一种基于甚高频数据交换系统的逻辑信道分配方法与流程

1.本发明总的来说涉及海上和卫星通信技术领域。具体而言，本发明涉及一种基于甚高频数据交换系统的逻辑信道分配方法。


背景技术：

2.随着对海上vhf(very high frequency，甚高频)数据通信需求的增加，ais(automatic ldentification system，自动识别系统)已被大量用于海上安全、海上态势感知和港口安全等场合。但ais在ais1和ais2这两个频段上的负载较高，因此需要额外的vhf数据信道。
3.vdes(vhf data exchange system，甚高频数据交换系统)是为了满足imo(international maritime organization，国际海事组织)主导的e-航海战略船-船、船-岸间数据交换需要而开发的海上宽带数字通信系统。
4.针对ais在应用上对额外的vhf数据信道的需求，vdes通过对时隙的映射引入了逻辑信道的概念。从功能上来看，所述逻辑信道可以包括数据逻辑信道和信令逻辑信道，其中所述数据逻辑信道用于数据传输，所述信令逻辑信道可以用于传输信令信息。然而，现有技术中vdes在逻辑信道的时隙功能分配的过程中容易产生大量的时隙浪费，系统的资源利用率有待提升。


技术实现要素：

5.为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于甚高频数据交换系统的信道分配方法，包括下列步骤：
6.配置初始化数值，其中所述初始化数值包括配置接入率阈值η
阈值
、时隙利用率阈值λ
阈值
以及业务满足率阈值ρ
阈值
、船站数量默认值a0以及第一数据信道数值15k；
7.根据所述初始化数值确定第一帧中逻辑信道的占用时隙并且广播第一时分多址帧结构；
8.在第一时段后确定实际数值，其中所述实际数值包括平均每个时分多址帧中发送资源申请的船站数量a，以及平均每分钟系统的实际成功接入率η、实际时隙利用率λ以及实际业务满足率ρ；
9.比较所述实际数值以及所述初始化数值，并且根据比较结果对所述第一数据信道数值15k进行更新以获得第二数据信道数值15k
′
；以及
10.根据所述实际数值以及所述第二数据信道数值15k
′
确定第二帧中逻辑信道的占用时隙并且广播第二时分多址帧结构。
11.在本发明一个实施例中规定，所述逻辑信道包括公告牌信令信道、随机接入信令信道、通告信令信道、数据信道以及数据信令信道。在本发明一个实施例中规定，由所述公告牌信令信道传输卫星公告板信令，其中所述卫星公告板信令广播时分多址帧结构。
12.在本发明一个实施例中规定，将通所述告信令信道分配到数据信道的船站数量表
示为b，将随机接入信令信道的占用时隙数表示为5a，将通告信令信道的占用时隙数表示为，将数据信道的占用时隙数表示为15kb，将数据信令信道的占用时隙数表示为5b，其中
13.在本发明一个实施例中规定，所述每分钟系统的实际成功接入率η表示为下式：
[0014][0015]
在本发明一个实施例中规定，所述每分钟系统的时隙利用率λ表示为下式：
[0016][0017]
其中，c表示船站在一分钟内传输数据实际占用的时隙数量。
[0018]
在本发明一个实施例中规定，确定所述每分钟系统的业务满足率ρ包括下列步骤：
[0019]
确定优先级阈值p
阈值
；
[0020]
确定每分钟业务优先级大于等于p
阈值
的船站数量，表示为m；
[0021]
确定在业务优先级大于等于p
阈值
的船站中，实际传输数据需要的时隙数小于等于一个数据信道所占的时隙数的船站数量，表示为n；以及
[0022]
将所述每分钟系统的业务满足率ρ表示为下式：
[0023][0024]
在本发明一个实施例中规定，所述第一时段为f分钟，其中f为大于等于1的正整数，表示逻辑信道动态调整频率。
[0025]
在本发明一个实施例中规定，当ρ＜ρ
阈值
时，所述第二数据信道数值15k
′
通过下式进行取值：
[0026][0027]
k∈{1，2，3，4，5，6}；
[0028]
当ρ≥ρ
阈值
，并且所述实际成功接入率η、实际时隙利用率λ的其中之一小于阈值时，所述第二数据信道数值15k
′
通过下式进行取值：k
′
