CN104184514B - 一种用于卫星网络的带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卫星网络的带宽分配方法，该方法通过业务的紧迫重要性、业务要求的服务质量QoS和星地链路的信道状态通过效用函数建立带宽分配模型来实现卫星通信网络链路状态变化条件下的高效带宽分配，通过结合星地链路的信道状态特点优化了卫星通信网络的吞吐量。该方法又采用了动态抢夺式带宽分配策略，因此在带宽资源不足时解决了一些特别重要和高优先级业务到来不能被服务的问题，进而公平对待没有得到需求带宽的业务，使每个业务都能得到最小带宽，从而改善了带宽分配的公平性。基于上述理由，本发明可在航天航空等领域广泛推广。

Description

一种用于卫星网络的带宽分配方法

技术领域

本发明是关于一种带宽分配方法，具体是关于一种用于卫星网路的基于业务特点和信道状态的动态抢夺式带宽分配方法(BFCS-DRBA，Business Features and ChannelState Dynamic Rob Bandwidth Allocation algorithm)。

背景技术

卫星网络资源管理技术的目标是在有限的带宽资源下，为终端用户提供优质的用户体验。由于卫星网络具有信道高误码、链路长时延和非对称信道等特点，通过研究设计合理有效的资源管理方法能够极大提高卫星网络的带宽利用率，并预防网络拥塞出现。

目前，针对卫星网络带宽分配方法的研究主要包括：(1)基于队列调度的带宽分配策略，如基于业务优先级的动态带宽分配方法，它的特点是设计思想简单，容易实现，适合一些特殊业务的服务要求，缺点是公平性差；(2)基于带宽共享的带宽分配方法，如基于博弈论的公平共享带宽的方法，该方法保证了带宽分配的公平性，但没有区分不同业务类型，过分强调公平，导致有些业务分配了多余需求的带宽，造成带宽资源浪费；(3)基于跨层的带宽分配方法，该方法综合考虑卫星网络各层因素对带宽分配的影响，提高了带宽利用率，但是，还未解决在带宽资源不足，如何满足高服务级别业务的服务质量，而且计算量大。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种按不同用户的业务类型和当前卫星网络的信道环境为接入用户分配带宽的用于卫星网路的基于业务特点和信道状态的动态抢夺式带宽分配方法。

本发明采用的技术手段如下：一种用于卫星网络的带宽分配方法，其包括以下步骤：1)卫星节点所在链路状态发生变化或新一轮用户申请带宽更新时，对卫星节点进行初始化，并计算卫星节点处的可用总带宽A；2)计算新到业务和前一次未能满足需求业务的带宽申请总带宽B；3)判断卫星节点处的可用总带宽A是否能够满足新到业务和前一次未能满足需求的业务带宽申请总带宽B；若A＞B，进入下一步，否则转到步骤5)；4)根据在数据链路层获得的数据帧 格式得到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度和业务类型，进而获得各业务对应的业务QoS服务等级，并先按照重要紧迫度由大到小，再按照业务QoS优先级由大到小进行带宽分配，直到A＝0；转到步骤7)；5)收集新到业务和前一次未能满足需求的业务特性和卫星链路信道状态信息；6)通过最优化效用函数带宽分配模型为新到业务和前一次未能满足需求的业务中每个业务分配带宽；7)根据不同类型业务在卫星网络传输中需要满足不同的最小需求带宽来判断为每一个业务分配的带宽是否满足其自身对带宽的要求；若不满足，则进入下一步，否则带宽分配结束；8)根据带宽分配后不满足需求的业务的重要紧迫度的大小，按照动态抢夺式方式进行带宽的释放和抢夺；9)再次判断为业务分配的带宽是否满足该业务对带宽的要求；若不满足进入下一步；否则，带宽分配结束；10)判断所得带宽不满足业务的重要紧迫度；若重要紧迫度为最高级别，则放弃对该业务的处理，带宽分配结束；否则将该业务的重要紧迫度上升一个级别，转到步骤2)中，作为步骤2)中前一次未能满足需求的业务，继续进行带宽分配。

所述步骤6)包括以下内容：最优化效用函数带宽分配模型采用效用函数u(x_i)将卫星节点所收集到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度参数m_i，业务QoS服务等级的优先级参数q_i和链路的信道状态参数s_i进行建立的；该效用函数u(x_i)需要同时满足非否、单调非减、一阶导数先增后减和有上界的条件，其最优化效用函数带宽分配模型如下：

