CN103347302B - Scpc/dama卫星系统中动态业务带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SCPC/DAMA卫星系统中的动态业务带宽分配方法，其步骤包括：1）在网管中心与网管代理间建立TOS值与带宽映射表，用户终端通过远端站向卫星发送信道申请信息；2）在卫星链路接口捕获所有IP数据包，提取申请信息（包括原地址、目的地址及TOS值等）并发送到网管代理，网管代理根据映射表判断信道申请中的TOS值是否满足带宽占用条件；3）网管代理将满足带宽占用条件的信道申请信息发送到网管中心进行带宽分配；4）网管中心将带宽分配消息返回到网管代理完成业务带宽分配。本发明根据IP业务自动分配信道并根据业务不同自动调整信道业务带宽，可靠性高，可复用性极强。

Description

SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法

技术领域

本发明涉及一种动态带宽分配（BOD）方法，特别涉及一种SCPC/DAMA卫星系统中的动态带宽分配方法，属于卫星通信领域。

背景技术

近几年来卫星通信发挥出越来越重要的作用，特别是在公共安全自然灾害等突发事件中，卫星通信为应急通信指挥提供了可靠保障，然而就当前我国的卫星通信系统而言，大部分通信设备都是依赖国外进口或和国外研究单位合作研发。拥有自主知识产权的卫星通信系统对国家和社会来说具有重大意义，在这一背景下进行了SCPC/DAMA便携式应急卫星通信系统研究。

SCPC/DAMA便携式应急卫星通信系统，其中SCPC为单路单载波，DAMA是按需分配，SCPC/DAMA是卫星通信系统中一种重要的多址和信道分配体制。此机制通信系统，通信信道是频分的，并且每个载波传输一路VOIP或、数据业务、或视频业务，信道使用是按需分配的。

而且SCPC/DAMA便携式应急卫星通信系统的卫星信道分为信令信道（公共信道）和业务信道。信令信道是中心站网管中心与远端站之间的链路，用于传输信令消息，如发起呼叫、信道请求、信道分配、信道释放消息、网管控制消息等；业务信道用于在远端站之间，或远端站与中心站之间传输语音、视频和IP数据业务。

因为移动卫星通信系统的频带资源是非常有限的，且通信过程中频带资源需求处于不断变化中，所以一种可靠稳定的带宽按需动态分配（BOD）策略显得极为重要，带宽按需动态分配(BOD)，即根据用户业务需求，分配带宽并自动调整带宽。而且卫星通信系统资源管理系统负责系统运行过程中信道资源的分配与释放、某一信道带宽的增加与减少等功能，能否实现对这些系统资源的合理分配，是衡量卫星通信系统性能指标的重要因素。

如图1所示是SCPC/DAMA便携式应急卫星通信系统平台的工作原理示意图，提供基于IP的数据业务，包括数据、VoIP电话以及IP视频业务，而各类业务所需要的带宽是不同的。例如，传输VoIP语音业务，信道带宽约为100Kbps，而IP视频则需要500Kbps以上，若在两个卫星终端A与B之间，先传输1路VoIP电话，需要的带宽为B1，若再传输1路IP视频需要的带宽为B2，则此时，需要将带宽自动需要调整到B1+B2，而当某种业务如VoIP语音业务结束时，则需要将带宽缩小到B2。如何根据IP业务自动分配信道并根据业务不同自动调整信道带宽，以及如何实现该方案，是需要研究的主要问题。

