CN104079496B - 基于链路代价转换的双层卫星负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于链路代价转换的卫星负载平衡方法，该方法是在卫星虚拟拓扑策略的基础上，对拓扑快照进行LEO(低轨)层链路代价转换和分层分流。因此，利用卫星星座运行的可预测性和周期性，将系统运行时间划分为若干个相同的时间段，并在每个时间段个分n个间隙tp，每个时隙内对星间链路进行链路过载判断。对全球覆盖区域进行拥塞等级划分，配合LEO卫星链路实时流量，在链路拥塞时进行代价调整和路径优化，平衡整个网络的流量。并在此基础上配合MEO层卫星网络，对不同服务质量(QoS)的传输业务进行合理的路径选择，在满足高优先级业务时延的同时，提高整网的吞吐量。

Description

基于链路代价转换的双层卫星负载均衡方法

技术领域

本发明涉及一种应用于双层卫星系统的卫星负载均衡方法，本发明基于LEO/MEO双层卫星网络，利用链路代价转换的思想来实现卫星数据业务分流，在链路拥塞时进行代价调整和路径优化，提高整个网络的平衡性，同时减少数据包在卫星网络中的传输时延和丢失概率。在航空、航天、军事层卫星体系结构，及社会经济等领域中都具有较好的转化应用前景，属于卫星通信技术领域。

背景技术

随着卫星返回信道和星上处理技术的新近发展，现在的卫星已经能够提供和地面站的双向通信服务，并且能够提供广泛的地理区域的覆盖和远程地面网络的互联。但是，空间信息资源有限、卫星链路连接不稳定使得卫星在支持高质量QoS服务的业务中表现不足。另一方面，卫星网络具有高动态拓扑、地面用户分布不均匀等特点，网络负载容易失衡，会出现部分卫星拥塞而周围卫星未被充分利用的情况，增加了数据包的排队时延和丢失概率。此外，卫星路由优化协议通常采用单一的路由优化策略，导致数据传输集中于某些路径。因此，有必要在卫星系统运行的周期内，对路径进行优化分配，对不同类型的数据包进行相应的分流措施。本发明提出了一种基于链路代价转换的卫星负载平衡方法，在卫星链路拥塞时通过代价转换和路径优化，对拥塞数据进行合理的分流，同时支持多用户的不同服务质量(QoS)需求，对平衡整个卫星网络的数据量具有重要的作用。

以LEO(低轨卫星)为主干网络传输，结合MEO(中轨卫星)分流的体系架构中，由于低轨卫星星上处理能力有限、覆盖范围较小原因，导致数据业务在某些局部链路发生拥塞；另外，中轨卫星相对低轨卫星有较大的覆盖范围，但传播时延较大。LEO和MEO在支持多媒体通信方面的优势不尽相同，因此，如何有效合理的分配网络流量，利用LEO和MEO各自的优势达到整个网络流量的平衡，提高卫星网络的吞吐量，对卫星网络通信具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于链路代价转换的双层卫星负载均衡方法，有效合理的分配网络流量，利用LEO和MEO各自的优势达到整个网络流量的平衡，提高卫星网络的吞吐量。

技术方案：

一、体系结构

基于链路代价转换的双层卫星负载均衡方法才用LEO/MEO双层卫星系统来进行数据通信，由于LEO星座系统轨道很低，星地之间的传播时延非常小，链路传播损耗小，所以我们主要用LEO作为主干网进行数据传输，而由MEO来配合进行时延不敏感型业务的分流。如图2所示，在这种体系结构中存在四种类型的星际链路：

1)轨道内星际链路(ISL)

同一个轨道面卫星之间的链路称为轨道内星际链路。同轨道的之间前后两颗卫星位置相对稳定，这种链路能够一直保持。这里的ISL包括了LEO层和MEO层的所有ISL链路。

2)轨道间星际链路(IOL)

同一层中不同轨道的卫星之间的链路称为轨道间星际链路。轨道间链路在某些情况下，由于卫星相对位置发生变化，链路要关闭或者进行切换。LEO层和MEO层都有轨道间星际链路。

3)层间星际链路(ILISL)

