CN104125006A - 卫星通信网络带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够动态调整带宽资源，使得带宽资源被最大化的利用的卫星通信网络带宽分配方法，包括：判断当前业务对应的令牌桶里令牌数是否满足业务的需求，如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数满足所述业务的需求，则将该业务相关数据发送出去；如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数不满所述足业务的需求，则检查其他令牌桶中是否有足够的剩余令牌来决定是否发送业务，如果其他令牌桶中有足够的剩余令牌，则确定发送业务相关数据，如果其他令牌桶中没有足够的剩余令牌，则确定不发送任何业务相关数据；当令牌桶不满时，令牌桶进行令牌填充，并进行令牌的调整。

Description

卫星通信网络带宽分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种卫星通信网络带宽分配方法。 

背景技术

目前，现有的卫星通信网络带宽分配方法复杂多样，在卫星通信网络中带宽资源极其有限，业务种类也不断增多。而现有的卫星网络带宽分配方法虽然在一定程度上能够实现带宽的动态分配，但却难以满足各类业务的带宽需求，并且无法保证带宽资源能够被最大化的利用，浪费了很多带宽资源浪费。 

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型卫星通信网络带宽分配方法，使其更具有产业上的利用价值。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够动态调整带宽资源，使得带宽资源被最大化的利用的卫星通信网络带宽分配方法。 

本发明的卫星通信网络带宽分配方法，包括：断当前业务对应的令牌桶里令牌数是否满足业务的需求，如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数满足所述业务的需求，则将该业务相关数据发送出去；如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数不满所述足业务的需求，则检查其他令牌桶中是否有足够的剩余令牌来决定是否发送业务，如果其他令牌桶中有足够的剩余令牌，则确定发送业务相关数据，如果其他令牌桶中没有足够的剩余令牌，则确定不发送任何业务相关数据；当令牌桶不满时，令牌桶进行令牌填充，并进行令牌的调整。 

进一步的，还包括:如果令牌桶中填充的令牌数多于所述令牌桶最大的容量时，则溢出超出的令牌，并根据令牌桶的优先级，将所述溢出的令牌注入到海没有满的令牌桶中。 

进一步的，根据令牌桶的优先级，将所述溢出的令牌注入到还没有满的令牌桶中，具体为：如果t₁＝f₁+f₂+…+f_n>0，其中f_n为令牌桶溢出的令牌数，f_n＝χ_n-S_n，各个令牌桶的令牌数量为χ₁,χ₂,…,χ_n，，各个令牌桶存储令牌的最大数量分别为S₁,S₂,…,S_n，根据令牌桶优先级，将令牌注入到还没有满令牌桶中的优先级最高的的令牌桶中。 

进一步的，还包括：当在某一时段内由于突发业务的需求大于其保证带宽时，所述业务对应的令牌桶的带宽将无法满足业务的需求，则对带宽进行动态分配。 

进一步的，业务对应的令牌桶的带宽将无法满足业务的需求，则对带宽进行动态分配，具体为：业务对应的令牌桶的带宽将无法满足业务的需求，根据业务的优先级和接入网络时间的长短进行排序，借用其他令牌桶的剩余令牌，为所述业务服务提供带宽。 

进一步的，还包括：所述业务获得的带宽为： 

$B_n={\mathrm{\μ}}_n={\mathrm{\λ}}_n+{\mathrm{\γ}}_n\×B_{\mathrm{left}}={\mathrm{\λ}}_n+\frac{v_n}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{v}_j}\×B_{\mathrm{left}}$

其中，各个令牌桶的额定输出速率为λ₁,λ₂，…,λ_n，各个令牌桶的最大的输出速率分别为ν₁,ν₂,…,ν_n。 

进一步的，还包括：初始化各个令牌桶和漏桶，其中，在初始化时，各个令牌桶是满的，漏桶是空的。 

进一步的，还包括：如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数满足所述业务的需求以及还剩余多余令牌，则所述剩余的令牌为将来使用，或被其它令牌桶动态借用。 

进一步的，还包括：设置各个令牌桶的基本填充速率分别为φ₁,φ₂,…φ_n，各个令牌桶的最大填充速率为θ₁,θ₂,…,θ_n，则R与θ满足以下公式：R_n＝φ_n+α_n×(θ_n-φ_n)。 