发明内容

本发明的目的为解决SCPC/DAMA便携式应急卫星通信系统资源管理系统对系统资源的合理分配调度。

本发明的技术方案如下：一种SCPC/DAMA卫星系统中的动态业务带宽分配方法，其步骤包括：

1）在网管中心与网管代理间建立TOS值与带宽映射表，用户终端通过远端站向卫星发送信道申请信息；

2）在卫星链路接口捕获IP数据包，提取申请信息并发送到网管代理，所述网管代理根据所述映射表判断信道申请中的TOS值是否满足带宽占用条件；

3）所述网管代理产生满足带宽占用条件的信道申请信息并发送到网管中心进行带宽分配；

4）所述网管中心将带宽分配消息发送到网管代理完成业务带宽分配。

更进一步，通过IP分组中的TOS值标记不同业务类型建立与带宽的映射表。

更进一步，网卡驱动程序从所述IP数据包的IP头中提取源IP地址、目的IP地址和TOS值信息。

更进一步，所述网卡驱动程序通过以下方法中的一种或者多种上报到网管代理：Netlink套接字上报或者由卫星系统主动调用或者通过procfs方式通信。

更进一步，所述网管代理通过一定时器单元从Netlink通道中读取存储的字符串。

更进一步，所述网管代理根据源IP地址、目的IP地址及TOS值，判断是否为已建立的业务数据信道；如果存在新的业务类型，所述网管代理发送扩展带宽的请求到网管中心。

更进一步，若连续时间内已经建立的业务信道中没有业务包传输，则向网管中心发送缩小带宽或者拆除信道申请，等得到确认后将带宽缩小或信道释放。

更进一步，所述网管中心采用单向链表结构存储信道请求和/或占用资源，所述单向链表包括：空闲链表，上行/下行临时链表以及上行/下行已分配链表。

更进一步，所述空闲链表存放频带池中空闲的频带资源；所述临时链表存放网管中心发出分配请求但暂未收到远端站确认的频带资源；所述已分配链表存放正在使用的频带资源。

更进一步，所述网管中心进行带宽分配的方法如下；

（1）根据申请业务信道的源IP地址和目的IP地址判断是否为新申请信道，若源和目的地址之间已建立业务信道，且根据TOS值判定业务带宽需要改变，则进行带宽分配调整，若为新申请业务信道，则进行带宽分配；

（2）若为已建立业务信道，则将已用信道节点插入空闲信道链表，若为新申请业务信道，则不做此步处理；

（3）从空闲链表依次查找空闲节点的业务带宽是否满足新申请的业务带宽，

（4）从低频点往高频点截取满足新申请业务带宽请求的节点频带资源，

（5）根据所需业务类型所占用带宽分割空闲链表节点，将该空闲节点插入临时链表，发送信道设置消息，待收到远端站信道分配完成消息，将临时链表结点插入已分配链表。

本发明的有益效果：

本发明根据IP业务自动分配信道并根据业务不同自动调整信道业务带宽，能有效地保证了系统的稳定性，合理分配信道资源，最大限度上节省卫星带宽。保证了高资源利用率，提高了投资收益比，同时具有较短的时延。可靠性高，可复用性极强。

附图说明

图1是现有技术中SCPC/DAMA应急卫星通信系统的平台工作示意图；

图2是本发明的一实施例中IP分组格式示意图；

图3是本发明一实施例中业务监测示意图；

图4是本发明一实施例中业务上报帧格式示意图；

图5是现有技术中频率池示意图；

图6是本发明一实施例中信道资源存储链表示意图；

图7是本发明一实施例中动态带宽分配BOD流程图；

图8是本发明一实施例中采用动态带宽分配BOD后频率池示意图；

图9是本发明一实施例中业务信道申请--分配消息机制示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种可靠，可复用性极强的带宽按需动态分配（BOD）的方法，主要由（1）业务带宽检测、（2）带宽分配、（3）调整以及系统带宽资源管理三个关键步骤组成。

本发明BOD方法具体如下：

第一，用IP分组的TOS（Type of Service）服务类型字段值标记业务带宽

在SCPC/DAMA便携式应急卫星通信系统中，网管代理需随时接收用户的通信请求，网管代理通过提取远端站通信所需的信息，并将其封装为业务信道申请消息，发送到网管中心，由网管中心进行信道参数的设置和信道资源的分配，本卫星系统中通过IP分组中的服务类型字段TOS值来区分不同的业务类型。

IP分组格式如图2所示，其中TOS值用1个字节表示。

采用TOS值、业务类型、带宽的映射表的方法，来定义TOS值与带宽的对应关系。具体实施方式见步骤一。

根据TOS值来查找相应业务类型及其相应的带宽，总带宽为所有业务类型对应带宽之和，从而保证不同业务的QoS（Quality of Service，服务质量）要求。

第二，在卫星链路接口上检测并捕获IP业务请求

在卫星链路接口的网卡驱动程序负责对IP分组进行实时监控，捕获所有的IP数据包，从数据分组的IP头中提取源IP地址、目的IP地址和TOS值信息，通过Netlink套接字接口上报网管代理；驱动程序上报IP包头信息通过netlink套接字进行上报，也可以由系统调用或者procfs的方式进行通信。Netlink是基于socket编程的，可以在内核和用户态进行双向数据传输，用现成的API所以比较方便。

网管代理收到消息后，通过子网掩码对IP进行判断。如果是远端站子网内数据分组，则不做处理直接丢弃。如果是远端站子网外的数据分组，则判定接入了外部终端，即有外部设备发起业务请求，再判断TOS值是否符合规定，可根据TOS值与业务带宽映射表（如表一），如果TOS值不在约定范围，则判定违规。