其中，效用函数u(x_i)表示业务i在获得带宽资源数量为x_i时的满意程度；业务i表示新到业务和前一次未能满足需求的业务中第i个业务，且业务共n个，且n为正整数；x_i是相对应于业务i分配得到的带宽；α表示业务特性中重要紧迫度参数m_i所占权重的大小，β表示业务特性中业务QoS服务等级的优先级参数q_i所占权重的大小，且α+β＝1；b_i表示业务i请求分配的带宽量；单一一个业务的效用值大，并不能保证整个网络的效用最大化，因此将带宽分配优化问题转化为非线性规划问题进行最优化分配带宽，其分配模型如下：

其中，n表示新到业务和前一次未能满足需求的业务的总数量，A表示卫星节点处的可用总带宽。

所述步骤8)中，动态抢夺式方式的抢夺过程如下：①判断业务i的重要紧迫参数m_i，若m_i＝3或m_i＝2，则进入步骤②，若m_i＝1，则进入步骤③；②当m_i＝3或m_i＝2时，按照重要紧迫度参数m_i由大到小的顺序抢夺m_i＝1业务的带宽：经过步骤6)进行分配带宽后，设没有满足要求的带宽量的业务称为抢夺业务k；得到满足或得到过量带宽的业务称为被抢夺业务l，且k、l为正整数，表示在所有业务中的第k个，第l个业务；被抢夺业务l应满足的条件为其中，是经过按照步骤6)中进行分配带宽后被抢夺业务l当前分配得到的带宽，a_l是被抢夺业务l的最小需求带宽，a_k是抢夺业务k的最小需求带宽，m_i是抢夺业务k重要紧迫度参数；1表示带宽量纲；当被抢夺业务l不满足条件时，说明此时抢夺业务k只抢夺一个被抢夺业务l的剩余带宽不能满足要求，抢夺业务k需要抢夺多个业务的剩余带宽，并且当有多种方案可选择时，抢夺业务k抢夺的业务个数应满足最少原则；抢夺业务k只抢夺被抢夺业务l超过a_l的剩余带宽，被抢夺业务l最终分配带宽为x_l，x_l应满足条件为 进入步骤9)；③当m_i＝1时，先判断该m_i＝1业务的QoS服务等级，若为高QoS服务等级，则再抢夺信道状态差和QoS服务优先级低的业务所占用的带宽，进入步骤9)。

本发明具有以下优点：1、本发明以将卫星通信网络承载业务进行两层服务机制分类的基础上，在卫星网络带宽资源不足时，采用将业务特点(业务的紧迫重要性、业务要求的服务质量QoS)和星地链路的信道状态通过效用函数建立带宽分配模型来实现卫星通信网络链路状态变化条件下的高效带宽分配，又结合了星地链路的信道状态，因此解决了星地链路高误码、大衰减的信道特点的问题。2、本发明在业务优先级带宽分配算法的基础上将链路信道状态纳入带宽分配的考虑范围，用不同的编码效率表示不同的信道状态，并根据外部环境自适应选择码率。当信道状态差导致信号衰减较大时，选择较低的码率，校验位增加，使得一个时隙内发送较少的数据量；而信道状态好的链路可以分配较多 的带宽，以提高卫星通信网络的吞吐量；并根据外部环境自适应选择码率，因此本发明优化了卫星网络通信链路状态变化的适应能力。3、本发明由于采用了动态抢夺式带宽分配策略，因此在带宽资源不足时解决了一些特别重要和高优先级业务到来不能被服务的问题，进而公平对待没有得到需求带宽的业务，使每个业务都能得到最小带宽，从而改善了带宽分配的公平性。基于上述理由本发明可以在航天航空等领域广泛推广。

附图说明

图1是本发明的跨层设计思想的示意图

图2是基于信道状态的卫星网络示意图

图3是本发明的动态抢夺式带宽分配方法的工作流程示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，对卫星通信系统来说，本发明是在数据链路层构建受应用层QoS(Quality of Service，服务质量)和物理层信道状态影响，在数据链路层建立带宽分配的效用函数，利用最优化理论实现跨层带宽分配。本发明的跨层设计是从链路层出发结合物理层、应用层信息进行的。跨层设计思路是在传统协议层中合理使用其它层的相关信息来最优化本层的决策，这样能够很好地利用相关有用信息进行系统整体优化，从而提高系统整体性能。

本发明是基于卫星通信网络承载业务，在传输层分成两层服务机制，先对重要紧迫度参数高的业务分配带宽，再考虑QoS服务级别高的业务；当带宽资源满足当前业务要求的带宽资源时，采用常规的业务优先级的带宽分配方法，当带宽资源不足时，采用本发明进行带宽分配。

