CN110518958B - 一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，包括如下步骤：(1)在跳波束中进行两级寻址标签交换；(2)根据波位端口队列状态动态调度跳波束的跳变方式。本发明使用两级寻址标签交换的方法解决跳波束对应端口多、寻址困难的问题，利用基于队列状态的动态分组调度方法提高跳波束资源利用率，提高系统服务质量，更好地满足用户的通信需求。

Description

一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法。
背景技术
新一代卫星通信系统中常采用多点波束技术实现容量扩展，在此基础上人们提出了一种相控阵捷变波束技术，又称跳波束技术，使波束的服务区在整个覆盖区内不断发生变化，通过分时的方式覆盖所有服务区。波束能够覆盖到的每个服务区称为一个波位，在不同时隙覆盖不同服务区的方式形成跳波束图案。通常，由星载网控根据一定的规则生成帧计划和跳波束图案，并通过一定的参数控制跳波束的跳变。另外，跳波束内的传输体制在上下行都采用时分体制，即用户的数据收发都是时分的。用户只有当在自己的通信时隙中跳波束正好覆盖所在区域时，才能正常实现数据收发，跳波束工作方式如图1所示。
相比点波束，跳波束在进行资源分配时有其特殊之处，下行信号要进行时间的划分，保证星上交换之后发送到当前波束的信息在正确的时间内到达，而普通的点波束下行信号对信息的到达时间则没有这种要求。现有星上交换体制针对点波束的设计中，星上交换端口与点波束服务区一一对应，交换机处理报文时只要根据报文地址和输入端口，查找星上转发表即可确定报文要发出的端口；而使用跳波束时，跳波束覆盖的每个服务区都对应一个输出端口，当服务区数目众多时，将使星载交换机的输出端口数量大增，这对于资源本来就稀缺的星载设备而言非常不利，甚至无法实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，能够保证业务的优先级和服务质量要求。
为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，包括如下步骤：
(1)在跳波束中进行两级寻址标签交换；
(2)根据波位端口队列状态动态调度跳波束跳变方式。
优选的，步骤(1)中，在跳波束中进行两级寻址的标签交换过程具体为：星载路由交换机将跳波束中的每个波位看作一个端口，为每个波位维持一个队列；第一级设置一个8*8的寻址结构，根据报文的IP地址利用路由表查找得到8个输出端口中的一个；当输出端口为跳波束端口时，第二级设置一个端口映射单元，通过查找SRAM标签端口映射表，以报文携带的跳波束标签得到对应的输出波位端口。
优选的，SRAM标签端口映射表中的表项包括标签和波位端口，保存已分配标签与转发的波位端口之间的映射关系。
优选的，步骤(1)中，标签交换的标签包括两部分：n位标签空间识别码和m位标签值。
优选的，步骤(2)中，跳波束中的不同波位在星载路由交换机中对应不同的端口，每个端口设置相应的队列存储发向不同波位用户的分组；交换结构在进行分组转发时，查看每个波位对应的队列状态，将队列长度信息提供给星载网控，星载网控根据每个波位的业务量情况安排波束的跳变图案；交换结构采用WRR调度算法，其中的权重值由星载网控根据队列长度进行动态调整。
优选的，权重值由星载网控进行动态调整具体为：用户按照业务类型和需求为报文设置优先级，且每个波位队列分配一个权重值；初始状态时，所有队列权重值相同，调度方式退化为轮转方式，当某个波位队列中出现高优先级分组时，星载网控赋予该队列权重w1，高优先级报文得到调度之后，队列权重恢复原值；某个波位队列长度超过上届阈值a时，也会获得较高权重w2且w2<w1，当该队列长度降低到下届阈值时b，队列权重恢复原值；同时出现多个权重为w1的波位队列时，按照获得w1权重的先后顺序进行调度；如队列长度超过阈值的波位队列有多个时，按照获得w2权重的先后顺序进行调度。
本发明的有益效果为：本发明使用两级寻址标签交换的方法解决跳波束对应端口多、寻址困难的问题，利用基于队列状态的动态分组调度方法提高跳波束资源利用率，提高系统服务质量，更好地满足用户的通信需求。
附图说明
图1为跳波束的工作方式示意图。
图2为星载交换和网控系统结构示意图。
图3为本发明跳波束交换的二级结构示意图。
图4为本发明的波位与端口映射表。
图5为本发明跳波束中的标签格式示意图。
图6为本发明跳波束编址方案示意图。
图7为本发明跳波束地址与波位映射表。
图8为本发明跳波束调度结构示意图。
具体实施方式
一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，包括如下步骤：
(1)在跳波束中进行两级寻址标签交换；
(2)根据波位端口队列状态动态调度跳波束跳变方式。
跳波束中两级寻址标签交换；在具有星上交换路由能力的卫星通信系统中，通常由星载路由交换机来实现对报文的路由寻址和交换。
在跳波束工作方式下，星载网控中的资源分配单元将根据星上队列管理和调度模块发来的各波束用户的业务申请情况，即队列状态，进行资源划分，该划分结果将直接影响跳波束的跳变过程，在生成跳波束帧计划的同时，生成跳波束跳变控制参数，如图2所示。
星载路由交换机将跳波束中的每个波位看作一个端口，为每个波位维持一个队列。由于一个跳波束下最多有128个波位，同时考虑到单颗卫星包括2个跳波束、4个点波束和2个星际链路波束，对于星载路由交换机而言，这些波束都是单独的转发端口。如果表示波位的端口也都由路由模块来寻址，则端口数量过大，报文转发效率较低。因此本发明提出一种两级寻址标签交换的方法，第一级设置一个8*8的寻址结构，根据报文的IP地址利用路由表查找得到8个输出端口中的一个，当输出端口为跳波束端口时；第二级设置一个端口映射单元，通过查找SRAM标签端口映射表，以报文携带的跳波束标签得到对应的输出波位端口，如图3所示。
SRAM标签端口映射表中的表项包括标签和波位端口，保存已分配标签与转发的波位端口之间的映射关系。
跳波束报文标签设计；针对跳波束，设计了用于实现星上标签交换的标签格式，标签包括三部分：(1)标签空间识别码：n位，用于识别跳波束；(2)标签值：m位，用于对输出端口和业务类型进行识别。
标签由用户终端接入的卫星统一分配下发，即终端使用的标签由接入卫星决定。星载网控为用户终端分配标签，并查找系统中的星载路由交换模块在运行之初构建的波位与输出端口映射表，如图4所示，将标签与对应的输出端口记录在SRAM标签端口映射表中，同时将分配的标签向终端下发。星上用于跳波束的标签通过标签空间识别码11进行识别，系统可根据需要通过其他识别码建立其它标签空间。标签格式如图5所示。
发往跳波束覆盖区的报文，在分配标签之前仍然为普通的IP报文，星上进行IP交换，分配标签之后由终端在报文的链路层报头和IP报头之间添加标签，在星上实现快速标签交换。
波位与地址的映射；系统为跳波束中每个波位进行统一寻址，例如图6所示的编址方式。当收到位于某个波位的终端发来的报文时，星载交换机记录下终端IP地址与波位的对应关系，形成一张波位和地址的映射表，如图7所示。
当用户高速移动行进时，可能会经过多个不同的波位。因此，当终端发生移动时，为了保持通信过程的畅通，终端每进入另一个波位(终端可以通过接收波位信息获知位置的改变)，就需要向星载设备发送报告(当所在波位点亮时)，由星载设备在位置记录表中记录终端所在的波位信息；当终端再次回到初始波位时，波位记录删除。星载交换机在投递报文时，首先查找位置记录表，如图7所示，确认终端是否已经发生移动；如未发生移动，则查找地址与波位映射表。
调度算法；跳波束中的不同波位在交换机中对应不同的端口，每个端口设置了相应的队列存储发向不同波位用户的分组。交换结构是交换系统中必不可少的部分，包括共享总线、分布式、共享内存等类型。交换结构在进行分组转发时，首先查看每个波位对应的队列状态，将队列长度等信息提供给星载网控，使其可以根据每个波位的业务情况合理安排波束的跳变。在星上交换结构中采用WRR作为跳波束队列的调度算法，其中的权重值可以由星载网控进行动态调整。当某个波位队列中出现高优先级分组时，星载网控赋予该队列以最高权重；一旦某个队列长度超过阈值，也会获得较高权重，以此保证业务的优先级和服务质量要求，如图8所示。
WRR是加权循环调度算法(Weighted Round Robin)，该算法是根据每个队列配置的权值与所有的业务流在排队等待调度的队列的权值总和的比来平等地分配带宽。因此，在处理多个用户的高优先等级的业务时，WRR确保每个用户都不会过度地占用网络带宽，能够实现带宽分享的公平性，能够隔离恶意流，达到较高的带宽利用率。
本发明使用两级寻址标签交换的方法解决跳波束对应端口多、寻址困难的问题，利用基于队列状态的动态分组调度方法提高跳波束资源利用率，提高系统服务质量，更好地满足用户的通信需求。

