一种卫星移动通信系统的信关站处理资源管理系统与方法与流程

1.本发明属于卫星移动通信系统或信关站处理资源管理技术领域，特别是一种卫星移动通信系统的信关站处理资源管理系统与方法。


背景技术：

2.卫星移动通信系统作为地面蜂窝移动通信的延伸和补充，多用于偏远地区的通信和应急通信，较好地解决了地面蜂窝移动通信系统在偏远地区以及海域中覆盖能力有限的问题。一般来说，典型卫星移动通信系统由多颗(不少于3颗)geo卫星、地球移动站mes、信关站gw和运控系统等元素组成，可以为用户提供网内电话、短消息、上网、传真等业务，通过与pstn、plmn、internet互联，实现全球范围内业务互联。图1所示给出了gmr-1系统的元素组成图。
3.在卫星移动通信系统中，信关站可为数百万用户提供通信、管理、业务等服务功能，由于大部分通信卫星采用了透明转发器载荷，卫星功能相对简单，复杂的协议处理、资源管理、网络运维、业务服务等由地面信关站实现。另外，移动通信卫星往往配置数百个点波束，而每个信关站可以并行处理多颗卫星所有点波束下用户接入，大规模用户在多颗卫星、不同点波束下动态流动。因此，卫星移动通信系统对信关站系统在处理复杂度、处理规模、处理灵活性上提出了更高的要求，一个信关站系统需要配置数百个不同类型的计算板卡，处理用户接入空口协议、多种业务处理逻辑、各种管理控制算法等复杂过程，处理面向百万级用户频繁并发访问，需要实现处理资源灵活调配来保障系统高效性和可靠性。
4.传统信关站的组网结构如图2所示，一个信关站往往由网络控制器、专用信道设备、天线射频系统等组成，网络控制器实现了无线资源和网络管理功能，每个信道设备可以完成一个波束内用户的中频信号处理、基带信号处理、高层协议处理等所有功能，与前端的天线射频系统通过固定的中频线缆连接，多站之间属于备份关系。也既是说，传统卫星系统的信关站处理资源与通信卫星、卫星波束是一一绑定的，无法进行跨卫星、跨波束的资源动态调度，系统资源利用率不高。
5.在传统信关站架构中，由于卫星波束数量少且用户容量小，为了简化系统设计难度，将信道处理设备与用户波束绑定处理，信道处理设备资源无需跨波束、跨卫星调度，系统功耗要求不高。而在卫星移动通信系统中，对信关站系统在处理复杂度、处理规模、处理灵活性上都提出了更高的要求，传统处理资源“硬链接”的方式资源利用率低，已无法适应数百万用户接入需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种卫星移动通信系统的信关站处理资源管理系统与方法，实现处理资源在跨站、跨星、跨波束间的高效共享，从而提高系统资源利用率，降低单个用户对信关站处理资源的预配置需求。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种卫星移动通信系统的信关站处理资源管
理系统，构建支持计算资源动态调度的信关站网络，一个信关站网络由全网资源管理系统和多个信关站组成，其中每个信关站处理一颗或多颗移动通信卫星用户；
8.每个信关站包括协议处理池、基带处理池、中频处理池、中频信号切换矩阵、天线射频，其中，协议处理池、基带处理池、中频处理池之间通过高速传输链路或网络相连，中频处理池与天线射频之间通过中频信号切换矩阵互联，信关站通过天线射频与卫星相连；每个信关站还配置多路时间频率同步系统，用于补偿信关站与卫星之间的星地时差及多普勒频移，多路时间频率同步系统为每颗卫星提供一套独立的时钟系统并实时跟踪卫星位置动态调整输出的收发定时及频差；
9.全网资源管理系统包括中频资源管理模块、基带资源管理模块、协议资源管理模块、处理资源调度模块；全网资源管理系统对资源池进行状态监控及控制，通过处理资源调度为用户业务实时分配协议、基带、中频的处理通道或线程，实现跨站、跨星、跨波束的处理资源动态按需调度，并实现信关站网络中多个信关站的负载分担、故障备份。
10.一种卫星移动通信系统的信关站处理资源管理方法，其特征在于，该方法基于所述的卫星移动通信系统的信关站处理资源管理系统，首先将处理资源抽象成可调度的资源块，对用户业务处理任务进行定义，建立处理资源组合模型，然后对用户业务数据处理资源动态分配进行定义，将信关站处理资源分配分解为中频、基带、高层协议三个独立的资源分配及资源回收过程；
11.资源分配步骤如下：
12.s1：全网资源管理系统从中频处理池、基带处理池、协议处理池的管理模块中获取全网可用处理资源信息，生成全网初始pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；其中，pif
cif
表示中频处理池、pif
cbp
表示基带处理池、pif
cpp
表示协议处理池，pif为由中频处理池pif
cif
、基带处理池pif
cbp
、协议处理池pif
cpp
构成的物理基础设施；
13.s2：根据用户接入波束从中频处理池pif
cif
中选择最佳的中频信号处理单元集合，采用如下分配过程计算中频处理分配矩阵c
cif
集合：
14.s21：判断中频处理池pif
cif
是否存在能够服务用户所在波束的中频信号处理单元：
15.如果存在用户所在波束的中频信号处理单元，从中选择业务通道处理资源占用少的中频信号处理单元作为候选单元，并计算相应的分配矩阵；
