CN109672625A

CN109672625A - 一种优化时延的低轨卫星馈电负载均衡方法及系统

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Publication number: CN109672625A
Application number: CN201811318759.9A
Authority: CN
Inventors: 张小卉; 郑韶雯; 周卫华; 汪永明
Original assignee: Institute of Information Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Information Engineering of CAS
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-04-23

Abstract

本发明公开了一种优化时延的低轨卫星馈电负载均衡方法及系统。本方法为：1)空间路由器的链路参数测量单元获取并上报SDN控制器所需的状态参数信息；2)SDN控制器中负载均衡策略管理单元根据收到的所述状态参数信息生成负载均衡策略；3)SDN控制器根据负载均衡策略生成流表并下发到对应空间路由器中。得益于SDN控制器的全局视角，以及强大的存储计算能力，负载均衡策略管理单元可以得到系统最优的链路传输数据量；随后通过网络拓扑信息以及相应的路由算法制定路由策略最终得到天基路由器以及地基路由器之间的馈电链路负载均衡策略。完成上述步骤后，更新相应路由器流表。

Description

一种优化时延的低轨卫星馈电负载均衡方法及系统

技术领域

本发明属于卫星通信领域，涉及馈电链路的负载均衡路由方法，是一种基于网络状态的负载均衡路由方法。

背景技术

卫星通信技术可以帮助陆地通信网络提高可扩展性以及灵活性，3GPP在下一代新服务和市场的服务要求(TS22.261)中要求5G系统应能够使用卫星接入提供服务。与中轨卫星(MEO)和地球静止轨道卫星(GEO)相比，低轨卫星(LEO)具有更好的信号质量和更短的传播延迟，引起了极大的关注。然而，卫星的特性增加了保证网络服务质量(QoS)的困难，尤其是连接空间基站以及地面控制器的馈电(feeder)链路。一方面，全球流量分布不均导致馈电链路负载不均衡。另一方面，卫星的高移动性导致的馈电链路传输能力等高度变化则加剧了这一现象。这使得负载均衡在传播延迟更长的馈电链路中更加重要。

常用的负载均衡路由算法如链路状态路由算法，利用图论中的最短路径算法来计算网络中两结点之间的最佳路径。但是该类算法假设路径相互独立，互不干扰，因此只简单地为结点选择最优的转发路径，但由于卫星存储计算能力有限，这种方式只能实现局部优化，缺乏从全局的角度优化网络性能。

本发明提出了一种利用软件定义网络(SDN)技术实现网络的管理及控制，在集中控制器中基于全网的网络状态生成馈电链路的路由方法，利用全局视角不仅能减小结点间时延，并且可以保证系统的网络服务质量，实现馈电网络负载均衡。

发明内容

为了实现全局最优化的负载均衡，本发明提出了一个基于SDN技术将数据平面以及控制平面分离的卫星通信网络构架，以实现有效的数据采集、策略制定和资源管理等服务。系统构架如图1所示，终端通过空间基站接入天基网络，天基网由多颗搭载着空间基站以及空间路由器的低轨卫星组成，主要功能有：终端到核心网的接入服务、卫星间通过星间链路的控制信令和数据交换服务、卫星与SDN控制器的控制信令交换服务等。地基网主要由地基路由器、地基核心网等组成。空间路由器以及地基路由器均支持OpenFlow协议，受SDN控制器控制，负责数据的转发以及网络信息的收集上报。SDN控制器部署在地基网络中，与地基路由器通过光纤进行通信，与空间路由器通过馈电链路进行通信，从而为系统提供集中控制和管理功能。

本发明利用星间链路转发部分重载馈电链路流量到轻载馈电链路来实现负载均衡，具体负载均衡策略由位于SDN控制器中负载均衡策略管理单元生成。空间路由器的链路参数测量单元采集上报负载均衡策略管理单元所需的状态参数信息。得益于SDN控制器的全局视角，以及强大的存储计算能力，负载均衡策略管理单元可以得到系统最优的链路传输数据量。随后通过网络拓扑信息以及相应的路由算法制定路由策略最终得到天基路由器以及地基路由器之间的馈电链路负载均衡策略。完成上述步骤后，更新相应路由器流表(Flow Table)。