Claims (4)

1.一种适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在跳波束中进行两级寻址标签交换；具体为：星载路由交换机将跳波束中的每个波位看作一个端口，为每个波位维持一个队列；第一级设置一个8*8的寻址结构，根据报文的IP地址利用路由表查找得到8个输出端口中的一个；当输出端口为跳波束端口时，第二级设置一个端口映射单元，通过查找SRAM标签端口映射表，以报文携带的跳波束标签得到对应的输出波位端口；
(2)根据波位端口队列状态动态调度跳波束跳变方式；跳波束中的不同波位在星载路由交换机中对应不同的端口，每个端口设置相应的队列存储发向不同波位用户的分组；交换结构在进行分组转发时，查看每个波位对应的队列状态，将队列长度信息提供给星载网控，星载网控根据每个波位的业务量情况安排波束的跳变图案；交换结构采用WRR调度算法，其中的权重值由星载网控根据队列长度和分组优先级进行动态调整。
2.如权利要求1所述的适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，其特征在于，SRAM标签端口映射表中的表项包括标签和波位端口，保存已分配标签与转发的波位端口之间的映射关系。
3.如权利要求1所述的适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，其特征在于，步骤(1)中，标签交换的标签包括两部分：n位标签空间识别码和m位标签值。
4.如权利要求1所述的适用于卫星通信系统跳波束的交换和分组调度方法，其特征在于，权重值由星载网控进行动态调整具体为：用户按照业务类型和需求为报文设置优先级，且每个波位队列分配一个权重值；初始状态时，所有队列权重值相同，调度方式退化为轮转方式，当某个波位队列中出现高优先级分组时，星载网控赋予该队列权重w1，高优先级报文得到调度之后，队列权重恢复原值；某个波位队列长度超过上届阈值a时，也会获得较高权重w2且w2<w1，当该队列长度降低到下届阈值时b，队列权重恢复原值；同时出现多个权重为w1的波位队列时，按照获得w1权重的先后顺序进行调度；如队列长度超过阈值的波位队列有多个时，按照获得w2权重的先后顺序进行调度。
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