一种基于用户优先级的ATDM卫星资源分配方法

一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法，属于卫星通信技术领域。


背景技术：

2.随着信息化的发展，各行各业对卫星通信的需求也越来越大。提高用户的通信质量并降低卫星互联网数据传输的成本，对卫星通信的进一步发展具有十分重要的意义。
3.vsat直译为“甚小孔径终端”，意译为是“甚小天线地球站”，也称为卫星通信地球站、微型地球站或小型地球站，是20世纪80年代中期开发的一种卫星通信系统。vsat由于源于传统卫星通信系统，所以也称为卫星小数据站或个人地球站，这里的“小”指的是vsat系统中小站设备的天线口径小，通常为0.3m～1.4m。vsat设备结构紧凑、固体化、智能化、价格便宜、安装方便、对使用环境要求不高，且不受地面网络的限制，组网灵活。
4.vsat系统有两种类型，一种是双向vsat系统，它由中心站控制许多vsat终端来提供数据传输、语音和传真等业务；另一种是单向vsat系统，在这种系统中，图像和数据等信号从中心站传输到许多单收vsat终端。vsat广泛应用于新闻、气象、民航、人防、银行、石油、地震和军事等部门以及边远地区通信。
5.卫星通信多址连接技术包括常用的频分多址方式(fdma)、时分多址方式(tdma)、码分多址方式(cdma)、空分多址方式(sdma)和随机多址方式(aloha)。在卫星通信中，与多址连接技术密切相关的技术就是信道分配技术，信道分配方式分为预分配方式(pa)、按需分配方式(dama)和随机分配方式(ra)等。
6.异步时分复用(atdm)又称统计时分复用或智能时分复用，它对用户采用动态“按需分配”时隙，即只要用户有传输数据的需要时就应为其分配时隙，用户需要传输的数据量较大时，可以分配给它较多的时隙，需要传送的数据量较小时，就分配给它较少的时隙；用户如果没有数据需要传送，则可以不分配时隙给它。因此每个用户分配的时隙宽度及顺序均不固定，而是随用户要求传输的数据量变化而变化。这种方法动态地分配信道，提高信道效率，适用于可变速率的业务，主要应用于高速远程通信过程。
7.atdm是对同步时分复用的改进，提高了链路的利用率。在同步时分复用中，每个站点都要分配时间片，如果有n个站点，至少需要n个时间片。而在异步时分复用中，时间片的数目要小于站点的数目，因为并不是每个站点在时间片到来时都有数据发送，所以在时间片数目相同的情况下，异步时分复用能支持更多的站点。
8.在atdm中时隙与用户之间没有固定的对应关系，在传输不同调制编码模式的数据时导致了系统的吞吐率的不足，因此，现有的atdm信道分配并不能满足不同用户优先级对于卫星资源分配的需求，这是本领域技术人员急需要解决的技术问题。


技术实现要素：

9.目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于用户优先级的atdm
卫星资源分配方法，在每个时隙加上用户的标识，以标记该时隙传输的是哪个用户的数据，同时当多个用户申请数据传输时，需要采取一定的调度规则，合理分配信道资源。
10.技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
11.一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法，包括如下步骤：
12.s1、根据用户的用户优先级、调制编码模式和待传输数据量大小进行排序，得到用户数据初始传输先后顺序。
13.s2、将用户数据初始传输先后顺序作为初始解代入到模拟退火优化算法中，目标函数作为模拟退火优化算法中的适应度函数，其中，du表示一个复帧内传输的用户u的数据量，au表示用户u的用户优先级，u表示用户的数量，f(du)表示当前用户传输顺序下，在一个复帧内得到的目标函数值。
14.s3、对模拟退火优化算法中的适应度函数进行迭代求解，在迭代求解前期不接受劣质解，迭代求解后期依概率接受劣质解，当算法满足终止条件时，得到用户数据最终传输先后顺序。
15.作为优选方案，步骤s1，包括：
16.s11：根据待调度u位用户的数据调制编码模式按照从高到低方式进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户第一排序方式。
17.s12：将u位用户按照上述用户第一排序方式放入s个子帧内进行传输，判断数据量是否占满s个子帧，若占满跳至s13。
18.s13：对用户第一排序方式根据待调度的u位用户的用户优先级按照从高到低方式进行排序，用户优先级相同时按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码方式相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式mode1。
19.s14：将u位用户按照用户排序方式mode1的顺序放入一个复帧的s个子帧内，得到可传输的用户个数k1，选取用户排序方式mode1中前k1位用户，得到被选取用户集合。
20.s15：将被选取用户集合中的用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式mode2。