16.如果不存在或中频信号处理单元的通道无法支撑新业务接入，则从处于待机的机箱中获得中频信号处理单元作为候选单元，并计算相应的分配矩阵；
17.s22：根据分配矩阵集合计算对应中频处理分配矩阵c
cif
集合；
18.s3：从基带处理池pif
cbp
中选择最佳的基带信号处理单元，通过启发式算法获取最优的基带处理分配矩阵c
cbp
集合，具体过程如下：
19.s31：从当前接入站点s的基带处理池中选择一个基带信号处理单元j，并生成基带处理分配矩阵c
cbp
；
20.s32：计算用户业务处理任务u选用基带信号处理单元j所带来的功耗p
ju
；
21.s33：根据基带处理分配矩阵c
cbp
，计算用户业务处理任务u接入站点s的负载比例loads，信关站网络的负载均衡比例因子load；
22.s34：计算当前资源的分配因子a，a＝α*p
ju
β*load，α，β分别为功耗因子和负载均
衡因子；
23.s35：遍历s31～s34，为用户穷举所有的中频处理分配矩阵，并根据中频处理分配矩阵计算分配因子a，从分配因子a中选择最小的10个中频处理分配矩阵作为候选中频处理分配矩阵；
24.s4：从协议处理池pif
cpp
中选择最佳的协议处理单元，采用与基带处理池一样的算法获取最优的高层协议处理分配矩阵c
cpp
集合；
25.s5：从候选分配矩阵集合{c
cif
、c
cbp
、c
cpp
}中选择相应中频信号处理单元、基带信号处理单元、业务处理单元，并将候选的板卡按照中频信号处理单元-基带信号处理单元-业务处理单元的连接关系，形成不同站点的多种资源分配方案，每种资源分配方案的分配因子即为各板卡的分配因子之和，从所有资源分配方案中选择分配因子最小的即为最佳分配方案；
26.s6：按照最佳分配方案中的连接关系，通过中频资源管理模块、基带资源管理模块、协议资源管理模块设置各处理单元连接关系；
27.s61：如果中频信号处理单元尚未配置时钟信号和中频信号，则调整多路时间频率同步系统向中频信号处理单元提供用户所在波束的卫星时钟信号，调整中频信号切换矩阵将用户所在波束的中频信号分路给中频信号处理单元；
28.s62：设置中频信号处理单元和基带信号处理单元之间的高速数据交换接口，使得用户业务信道基带信号在两个单元之间传递；
29.s63：设置基带信号处理单元与业务处理单元之间的网络交换接口，使得用户业务数据在两个单元之间传递；
30.s7：全网资源管理系统更新pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；
31.资源回收步骤如下：
32.s8：当用户释放业务信道后，全网资源管理系统根据业务信道对应的分配方案回收相应的处理资源，并更新pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；
33.s9：当pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}中某块板卡上的用户业务全部释放完成后，将相应板卡下电。
34.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)信关站架构采用了资源池化共享式网络架构模型，并通过处理资源按需动态调度机制，实现处理资源在跨站、跨星、跨波束间的高效共享；(2)设计了一个最优化处理资源调度算法，通过遍历所有的分配矩阵为用户业务选择中频、基带、协议等处理资源作为候选集合，将候选处理资源按照连接关系构成不同站点的多种资源分配方案及分配因子，从所有资源分配方案中选择分配因子最小的即为最佳分配方案，提高了系统资源利用率，大幅度降低了单个用户对信关站处理资源的预配置需求。
附图说明
35.图1是典型卫星移动通信系统网络结构的示意图。
36.图2是传统卫星移动通信系统信关站架构的示意图。
37.图3是信关站网络架构示意图。
38.图4是信关站系统架构的示意图。
39.图5是业务处理单元处理资源架构图。
40.图6是基带信号处理单元处理资源架构图。
41.图7是中频交换矩阵映射关系的示意图。
42.图8是全网资源管理系统控制逻辑结构的示意图。
43.图9是用户业务到资源池的映射示意图。
44.图10是处理资源调度算法流程图。
45.图11是传统架构与新架构信关站功耗情况对比图。
具体实施方式
46.本发明一种卫星移动通信系统的信关站处理资源管理系统，构建支持计算资源动态调度的信关站网络，一个信关站网络由全网资源管理系统和多个信关站组成，其中每个信关站处理一颗或多颗移动通信卫星用户；
47.每个信关站包括协议处理池、基带处理池、中频处理池、中频信号切换矩阵、天线射频，其中，协议处理池、基带处理池、中频处理池之间通过高速传输链路或网络相连，中频处理池与天线射频之间通过中频信号切换矩阵互联，信关站通过天线射频与卫星相连；每个信关站还配置多路时间频率同步系统，用于补偿信关站与卫星之间的星地时差及多普勒频移，多路时间频率同步系统为每颗卫星提供一套独立的时钟系统并实时跟踪卫星位置动态调整输出的收发定时及频差；