将网内设置各自设置了网内IP,如远端站网段为10.10.x.x，中心站设备：192.168.x.x。当远端站连接一个外部设备，如视频终端、VOIP电话，地址非上述网段则判定为网外数据分组。若符合则直接生成信道申请消息，若TOS值不符合规定范围，则按照默认值（例如TOS=1）生成信道申请消息。业务检测与上报过程见具体实施方案步骤二。

第三，网管中心信道资源分配

网管中心资源管理最重要的对象为频带资源，对频带资源的描述如图5所示。图5的1为空闲时的频率池f1-f2，2为分配公共信道（信令信道）f3-f4，3为经过一段时间各远端站的业务请求与释放后，频率池有可能变为如图5所示的多块分散的频率资源。信令信道可以变，只是初次分配后，一般不改变。

由图5可知，需要选择一种长度可以自由变化，且存储信息可以非连续，同时方便增加删除资源，操作灵活的存储方式。所以在本资源管理系统中，选择单向链表作为信道资源的存储结构，为了进一步管理信道频带资源的占用、释放和查询等，共定义了五条单向链表：空闲链表，上行/下行临时链表和上行/下行已分配链表，如图6所示。选用单向链表作为信道资源存储结构是根据本系统的一种选择。

空闲链表中存放的是频带池中空闲的频带资源，临时链表中存放网管发出分配请求但暂未收到远端站确认的资源，而已分配链表则存放正在使用中的频带资源。

网管中心接收到信道申请消息后，进行信道分配BOD，具体流程见实施方案步骤三。

采用这种方式可以最大限度减少频率池中频带碎片的产生。

如图8所示，需要修改f4-f5的业务信道带宽，若带宽需要增加，则f3-f5为新设置的业务信道，也就是减少了f3-f4的频带碎片（此时f3=f4），同时切割了f5-f6的空闲带宽。同理，业务信道带宽需减小时，也将f3-f4的信道碎片利用了，f5-f6的一整块的空闲带宽得到扩增。

以下是对本发明技术方案的详细说明：

步骤一：用IP的TOS值标记业务带宽

在网管中心与网管代理间定义了一个关于TOS值与带宽的映射表，一种具体实例见表一。

表一TOS值与带宽映射表

步骤二：卫星链路接口检测并捕获IP业务请求

业务检测与上报过程如图3所示。

业务检测采用的是实时查询的方式。在卫星链路接口的网卡驱动程序捕获所有的IP数据包，将IP头信息中的源IP地址、目的IP地址和TOS值存在字符串中。

网管代理程序通过定时器机制定时从Netlink通道中读取存储的字符串，通过子网掩码对IP进行判断。本系统将所有的网内设备分别设置了网内IP,如远端站网段为10.10.x.x，中心站设备：192.168.x.x。当远端站连接一个外部设备，如视频终端、VOIP电话，地址非网内网段则判定为网外数据分组。如果是网内数据分组，则不做处理直接丢弃。如果是网外的数据分组，则判定接入了外部终端，即有外部设备发起业务请求，再判断TOS值是否符合规定，若符合则直接生成信道申请消息，若TOS值不符合规定范围，则按照默认值（例如TOS=1）生成信道申请消息,即可实现业务的检测。Netlink寄存器中存放了如下9个字节的字符串，TOS值1个字节，源和目的地址各4个四节，格式如图4。

网管代理获得了Netlink通道中的字符串后，网管代理根据源和目的IP地址，判断是否为已建立的业务数据信道。即通过判断已有业务信道的源和目的IP地址与信道申请消息的源和目的IP地址是否相同，若不同，则判断为新的业务信道申请消息，再加上TOS值生成信道申请消息发送到网管中心，网管中心根据申请消息进行业务信道分配，建立业务信道（详情见步骤三）。

当业务信道建立后，驱动继续检测接收到的网络包的IP头信息，上报网管代理，网管代理仍然根据源和目的IP地址，判断是否为已建立的业务数据信道。若为已有业务信道，即已有业务信道的源和目的IP地址与信道申请消息的源和目的IP地址相同，则再判断TOS值，如果发现存在新的业务类型（TOS值），网管代理发送扩展带宽的请求到网管中心。若连续时间t内已经建立的业务信道中没有业务包传输，则向网管中心发送缩小带宽或者拆除信道申请，等得到确认即可将带宽缩小或信道释放。这样就实现了通信链路带宽的网管可控。业务信道建立简要概括为由远端站发起信道申请消息，中心站根据申请消息进行业务信道分配。如果满足分配条件，将信道分配消息发送给远端站。收到信道分配消息后，远端站反馈分配确认消息给中心站，完成信道分配。