运行在不同高度的卫星轨道间建立的卫星链路称为层间星际链路。层间星际链路把不同的卫星星座连接成一个网络，不同层的卫星通过层间的卫星链路进行通信。这里的层间星际链路指的是LEO和MEO间的链路。

4)星地链路(UDL)

卫星通过UDL和其覆盖范围内的地面网关通信。一颗卫星可和多个地面网关进行通信。当然，一个地面网关也可以直接和不同层中的多颗卫星通信。这里我们只建立地面站和LEO层卫星间的UDL。

二、方法流程

该方法是在卫星虚拟拓扑策略的基础上，对拓扑快照进行LEO(低轨)层链路代价转换和分层分流。因此，利用卫星星座运行的可预测性和周期性，将系统运行时间划分为若干个相同的时间段，并在每个时间段个分n个间隙tp，每个时隙内对星间链路进行链路过载判断。

步骤1：获取每颗低轨卫星的位置信息，根据卫星信息，更新该卫星的流量预估值w_i；

步骤2：将系统运行时间划分为若干个相同的拓扑时间段，在每个拓扑时间段tp开始的时刻t1，对每条链路进行链路过载计算，根据卫星链路的队列信息和传输量，计算负载因子ρ_l；

步骤3：对负载因子ρ_l进行判定，设定负载阀值α和β，当ρ_l<α时，链路负载正常，转步骤4；当α＜ρ_l＜β时，链路为低负载，转步骤5，当ρ_l＞β时，链路为高负载，转步骤6；

步骤4：将该条链路进行代价重置，恢复正常链路状态，在该状态下，链路的代价为链路两端卫星之间的端到端传播时延，转步骤7；

步骤5：对链路进行代价转换，根据该卫星所在小区的流量估计和链路状态，按照链路负载代价计算公式：得到新的链路代价；D_(ISLi)为链路时延代价，F_(ISLi)是负载变换函数，q是该链路的队列大小，是上一时间段tp的队列平均值，w_i和w_j是该链路两端卫星的流量预估值，u是该函数的缩减系数，转步骤7；

步骤6：标记该链路为高负载状态，并对其进行负载代价调整；

步骤7：对整网的路由进行更新，得到当前负载下低轨卫星层卫星的最短路径路由表、负载最短路径路由表以及中轨卫星层的最短路径路由表；

步骤8：对于负载链路上经过的数据包，对其进行类型判定，军事用户为A类，数据包从最短路径路径走；高级用户为B类，普通用户为C类，数据包从负载最短路径路径走；如果该链路为高负载状态，则对C类数据包按照分流百分比计算公式：将部分数据流分流到中轨卫星层的最短路径中去，这里C_ISL是链路的发送能力，I_C是该条链路业务C的数据发送量；

步骤9：完成循环，转到步骤1。

有益效果：卫星上的路由负载均衡要求机制简单，容易实现。在一般的负载均衡算法中，主要通过邻接节点通告来调整数据包的发送，一旦当前节点的某条链路发生负载，将数据包转发到空闲的邻接节点上进行重路由。这些方法对系统的消耗较大，只在局部区域的负载有效，对整个网络的提升并不明显。

本发明提出的基于链路代价转换的双层卫星负载均衡方法，考虑到整个卫星网络的负载，结合当前网路流量分布情况，对链路代价进行有效调整。并针对不同的用户，按照优先级分配不同的通道进行分流，既可以满足时延敏感性用户的服务质量，又可以保证整个网络的吞吐量的提升。同时，该方法在数据包的排队时延和丢包率方面都很大的改进。

附图说明

图1是卫星网络全球流量预估分布图；

图2是双层卫星负载均衡方法体系结构示意图；

图3是双层卫星负载均衡方法应用实例图；

图4是双层卫星负载均衡方法数据流程图；

图5是双层卫星负载均衡方法算法流程图。

具体实施方式

1.拥塞估计

为了使整个网络能够更好的适应流量的变化，我们对整个网络进行流量分布规划。按地域人口分布对区域进行的流量估算，结合卫星分布规律，本文对全球进行了12*6的区域划分，每个小区占30°经度和30°的纬度，这样划分可以让星座中的卫星均匀的分布在这几个小区上。每个LEO卫星都设定了一个流量预估值w_i，当这个卫星进入不同的小区时，流量预估值就会立即更新。每个小区的流量预估值按照卫星网络用户分布和流量需求的基本规律，被划分为0-8的预估等级，如图1所示。流量预估值预示着一个区域总体的流量趋势，它反映了停留在该区域的卫星当前链路大致的流量情况。卫星链路的负载，在系统运行的不同时间段会不断变动。流量预估值的作用是在链路拥塞时，对链路代价转换进行合理地调控。