48.全网资源管理系统包括中频资源管理模块、基带资源管理模块、协议资源管理模块、处理资源调度模块；全网资源管理系统对资源池进行状态监控及控制，通过处理资源调度为用户业务实时分配协议、基带、中频的处理通道或线程，实现跨站、跨星、跨波束的处理资源动态按需调度，并实现信关站网络中多个信关站的负载分担、故障备份。
49.作为一种具体示例，信关站中的协议处理池，具体如下：
50.协议处理池包括主控单元和业务处理资源池；
51.主控单元实现对卫星终端接入的高层协议处理、无线链路控制、资源池状态管控这些功能；
52.业务处理资源池由多个业务处理单元堆叠而成，完成业务数据的分段重组、压缩解压缩、加解密、实时调度这些功能；业务处理单元采用基于cpu的通用处理板卡，量化用户数据处理任务与业务处理资源之间的关系，计算资源按用户业务级动态分配，不同的业务类型的数据处理方式不同，所需要的处理资源不同，同一类型的业务数据处理资源需求一样。
53.作为一种具体示例，信关站中的基带处理池，具体如下：
54.基带处理池包括基带数据交换单元和信道处理资源池；
55.信道处理资源池由多个基带信号处理单元堆叠而成，完成调制解调、编译码、链路控制等物理层信号处理这些工作；基带信号处理单元采用基于fpga和cpu的定制处理板卡，量化用户信道处理任务与信道处理资源之间的关系，信道处理资源指的是通道，计算资源按用户业务级动态分配，用户信道处理任务映射到不同的通道上，每个通道上加载不同的通信模式；
56.基带数据交换单元根据各波束业务量的不同动态分配信道处理资源，从而实现多
波束处理资源的共享。
57.作为一种具体示例，信关站中的中频处理池，具体如下：
58.中频处理池由多个中频信号处理单元堆叠而成，实现多个波束的宽带射频信号收发、数字上下变频、数字信道滤波这些功能；中频信号处理单元采用基于adc/dac与fpga的计算板卡，一个板卡处理一个或多个卫星点波束中频信号，处理资源支持波束级调度；此外，中频信号处理单元外接全网多路时间频率同步系统，并通过与基带信号处理单元之间的高速数据传输通道为基带信号处理单元提供时钟参考，根据波束所在的卫星切换不同的时钟信号。
59.作为一种具体示例，信关站中的中频信号切换矩阵，具体如下：
60.中频信号切换矩阵用于实现中频处理池中的中频信号处理单元与卫星所对应的天线射频之间的中频信号映射，将中频信号处理单元动态调配到任何一个波束上进行处理，支持一个用户波束的信号映射到多个中频信号处理单元上，也支持一个中频信号处理单元到多个点波束的信号映射，映射关系根据全网资源管理系统的配置动态改变。
61.作为一种具体示例，所述全网资源管理系统包括中频资源管理模块、基带资源管理模块、协议资源管理模块、处理资源调度模块，各模块功能具体如下：
62.中频资源管理模块对下实现中频处理池中中频信号处理单元的启动/关闭、通道控制的参数配置，获取板卡的工作状态、可用通道数量、系统当前功耗这些系统信息；向上将中频处理池的系统信息汇报给全网资源管理系统，全网资源管理系统生成不同信关站中频处理池的资源上下文信息，解析全网资源管理系统下发的配置参数，生成中频信号处理单元的内部配置指令；
63.基带资源管理模块对下实现基带处理池中基带信号处理单元的启动/关闭、通道控制的参数配置，获取板卡的工作状态、可用通道数量、系统当前功耗这些系统信息；向上将基带处理池的系统信息汇报给全网资源管理系统，全网资源管理系统生成不同信关站基带处理池的资源上下文信息，解析全网资源管理系统下发的配置参数，生成基带信号处理单元的内部配置指令；
64.协议资源管理模块对下实现协议处理池中业务处理单元的启动/关闭、通道控制的参数配置，获取板卡的工作状态、业务处理通道数量、系统当前功耗这些系统信息；向上将协议处理池的系统信息汇报给全网资源管理系统，全网资源管理系统生成不同信关站协议处理池的资源上下文信息，解析全网资源管理系统下发的配置参数，生成业务处理单元的内部配置指令；
65.处理资源调度模块基于信关站网络中各信关站的协议处理池、基带处理池、中频处理池的资源上下文信息，运行处理资源调度算法，根据资源上下文信息为用户业务实时分配协议、基带、中频的处理通道，并交由各资源管理模块执行。
66.本发明一种卫星移动通信系统的信关站处理资源管理方法，该方法基于所述的卫星移动通信系统的信关站处理资源管理系统，首先将处理资源抽象成可调度的资源块，对用户业务处理任务进行定义，建立处理资源组合模型，然后对用户业务数据处理资源动态分配进行定义，将信关站处理资源分配分解为中频、基带、高层协议三个独立的资源分配及资源回收过程；
67.资源分配步骤如下：
68.s1：全网资源管理系统从中频处理池、基带处理池、协议处理池的管理模块中获取全网可用处理资源信息，生成全网初始pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；其中，pif
cif
表示中频处理池、pif
cbp
表示基带处理池、pif
cpp
表示协议处理池，pif为由中频处理池pif
cif
、基带处理池pif
cbp
、协议处理池pif
cpp
构成的物理基础设施；
69.s2：根据用户接入波束从中频处理池pif
cif
中选择最佳的中频信号处理单元集合，采用如下分配过程计算中频处理分配矩阵c
cif
集合：
70.s21：判断中频处理池pif