步骤三：网管中心信道资源分配

网管中心接收到信道申请消息后，信道分配BOD流程如图7所示。

网管中心收到信道申请消息后，首先根据申请业务信道的源和目的地址来判断是否为新申请信道，即判断信道申请消息的源IP地址和目的IP地址与已有业务信道的源IP地址和目的IP地址相同，若相同，即判断为已有业务信道，进行带宽调整。否则，则判断为新申请信道。若源和目的地址之间已建立了业务信道，再根据TOS值判定业务带宽需要改变，即通过表一查找各TOS值对应的带宽，相加后总带宽与原有带宽不等，则视为进行BOD调整，根据单向链表作为信道资源的存储结构进行储存，将该已用信道节点按频点从低到高顺序插入空闲信道，再从空闲链表中依从低到高顺序查找空闲节点的带宽是否满足所申请的业务带宽，其若没有节点满足，即频率池空闲带宽不足以分配所需业务带宽，则拒绝操作。若有节点满足，则从低频点往高频点截取频带资源，按所需业务带宽分割空闲链表节点，将该空闲节点插入临时链表，计算信道分配消息的频点、带宽、功率等。发送信道分配消息至远端站，待收到远端站信道分配完成确认消息，将临时链表结点插入已分配链表，同时发送分配确认消息给远端站，整个业务信道申请分配机制如图9所示，此时整个BOD调整流程结束。

Claims (9)

1.一种SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其步骤包括：

1)在网管中心与网管代理间建立TOS值与带宽映射表，用户终端通过远端站向卫星发送信道申请信息；

2)在卫星链路接口捕获IP数据包，提取得到信道申请信息并发送到网管代理，所述网管代理根据所述映射表判断信道申请信息中的TOS值是否满足带宽占用条件；

3)所述网管代理产生满足带宽占用条件的信道申请信息并发送到网管中心进行带宽分配；所述网管中心进行带宽分配包括：

3-1)根据申请业务信道的源IP地址和目的IP地址判断是否为新申请信道，若源和目的IP地址之间已建立业务信道，且根据TOS值判定业务带宽需要改变，则进行带宽分配调整，否则判断为新申请信道；

3-2)若为新申请业务信道则按照步骤(3)开始进行带宽分配；若为已建立业务信道则将已用信道节点插入空闲信道链表；

3-3)从空闲链表依次查找空闲节点的业务带宽是否满足新申请的业务带宽；

3-4)从低频点往高频点截取满足新申请业务带宽请求的节点频带资源；

3-5)根据所需业务类型所占用带宽分割空闲链表节点，将该空闲节点插入临时链表，发送信道设置消息，待收到远端站信道分配完成确认消息，将临时链表结点插入已分配链表，同时发送分配确认消息给远端站；

4)所述网管中心将带宽分配消息返回到网管代理完成业务带宽分配。

2.如权利要求1所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，通过IP分组中的TOS值标记不同业务类型建立与带宽的映射表。

3.如权利要求1所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，网卡驱动程序从所述IP数据包的IP头中提取源IP地址、目的IP地址和TOS值信息。

4.如权利要求3所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，所述网卡驱动程序通过以下方法中的一种或者多种上报到网管代理：Netlink套接字上报或者由卫星系统主动调用或者通过procfs方式通信。

5.如权利要求1所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，所述网管代理通过一定时器单元从Netlink通道中读取存储的字符串。

6.如权利要求1所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，所述网管代理根据源IP地址、目的IP地址及TOS值，判断是否为已建立的业务数据信道；如果存在新的业务类型，所述网管代理发送扩展带宽的请求到网管中心。

7.如权利要求6所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，若连续时间内已经建立的业务信道中没有业务包传输，则向网管中心发送缩小带宽或者拆除信道申请，等得到确认后将带宽缩小或信道释放。

8.如权利要求1所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，所述网管中心采用单向链表结构存储信道请求和/或占用资源，所述单向链表包括：空闲链表，上行/下行临时链表以及上行/下行已分配链表。

9.如权利要求8所述的SCPC/DAMA卫星系统中动态业务带宽分配方法，其特征在于，所述空闲链表存放频带池中空闲的频带资源；所述临时链表存放网管中心发出分配请求但暂未收到远端站确认的频带资源；所述已分配链表存放正在使用的频带资源。