其中，如表1所示，两层服务机制是按照业务的重要性和紧迫度进行分类的，并按照重要紧迫度从大到小的分为VIUP(Very Important and Urgent Personal，特别重要紧迫业务)业务和CIUP(Common Important and Urgent Personal，一般重要紧迫业务)，VIUP业务可以包括指导一场特殊战争、抢险救灾等，但VIUP业务在总的业务中所占比例较低；CIUP业务为不是重要紧迫业务的称为一般业务；并采用重要紧迫度参数m_i表示业务的重要紧迫度大小，数值越大表示业务的重要紧迫度越大。上述两层服务机制的业务为本领域技术人员常用的技术手段，故不再详述。

表1 业务重要紧迫度参数

业务按重要紧迫度分类	业务重要紧迫度参数mi
		VIUP业务	2
CIUP业务	1

如表2所示，VIUP业务和CIUP业务又分别包括QoS服务等级由高到低的五个业务类型，即视频业务、语音业务、游戏业务、HTTP(HTTP-Hypertext transfer protocol，超文本传输协议)业务和FTP(File Transfer Protocol，文件传输协议)业务，并采用优先级参数q_i表示QoS服务等级，数值越大表示QoS服务等级越高。

表2 不同业务类型的QoS服务等级和优先级参数

业务类型	QoS服务等级	优先级参数qi
			视频业务	5	2
语音业务	4	1.75
			游戏业务	3	1.5
HTTP业务	2	1.25
			FTP业务	1	1

上述业务的重要紧迫程度和QoS服务等级统称为业务特性。

如图3所示，本发明包括以下步骤：

1)卫星节点所在链路状态发生变化或新一轮用户申请带宽更新时，对卫星节点进行初始化，并计算卫星节点处的可用总带宽A，且A的单位为Mbit/s；

2)计算新到业务和前一次未能满足需求业务的带宽申请总带宽B，且B的单位为Mbit/s；

3)判断卫星节点处的可用总带宽A是否能够满足新到业务和前一次未能满足需求的业务带宽申请总带宽B，即是否A＞B；若A＞B，进入下一步，否则转到步骤5)；

4)根据在数据链路层获得的数据帧格式得到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度和业务类型，进而获得各业务对应的业务QoS服务等级，并按照常规的业务优先级的带宽分配方法，即先按照重要紧迫度参数m_i由大到小，再按照QoS服务等级由高到低，即优先级参数q_i由大到小的业务进行带宽分配，直到A＝0；转到步骤7)；

5)采用本发明进行处理：收集新到业务和前一次未能满足需求的业务特性和卫星链路信道状态信息，其中，采用卫星链路的信道状态参数s_i表示卫星链路信道状态信息。如图2和表3所示，在不同环境下的用户业务终端的链路的信道状态，并采用编码效率来表示。

表3 链路的信道状态参数表

不同环境	si
		暴风雨	1/2
大雾霾	2/3
		小雨	3/4
多云	4/5
		晴朗	7/8

6)通过最优化效用函数带宽分配模型为新到业务和前一次未能满足需求的业务中每个业务分配带宽；

最优化效用函数带宽分配模型采用效用函数u(x_i)将卫星节点所收集到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度参数m_i、业务QoS服务等级的优先级参数q_i和链路的信道状态参数s_i进行建立的。该效用函数u(x_i)需要同时满足非否、单调非减、一阶导数先增后减和有上界的条件，其最优化效用函数带宽分配模型如下：

其中，效用函数u(x_i)表示业务i在获得带宽资源数量为x_i时的满意程度；业务i表示新到业务和前一次未能满足需求的业务中第i个业务，且业务共n个，且n为正整数。x_i是相对应于业务i分配得到的带宽；α表示业务特性中重要紧迫度参数m_i所占权重的大小，β表示业务特性中业务QoS服务等级的优先级参数q_i所占权重的大小，且α+β＝1；b_i表示业务i请求分配的带宽量。