cif
是否存在能够服务用户所在波束的中频信号处理单元：
71.如果存在用户所在波束的中频信号处理单元，从中选择业务通道处理资源占用少的中频信号处理单元作为候选单元，并计算相应的分配矩阵；
72.如果不存在或中频信号处理单元的通道无法支撑新业务接入，则从处于待机的机箱中获得中频信号处理单元作为候选单元，并计算相应的分配矩阵；
73.s22：根据分配矩阵集合计算对应中频处理分配矩阵c
cif
集合；
74.s3：从基带处理池pif
cbp
中选择最佳的基带信号处理单元，通过启发式算法获取最优的基带处理分配矩阵c
cbp
集合，具体过程如下：
75.s31：从当前接入站点s的基带处理池中选择一个基带信号处理单元j，并生成基带处理分配矩阵c
cbp
；
76.s32：计算用户业务处理任务u选用基带信号处理单元j所带来的功耗p
ju
；
77.s33：根据基带处理分配矩阵c
cbp
，计算用户业务处理任务u接入站点s的负载比例loads，信关站网络的负载均衡比例因子load；
78.s34：计算当前资源的分配因子a，a＝α*p
ju
β*load，α，β分别为功耗因子和负载均衡因子；
79.s35：遍历s31～s34，为用户穷举所有的中频处理分配矩阵，并根据中频处理分配矩阵计算分配因子a，从分配因子a中选择最小的10个中频处理分配矩阵作为候选中频处理分配矩阵；
80.s4：从协议处理池pif
cpp
中选择最佳的协议处理单元，采用与基带处理池一样的算法获取最优的高层协议处理分配矩阵c
cpp
集合；
81.s5：从候选分配矩阵集合{c
cif
、c
cbp
、c
cpp
}中选择相应中频信号处理单元、基带信号处理单元、业务处理单元，并将候选的板卡按照中频信号处理单元-基带信号处理单元-业务处理单元的连接关系，形成不同站点的多种资源分配方案，每种资源分配方案的分配因子即为各板卡的分配因子之和，从所有资源分配方案中选择分配因子最小的即为最佳分配方案；
82.s6：按照最佳分配方案中的连接关系，通过中频资源管理模块、基带资源管理模块、协议资源管理模块设置各处理单元连接关系；
83.s61：如果中频信号处理单元尚未配置时钟信号和中频信号，则调整多路时间频率同步系统向中频信号处理单元提供用户所在波束的卫星时钟信号，调整中频信号切换矩阵将用户所在波束的中频信号分路给中频信号处理单元；
84.s62：设置中频信号处理单元和基带信号处理单元之间的高速数据交换接口，使得用户业务信道基带信号在两个单元之间传递；
85.s63：设置基带信号处理单元与业务处理单元之间的网络交换接口，使得用户业务数据在两个单元之间传递；
86.s7：全网资源管理系统更新pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；
87.资源回收步骤如下：
88.s8：当用户释放业务信道后，全网资源管理系统根据业务信道对应的分配方案回收相应的处理资源，并更新pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；
89.s9：当pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}中某块板卡上的用户业务全部释放完成后，将相应板卡下电。
90.作为一种具体示例，所述将处理资源抽象成可调度的资源块，对用户业务处理任务进行定义，建立处理资源组合模型，具体如下：
91.对于协议处理池来说，可调度的处理资源是业务处理单元，每个用户业务数据处理任务对应一个业务处理单元中的处理线程，处理不同业务数据的线程占用的处理资源不同，同一类业务数据处理资源占用量一致，协议处理池的处理资源分配就是为用户分配处理线程；
92.对于基带处理池来说，可调度的处理资源是基带信号处理单元，每个用户业务数据处理任务对应一个基带信号处理单元中的处理通道，处理不同业务信道的通道占用的处理资源不同，同一类业务信道处理资源占用量一致，基带处理池的处理资源分配就是为用户分配处理通道；
93.对于中频处理池来说，可调度的处理资源是中频信号处理单元，该中频信号处理单元的资源抽象为不同波束的计算资源块，按照波束级资源进行调度，计算资源块和中频信号切换矩阵联合应用；
94.在处理资源抽象基础上，将用户业务处理任务u定义为uspu，将处理资源组合模型uspu定义为：
95.uspu＝{cifi，cbpj，cppk}
96.其中，cifi代表中频处理池中第i块用于用户业务中频信号计算的处理单元上的波束，0＜i≤i，i为当前信关站系统部署的最大板卡数量；cbpj代表基带处理池中第j块用于用户链路基带信号计算的处理单元的处理通道，0＜j≤j，j为当前信关站系统部署的最大板卡数量；cppk代表高层协议处理资源中第k块用于用户链路协议计算的处理单元的处理线程，0＜k≤k，k为当前信关站系统部署的最大板卡数量；用户业务处理资源分配问题即是如何将用户业务处理任务uspu所需要的处理资源子集映射到不同物理设备的物理资源映射。
97.作为一种具体示例，所述对用户业务数据处理资源动态分配进行定义，将信关站处理资源分配分解为中频、基带、高层协议三个独立的资源分配及资源回收过程，具体为：