21.s16：判断被选取的用户集合的按照用户排序方式mode2放入s个子帧内传输，用户待传输数据量是否占满s个子帧，若未占满子帧，则在用户排序方式mode1中，从被选取的用户集合之后，按顺序选取一位用户放入到被选取用户集合中并返回s15，若占满子帧，则进入s17。
22.s17：判断被选取用户集合中的k2位用户的数据在s个子帧内是否全部传输，若全部传输，跳至s18,若未全部传输，则在用户排序方式mode1中，选取前k
2-1位用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序，再将用户排序方式mode1中第k2位用户排在上述排序好的k
2-1位用户之后，进入步骤s18。
23.s18：将第k2位之后未被选取的用户按照mode1中原顺序排在上述排序好的用户之后，将此顺序作为排序法确定的用户数据初始传输先后顺序。
24.作为优选方案，所述s12还包括：
25.若未占满s个子帧，则将用户第一排序方式作为用户数据最终传输顺序。
26.作为优选方案，目标函数作为模拟退火优化算法的适应度函数，在约束条件下计算每次迭代的适应度函数值。
27.所述约束条件包括：
28.0≤du≤du,u∈[1,2,
···
,u]
[0029]
min{(sgndu)
·au
}≥max{sgn(d
u-du)
·au
},u∈[1,2,
···
,u]
[0030]
βs＝min{{m
s,1
,m
s,2
,
···
,m
s,u
}-{m
s,u
|m
s,u
＝0}},s∈[1,2,
···
,s]
[0031]ms,u
≤mu,s∈[1,2,
···
,s],u∈[1,2,
···
,u]
[0032]
βs≤β
s 1
,s∈[1,2,
···
,s-1]
[0033][0034]
其中，du表示用户u待传输的数据量，sgn(*)表示符号函数，βs表示第s个子帧选取的调制编码模式，m
s,u
表示用户u在第s个子帧中传输的数据原本支持的最高调制编码模式，m
s,u
＝0表示若第s个子帧中未传输用户u数据则为0，mu表示用户u支持的最高调制编码模式，s表示子帧的数量，β
s 1
表示第s 1个子帧选取的调制编码模式，表示第q种调制编码模式对应的用户数据传输速率，v
limit
表示前向信道支持的数据传输速率上限。
[0035]
作为优选方案，所述模拟退火优化算法，具体步骤为：
[0036]
迭代前期，不接受劣质解，判断排序法得到初始解在s个子帧内传输最后一位用户u
end
的用户优先级priority1，若在排序法顺序下剩余未被传输的用户中存在同样用户优先级为priority1的用户，则每次迭代随机选取一位未被传输的用户优先级为priority1的用户，随机调整未被传输的用户优先级为priority1的用户传输位置到用户u
end
位置之前；若在未被传输的用户中不存在同样的用户优先级为priority1的用户，则每次迭代在用户优先级大于等于priority1的用户中随机交换两个用户的位置。
[0037]
在剩余迭代次数内，依概率接受劣质解，每次迭代在用户优先级大于等于priority1的用户中随机交换两个用户的位置，满足优化算法终止条件后，选取最优适应度函数值对应的用户传输顺序，作为该复帧内用户数据最终传输先后顺序。
[0038]
作为优选方案，所述迭代前期表示总迭代次数的前30％～40％迭代次数。
[0039]
作为优选方案，依概率接受劣质解，包括：
[0040]
当delta_e≤0且exp(delta_e/t)＞rand时接受劣质解，否则不接受劣质解。
[0041]
其中，delta_e表示本次迭代的适应度函数值与上一次迭代的适应度函数值的差值。
[0042]
作为优选方案，还包括：
[0043]
经过步骤s1、s2、s3后，若存在剩余未传输数据，由下一个复帧进行传输，并重复步骤s1、s2、s3。
[0044]
有益效果：本发明提供的一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法，地面中心站到卫星数据传输的前向信道采用atdm体制，整个前向信道为atdm广播方式，复接了多用户、多调制编码模式的数据，不同调制编码模式的数据对应不同的数据传输速率。当多个具有不同用户优先级的用户要求数据传输时，需要确保优先传输用户优先级高的用户数
据。同时一个时隙内用户数据之间的调制编码模式需保持一致，这就需要更改用户原有的调制编码模式及对应的传输速率。为提高系统吞吐率，本发明提供一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法，采用合理的用户调度顺序，保证优先调度用户优先级高的用户数据，同时提高系统的吞吐率。
附图说明
[0045]
图1为前向信道采用atdm体制的卫星通信场景图。
[0046]
图2为前向信道帧结构示意图。
[0047]
图3为子帧与用户调制编码模式关系示意图。
[0048]
图4为基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法流程图。
[0049]
图5为各子帧数量时排序法、优化算法和穷举法目标函数值对比图。
[0050]
图6为各用户数量时初始随机、排序法和优化算法目标函数值对比图。
[0051]