本发明的技术方案为：

一种优化时延的低轨卫星馈电负载均衡方法，其步骤包括：

1)空间路由器的链路参数测量单元获取并上报SDN控制器所需的状态参数信息；

2)SDN控制器中负载均衡策略管理单元根据收到的所述状态参数信息生成负载均衡策略；

3)SDN控制器根据负载均衡策略生成流表并下发到对应空间路由器中。

进一步的，所述状态参数信息包括星间链路状态信息、馈电链路状态信息、空间路由器状态信息。

进一步的，所述空间路由器状态信息包括时间片t时卫星i的待传输数据量和卫星i的可视时间根据卫星i的轨道高度和运行速度计算得到该卫星i的所述可视时间所述馈电链路状态信息包括时间片t时，空间路由器i与地面路由器相连的馈电链路最大传输速率

进一步的，负载均衡策略管理单元生成所述负载均衡策略的方法为：首先根据馈电链路最大传输速率以及可视时间计算第i条馈电链路传输能力然后根据馈电链路能力以及实际待传输数据量计算系统目标函数α_i以及γ_i为系数因子，n为空间路由器总数，是馈电链路的时延模型；每一空间路由器与地面路由器之间具有一馈电链路，每一卫星包括一空间基站和一空间路由器；然后计算目标函数U最大化的值，得到系统拓扑中时刻t时第i条馈电链路的最佳传输数据量然后根据得到的各最佳传输数据量制定时间片t时的负载均衡策略Tran^t。

进一步的，所述时延模型其中，为传输时延，为转发时延，D_i是卫星运行轨道高度，c是电磁波传播速率。

进一步的，通过拉格朗日乘子法求解所述最佳传输数据量其中λ为朗格朗日乘子。

进一步的，根据得到的各最佳传输数据量制定时间片t时的负载均衡策略Tran^t的方法为：a)初始化b)计算连接到同一地基网络的n条馈电链路实际待传输数据量和链路的最佳传输量之间的差值得到c)将差值最大的馈电链路a的部分多余数据fwd转发到差值最小的馈电链路b上，更新Tran^t＝Tran^t+{a→b,fwd}以及馈电链路上的实际待传输数据量；d)计算更新后的馈电链路实际待传输数据量和链路的最佳传输量之间的差值；重复上述步骤c)至d)，直到max{S^t}≤0，则得到负载均衡策略Tran^t。

进一步的，馈电链路a转发到馈电链路b的转发数量为为t时刻馈电链路a实际待传输数据量和最佳传输量之间的差值，为t时刻馈电链路b实际待传输数据量和最佳传输量之间的差值。

进一步的，所述负载均衡策略更新发生在以下几种情况：a)时间片发生切换；b)卫星接入或切出网络；c)链路故障或者恢复；d)卫星节点故障或者恢复。

一种优化时延的低轨卫星馈电负载均衡系统，其特征在于，包括天基网络和地基网，天基网络包括若干卫星终端，每一卫星包括一空间基站和一空间路由器，每一空间路由器与地面路由器之间具有一馈电链路；地基网包括地基路由器、地基核心网；地基路由器和各空间路由器均与SDN控制器连接；其中，空间路由器的链路参数测量单元获取并上报SDN控制器所需的状态参数信息，SDN控制器中负载均衡策略管理单元根据收到的所述状态参数信息生成负载均衡策略，然后根据负载均衡策略生成流表并下发到对应空间路由器中。

本发明针对天基网络以及地基网络之间的馈电部分的时延优化问题，提出如下负载均衡方案，该方案将传统的天地一体化构架与SDN技术结合以实现全局负载均衡，本发明的系统构架如图1所示。