98.用户业务数据处理资源动态分配定义为：
99.pif
×c→
usp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
100.其中，pif为由中频处理池pif
cif
、基带处理资源池pif
cbp
、协议处理池pif
cpp
构成的物理基础设施，c为由中频处理分配矩阵c
cif
、基带处理分配矩阵c
cbp
、高层协议处理分配矩阵c
cpp
构成的集合，将相应资源池资源与分配矩阵相乘后，并进行资源合并即可得到用户业务处理任务所需的资源；
101.信关站处理资源分配分解为中频、基带、高层协议三个独立的资源分配及资源回收过程，其中基带、高层协议的资源分配及资源回收算法相同。
102.作为一种具体示例，基带处理的资源池分配过程如下：
103.根据系统模型pif
cbp
＝[cbp1，cbp2，..，cbpj]，其中cbpj代表基带信号处理单元j可用的资源数量，信关站基带资源分配定义为：
[0104][0105]ccbp
为分配矩阵，表示为：
[0106][0107]
其中，c
ju
为用户业务处理任务u将从基带池的基带信号处理单元j上获取的对应资源数目，定义cu为用户业务处理资源需求量，vbb
ju
为用户业务处理任务u对基带信号处理单元j的需求，u＝1，2，...，u，u为信关站系统可制成的最大用户业务数量，矩阵c
cbp
需满足：
[0108]cju
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0109][0110][0111][0112]
其中，式(5)保证用户业务获取的处理资源能满足用户业务处理，式(6)为可用资源不超过基带信号处理单元j的能力，式(7)限制用户业务需求不能够超过板卡所在机箱的剩余外部高速数据交换能力，residual throughput是指基带处理单元j所在机箱的剩余外部高速数据交换能力；定义xj表示基带池的基带信号处理单元j是否运行，若则该基带信号处理单元j没有被使用，xj值为0，基带信号处理单元j进入休眠或关闭状态，否则xj值为1；定义基带处理池总功耗为每个处理单元功耗之和，每个基带处理板的功耗pbj定义为板卡在任务处理期间的功耗，当板卡休眠时功耗忽略不计，而开启后的功耗由两部分组成，其中，一部分为静态功耗ps，处理单元处于待机状态下的最低功耗，另一部分与分配给用户业务的处理资源c
ju
相关，对于不同类型用户业务处理任务u，为板卡带来的功耗比例不同；
[0113]
每个处理单元的功耗pbj表示为：
[0114][0115]
其中，ρ
type(u)
表示用户业务处理任务u的的业务所需功耗占比；
[0116]
对于用户业务处理任务u，选用基带信号处理单元j所带来的功耗p
ju
表示为：
[0117]
p
ju
＝xjpbjꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0118]
当用户业务处理任务u接入到信关站网络中站点s中负载比例loads为：
[0119]
[0120]
信关站网络系统中s个站点负载均衡比例因子load表达为：
[0121][0122]
信关站基带池处理资源分配的目标是为用户业务处理在不同处理资源寻找不同的分配矩阵，使得系统基带池功耗、信关站网络的负载最佳，资源最佳分配为在所有分配矩阵中使得a最小：
[0123]
a＝α*p
ju
β*load
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0124]
其中α，β分别为功耗因子和负载均衡因子，运营商可根据应用需求、信关站处理能力部署进行进行调整。
[0125]
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0126]
实施例
[0127]
(1)支持计算资源动态调度的信关站系统及网络架构
[0128]
本发明公开了一种支持计算资源动态调度的信关站网络架构，一个信关站网络由全网资源管理系统和多个信关站站点组成，每个信关站可处理一颗或多颗移动通信卫星用户，图3显示了新型信关站组网方式，两个站点协同处理3颗卫星的用户接入。全网资源管理系统可管理不同站点、不同卫星、不同波束的信关站处理资源，实现处理资源在不同站点、不同卫星、不同波束之间共享。
[0129]
如图4所示，每个信关站由协议处理池、基带处理池、中频处理池、中频信号切换矩阵、天线射频等设备构成，其中，协议处理池、基带处理池、中频处理池之间通过高速传输链路或网络相连，中频信号处理系统与天线射频之间通过中频信号切换矩阵互联，信关站通过天线射频系统与卫星相连。此外，每个信关站还配置多路时间频率同步系统，用于补偿信关站与卫星之间的星地时差及多普勒频移，由于卫星所在的位置不同且相对地面移动，多路时间频率同步系统为每颗星提供一套独立的时钟系统并实时跟踪卫星位置动态调整输出的收发定时及频差。
[0130]