单一一个业务的效用值大，并不能保证整个网络的效用最大化，因此将带宽分配优化问题转化为非线性规划问题进行最优化分配带宽，其分配模型如下：

其中，n表示新到业务和前一次未能满足需求的业务的总数量，A表示卫星节点处的可用总带宽。

7)根据不同类型业务在卫星网络传输中需要满足不同的最小需求带宽来判断为每一个业务分配的带宽是否满足其自身对带宽的要求；若不满足，则进入下一步，否则带宽分配结束；

8)根据带宽分配后不满足需求的业务的m_i值的大小，按照动态抢夺式方式(DRBA，Dynamic Rob Bandwidth Allocation)进行带宽的释放和抢夺。动态抢夺式方式主要针对重要紧迫业务或高QoS业务，在没有得到带宽或所得带宽不满足要求时的情况，使其可以依据带宽抢夺原则抢夺低优先级业务已经占用的带宽。因此，动态抢夺式方式的带宽分配方法解决了在带宽资源不足时一些特别重要和高优先级业务到来不能被服务的问题，进而公平对待没有得到需求带宽的业务，使每个业务都能得到最小带宽。

需要说明的是，本发明采用静态和动态互相结合的方式：定义静态时，在传输层的业务层区分为两类业务即VIUP业务m_i＝2和CIUP业务m_i＝1；在数据链路层带宽分配时，从数据帧中收集到业务的重要紧迫参数m_i，当业务未分配带宽是m_i＝2或m_i＝1，第一次为业务分配带宽完成后，若有业务没能得到满足的带宽，则对该类业务的重要紧迫参数m_i进行升级加1，直到m_i＝3。既对那些在上次未得到满足带宽的业务优先进行分配，又避免长时间未能得到满足带宽的业务在缓存中排队过长而丢失，从而导致数据丢包。

动态抢夺式方式的抢夺过程如下：

①判断业务i的重要紧迫参数m_i，若m_i＝3或m_i＝2，则进入步骤②，若m_i＝1，则进入步骤③；

②当m_i＝3或m_i＝2时，按照重要紧迫度参数m_i由大到小的顺序抢夺m_i＝1业务的带宽：

按照步骤6)中的公式(2)进行分配带宽后，没有满足要求的带宽量的业务称为抢夺业务k；得到满足或得到过量带宽的业务称为被抢夺业务l，且k、l 为正整数，表示在所有业务中的第k个，第l个业务。

被抢夺业务l满足的条件为其中，是经过按照步骤6)中的公式(2)进行分配带宽后被抢夺业务l当前分配得到的带宽，a_l是被抢夺业务l的最小需求带宽，a_k是抢夺业务k的最小需求带宽，m_i是抢夺业务k重要紧迫度参数；1表示带宽量纲。设定a_k+m_k×1是为了防止有的业务带宽最小请求不合理或没有最小请求情况的结果，从而导致有些业务分配不到带宽。

当被抢夺业务l不满足条件时，此时抢夺业务k只抢夺一个被抢夺业务l的剩余带宽不能满足要求，抢夺业务k需要抢夺多个业务的剩余带宽，当有多种方案可选择时，抢夺业务k抢夺的业务个数应满足最少原则，即抢夺业务k通过抢夺两个业务的方案能达到自己对带宽的需求，就不采用通过抢夺多于两个业务以上的方案。然而，在判断时，则判断为该业务分配带宽满足要求；当多个业务都满足被抢夺条件时，优先抢夺重要紧迫度低的信道状态差的业务所占用的带宽，其次抢夺QoS服务级别低的业务；抢夺业务k只抢夺被抢夺业务l超过a_l的剩余带宽，被抢夺业务l最终分配带宽为x_l，x_l应满足条件为进入下一步；

③当m_i＝1时，先判断该m_i＝1业务的QoS服务等级，若为高QoS服务等级，则再抢夺信道状态差和QoS服务优先级低的业务所占用的带宽，进入下一步；

9)再次根据不同类型业务在卫星网络传输中需要满足不同的最小需求带宽来判断为每一个业务分配的带宽是否满足其自身对带宽的要求；若不满足进入下一步；否则，带宽分配结束；

10)判断带宽不满足业务的重要紧迫度参数m_i，若m_i＝3，则说明该业务是上次带宽分配没能得到满足带宽的业务，又进入这次带宽分配的，该业务至少在带宽分配中循环了两次，也是容易丢失的业务，所以不在进入下一次带宽分配，否则会出现无休止状态，因此放弃对该业务的处理，带宽分配结束；否则，将该业务的重要紧迫度参数m_i加1，转到步骤2)中，作为步骤2)中前一次未能满足需求的业务，继续进行带宽分配。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于卫星网络的带宽分配方法，其包括以下步骤：