2.拥塞判断

卫星网络中单颗卫星维持着多条链路，这些链路与不同的邻居节点相关，拥塞情况各不相同。为了提高链路利用率，我们对卫星的每条链路都进行拥塞监控。为了提高监控的准确性，判定链路负载的计算方式如下所示：

对卫星运行周期进行拓扑划分，在每个拓扑时间段tp内对链路进行负载计算，λ_l是该时间段内需要从该链路传输的数据量；是该链路在该时间段内的平均队列长度，平均队列长度是在tp时间段内，对tp进行更小的时间段划分tq(tp＝n·tq)，取n个时间段的瞬时队列长的平均值；kq是该队列的缩减率；γ_l是该链路的目标利用率；C_l是链路的数据发送能力。

对每条链路设定一个拥塞阀值α和β(α＜β)，当α＜ρ_l＜β时，标记该条链路的状态为低负载，当ρ_l＞β时，标记该条链路的状态为高负载。

3.链路代价变换

DSP(最短路径算法)卫星路由算法进行最短路径计算的时候，首先进行链路代价搜集来进行路由计算。这里是以链路的端到端的时延来作为链路代价的，我们将它称之为时延代价。法算在路径选择的时候，仅仅选择最短的路径，不会考虑到链路拥塞的情况，导致数据滞留和丢失。我们提出的链路负载代价，是以链路传输时延和链路拥塞情况综合后得到的负载代价，在实际传输中遇到拥塞的情况下，就可以智能的绕过拥塞链路进行合理分流，达到整个网络流量的平衡性。

卫星的过载链路的负载代价计算公式为：

其中，D_(ISLi)为链路时延代价，F_(ISLi)是负载变换函数，负载代价函数通过卫星预估的负载状态，结合上一时间段链路的拥塞情况来调整的。

当ρ_l＜α时，F_(ISLi)＝0；

当ρ_l＞α时，链路过载，对链路进行代价调整。

q是该链路的队列大小，是上一时间段tp的队列平均值，w_i和w_j是该链路两端卫星的流量预估值，u是该函数的缩减系数，为了使得调整的代价在合理的范围内。u在系统中取统一的值。

4.业务QoS需求和分流

在系统中，同时维护着以时延代价计算得到的SP(最短路径)和以负载代价计算得到的LSP(负载最短路径)，以满足不同业务对时延和服务质量的要求，进行不同的分流措施，如图4所示。

在该算法中，将流量分为A(军事)、B(高级)、C(普通)三类不同用户的业务，A类业务具有最高优先级，对时延和QoS服务质量要求较高，在传输过程中不对其进行分流，从以时延为代价的LEO的SP(最短路径)来进行传输。另一方面，B类业务具有较高优先级，为了保证其较好的服务质量，只在LEO层对其进行分流，从以负载代价计算的LEO的LSP(负载最短路径)上进行传输。C类业务等级最低，在链路负载的时候，同时对其进行LEO分流和MEO分流。当某条链路从低负载α＜ρ_l＜β上升到高负载ρ_l＞β时，对这条链路上的C类业务进行MEO分流。

分流的百分比计算公式如下：

这里C_ISL是链路的发送能力，I_C是该条链路业务C的数据发送量。

为了方便描述，假定设置如图3环境下的数据传输，由终端发送的数据从LEO层卫星从源卫星节点S到目的节点D的路径为(1-2-3-4)，在某一时间段，路径2上的卫星链路发生拥塞。具体的分流措施描述如下：