协议处理池主要由主控单元和业务处理单元构成，主控单元实现了对卫星终端接入的高层协议处理、无线链路控制、资源池状态管控等功能，其处理资源无法动态调度，业务处理资源池由多个业务处理单元堆叠而成，完成业务数据的分段重组、压缩解压缩、加解密、实时调度等功能，业务处理单元采用基于高性能cpu的通用处理板卡，其用户数据处理任务与业务处理资源之间的关系是可量化的，计算资源可按用户业务级动态分配，不同的业务类型的数据处理方式不同，所需要的处理资源不同，但同一类型的业务数据处理资源需求一样，如图5所示，如电路类业务需要通过实时性数据调度保证数据包的处理时序和实时性，分组共享类业务往往需要多个用户共享一个物理信道进行调度。
[0131]
基带处理池主要由信道处理单元和基带数据交换单元等功能单元组成，其中，信道处理资源池由多个信道处理单元堆叠而成，完成调制解调、编译码、链路控制等物理层信号处理等工作，基带信号处理单元采用基于高性能fpga和高性能cpu的定制处理板卡，其用户信道处理任务与处理资源(通道)之间的关系是可量化的，计算资源可按用户业务级动态分配，如图6所示，用户信道处理任务可映射到不同的通道上，每个通道上还可加载不同的通信模式。基带数据交换单元则根据各波束业务量(traffic)的不同来动态分配信道处理资源，从而实现多波束处理资源的有效共享。
[0132]
中频处理池实现多个波束的宽带射频信号收发、数字上下变频、数字信道滤波等功能，一个信关站往往配置多个中频信号处理单元，中频信号处理单元为基于高速adc/dac与高性能fpga的计算板卡，一个板卡通常可以处理一个或多个卫星点波束中频信号，其处理资源可支持波束级调度。此外，中频信号处理单元外接全网多路时钟同步系统，并通过与基带信号处理单元之间的高速数据传输通道为基带信号处理单元提供时钟参考，根据波束所在的卫星切换不同的时钟信号。
[0133]
中频信号切换矩阵实现了中频信号处理单元与卫星所对应的天线射频之间的中频信号映射，可将中频信号处理单元动态调配到任何一个波束上进行处理，支持一个用户波束的信号映射到多个中频信号处理单元上，也支持一个中频信号处理单元到多个点波束的信号映射，如图6所示，其映射关系根据全网资源管理系统配置动态改变。
[0134]
全网资源管理系统主要实现不同站点、不同卫星、不同波束的处理资源及全网无线资源的集中式管理，其中，信关站资源包括中频处理资源、基带处理资源、协议处理资源等，全网无线资源包括所有卫星使用的时间、频率、功率等资源。
[0135]
(2)集中式全网资源管理系统
[0136]
在支持计算资源动态调度的信关站系统架构基础上，设计了信关站集中式全网资源管理系统，主要实现跨站、跨星、跨波束的处理资源的动态按需调度，并实现的信关站网络的多个站点的负载分担、故障备份等。全网资源管理系统包括中频资源管理、基带资源管理、协议资源管理、处理资源调度等模块构成，如图8所示。
[0137]
中频资源管理模块对下实现中频处理池中中频信号处理单元的启动/关闭、通道控制等参数配置，获取板卡的工作状态、可用通道数量、系统当前功耗等系统信息；向上将中频池系统信息汇报给全网资源管理系统，全网资源管理系统生成不同站点信关站中频池的资源上下文信息，解析全网资源管理系统下发的配置参数，生成到中频信号处理单元的内部配置指令。
[0138]
基带资源管理模块对下实现基带处理池中基带信号处理单元的启动/关闭、通道控制等参数配置，获取板卡的工作状态、可用通道数量、系统当前功耗等系统信息；向上将基带池系统信息汇报给全网资源管理系统，全网资源管理系统生成不同站点信关站基带池的资源上下文信息，解析全网资源管理系统下发的配置参数，生成到基带信号处理单元的内部配置指令。
[0139]
协议资源管理模块对下实现协议处理池中用户业务处理单元的启动/关闭、通道控制等参数配置，获取板卡的工作状态、业务处理通道数量、系统当前功耗等系统信息；向上将协议池系统信息汇报给全网资源管理系统，全网资源管理系统生成不同站点信关站协议池的资源上下文信息。解析全网资源管理系统下发的配置参数，生成到用户业务处理单元的内部配置指令。
[0140]
处理资源调度模块基于信关站网络中各站点的协议池、基带池、中频池的资源上下文信息，运行处理资源调度算法，根据资源上下文信息为用户业务实时分配协议、基带、中频等处理通道，并交由各资源管理模块执行。
[0141]
(3)最优化处理资源调度算法
[0142]
在支持计算资源动态调度的信关站系统架构基础上，设计了卫星移动通信系统信关站处理资源调度算法。本算法的目标使得不同站点处理负载相对均衡，信关站网络整体
功耗较低。
[0143]
与传统卫星波束独立占有物理处理资源不同，每个用户业务处理任务所占的处理资源由中频、基带、协议等不同类型处理单元通过动态组合形成，为了实现处理资源动态调度，需要将处理资源抽象成可调度的资源块。对于协议处理池来说，可调度的处理资源主要是业务处理单元，每个用户业务数据处理任务对应一个业务处理单元中的处理线程，处理不同业务数据的线程占用的处理资源不同，但同一类业务数据处理资源占用量一致，因此，协议处理池的处理资源分配就是为用户分配处理线程，如图5所示。对于基带处理池来说，可调度的处理资源主要是基带单元，每个用户业务数据处理任务对应一个基带单元中的处理通道，处理不同业务信道的通道占用的处理资源不同，但同一类业务信道处理资源占用量一致，因此，基带处理池的处理资源分配就是为用户分配处理通道，如图6所示。对于中频处理池来说，可调度的处理资源主要是中频信号处理单元，该处理单元的资源可抽象为不同波束的计算资源块，按照波束级资源进行调度，主要和中频切换矩阵联合应用。