＝max(k-1，1)；以及
[0029]
当ρ≥ρ
阈值
若，并且所述实际成功接入率η、实际时隙利用率λ两均小于阈值时，所述第二数据信道数值15k
′
通过下式进行取值：k
′
＝max(k-2，1)。
[0030]
在本发明一个实施例中规定，对上述步骤进行循环。
[0031]
本发明至少具有如下有益效果：本发明在甚高频数据交换系统的基础上，通过统计过去一段时间内申请资源的船站数量来预测未来一分钟内平均每个时分多址帧中申请资源的船站数，并且通过所述公告牌信令信道传输卫星公告板信令。通过本发明可以动态地调整时分多址帧中逻辑信道占用时隙的大小，从而实现时隙资源的高效利用，扩充甚高频数据交换系统的通信容量，增加了甚高频数据交换系统可以服务的终端的数量。
附图说明
[0032]
为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
[0033]
图1示出了本发明一个实施例中基于甚高频数据交换系统的逻辑信道分配方法的流程示意图。
具体实施方式
[0034]
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
[0035]
在本发明中，除非特别指出，“布置在
…
上”、“布置在
…
上方”以及“布置在
…
之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在
…
上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在
…
下或下方”，反之亦然。
[0036]
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
[0037]
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
[0038]
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本技术的公开范围或记载范围。
[0039]
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
[0040]
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
[0041]
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
[0042]
在一个vdes中一帧长度为1分钟，一帧可以划分为2250个时隙，其中每个时隙占26.6667ms，对于每一帧的2250个时隙，将具有相同功能的时隙组成一个逻辑信道。
[0043]
根据系统运行与传输流程，vdes中的逻辑信道通常包括：公告牌信令信道(bulletin board signaling channel，bbsc)、随机接入信令信道(random access signaling channel，rac)、通告信令信道(announcement signaling channel，asc)、数据信道(data channel，dc)以及数据信令信道(data signaling channel，dsch)。
[0044]
每帧开始的前90个时隙是bbsc逻辑信道，所述bbsc逻辑信道可以传输卫星公告板sbb(satellite bulletin board)信令。剩下的2160个时隙可以分为三组，其中每组具有720个时隙称为一个tdma帧。卫星在sbb信令中定义了每个tdma帧中包含的逻辑信道的类型和每个逻辑信道占用的时隙数量。在每个tdma帧中包括rac、asc、dc以及dsch逻辑信道。
[0045]
下面对上述逻辑信道作介绍：
[0046]
所述公告牌信令信道(bbsc)中可以广播mmsi(maritime mobile service identity，海上移动服务标识)编号、tbb版本号、逻辑信道类型和占用的时隙数量、物理信道定义、调制解码方式等涉及数据传输的关键数据。
[0047]