1.相关参数采集与监测

本发明基于网络状态执行最佳的路由策略以保证馈电链路的QoS，优化时延，实现负载均衡。为了避免不合理的转发导致额外的排队时延，空间路由器需要采集馈电链路状态，并确定馈电链路的数据传输数量，空间路由器如图2所示。

空间路由器包含通信接口单元、星间链路状态采集检测单元、馈电链路状态采集检测单元、星间链路状态管理与存储单元、馈电链路状态管理与存储单元、空间路由器状态采集检测单元、路由器状态管理与存储单元。

其中，通信接口模块负责卫星间、卫星与地基网络之间的数据或者控制信息通信。

星间链路状态采集检测单元、馈电链路状态采集检测单元分别采集星间链路以及馈电链路诸如最大传输速率，信道质量等相关信息并定时检测链路信息，监测链路质量。相关信息被分别存储到星间链路状态管理与存储单元以及馈电链路状态管理与存储单元。

路由器状态采集检测单元采集诸如待传输数据量、卫星轨道高度、运行速度等相关数据并定时监测。相关信息被存储到路由器状态管理与存储单元。具体步骤包括：

1)在一个快照内的时间片t时，空间路由器i中的路由器状态采集单元采集实际待传输数据量卫星运行轨道高度h、运行速度v，地基路由器对卫星仰角要求E等参数。计算可视最大星下角卫星可近似为匀速圆周运动，则它的可视时间将可视时间以及实际待传输数据量等信息上报SDN控制器；

2)链路状态采集单元采集在时间片t时与地面路由器相连的馈电链路最大传输速率并检测星间链路状态等信息上报SDN控制器。

2.负载均衡策略的确定

SDN控制器根据采集到的相关参数以及生成的网络拓扑，运算得到负载均衡策略。SDN控制器如图3所示。

SDN控制器包含通信接口单元、网络拓扑管理单元、负载均衡策略管理单元以及存储计算单元。其中，通信接口单元负责SDN控制器与空间路由器、地基路由器之间的通信功能。

存储计算单元有强大的存储计算能力，负责控制器中的数据存储以及运算功能。

网络拓扑管理单元接收到馈电链路，星间链路，空间路由器等相关信息后利用存储计算单元得到网络拓扑图，并进行管理。

负载均衡策略管理单元利用存储计算单元生成相关的负载均衡策略，具体步骤如下：

1)馈电链路传输数据量的确定

a)根据空间路由器上报的馈电链路最大传输速率以及可视时间计算馈电链路传输能力

b)SDN控制器根据馈电链路能力以及实际待传输数据量计算系统目标函数：

其中，α_i以及γ_i是对应的系数因子，可以根据系统目标变化。是馈电链路的时延模型，包括传输时延以及转发时延计算公式如下：

其中D_i是卫星运行轨道高度，c是电磁波传播速率。

c)SDN控制器计算该系统拓扑中时刻t时第i条馈电链路最佳传输数据量即为使步骤4中系统目标函数U最大化的值：

上式可以通过拉格朗日乘子法求解，其中λ为朗格朗日乘子。

详细流程如图4所示。

2)制定负载均衡策略

负载均衡策略将实际待传输数量中超出馈电链路的最佳传输数量的部分通过星间链路分流转发到其他馈电链路上。SDN控制器制定时间片t时的负载均衡策略Tran^t，即确定超额待传输数据的去向，然后生成流表并下发，具体流程如图5所示，步骤包括：