借由上述方案，本发明至少具有以下优点： 

(1)本方法即可保证卫星通信网络中不同优先级业务的带宽需求，也能够公平的动态分配带宽，在满足高优先级业务的带宽需求的同时保证低优先级业务公平的获得带宽；(2)本方法能够最大化的利用带宽资源，减少带宽资源的浪费。 

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。 

附图说明

图1是本发明卫星通信网络带宽分配方法的原理图： 

图2是本发明卫星通信网络带宽分配方法的流程示意图； 

图3是本发明卫星通信网络带宽分配方法的吞吐量比较图； 

图4是本发明卫星通信网络带宽分配方法的业务1吞吐量比较图； 

图5是本发明卫星通信网络带宽分配方法的业务2吞吐量比较图； 

图6是本发明卫星通信网络带宽分配方法的业务3吞吐量比较图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

本发明实施例中将通过令牌桶和漏桶来协调卫星通信网络的带宽分配，该方法将漏桶嵌入到令牌桶中，即每一个令牌桶连接一个漏桶，不同优先级对应不同的令牌桶，就有几个令牌桶，这样可以保证优先级为n的最小带宽。 

其中，在执行卫星通信网络带宽分配之前，设置以下几类参数：各个令牌桶的当前状态(即当前令牌桶的令牌数量)为χ₁,χ₂,…,χ_n，各个令牌桶的填充速率为R₁,R₂,…,R_n，各个令牌桶的额定输出速率为λ₁,λ₂,…,λ_n，各个令牌桶的最大的输出速率分别为ν₁,ν₂,…,ν_n，各个令牌桶的尺寸(即该令牌桶存储令牌的最大数量)分别为S₁,S₂,…,S_n，各个漏桶的尺寸分别为L₁,L₂,…,L_n，各个漏桶的输出速率分别为μ₁,μ₂,…,μ_n。各个令牌桶的尺寸之和为S，各个漏桶的尺寸之和为L，整个网络带宽为B。上述这几类参数满足公式(1)～公式(4)。 

S＝S₁+S₂+…+S_n  (1) 

L＝L₁+L₂+…+L_n  (2) 

μ₁+μ₂+…+μ_n≤B  (3) 

R₁≤μ₁,R₂≤μ₂,…,R_n≤μ_n  (4) 

各个优先权等级的业务量会随着时间而不断变化，因此令牌桶的填充速率R也会有所不同，本发明实施例通过令牌填充系数α_n∈[0,1]来表示令牌桶当前的业务量与令牌分配的关系。设置各个令牌桶的基本填充速率分别为φ₁,φ₂,…φ_n，各个令牌桶的最大填充速率为θ₁,θ₂,…,θ_n，则R与θ满足公式(5)。 

R_n＝φ_n+α_n×(θ_n-φ_n)  (5) 

当α∈[0,0.5)时，表示业务量突然减小；当α＝0.5时，表示当前的业务量稳定；当α∈(0.5,1]时，表示当前业务量突然增大。动态地调整α能够真实的反应当前令牌桶的令牌调整状况。 

方法原理如图1所示。每一个业务使用一个令牌桶和漏桶共同控制其占有的带宽，令牌桶中的剩余的空闲的带宽可供其他的令牌桶动态的借用，这样更能充分利用整个令牌桶中的空闲带宽，提高链路的吞吐量和带宽利用率。通过调整令牌桶的填充速率可以对用户占用的带宽实施初次分配，漏桶用来进行二次分配，能够降低某一时段内由于峰值速率而引起网络阻塞的可能性。漏桶的输出速率小于网络链路的带宽，即满足公式(3)。各个业务占用的最终带宽即为漏桶的输出速率。 

如图2所示，本发明实施例提出了一种高效的卫星通信网络带宽分配方法，流程如下： 

步骤201：初始化各个令牌桶和漏桶。 

初始化时，各个令牌桶是满的，漏桶是空的，φ₁,φ₂,…φ_n分别与各优先级业务的保证带宽相对应，只有当前令牌数满足业务的需求时，该业务才会被传送出去。 

步骤202：判断当前业务对应的令牌桶里令牌数是否满足业务的需求，如果满足，则将该业务相关数据传送出去，如果还剩余多余令牌，余下的令牌以供将来使用，或被其余令牌桶动态借用。若当前业务对应的令牌桶里当前 的可用令牌数不足以满足业务的需求，检查其他令牌桶中是否有足够的剩余令牌来决定是否发送业务，如果其他令牌桶中有足够的剩余令牌，则确定发送业务相关数据，如果其他令牌桶中没有足够的剩余令牌，则确定不发送任何业务相关数据。 