所述随机接入信道(rac)可以供船站进行请求资源分配或短数据消息传输。当船站使用vdes进行数据通信时，需要通过rac向网络发送资源请求信令，并且在所述请求信令中标注mmsi编号和申请的时隙数量等消息。另外当船站发送突发的短消息时，也可以使用rac。
[0048]
所述通告信令信道(asc)中的时隙通常保留给卫星用于请求、分配或单时隙数据传输。卫星在收到船站的资源请求信令后向对应船站发送资源分配信令包，通过标注接收端mmsi编号给相应的船站分配数据传输时隙，也可以用于通知船站卫星占用数据信道广播数据。
[0049]
所述数据信道(dc)专门用于卫星或船站传输数据包。
[0050]
所述数据信令信道(dsch)中的时隙被保留用于同一tdma(time division multiple access时分多址)信道中dc的确认、资源分配以及资源解除分配。在数据接收端可以利用dsch传输ack/nack以及资源分配信令包，其中在ack/nack信令包中标注了接收端的mmsi编号、该tdma帧的ds编号、该ds中丢失的数据包编号、信道质量参数、传输功率等重要信息。
[0051]
在本发明一个实施例中，船站在rac逻辑信道采用随机接入的方式竞争时隙，向卫星发送资源申请报文，每个资源申请报文占5个时隙。卫星收到多个船站的资源申请报文后，在asc时隙中发送资源分配报文，给所有或部分船站分配数据dc信道，同时也给卫星分配下行的dc信道。每个所述资源分配报文占用15个时隙，可以给4个船站或卫星分配信道。分配到dc信道的船站或卫星等待dc信道的到来，在对应的dc信道中向卫星或船站传输数据。
[0052]
在卫星下行传输完数据后，可能需要船站返回数据确认ack(acknowledgement)信令，此时船站可以在dsch信道发送ack信令，每次发送占用5个时隙，其中dsch占用时隙的数量应该为dc信道数
×
5。
[0053]
表1示出了一个vdes的时隙功能分配情况。
[0054]
表1
[0055]
[0056]
如表1所示，每个tdma帧中的rac时隙可以有179个，其在理想情况下可以接收35个船站的资源申请，其中每个船站可以占用5个时隙发送资源申请。然而数据信道只有6个，因此通过asc最多只能给6个船站发送资源分配消息，而卫星发送一次资源分配消息通常占15个时隙，可以给4个船站分配，因此asc有30个时隙被占用发送资源分配消息，而剩下60个时隙将被浪费。同理，当数据信道被分配给船站使用时，以船站被分配到数据信道dc4为例，dc4中有90个时隙，而船站只占用10个时隙传输少量数据，这样将会造成80个时隙被浪费，同时也会降低系统的通信容量。
[0057]
因此，在本发明一个实施例中可以对逻辑信道进行动态分配以提高资源利用率。其中主要可以考虑以下几个方面：
[0058]
假设不考虑卫星占用dc信道下行传输数据且rac信道没有碰撞的情况，可以将rac信道进行资源申请的船站数量表示为a，将在asc信道分配到dc信道的船站数量表示为b(其中每个船站分配一个dc信道)，每个dc信道所占时隙数表示为15k。rac所占时隙数表示为5a，asc所占时隙数表示为dc信道所占时隙数表示为15kb，dsch信道所占时隙数表示为5b。由于每个tdma帧占720个时隙，所以有如下关系：
[0059]
5a [15(b/4)] 15kb 5b＝720
[0060]
由于不是每个在rac申请资源的船站都能在asc分配到dc信道，因此可以将一分钟内的成功接入率表示为下式：
[0061]
即
[0062]
每个dc信道占用的时隙数大小可以分为6个等级，表示为k∈{1，2，3，4，5，6}，dc信道的大小主要取决于船站需要传输的数据量，传输的数据量越大，k值越高。但是k值得大小也影响着船站的成功接入率η，因为k越大，每个船站分配到的dc时隙数量越多，相应的分配到dc信道的船站数量就越小，η值就越小；反之k值越小，每个船站分配到的dc时隙数量越少，相应的分配到dc信道的船站数量就越大，η值就越大。
[0063]
同时，也可能出现在rac申请资源的船站较少，且每艘船需要传输的数据量也较小，因此系统的成功接入率η较高，但是数据时隙的利用率很低的情形，因此可以一分钟内的间隙利用率表示为下式：
[0064]
即
[0065]