图7为各用户数量时初始随机、排序法和优化算法一个复帧内传输的用户优先级和对比图。
[0052]
图8为实施例1的用户数据传输复帧示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
[0054]
一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法，前向信道为atdm广播方式，复接了多用户、多调制编码模式的数据，前向帧由连续的复帧组成，每个复帧由帧头、网管和s个连续子帧组成，每个子帧时长固定，用于传输用户数据，设用户u的用户优先级为au,au∈[1,2,
···
,p]，p为用户优先级种类的数量，用户优先级数越大，对应的优先级越高。用户u的数据调制编码模式为mu,mu∈[1,2,
···
,q],q为调制编码模式种类的数量，不同的调制编码模式对应不同的数据传输速率v,v∈[v1,v2,
···
,vq]，调制编码模式越高，对应的数据传输速率也越高。同种用户优先级的用户数据存在不同的调制编码模式。
[0055]
每一个子帧仅支持一种调制编码模式的数据进行传输，如果第s个子帧中要传输含有多个用户不同的调制编码模式的数据，则该子帧s支持的调制编码模式需要和子帧中多个调制编码模式中最低的调制编码模式保持一致，设第s个子帧支持的调制编码模式为βs,则该子帧中其他调制编码模式的数据也要改变调制编码模式为βs,同时对应的用户数据传输速率也作相应改变。
[0056]
物理层对链路层的要求是按照调制编码模式由低到高的顺序复接到子帧中，这要求一个复帧中的s个子帧，各子帧支持的调制编码模式需要保证：βs≤β
s 1
，s∈[1,2,
···
,s-1]，βs∈[1,2,
···
,q]。
[0057]
当有u位用户申请数据时，为保证一个复帧内能优先传输用户优先级高的用户数据，同时各子帧有较高的传输速率，保证系统吞吐率，需要确定u位用户的数据传输顺序。
[0058]
本发明提供了一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法，包括以下步骤：
[0059]
s1、根据用户的用户优先级、调制编码模式和待传输数据量大小进行排序，得到用户数据最终传输先后顺序或用户数据初始传输先后顺序。
[0060]
s2、当得到用户数据初始传输先后顺序时，将上述用户传输顺序作为初始解代入
到模拟退火优化算法中，目标函数作为模拟退火优化算法中的适应度函数。
[0061]
s3、给模拟退火优化算法增加记忆功能，并对模拟退火优化算法中的适应度函数进行迭代求解，在迭代求解前期不接受劣质解，迭代求解后期依概率接受劣质解，当算法满足终止条件时，得到用户数据最终传输先后顺序。
[0062]
步骤s1的具体步骤为：
[0063]
s11：根据待调度u位用户的数据调制编码模式按照从高到低方式进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户第一排序方式。
[0064]
s12：将u位用户按照上述用户第一排序方式放入s个子帧内进行传输，判断数据量是否占满s个子帧，若未占满则将上述用户第一排序方式作为用户数据最终传输顺序，若占满跳至s13。
[0065]
s13：对用户第一排序方式根据待调度的u位用户的用户优先级按照从高到低方式进行排序，用户优先级相同时按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码方式相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式mode1。
[0066]
s14：将u位用户按照用户排序方式mode1的顺序放入一个复帧的s个子帧内，得到可传输的用户个数k1(复帧内最后若存在只传输了待传输数据一部分数据的用户，仍将其纳入为可传输用户)，选取用户排序方式mode1中前k1位用户，得到被选取用户集合。
[0067]
s15：将被选取用户集合中的用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式mode2。
[0068]
s16：判断被选取的用户集合的按照用户排序方式mode2放入s个子帧内传输，用户待传输数据量是否占满s个子帧，若未占满子帧，则在用户排序方式mode1中，从被选取的用户集合之后，按顺序选取一位用户放入到被选取用户集合中并返回s15，若占满子帧，则进入s17。
[0069]
s17：判断被选取用户集合中的k2位用户的数据在s个子帧内是否全部传输，若全部传输，跳至s18,若未全部传输，则在用户排序方式mode1中，选取前k
2-1位用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序，再将用户排序方式mode1中第k2位用户排在上述排序好的k
2-1位用户之后，进入步骤s18。k2≥k1。
[0070]
s18：将第k2位之后未被选取的用户按照mode1中原顺序排在上述排序好的用户之后，将此顺序作为排序法确定的用户数据初始传输先后顺序。
[0071]
步骤s2的具体步骤为：
[0072]
设u位用户各用户的用户优先级为：a1,a2,
···
,au,
···
,au，各用户支持的最高调制编码模式为：m1,m2,
···