a)初始化负载均衡策略组

b)计算连接到同一地基网络的n个卫星的馈电链路实际待传输数据量和链路的最佳传输量之间的差值得到

c)差值最大的馈电链路a的部分多余数据将被转发到差值最小的馈电链路b上。计算具体转发数量

d)记录负载均衡策略：Tran^t＝Tran^t+{a→b,fwd}；

e)更新馈电链路上的实际待传输数据量。

f)计算更新过后的馈电链路实际待传输数据量和链路的最佳传输量之间的差值；

g)重复上述步骤c)至f)，直到max{S^t}≤0，则得到负载均衡策略Tran^t。

h)负载均衡策略Tran^t即为匹配的源、目的馈电链路以及待转发数据量，在本发明中所有馈电链路连接同一个地基网络，故源、目的馈电链路可以视为源、目标空间路由器。即源空间路由器馈电链路上部分多余数据将通过目的空间路由器馈电链路进行传输。源、目的空间路由器之间的路由策略可以根据测量得到的星间链路状态利用诸如dijkstra等算法得到最短路径树(shortest path tree)生成。

3.触发负载均衡策略

在离散化时间下，网络拓扑在每个时间片内被假设是稳定的，但由于卫星切换，链路和节点故障等原因，链路和节点的状态在一段时间内可能会发生变化，此时将触发我们的负载均衡策略，流表也相应的需要被更新。负载均衡策略更新发生在以下几种情况下：

1)时间片切换：上一个时间片结束，开始新的时间片；

2)卫星切换：卫星由于可预测的移动或者其他原因而接入或切出网络；

3)链路故障或者恢复：链路因为天气或其他原因造成的不可用或者恢复；

4)节点故障或者恢复：卫星节点由于某些原因造成的不可用。

当上述情况发生，控制器收到流表更新通知，则执行流表更新，流程如下：

1)重建网络拓扑：控制器发现网络拓扑；

2)更新网络状态信息：利用得到的拓扑信息以及所有链路的状态信息；

3)重新计算最佳传输数量：利用上述第一节的内容确定最佳传输量

4)重新计算负载均衡策略：利用上述第二节的内容生成负载均衡策略Tran^t，并利用最短路径算法生成最短路径树得到流表；

5)流表下发：将流表下发到对应空间路由器中，数据包通过匹配路由器流表项，实现数据包的有效调度。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明所述方法，一方面可以实现全局性动态负载均衡，保证了不同馈电链路的时延相近，另一方面实现了馈电链路系统级时延优化，大大地减小了重载的馈电链路时延，降低了整体时延过大这种情况出现的概率，从而不仅保证不同馈电链路上用户的公平性，也减少馈电链路数据包时延过大的概率。

附图说明

图1为本发明的系统构架；

图2为空间路由器逻辑实体结构示意图；

图3为SDN控制器逻辑实体结构示意图；

图4为馈电链路传输数据量求解流程图；

图5为负载均衡策略制定流程图；

图6为本发明的流程图；

图7为具体实施方案流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例是根据本发明提出的优化时延的低轨卫星馈电链路负载均衡方法的一种实现情况。在该实例中使用的SDN协议为OpenFlow，流表更新由卫星接入请求触发。

1.当卫星进入到地面地基网的可视距离时，向地基网控制器发送接入请求，建立连接并上报卫星ID、待发送数据量、运行轨道高度、运行速度等参数至SDN控制器；

2.拓扑更新：控制器收到接入请求后借助LLDP(Link Layer DiscoveryProtocol)协议发现路由器之间的连接状态，控制器推送给每个交换机一个packet_out消息，指示交换机向所有的端口发出LLDP报文。然而，由于当前卫星是新接入网络的卫星，因此收到LLDP报文的交换机的流表中没有和LLDP报文匹配的流表项(Flow Entry)。它将收到的LLDP报文封装为packet_in消息发送给控制器，控制器收到路由器传过来的信息后进行如下处理：