其中，c表示船站在一分钟内传输数据实际占用的时隙数量。当时隙利用率较低时，说明船站分配到的时隙数量超过了船站实际需要的时隙数量，因此可以适当减小每个数据信道的时隙个数，增加数据信道数量，从而给更多的船站分配时隙资源。
[0066]
但是，每个数据信道若太小，对于高优先级且需要传输大量数据的船站来说，可能会长时间分配不到资源。为了满足高优先级、大数据量的业务场景，设优先级阈值为p
阈值
，每分钟统计业务优先级大于等于p
阈值
(优先级取值范围为1-255，值越大优先级越高)的资源申请数量。设每分钟业务优先级大于等于p
阈值
的船站数量为m，在这m个船站中，实际传输数据
需要的时隙数小于等于一个数据信道所占的时隙数的船站数量为n，则设一分钟内系统的业务满足率为：
[0067]
业务满足率：
[0068]
当业务满足率小于阈值ρ
阈值
时，需要适当增大数据信道容量，以满足高优先级大数据量的船站业务需求。
[0069]
由于卫星在每分钟开始的90个时隙发送sbb报文，定义当前1分钟内的3个tdma帧中的逻辑信道的种类和大小，所以vde的逻辑信道动态分配的频率最快为1分钟调整1次，设逻辑信道动态调整频率为f(单位：分钟/次)，f为大于等于1的正整数，该值可根据实际情况进行改变，若申请资源的船站数量变化不大，那么f的值可适当增大，若申请资源的船站数量变化较大，则f的值可适当减小。
[0070]
如图1所示，在本发明一个实施例中进行逻辑信道分配的过程可以包括：
[0071]
配置初始化数值，其中所述初始化数值包括配置接入率阈值η
阈值
、时隙利用率阈值λ
阈值
以及业务满足率阈值ρ
阈值
、船站数量默认值a0以及第一数据信道数值15k；
[0072]
根据所述初始化数值确定第一帧中逻辑信道的占用时隙并且广播第一时分多址帧结构；
[0073]
在第一时段后确定实际数值，其中所述实际数值包括平均每个时分多址帧中发送资源申请的船站数量a，以及平均每分钟系统的实际成功接入率η、实际时隙利用率λ以及实际业务满足率ρ；
[0074]
比较所述实际数值以及所述初始化数值，并且根据比较结果对所述第一数据信道数值15k进行更新以获得第二数据信道数值15k
′
；以及
[0075]
根据所述实际数值以及所述第二数据信道数值15k
′
确定第二帧中逻辑信道的占用时隙并且广播第二时分多址帧结构。
[0076]
具体而言，可以包括下列步骤：
[0077]
步骤一：初始化
[0078]
输入阈值，其中包括成功接入率阈值η
阈值
、时隙利用率阈值λ
阈值
、业务满足率阈值ρ
阈信
；
[0079]
输入初始值，其中在每个tdma帧中在rac发送资源申请的船站数量默认值a0，每个数据信道的大小可以为15k，k默认值可以为3，k∈{1，2，3，4，5，6}。
[0080]
卫星可以根据a0、k、η
阈值
计算出tdma帧中rac、asc、dc、dsch信道的占用时隙数量，其中计算结果向下取整。在sbb报文中广播tdma帧结构。
[0081]
步骤二：在f分钟后，由卫星统计出平均每个tdma帧中发送资源申请的船站数量a，以及平均每分钟系统的实际成功接入率η、时隙利用率λ、业务满足率ρ，判断若实际的业务满足率是否小于阈值，若ρ＜ρ
阈值
，则执行步骤三，否则执行步骤四。
[0082]
步骤三：改变数据信道大小为15k
′
，其中
[0083][0084]
由卫星根据a、k
′
、η计算出tdma帧中rac、asc、dc、dsch信道的占用时隙数量，并且在下一次sbb报文中广播tdma帧结构。
[0085]
步骤四、判断实际的成功接入率η和时隙利用率λ是否小于阈值，若两个值中仅有一个值小于阈值，则改变数据信道大小为15k
′
，其中k
′
＝max(k-1，1)；若两个值中均小于阈值，则改变数据信道大小为15k
′
，其中k
′
＝max(k-2，1)。
[0086]
然后由卫星根据a、k
′
、η计算出tdma帧中rac、asc、dc、dsch信道的占用时隙数量。在下一次sbb报文中广播tdma帧结构。
[0087]
步骤五、循环步骤一至步骤四以完成对于vde逻辑信道的动态分配。
[0088]
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。