,mu,
···
,mu，各用户待传输的数据量(包含用户标识信息)为：d1,d2,
···
,du,
···
,du，现有s个子帧可进行数据传输，共有q种调制编码模式则
[0073]
目标函数为:
[0074]du
：一个复帧内传输的用户u的数据量。
[0075]
约束条件：
[0076]
(1)0≤du≤du,u∈[1,2,
···
,u]
[0077]
(2)min{(sgndu)
·au
}≥max{sgn(d
u-du)
·au
},u∈[1,2,
···
,u]
[0078]
sgn(*)：符号函数。
[0079]
(3)βs＝min{{m
s,1
,m
s,2
,
···
,m
s,u
}-{m
s,u
|m
s,u
＝0}},s∈[1,2,
···
,s]
[0080]
βs：第s个子帧选取的调制编码模式。
[0081]ms,u
：用户u在第s个子帧中传输的数据原本支持的最高调制编码模式。
[0082]
若第s个子帧中未传输用户u数据，令m
s,u
＝0。
[0083]
(4)m
s,u
≤mu,s∈[1,2,
···
,s],u∈[1,2,
···
,u]
[0084]
(5)βs≤β
s 1
,s∈[1,2,
···
,s-1]
[0085]
(6)
[0086]
第q种调制编码模式对应的用户数据传输速率。
[0087]vlimit
：前向信道支持的数据传输速率上限。
[0088]
将上述目标函数作为模拟退火优化算法的适应度函数，在约束条件下计算每次迭代的适应度函数值。
[0089]
步骤s3所述的模拟退火优化算法具体步骤为：
[0090]
增加模拟退火算法记忆功能，保留迭代过程中出现的最优适应度函数值，并记录对应的用户传输顺序。
[0091]
迭代前期(总迭代次数的前30％～40％迭代次数内)，不接受劣质解，判断排序法得到初始解在s个子帧内传输最后一位用户u
end
的用户优先级priority1，若在排序法顺序下剩余未被传输的用户中存在同样用户优先级为priority1的用户，则每次迭代随机选取一位未被传输的用户优先级为priority1的用户，随机调整未被传输的用户优先级为priority1的用户传输位置到用户u
end
位置之前；若在未被传输的用户中不存在同样的用户优先级为priority1的用户，则每次迭代在用户优先级大于等于priority1的用户中随机交换两个用户的位置。
[0092]
在剩余迭代次数内，依概率接受劣质解，每次迭代在用户优先级大于等于priority1的用户中随机交换两个用户的位置，满足优化算法终止条件后，比较最后一次迭代到的适应度函数值与增加记忆功能后保留得到的最优适应度函数值的大小，取较大适应度函数值及对应的用户传输顺序作为迭代结果,得到该复帧内用户数据最终传输先后顺序。
[0093]
经过步骤s1、s2、s3后，若存在剩余未传输数据，由下一个复帧进行传输，用户传输顺序的确定方法与上述方法相同。
[0094]
本发明提供一种基于用户优先级的atdm资源分配方法，卫星传输信道采用atdm体制，相比与传统fdma、tdma体制能够有效地减少空余时隙的存在，提高信道资源利用率。在多位用户数据待传输时，能够保证优先传输用户优先级高的用户数据，降低重要数据信息
的传输时延，同时考虑各用户的调制编码模式以及对应的数据传输速率，优化用户传输顺序，提高系统吞吐率。
[0095]
本发明采用排序法与模拟退火优化算法相结合的形式，时间复杂度为o(-h2·
log
0.99
(103·
h1·
n))，其中模拟退火优化算法终止条件为迭代后温度小于0.001，退温函数中的衰减参数为0.99，初始温度为h1·
n，h1为常数，一般取1～100，h2为markov链长度，一般取100～500。穷举法虽然能够得到最优解，但时间复杂度为o(n！)，本发明提供的分配方法时间复杂度远小于穷举法。排序法结果作为初始解能够有效降低优化算法出现“早熟”的概率，并且加快算法收敛速度。模拟退火优化算法中合理的对劣质解的进行接受，能够保证优化算法结果大概率为最优解。在用户数量为10，一个复帧内子帧数量为60的情况下，实验验证1000次，本发明提供的方法得到最优解的概率为99.7％。
[0096]
图1为卫星通信场景图，系统由中心站和若干小站组成，所有业务都在中心站落地，由中心站进行转接。系统前向信道采用atdm体制，由于前向atdm载波信息速率受限为一定速率，系统能力受限于前向信道，故中心站需采用合适的资源调度算法来保证系统性能。
[0097]
前向信道采用了atdm广播方式，复接多用户，多调制编码模式的数据，用户具有多种用户优先级，用户数据具有多种调制编码模式,不同用户的用户优先级不尽相同，相同用户优先级的用户的数据采用的调制编码模式也不一定相同。调制编码模式越高的用户数据对应的传输速率也越高。
[0098]
图2为前向帧结构示意图，前向帧由连续的复帧组成，每个复帧由帧头、网管和s个连续子帧组成。用户数据通过复帧内的子帧进行传输，当一个复帧内的时隙占满时，数据量放入下一个复帧进行传输，为保证优先传输用户优先级高的用户数据，需要保证前一个复帧内的用户的用户优先级都要大于等于下一个复帧内的用户优先级。
[0099]