步骤1：每颗LEO(低轨卫星)卫星更新自己的流量预估值wi，检查自身维护的发送链路的拥塞情况；

步骤2：在时刻t1检测到路径2上的卫星链路发生拥塞，根据该链路上的队列情况和数据传输量进行代价调整；

步骤3：检查路径2的负载是否为高负载还是低负载，如果低负载转步骤5；

步骤4：该链路负载状态较高，打开层间链路通道进行MEO(中轨卫星)分流；

步骤5：系统收集当前网路下的链路代价进行路由计算，得到当前状态下的LEO的SP(最短路径)路由表，LSP(负载最短路径)路由表及MEO的SP(最短路径)路由表；

步骤6：计算后得到从S到D卫星的SP路径SP1(1-2-3-4)<SP2(5-6-7-4)，而LSP路径LSP1(1-2-3-4)>LSP2(5-6-7-4)；

步骤7：对从S到D卫星的数据进行数据类型检测，如果是A类用户，从SP路径SP1(1-2-3-4)走，为了保证其时延，在经过队列时都从高优先级的队列中插入；如果是B类用户和C类用户，让你从LSP2(5—6-7-4)过，在链路上只允许进入低优先级的队列；

步骤8：对其他节点传输过来的经过负载路径2的C类数据，在链路高负载的状态下，按照前述公式对其进行MEO的SP路径分流；

步骤9：结束。

Claims (1)

1.一种基于链路代价转换的双层卫星负载均衡方法，其特征在于该方法的具体执行步骤如下：

步骤1：获取每颗低轨卫星的位置信息，根据卫星信息，更新该卫星的流量预估值w_i；

步骤2：将系统运行时间划分为若干个相同的拓扑时间段，在每个拓扑时间段tp开始的时刻t1，对每条链路进行链路过载计算，根据卫星链路的队列信息和传输量，计算负载因子ρ_l；

${\mathrm{\&rho;}}_l=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_l+kq\&CenterDot;\widetilde{q_l}}{{\mathrm{\&gamma;}}_l\&CenterDot;C_l\&CenterDot;t_p}$

λ_l是该时间段内需要从该链路传输的数据量；是该链路在该时间段内的平均队列长度，平均队列长度是在tp时间段内，对tp进行更小的时间段划分tq(tp＝n·tq)，取n个时间段的瞬时队列长的平均值；kq是该队列的缩减率；γ_l是该链路的目标利用率；C_l是链路的数据发送能力；

步骤3：对负载因子ρ_l进行判定，设定负载阈值α和β，当ρ_l＜α时，链路负载正常，转步骤4；当α＜ρ_l＜β时，链路为低负载，转步骤5，当ρ_l＞β时，链路为高负载，转步骤6；

步骤4：将该条链路进行代价重置，恢复正常链路状态，在该状态下，链路的代价为链路两端卫星之间的端到端传播时延，转步骤7；

步骤5：对链路进行代价转换，根据该卫星所在小区的流量估计和链路状态，按照链路负载代价计算公式：得到新的链路代价；D_(ISLi)为链路时延代价，F_(ISLi)是负载变换函数，当ρ_l＜α时，F_(ISLi)＝0；

当ρ_l＞α时，链路过载，对链路进行代价调整，

q是该链路的队列大小，是上一时间段tp的队列平均值，W_i和w_j是该链路两端卫星的流量预估值，u是该函数的缩减系数，转步骤7；

步骤6：标记该链路为高负载状态，并对其进行负载代价调整；

步骤7：对整网的路由进行更新，得到当前负载下低轨卫星层卫星的最短路径路由表、负载最短路径路由表以及中轨卫星层的最短路径路由表；

步骤8：对于负载链路上经过的数据包，对其进行类型判定，军事用户为A类，数据包从最短路径路径走；高级用户为B类，普通用户为C类，B类业务具有较高优先级，为了保证其较好的服务质量，只在LEO层对其进行分流，从以负载代价计算的LEO的负载最短路径LSP上进行传输；C类业务等级最低，在链路负载的时候，同时对其进行LEO分流和MEO分流；当某条链路从低负载α＜ρ_l＜β上升到高负载ρ_l＞β时，对这条链路上的C类业务进行MEO分流；如果该链路为高负载状态，则对C类数据包按照分流百分比计算公式：将部分数据流分流到中轨卫星层的最短路径中去，这里C_ISL是链路的发送能力，I_C是该条链路业务C的数据发送量；

步骤9：完成循环，转到步骤1。