步骤203：当令牌桶不满时，令牌桶进行令牌填充，并进行令牌的调整。如果令牌桶中填充的令牌数多于该令牌桶最大的容量时，则溢出多余的令牌。 

令牌桶在进行令牌填充过程中，令牌桶中的令牌数量任何时刻都不能超过其容量，即该令牌桶存放令牌数的最大数量。定义f_n为令牌桶TBn溢出的令牌数。f_n＝χ_n-S_n，f_n＞0表示令牌桶TBn有令牌要溢出，否则f_n为0，表示令牌桶TBn令牌还不满。到达并可能注入业务组K的溢出令牌总数为tm。所有令牌桶溢出令牌的总和为t1，则有如下关系，t₁＝f₁+f₂+…+f_n，溢出的令牌求和后不在区分令牌的归属。 

如果t₁>0，根据令牌桶对应的优先级，将令牌注入到还没有满的令牌桶中，假定令牌桶TB1最高优先级为1，考察S₁-χ₁是否大于t₁，如果大于t₁，则全部注入令牌桶TB1；否则产生变量t₂，t₂＝t₁-(S₁-χ₁)，再考察S₂-χ₂是否大于t₂，这样依次类推。最后，若t_n仍然大于0，考察S_n-χ_n是否大于t_n，如果大于t_n，则全部注入TBn，调节过程结束。否则就有令牌没有被利用，系统仍有空余的带宽没有被利用，调节过程也结束。令牌调节过程如图2所示。 

步骤204：当在某一时段内由于突发业务的需求大于其保证带宽时，该业务对应的令牌桶的带宽将无法满足业务的需求，此时需要在保证业务带宽的需求上进行带宽的动态分配。由于令牌桶中的令牌数越多，发送的时间就越小，因此借用其他令牌桶的剩余令牌，可以提高网络的带宽利用率，也可以降低突发业务的发送时间。在借用令牌时，可能存在多个业务，因此可以根据业务的优先级和接入网络时间的长短进行排序，按照循序借用闲置的剩余令牌。 

若在一段时间内存在大量的突发业务，令牌桶以尖峰速率传送数据，很有可能是网络堵塞。因此在令牌桶之后加入漏桶，采用双桶结构，来降低尖峰速率。漏桶的输出速率大于令牌桶的额定输出速率但低于网络的带宽，即 λ_n≤μ_n＜B，漏桶的深度也要大于令牌桶的深度，这是由于突发业务的长度可能大于令牌的深度，而漏桶总是能够容纳突发业务，因此L＞S。突发业务分到的剩余带宽与自身的权值γ_n有关。γ_n的定义如公式(6)： 

${\mathrm{\γ}}_n=\frac{v_n}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{v}_j}---\left(6\right)$

式中j表示有突发业务的令牌桶。则突发业务n分到的剩余带宽为γ_n×B_left。因此最终突发业务的带宽为： 

$B_n={\mathrm{\μ}}_n={\mathrm{\λ}}_n+{\mathrm{\γ}}_n\×B_{\mathrm{left}}={\mathrm{\λ}}_n+\frac{v_n}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{v}_j}\×B_{\mathrm{left}}---\left(7\right)$

对于没有突发业务的令牌桶，其占用的带宽为B_i＝λ_i。 

若在某一时刻优先级较高的业务接入网络时，而此时的剩余带宽无法满足此业务的要求但又必须满足时，就要征用优先级较低的令牌，通过减少优先级较低的令牌桶的令牌，来保证优先级较高业务的需求。此时征用的条件与业务的权值有关，遵循基于业务权值的征用策略。假设高优先级业务的最低带宽需求为B_W，A_m是有突发业务的集合，A_n是无突发业务的集合，则高优先级业务的权值ω为： 

$\mathrm{\ω}=\frac{v_m}{\underset{m\∈A_m}{\mathrm{\Σ}}{v}_m+\underset{m\∈A_m}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_n}---\left(8\right)$