每个子帧时长一定，仅支持一种调制编码模式的数据进行传输，若一个子帧需要传输不同调制编码模式的数据，则该子帧支持的编码模式需要和该子帧中数据采用的最低编码模式保持一致。该子帧中其他调制编码模式的数据也要改变调制编码与子帧支持编码模式一致，同时相对应传输速率也作改变。
[0100]
物理层对链路层的要求是按照调制编码模式是由低到高的顺序复接到子帧中，那么s个子帧中，各子帧支持的调制编码模式需要保证：βs≤β
s 1
,s∈[1,2,
···
,s-1]。
[0101]
当一个子帧未被用户数据占满时，有新的用户数据放入该子帧进行传输，若新的用户数据调制编码模式低于该子帧现有数据的调制编码模式，则该子帧中现有数据编码模式要与新用户的编码模式保持一致，对应的数据传输速率作相应改变，则子帧中原有数据占用的时长也会改变。当发生因传输速率改变导致固定时长的子帧无法全部传输现有数据量时，多出的用户数据量放入后面子帧进行传输且保持改变后的调制编码模式。如图3所示，有a、b、c三位用户申请数据传输，各自支持最高调制编码模式为8、8、7，矩形长度代表所需时长，现按照a、b、c顺序进行传输，用户a数据量未占满一个子帧。当放入用户b，a与b的调制编码模式一致，子帧1支持的调制编码模式为8，子帧2中存在用户b的数据量，但未占满子帧2。当放入用户c,用户c的调制编码模式小于b，则子帧2中原本调制编码模式为8的数据改变调制编码模式与用户c保持一致，同时对应数据传输速率降低，数据占用的时长增加，子帧2支持的调制编码模式为7。相邻传输的用户会因调制编码模式不一致而发生传输速率改变，导致影响系统的吞吐率。
[0102]
当若干用户的用户数据需要传输时，因为用户优先级，数据调制编码模式和待传输数据量大小的不同，中心站需要采取合理的用户调度顺序，保证优先传输用户优先级高的用户同时，提高系统的吞吐率。
[0103]
图4是基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法流程图，具体步骤如下：
[0104]
s1：根据用户的用户优先级、调制编码方式和待传输数据量大小进行排序，得到用户数据最终传输先后顺序或用户数据初始传输先后顺序,具体步骤如下：
[0105]
s11：根据待调度u位用户的数据调制编码模式按照从高到低方式进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式。
[0106]
s12：将用户按照上述顺序方式放入s个子帧内传输，判断数据量是否占满s个子帧，若未占满则将上述排序方式作为用户数据最终传输先后顺序，若占满跳至s13。
[0107]
s13：根据待调度u个用户的用户优先级按照从高到低方式进行排序，用户优先级相同时按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式mode1；
[0108]
s14：确定用户按照排序方式mode1的顺序放入复帧的s个子帧内可传输用户个数k1(复帧内最后存在只传输了待传输数据一部分数据的用户，仍将其纳入为可传输用户)，选取mode1排序中的前k1位用户，得到被选取用户集合；
[0109]
s15：将被选取用户集合中的用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序；
[0110]
s16：判断选取的用户的按照上述顺序放入s个子帧内传输，数据量是否占满子帧，若未占满子帧，则在用户排序mode1中，从被选取的用户集合之后，按顺序选取一位用户放入到被选取用户集合中并返回s15；
[0111]
s17：若占满子帧，则判断被选取的k2位用户的数据在子帧内是否全部传输，若全部传输，跳至s18,若未全部传输，则在用户排序mode1中，选取前k
2-1位用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序，再将用户排序mode1中第k2位用户排在上述选取的排序好的k
2-1位用户之后；
[0112]
s18：将第k2位之后未被选取的用户按照mode1中原顺序排在上述排序好的用户之后，将此顺序作为排序法确定的用户数据初始传输先后顺序。
[0113]
s2：当得到用户初始传输顺序时，将上述用户传输顺序作为初始解代入到模拟退火优化算法中，目标函数作为模拟退火优化算法中的适应度函数；
[0114]
约束条件1：0≤du≤du,u∈[1,2,
···
,u]，要求一个复帧内传输的用户数据量不大于该用户待传输的数据量。
[0115]
约束条件2：min{(sgndu)
·au
}≥max{sgn(d
u-du)
·au
},u∈[1,2,
···
,u]，要求该复帧内传输的用户的用户优先级中的最低用户优先级要大于等于剩余未传输用户中优先级最高的优先级，保证优先传输优先级高的用户。
[0116]
约束条件3：βs＝min{{m
s,1
,m
s,2
,
···
,m
s,u
}-{m
s,u
|m
s,u
＝0}},s∈[1,2,
···
,s]，βs：第s个子帧选取的调制编码方式，m
s,u
：用户u在第s个子帧中传输的数据支持的调制方式，若第s个子帧中未传输用户u数据，则m
s,u
＝0，该约束要求每个子帧支持的调制编码方式需要和该子帧中用户数据中调制编码模式最低的模式保持一致。
[0117]
约束条件4：m
s,u
≤mu,s∈[1,2,
···
,s],u∈[1,2,