1)卫星节点所在链路状态发生变化或新一轮用户申请带宽更新时，对卫星节点进行初始化，并计算卫星节点处的可用总带宽A；

2)计算新到业务和前一次未能满足需求业务的带宽申请总带宽B；

3)判断卫星节点处的可用总带宽A是否能够满足新到业务和前一次未能满足需求的业务带宽申请总带宽B；若A＞B，进入下一步，否则转到步骤5)；

4)根据在数据链路层获得的数据帧格式得到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度和业务类型，进而获得各业务对应的业务QoS服务等级，并先按照重要紧迫度由大到小，再按照业务QoS优先级由大到小进行带宽分配，直到A＝0；转到步骤7)；

5)收集新到业务和前一次未能满足需求的业务特性和卫星链路信道状态信息；

6)通过最优化效用函数带宽分配模型为新到业务和前一次未能满足需求的业务中每个业务分配带宽，最优化效用函数带宽分配模型采用效用函数u(x_i)将卫星节点所收集到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度参数m_i，业务QoS服务等级的优先级参数q_i和链路的信道状态参数s_i进行建立的；该效用函数u(x_i)需要同时满足非否、单调非减、一阶导数先增后减和有上界的条件，其最优化效用函数带宽分配模型如下：

$u\left(x_i\right)=({\mathrm{\αm}}_i+{\mathrm{\βq}}_i)ln(1+\frac{x_i}{b_i})+ln(1+s_i\frac{x_i}{b_i})$

其中，效用函数u(x_i)表示业务i在获得带宽资源数量为x_i时的满意程度；业务i表示新到业务和前一次未能满足需求的业务中第i个业务，且业务共n个，且n为正整数；x_i是相对应于业务i分配得到的带宽；α表示业务特性中重要紧迫度参数m_i所占权重的大小，β表示业务特性中业务QoS服务等级的优先级参数q_i所占权重的大小，且α+β＝1；b_i表示业务i请求分配的带宽量；

单一一个业务的效用值大，并不能保证整个网络的效用最大化，因此将带宽分配优化问题转化为非线性规划问题进行最优化分配带宽，其分配模型如下：

$\underset{x_1,x_2,...,x_n}{max}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}u\left(x_i\right)$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i\≤A\\ x_i\≥a_i(1\≤i\≤n)\end{array}\right.$

其中，n表示新到业务和前一次未能满足需求的业务的总数量，A表示卫星节点处的可用总带宽，α_i表示业务需要的最小带宽量；

7)根据不同类型业务在卫星网络传输中需要满足不同的最小需求带宽来判断为每一个业务分配的带宽是否满足其自身对带宽的要求；若不满足，则进入下一步，否则带宽分配结束；

8)根据带宽分配后不满足需求的业务的重要紧迫度的大小，按照动态抢夺式方式进行带宽的释放和抢夺，动态抢夺式方式的抢夺过程如下：

①判断业务i的重要紧迫参数m_i，若m_i＝3或m_i＝2，则进入步骤②，若m_i＝1，则进入步骤③；

②当m_i＝3或m_i＝2时，按照重要紧迫度参数m_i由大到小的顺序抢夺m_i＝1业务的带宽：

经过步骤6)进行分配带宽后，设没有满足要求的带宽量的业务称为抢夺业务k；得到满足或得到过量带宽的业务称为被抢夺业务l，且k、l为正整数，表示在所有业务中的第k个，第l个业务；被抢夺业务l应满足的条件为其中，是经过按照步骤6)中进行分配带宽后被抢夺业务l当前分配得到的带宽，a_l是被抢夺业务l的最小需求带宽，a_k是抢夺业务k的最小需求带宽，m_i是抢夺业务k重要紧迫度参数；1表示带宽量纲；当被抢夺业务l不满足条件时，说明此时抢夺业务k只抢夺一个被抢夺业务l的剩余带宽不能满足要求，抢夺业务k需要抢夺多个业务的剩余带宽，并且当有多种方案可选择时，抢夺业务k抢夺的业务个数应满足最少原则；抢夺业务k只抢夺被抢夺业务l超过a_l的剩余带宽，被抢夺业务l最终分配带宽为x_l，x_l应满足条件为进入步骤9)；

③当m_i＝1时，先判断该m_i＝1业务的QoS服务等级，若为高QoS服务等级，则再抢夺信道状态差和QoS服务优先级低的业务所占用的带宽，进入步骤9)；

9)再次判断为业务分配的带宽是否满足该业务对带宽的要求；若不满足进入下一步；否则，带宽分配结束；

10)判断所得带宽不满足业务的重要紧迫度；若重要紧迫度为最高级别，则放弃对该业务的处理，带宽分配结束；否则将该业务的重要紧迫度上升一个级别，转到步骤2)中，作为步骤2)中前一次未能满足需求的业务，继续进行带宽分配。