a)对路由器的一些信息进行解析，获得各个路由器的源和目标物理地址、源IP和目标IP地址、源和目标端口。

b)基于第一步获取的各个路由器的地址，确定传输数据包的源节点和目标节点，得到全局范围内的网络拓扑。

3.控制器通过下发Port statistics消息可以获得交换机端口的统计信息，得到带宽，传输速率，可视时间等数据。

4.SDN控制器根据接收到的信息计算该时间段内馈电链路传输能力，根据待发送数据量、链路传输能力计算系统函数得到每条馈电链路的最佳传输数据量

5.SDN控制器根据每条馈电链路的最佳传输数量生成负载均衡策略。计算每条馈电链路实际待传输数据量和链路的最佳传输量之间的差值，将差值最大的馈电链路的多余数据转发到差值最小的馈电链路上。然后更新馈电链路上的实际待传输数据量，继续匹配，直到所有多余流量都被匹配完成。得到待转发的源，目的馈电链路，利用诸如最短路径算法得到最短路径树，生成更新后的流表。

6.控制器向天基路由器下发流表。

7.天基路由器根据更新后的流表进行匹配并转发。

综上所述，本发明公开了一种优化时延的低轨卫星馈电链路负载均衡方法及系统。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。显然，本领域的普通技术人员可以对本发明的示例进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和原则。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种优化时延的低轨卫星馈电负载均衡方法，其步骤包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态参数信息包括星间链路状态信息、馈电链路状态信息、空间路由器状态信息。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述空间路由器状态信息包括时间片t时卫星i的待传输数据量和卫星i的可视时间根据卫星i的轨道高度和运行速度计算得到该卫星i的所述可视时间所述馈电链路状态信息包括时间片t时，空间路由器i与地面路由器相连的馈电链路最大传输速率

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，负载均衡策略管理单元生成所述负载均衡策略的方法为：首先根据馈电链路最大传输速率以及可视时间计算第i条馈电链路传输能力然后根据馈电链路能力以及实际待传输数据量计算系统目标函数 α_i以及γ_i为系数因子，n为空间路由器总数，是馈电链路的时延模型；每一空间路由器与地面路由器之间具有一馈电链路，每一卫星包括一空间基站和一空间路由器；然后计算目标函数U最大化的值，得到系统拓扑中时刻t时第i条馈电链路的最佳传输数据量然后根据得到的各最佳传输数据量制定时间片t时的负载均衡策略Tran^t。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时延模型其中，为传输时延，f_i ^t为转发时延，D_i是卫星运行轨道高度，c是电磁波传播速率。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过拉格朗日乘子法求解所述最佳传输数据量其中λ为朗格朗日乘子。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据得到的各最佳传输数据量制定时间片t时的负载均衡策略Tran^t的方法为：a)初始化b)计算连接到同一地基网络的n条馈电链路实际待传输数据量和链路的最佳传输量之间的差值得到c)将差值最大的馈电链路a的部分多余数据fwd转发到差值最小的馈电链路b上，更新Tran^t＝Tran^t+{a→b,fwd}以及馈电链路上的实际待传输数据量；d)计算更新后的馈电链路实际待传输数据量和链路的最佳传输量之间的差值；重复上述步骤c)至d)，直到max{S^t}≤0，则得到负载均衡策略Tran^t。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，馈电链路a转发到馈电链路b的转发数量为为t时刻馈电链路a实际待传输数据量和最佳传输量之间的差值，为t时刻馈电链路b实际待传输数据量和最佳传输量之间的差值。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载均衡策略更新发生在以下几种情况：a)时间片发生切换；b)卫星接入或切出网络；c)链路故障或者恢复；d)卫星节点故障或者恢复。

10.一种优化时延的低轨卫星馈电负载均衡系统，其特征在于，包括天基网络和地基网，天基网络包括若干卫星终端，每一卫星包括一空间基站和一空间路由器，每一空间路由器与地面路由器之间具有一馈电链路；地基网包括地基路由器、地基核心网；地基路由器和各空间路由器均与SDN控制器连接；其中，空间路由器的链路参数测量单元获取并上报SDN控制器所需的状态参数信息，SDN控制器中负载均衡策略管理单元根据收到的所述状态参数信息生成负载均衡策略，然后根据负载均衡策略生成流表并下发到对应空间路由器中。