···
,u]，要求用户数据的调制编码模式若发生改变，只能由高到低。
[0118]
约束条件5：βs≤β
s 1
,s∈[1,2,
···
,s-1]，要求连续s个子帧的调制编码模式的变化为由低到高，下一子帧支持的调制编码模式不能高于上一子帧的调制编码模式。本发明给出的分配方法，依照β
s 1
≥βs条件，得到一个复帧内用户数据传输顺序，为满足约束条件5，故将要在该复帧内传输的用户数据以相反的用户顺序放入复帧内。
[0119]
约束条件6：第q种调制编码模式对应的数据传输速度，v
limit
：前向信道传输速率上限，要求最高调制编码模式对应的数据传输速率要小于等于前向信道的数据传输速率上限。
[0120]
在满足约束条件1、3、4、5、6的情况下计算采用某种用户传输顺序得到的目标函数值作为适应度函数值，当用户传输顺序在一个复帧内传输时不满足约束条件2时，适应度函数值取0。
[0121]
s3：给模拟退火优化算法增加记忆功能，在迭代前期不接受劣质解，迭代后期依概率接受劣质解，当算法满足终止条件时，得到用户最终传输顺序，具体步骤如下：
[0122]
增加模拟退火记忆功能，迭代过程中保留出现过的最优适应度函数值，并记录对应的用户传输顺序；
[0123]
模拟退火初始温度t＝5u,在总迭代次数的前40％迭代次数内，不接受劣质解，判断排序法得到初始解在s个子帧内传输，最后一位被传输的用户u
end
的用户优先级priority1，若在排序法顺序下剩余未被传输的用户中存在同样用户优先级为priority1的用户，则每次迭代随机选取一位未被传输的用户优先级为priority1的用户，随机调整其传输位置到用户u
end
位置之前，若在未被传输的用户中不存在同样的用户优先级为priority1的用户，则每次迭代在用户优先级大于等于priority1的用户中随机交换两个用户的位置；
[0124]
在剩余迭代次数内，每次迭代在用户优先级大于等于priority1的用户中随机交换两个用户的位置，当delta_e≤0且exp(delta_e/t)＞rand时接受劣质解，delta_e：本次迭代的适应度函数值与上一次迭代的适应度函数值的差值,否则不接受劣质解。
[0125]
满足优化算法终止条件后，比较最后一次迭代到的适应度函数值与增加记忆功能后保留得到的最优适应度函数值的大小，取较大适应度函数值及对应的用户传输顺序作为迭代结果，得到用户数据最终传输顺序。
[0126]
经过步骤s1、s2、s3后，若存在剩余未传输数据，由下一个复帧进行传输，用户传输顺序的确定方法与上述方法相同。
[0127]
现取用户优先级种类数量为5，调制编码模式种类数量为8，对应的数据传输速率由低到高取：80、90、100、110、120、130、140、150，单位：mbit/s,子帧时长为0.01s。前向信道支持的数据传输速率上限为160mbit/s。用户的用户优先级，调制编码模式和待传输数据量大小随机生成(保证待传输数据总量大于一个复帧可传输的数据总量)。
[0128]
图5是申请数据传输用户数量为10时，排序法，以排序法结果作为初始解的模拟退火优化算法和穷举出所有用户顺序的穷举法各自得到的最优目标函数值对比(目标函数值取100次实验结果的均值)，并给出了一个复帧中子帧数量为30、40、50、60时各自的对比情况。其中穷举法得到的用户传输顺序为最优解，但穷举法的时间复杂度过高。可以看出本发明给出的分配方法得到结果大概率为最优解，即便得到次优解也与最优解相差很小。
[0129]
图6是在一个复帧内子帧数量为60时，未经过任何处理的用户顺序,排序法和以排序法结果作为初始解的模拟退火优化算法得到的目标函数值的对比(目标函数值取100次实验结果的均值)，并给出用户数量为10、30、50、70时各自的对比情况。从中可以看出模拟退火优化算法的结果优于随机结果和排序结果，可以保证一个复帧优先传输高用户优先级用户情况下，传输更多用户数据，提高系统吞吐率。
[0130]
图7是在一个复帧内子帧数量为60时，未经过任何处理的用户顺序,排序法和以排序法结果作为初始解的模拟退火优化算法得到的一个复帧内传输的用户优先级和的对比(用户优先级和取100次实验结果的均值)，并给出用户数量为10、30、50、70时各自的对比情况。从中可以看出本发明给出分配方法可以保证一个复帧内优先传输更多的高优先级的用户。
[0131]
实施例1：
[0132]
所有小站都可以向中心站申请数据传输。在一定的申请时间周期内，中心站接收小站用户的业务申请，申请的传输的小站用户数量多，申请传输的数据量大时业务繁忙，申请传输的小站用户数量少，申请传输数据量小时业务空闲。
[0133]
用户待传输数据放入复帧中的子帧进行传输，用户待传输的数据量包含自身数据和标识信息，包头和包尾信息以此来识别数据所属的用户。
[0134]
待传输用户数据总量少时，一个复帧就可传完，数据量多时，则需要多个复帧进行传输。
[0135]
如图8所示，有a、b、c、d四位用户，各自的调制编码模式分别为8、7、6、6，调制编码模式越高，对应的传输速率越高，矩形框长度代表用户在相应调制编码模式下需要传输的时间。
[0136]