[0144]
在处理资源抽象基础上，将某用户业务处理任务u定义为uspu，将处理资源组合模型定义为uspu＝{cifi，cbpj，cppk}。其中，cifi代表中频处理池中第i块用于用户业务中频信号计算的处理单元上的某波束，0＜i≤i，i为当前信关站系统部署的最大板卡数量；cbpj代表基带处理池中第j块用于用户链路基带信号计算的处理单元的某个处理通道，0＜j≤j，j为当前信关站系统部署的最大板卡数量；cppk代表高层协议处理资源中第k块用于用户链路协议计算的处理单元的某处理线程，0＜k≤k，k为当前信关站系统部署的最大板卡数量。用户业务处理资源分配问题即是如何将用户业务处理任务uspu所需要的处理资源子集映射到不同物理设备的物理资源映射。如图8所示。
[0145]
用户业务数据处理资源动态分配可以定义为：
[0146]
pif
×c→
usp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0147]
其中，pif为由中频处理池pif
cif
、基带处理资源池pif
cbp
、协议处理池pif
cpp
等构成的物理基础设施，c为由中频处理分配矩阵c
cif
、基带处理分配矩阵c
cbp
、高层协议处理分配矩阵c
cpp
等构成的集合，将相应资源池资源与分配矩阵相乘后，并进行资源合并即可得到用户业务处理任务所需的资源。
[0148]
信关站处理资源分配可分解为中频、基带、高层协议等三个独立的资源分配过程，其中基带、高层协议分配算法相同，这里重点说明基带处理资源池分配过程，根据上述系统模型，pif
cbp
＝[csp1，cbp2，..，cbpj]，其中cspj代表基带信号处理单元j可用的资源数量，信关站基带资源分配可以定义为：
[0149][0150]ccbp
为分配矩阵，可以表示为：
[0151][0152]cju
为用户业务处理任务u将从基带池的基带信号处理单元j上获取的对应资源数
目，定义cu为用户业务处理资源需求量，vbb
ju
为用户业务处理任务u对基带信号处理单元j的需求，u＝1，2，...，u，u为信关站系统可制成的最大用户业务数量，矩阵c
cbp
需满足：
[0153]cju
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0154][0155][0156][0157]
其中，式(5)保证用户业务获取的处理资源能满足用户业务处理，式(6)为可用资源不超过基带信号处理单元j的能力，式(7)限制用户业务需求不能够超过处理单元所在机箱的剩余外部高速数据交换能力，residual throughput是指基带处理单元j所在机箱的剩余外部高速数据交换能力；定义xj表示基带池的基带信号处理单元j是否运行，若则该基带信号处理单元j没有被使用，xj值为0，基带信号处理单元j可以进入休眠或关闭状态，否则xj值为1。
[0158]
进一步定义系统基带处理资源池总功耗为每个处理单元功耗之和，每个基带处理板的功耗pbj定义为板卡在任务处理期间的功耗，当板卡休眠时功耗可以忽略不计，而开启后的功耗由两部分组成，其中，第一部分为静态功耗ps，处理单元处于待机状态下的最低功耗，另一部分与分配给用户业务的处理资源c
ju
相关，对于不同类型用户业务处理任务u，为板卡带来的功耗比例也有所不同，下表为移动通信系统中基带信号处理单元的资源占比表。
[0159]
表1移动通信系统中基带信号处理单元的资源占比表
[0160]
编号业务类型占用信道个数功耗占比ρ1低速语音11％2低速上网12％3中速上网58％4高速上网1016％5视频1521％
[0161]
则每个处理单元的功耗pbj表示为：
[0162][0163]
其中，ρ
type(u)
表示用户业务处理任务u的的业务所需功耗占比；
[0164]
对于某个用户业务处理任务u，选用处理资源j所带来的功耗p
ju
表示为：
[0165]
p
ju
＝xjpbjꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0166]
当某个用户业务处理任务u接入到信关站网络中站点s中负载比例loads为：
[0167][0168]
信关站网络系统中s个站点负载均衡比例因子load表达为：
[0169][0170]
信关站基带池处理资源分配的目标是为用户业务处理在不同处理资源寻找不同
的分配矩阵，使得系统基带池功耗、信关站网络的负载最佳，资源最佳分配为在所有分配矩阵中使得a最小：
[0171]
a＝α*p
ju
β*load
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0172]
其中α，β分别为功耗因子和负载均衡因子，根据信关站网络部署情况设置不同的参数。
[0173]
资源分配过程如图10所示，具体如下：
[0174]
s1：全网资源管理系统从中频处理池、基带处理池、协议处理池的管理系统中获取全网可用处理资源信息，生成全网初始pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；
