保护带宽。该分配策略适用于对通信质量要求比较低的通信保障任务，如常规执勤等。

3.3 最佳匹配分配策略

最佳匹配分配策略，顾名思义，是根据任务所需频率段的大小，去资源池中寻找与之相差最小，也即最匹配的频率段来进行分配。该策略相比于互调干扰最小分配策略来说，资源的利用率有所提高，但还比不上利用率最高分配策略，因为该策略会产生一些资源碎片，无法利用，导致资源利用率有所降低。该策略适用于对通信质量要求一般的通信保障任务，如平时的训练、演习等。

4 资源分配算法流程

以下是资源分配的整体思路。

⑴ 资源分配子系统在能够接受资源分配请求之前，需要对资源进行预处理，评估资源的良好状态，以此作为后续资源分配的依据。卫星信道资源的评分依据：

① 频段信号特点;

② 历史干扰情况;

③ 当前分配使用状态。

⑵ 通信资源保障的最终目的是将适当的资源分配给适当的任务。为此，需要对通信保障任务进行分级评定。在此基础上，可以让最优的资源保障优先级最高的任务，从而达到很好的保障效果。

⑶ 资源分配的过程可以转化为类似于计算机内存分配的问题，但是需要考虑资源使用时的互调干扰等问题。

为了达到较好的保障效果和较高的资源利用效率，需要考虑采用不同策略来满足不同级别的通信任务需求。即采用基于策略的资源分配算法，根据规划预案及分配策略，综合考虑当前资源使用情况，为任务合理的分配频率资源。分配算法设计流程如图2所示。

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图2  资源分配算法流程图

5 资源分配结果

任务等级为1，采用互调干扰最小分配策略的分配结果如图3所示，图3中分别标出了第1、2、3……次分配，图4、图5也一样标出了第1、2、3……次分配。根据分配结果可看出，互调干扰最小分配算法满足互调干扰最小原则，达到了互调干扰最小的目的。

任务等级为3，采用利用率最高分配策略的分配结果如图4所示，根据分配结果可以看出，利用率最高分配算法对空闲资源按顺序依次分配，几乎不会产生资源碎片，达到了利用率最高的目的。

任务等级为2，采用最佳匹配分配策略的分配结果如图5所示，根据分配结果可看出，最佳匹配分配算法会根据任务所需的频率大小去寻找与之差额最小的频率资源段来进行资源分配。达到了最佳匹配的目的。

6 结束语

随着卫星资源日益丰富，卫星资源的争夺必将愈演愈烈，本文分析和研究了针对不同等级的通信保障任务，采用相应的资源分配策略，实现了分配算法，并可视化的展示了分配结果，初步提出了一种基于任务等级的卫星资源分配算法，希望对卫星资源分配方面的研究有所帮助。另外，因为本文中的分配策略还不足以覆盖所有类型的通信保障任务，所以下一步的研究方向是根据通信保障任务的类型制定更多的、更加完善的分配策略，以满足不同等级的通信保障任务。

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