为方便说明，假设一个复帧内有7个子帧(实际情况下一个复帧内子帧数量远大于7)，当按照用户传输顺序方式1进行传输，子帧1内可传输用户a全部数据及用户b部分数据。因为一个子帧仅支持传输一种调制编码模式的数据，故当用户a与用户调制编码模式不一致时，子帧支持的调制编码模式与该子帧内最低者保持一致，所以，子帧1中用户a数据的调制编码模式由8降为7，同时传输速率也降为调制编码模式为7时对应的速率，这导致用户a数据需要传输的时间增加。
[0137]
注意子帧中用户的调制编码模式改变时，其改变后的调制模式会延续到其所在的之后子帧中，但不会影响其所在之前的子帧中的调制编码模式，如用户b的调制编码模式为7，在子帧3中受到调制编码模式为6的用户c影响，子帧3中的用户b的数据调制编码模式降为6，但在子帧2中的数据调制编码模式仍为7。
[0138]
当一个复帧可以传输该申请周期内全部用户的数据时，该用户传输顺序就可以作为用户数据最终传输先后顺序。
[0139]
当用户数据总量大，无法在一个复帧内全部传输时，剩余数据量将由下一复帧进
行传输，由用户传输顺序方式2可以看出按这种顺序无法传输全部用户数据，用户a的数据仍有一部分未进行传输，则剩余数据量由下一个复帧进行传输。注意在最后一个子帧7中用户a的数据调制编码模式被降为6，但剩余数据放入下一复帧传输时，调制编码模式仍按照用户a原先调制编码模式8进行传输。
[0140]
从用户传输顺序方式1与方式2可以看出，采用不同的传输顺序，同样的时隙资源可以传输的数据量是不同的，同时考虑到用户小站具有不同的用户优先级，为保证优先传输高优先级用户数据，需要保证在一个申请周期内对于所有申请传输的用户，保证前一个复帧内传输的用户的优先级都要大于等于后一个复帧内传输的用户优先级。同一复帧内传输数据时延看作一致，后一复帧传输时延是高于前一复帧的。
[0141]
vsat前向信道通常采用tdma多址方式，为每个用户小站分配固定位置的时隙进行数据传输，当用户没有通信需求时，对应时隙不会被使用，导致时隙资源的浪费，本发明采用atdm的方式，用户有业务需求时，则就为其分配时隙，减少时隙资源的浪费，同时考虑到不同用户小站具有不同的用户优先级和调制编码模式，为保证优先传输高优先级用户数据。
[0142]
为尽可能在相同时隙资源内传输更多的用户数据，需要提供合理的用户传输顺序。该组合优化问题求解属于非多项式(np，non-deterministic polynomial)问题，数学上通常采用遍历搜索方式进行求解，但该方法因为采用穷举而使得复杂度过高，本发明提供的方法能够有效减小算法复杂度。
[0143]
由于所有小站用户数据都要经过中心站处理，中心站到卫星的前向信道时隙资源紧张，故本发明提供一种基于用户优先级的atdm卫星资源分配方法。
[0144]
现随机生成一组数据代表本轮申请周期内申请传输的小站用户信息，第一列表示用户，有20个用户申请数据传输，第二列表示用户的优先级列序号为1，第三列表示用户的调制编码模式列序号为2，第四列表示用户数据需要传输的时间(单位：s)列序号为3,第五列表示用户待传输的数据量(单位：mbit)列序号为4。一个复帧内的子帧数量设为60，单个子帧时长为0.01s，存在5种用户优先级，8种调制编码模式。p＝5,m＝8。如表1所示。
[0145][0146]
表1
[0147]
s11:根据待调度u位用户的数据调制编码模式按照从高到低方式进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式，如表2所示。
[0148][0149]
表2
[0150]
s12：将u位用户按照上述顺序方式放入s个子帧内进行传输，判断数据量是否占满s个子帧，若未占满则将上述排序方式作为用户数据最终传输顺序，若一个复帧能够传输完毕，则将此顺序作为用户最终传输顺序，若占满跳至s13，需要重新排序。
[0151]
s13：根据待调度的u位用户的用户优先级按照从高到低方式进行排序，用户优先级相同时按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码方式相同时，按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式mode1，如表3所示。
[0152][0153]
表3
[0154]
s14：确定u位用户按照排序方式mode1的顺序放入一个复帧的s个子帧内可传输的用户个数k1(复帧内最后若存在只传输了待传输数据一部分数据的用户，仍将其纳入为可传输用户)，选取mode1顺序中前k1位用户，得到被选取用户集合，如表4所示。
[0155][0156]
表4
[0157]
表4中此时一个复帧内可以传输前8位用户的数据(第8位用户的数据通常只能传输一部分)，k1＝8。此排法为保证优先传输用户优先级高的用户数据。
[0158]
s15：将被选取用户集合中的用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序，得到用户排序方式mode2，如表5所示。
[0159][0160]
表5
[0161]
表5中在此复帧内先传输调制编码高的用户数据，导致这8个用户数据无法占满60个子帧，因此可以继续放入后面用户的数据。
[0162]
s16：判断被选取的用户的按照排序方式mode2放入s个子帧内传输，用户待传输数据量是否占满s个子帧，若未占满子帧，则在用户排序方式mode1中，从被选取的用户集合之后，按顺序选取一位用户放入到被选取用户集合中并返回s15，若占满子帧，则进入s17；