为此低优先级业务要为高优先级业务提供的令牌数为N＝ω×B_W。 

下面再以一个实例验证本发明的效果。 

本方法以卫星通信网络为仿真背景，在本方法的仿真中有3种业务类型，它们的各种初始化参数如表1所示，其中，各个令牌桶的参数如表2所示，各个漏桶的参数如表3所示。本方法的仿真约束为：①各个的业务的到达服从泊 松分布。②业务1、业务2和业务3的α取值为0.5。③业务1和业务2在10s和500s之间发送。④业务3在300s时进行发送。⑤仿真时间为600s。仿真后得到的对比图如图3-6所示。 

表1：业务参数 

表2：令牌桶参数 

表3：漏桶参数 

综上可得： 

1、本发明即可保证卫星通信网络中不同优先级业务的带宽需求，也能够公平的动态分配带宽，在满足高优先级业务的带宽需求的同时保证低优先级业务公平的获得带宽 

2、本发明能够最大化的利用带宽资源，减少带宽资源的浪费 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种卫星通信网络带宽分配方法，其特征在于，包括:

判断当前业务对应的令牌桶里令牌数是否满足业务的需求，

如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数满足所述业务的需求，则将该业务相关数据发送出去；

如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数不满所述足业务的需求，则检查其他令牌桶中是否有足够的剩余令牌来决定是否发送业务，

如果其他令牌桶中有足够的剩余令牌，则确定发送业务相关数据，

如果其他令牌桶中没有足够的剩余令牌，则确定不发送任何业务相关数据；

当令牌桶不满时，令牌桶进行令牌填充，并进行令牌的调整。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，还包括:如果令牌桶中填充的令牌数多于所述令牌桶最大的容量时，则溢出超出的令牌，并根据令牌桶的优先级，将所述溢出的令牌注入到海没有满的令牌桶中。

3.如权利要求1的方法，其特征在于，所述根据令牌桶的优先级，将所述溢出的令牌注入到还没有满的令牌桶中，具体为：

如果t₁＝f₁+f₂+…+f_n＞0，其中f_n为令牌桶溢出的令牌数，f_n＝χ_n-S_n，各个令牌桶的令牌数量为χ₁,χ₂,…,χ_n，，各个令牌桶存储令牌的最大数量分别为S₁,S₂,…,S_n，根据令牌桶优先级，将令牌注入到还没有满令牌桶中的优先级最高的的令牌桶中。

4.如权利要求1的方法，其特征在于，还包括：当在某一时段内由于突发业务的需求大于其保证带宽时，所述业务对应的令牌桶的带宽将无法满足业务的需求，则对带宽进行动态分配。

5.如权利要求1的方法，其特征在于，所述业务对应的令牌桶的带宽将无法满足业务的需求，则对带宽进行动态分配，具体为：

业务对应的令牌桶的带宽将无法满足业务的需求，根据业务的优先级和接入网络时间的长短进行排序，借用其他令牌桶的剩余令牌，为所述业务服务提供带宽。

6.如权利要求5的方法，其特征在于，还包括：所述业务获得的带宽为：

$B_n={\mathrm{\μ}}_n={\mathrm{\λ}}_n+{\mathrm{\γ}}_n\×B_{\mathrm{left}}={\mathrm{\λ}}_n+\frac{v_n}{\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{v}_j}\×B_{\mathrm{left}}$

其中，各个令牌桶的额定输出速率为λ₁,λ₂,…,λ_n，各个令牌桶的最大的输出速率分别为ν₁,ν₂，…,ν_n。

7.如权利要求1的方法，其特征在于，还包括：初始化各个令牌桶和漏桶，其中，在初始化时，各个令牌桶是满的，漏桶是空的。

8.如权利要求1的方法，其特征在于，还包括：如果当前业务对应的令牌桶里当前可用令牌数满足所述业务的需求以及还剩余多余令牌，则所述剩余的令牌为将来使用，或被其它令牌桶动态借用。

9.如权利要求1的方法，其特征在于，还包括：设置各个令牌桶的基本填充速率分别为φ₁,φ₂,…φ_n，各个令牌桶的最大填充速率为θ₁,θ₂,…,θ_n，则R与θ满足以下公式：R_n＝φ_n+α_n×(θ_n-φ_n)。