[0175]
s2：根据用户接入波束从中频处理池pif
cif
中选择最佳的中频信号处理单元集合，由于处理单元数量较少，采用如下分配过程计算候选分配矩阵c
cif
集合：
[0176]
①
中频处理资源池pif
cif
是否存在可服务用户所在波束的中频信号处理单元；
[0177]
②
如果存在用户所在波束的中频信号处理单元，从服务单元中选择业务通道处理资源占用少的单元作为候选单元，并计算相应的分配矩阵；
[0178]
③
如果不存在或处理单元的通道无法支撑新业务接入，则从处于待机的机箱中获得单元并作为候选单元，并计算相应的分配矩阵；
[0179]
④
根据分配矩阵集合计算对应资源分配因子集合。
[0180]
s3：从基带处理资源池pif
cbp
中选择最佳的基带信号处理单元，由于基带处理资源池中配置上千张处理单元，每个板卡有多种资源配比方式，为了获得最佳处理单元，通过启发式算法获取最优的分配矩阵c
cbp
集合，具体过程如下：
[0181]
①
从当前接入站点s的基带处理池中选择一个中频信号处理单元j，并生成分配矩阵c
cbp
；
[0182]
②
计算用户业务处理任务u，选用处理资源j所带来的功耗p
ju
；
[0183]
③
根据分配矩阵计算接入站点s的负载比例loads，信关站网络的负载均衡比例因子load；
[0184]
④
利用公式(11)计算当前资源分配的因子a；
[0185]
⑤
遍历
①
到
④
过程，为用户穷举所有的分配矩阵，并根据分配矩阵计算分配因子，从分配因子中选择最小的10个分配矩阵作为候选分配矩阵。
[0186]
s4：从协议处理池pif
cpp
中选择最佳的协议处理单元，由于协议处理池中配置上千张处理单元，每个板卡有多种资源配比方式，为了获得最佳处理单元，采用与基带处理池一样的算法获取最优的分配矩阵c
cpp
集合。
[0187]
s5：从候选分配矩阵集合中{c
cif
、c
cbp
、c
cpp
}选择相应中频信号处理单元、基带信号处理单元、业务处理单元，并将候选的板卡按照“中频信号处理单元-基带信号处理单元-业务处理单元”的连接关系，形成不同站点的多种资源分配方案，每种资源分配方案的分配因子即为各板卡的分配因子之和，从所有资源分配方案中选择分配因子最小的即为最佳分配方案；
[0188]
s6：按照最佳分配方案中的连接关系，通过中频资源管理、基带资源管理、协议资源管理等模块设置各处理单元连接关系；
[0189]
①
如果中频信号处理单元尚未配置时钟信号和中频信号，则调整多路时间频率同步系统向中频信号处理单元提供用户所在波束的卫星时钟信号，调整中频信号切换矩阵将
用户所在波束的中频信号分路给中频信号处理单元；
[0190]
②
设置中频信号处理单元和基带信号处理单元之间的高速数据交换接口，使得用户业务信道基带信号能够在两个单元之间高速传递；
[0191]
③
设置基带信号处理单元与业务处理单元之间的网络交换接口，使得用户业务数据能够在两个单元之间高速传递。
[0192]
s7：全网资源管理系统更新pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}。
[0193]
资源回收过程如下：
[0194]
s1：当用户释放业务信道后，全网资源管理系统根据业务信道对应的分配方案回收相应的处理资源，并更新pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}；
[0195]
s2：当pif资源矩阵{pif
cif
、pif
cbp
、pif
cpp
}中某块板卡上的用户业务全部释放完成后，将相应板卡下电以节省功耗。
[0196]
在典型的3颗星两个站点场景中，图2为传统架构的信关站组网方式，图3为新架构信关站组网方式，仿真一天24小时业务呼叫量，图11为采用传统架构与新架构信关站资源使用情况对比，当网络负载低于某个临界点时，大部分用户业务资源都被释放，处理单元进入关机状态，新型信关站可以迅速降低功耗，大幅度提高资源利用率，在低负载的情况下，传统信关站无法实现跨站跨星资源协同，需要部署大量处理单元，基础功耗远大于新型信关站。
[0197]
本发明首先提供了一种支持计算资源动态调度的信关站系统及网络架构，采用了资源池化共享式网络架构模型，通过集中式全网资源管理系统实现处理资源按需动态调度，实现处理资源在跨站、跨星、跨波束间的高效共享；其次提供了一个集中式全网资源管理系统，通过中频资源管理、基带资源管理、协议资源管理等模块实现对资源池的状态监控及控制，通过处理资源调度为用户业务实时分配协议、基带、中频等处理通道或线程；最后还提供了一个最优化处理资源调度算法，通过遍历所有的分配矩阵为用户业务选择中频、基带、协议等处理资源作为候选集合，将候选处理资源按照连接关系构成不同站点的多种资源分配方案及分配因子，从所有资源分配方案中选择分配因子最小的即为最佳分配方案。
[0198]
综上所述，本发明构建新的架构采用了资源池化共享式模型，并通过处理资源动态调度机制，实现处理资源在跨站、跨卫星、跨波束间的共享，从而提高了系统资源利用率，降低了系统功耗，大幅度降低了单个用户对信关站处理资源的预配置需求。