[0163]
由于前8个用户数据未占60个子帧，故将mode1表3顺序中的选取第9位用户，将前9位用户进行步骤s15,若前9位用户数据还未占满60个子帧，则就在mode1表3中选取第10位用户进行步骤s15，以此类推，直到选取的用户能够占满60个子帧。
[0164]
在此示例中前9位用户数据占满了60个子帧，则k2＝9。但要考虑第这9位用户的数据是否被全部传输，通常来说这60个子帧很难刚刚好全部传输这9位用户的数据，故最后一个传输的用户的数据通常来说只能传输了一部分。这就是说这位用户的剩余数据要放入下一个复帧内进行传输，从mode2表5顺序来看，复帧内最后一个传输的用户的优先级可能比前面用户的优先级高，这导致若最后一位用户剩余未传输的数据放入下一复帧传输的话，那么下一复帧存在的最高用户优先级是大于本复帧内最低用户优先级，这不能够保证优先传输高优先级用户数据的要求。为解决这一问题，故将mode1表3方式第9位用户的作为这个复帧内最后一位传输的用户，因为第9位的用户优先级不会大于前面8位用户优先级，即便第9位用户剩余未传输数据放入下一复帧中，也不会影响优先传输高优先级用户数据的要求。为此只要对model表3方式中前面8位用户进行步骤s15，k2＝9,k
2-1＝8。
[0165]
s17：判断被选取用户集合中的k2位用户的数据在s个子帧内是否全部传输，若全部传输，跳至s18,若未全部传输，则在用户排序方式mode1中，选取前k
2-1位用户按照调制编码模式从高到低进行排序，调制编码模式相同时按照用户优先级从高到低进行排序，用户优先级相同时按照用户待传输数据量从大到小进行排序，再将用户排序方式mode1中第k2位用户排在上述排序好的k
2-1位用户之后，如表6所示，进入步骤s18；
[0166][0167]
表6
[0168]
s18：将第k2位之后未被选取的用户按照mode1中原顺序排在上述排序好的用户之后，将此顺序作为排序法确定的用户数据初始传输先后顺序。
[0169]
剩下11位未传输的用户按照mode1表3方式原顺序放在排好的9位用户之后，将顺序作为排序法确定的用户数据初始传输先后顺序，如表7所示。
[0170][0171]
表7
[0172]
上述给出的用户初始传输排序，虽然已经能够保证优先传输高优先级用户，并且在一个复帧内尽可能放入更多的数据，但这种方法并不一定是最优解，因为一个子帧中可能同时存在多个用户的数据，当调制编码模式不一致时，用户调制编码模式的改变，不仅影响自身的数据传输时长，而且可能影响之后的子帧支持调制编码模式，单纯的排序算法是
很难找出最优解的(但接近最优解)，故在排序的基础上增加模拟退火算法作进一步优化。
[0173]
模拟退火算法以优化问题求解过程与物理退火过程之间的相似性为基础，优化的目标函数相当于金属的内能，优化问题的自变量组合状态空间相当于金属的内能状态空间，问题的求解过程就是找一个组合状态，使目标函数值最小。利用metropolis算法并适当地控制温度的下降过程实现模拟退火，从而达到求解全局优化问题的目的。
[0174]
metropolis是一种有效的重点抽样法，其算法为：系统从一个能量状态变化到另一个状态时，相应的能量从e1变化到e2，t表示温度，如果e2＜e1，系统接受此状态；否则，以一个随机的概率接受或丢弃此状态。状态2被接受的概率为：
[0175][0176]
这样经过一定次数的迭代，系统会逐渐趋于一个稳定的分布状态。
[0177]
本方法将目标函数看作模拟退火算法适应度函数，相当于系统的能量e,由于求解目标函数最大值，故接受每次迭代结果的概率为：
[0178][0179]
f(du)2：本轮迭代得到用户传输顺序，在一个复帧内得到的目标函数值，f(du)1：上轮迭代后选取的目标函数值，如果本轮迭代得到的目标函数值大于上一轮目标函数值，则接受本轮的得到的用户顺序，并更新目标函数值。如果本轮迭代得到的目标函数值小于等于上一轮目标函数值，则以概率接受本轮的状态，接受本轮得到的用户顺序，并更新目标函数值，同样以概率1-p不接受本轮的状态，用户传输顺序及目标函数值仍沿用上一轮迭代后选取的结果。
[0180]
模拟退火算法每次迭代都会得到一组新的用户传输顺序和目标函数值，即便本次迭代得到的目标函数值小于上一次迭代结果，仍有一定的概率接受此结果，故迭代过程中可能丢失出现过的目标函数最大值，所以本方法增加模拟退火算法的记忆功能，保留出现过的目标函数最大值及相应的用户传输顺序。
[0181]
由于将排序算法的结果作为初始解带入模拟退火算法中，搜索范围接近最优解或次优解所在区域，故不希望在迭代过程中搜索区域过早的远离该范围，所以在迭代初期不接受劣质解，即不接受本次迭代的目标函数值小于上次迭代目标函数值的情况，在此范围内经过充分搜索后，在迭代后期依概率接受劣质解，目的是为了跳出局部最优进行全局搜索。
[0182]
目标函数值求和的一个复帧内传输的数据量与用户优先级的乘积，剩余未传输数据放入下一个子帧进行传输，用户顺序确定仍按照上述方法，当前申请周期内的用户数据都传输完毕时，立即接入下一轮申请的用户数据。
[0183]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。