CN110913414B - 一种5G卫星融合网络的QoS保障系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，资源缓存和流量控制模块，将网络中的业务分类，将不同业务的数据流分离；网络监测模块，能够在5G卫星融合网络的网络入口设置探针，探针用来监测不同业务的网络流量，得到不同业务的网络延时、抖动和丢包率，送至评估与决策模块；评估与决策模块，根据不同业务的网络延时、抖动和丢包率，得到QoS的MOS评分，利用预存的MOS评分与网络调整策略的对应关系，根据MOS评分，确定网络调整策略，网络调整策略，包括对网络中数据包的处理、路由决策、网络配置；网络控制模块，根据网络调整策略，对网络进行调整控制。本发明实现无阻塞的稳定连通能力，提供多样化应用服务。

Description

一种5G卫星融合网络的QoS保障系统

技术领域

本发明涉及一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，属于5G卫星融合网络技术领域。

背景技术

5G卫星融合系统由多种异构网络互联融合而成，其节点类型、终端类型、接口类型、协议类型复杂多样，且卫星节点始终处于高速运转状态；同时现有互联体系结构大多采用基于特定协议的网络互联模式，其内部拓扑结构,以及端口带宽分配方式均是固定的，硬件固化的刚性互联体系结构给异构网络融合提出了新的需求。主要表现在：一是无阻塞的稳定连通能力，提供多样化应用服务，要求5G卫星融合网络能够实现网络互联全域覆盖和稳定连通；二是异构网络融合互联能力，5G卫星融合系统涉及的网络类型异构多样，特别是卫星网络与地面5G网络运行环境存在较大差异，网络连接呈现连通间断性、时延方差大等特点，网络互联需要融合不同速率信道带宽、不同量级传输时延、链路连通间歇性，以及链路动态切换带来的影响；三是柔性适配能力，现有刚性互联体系结构造成系统组网的不灵活和扩容的不方便，因此需要柔性适配能力以实现系统灵活扩容、新协议的开放支持，以及系统运行的在线优化和扩展。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，克服了5G卫星融合网络固有的链路连通间歇性问题，极大程度上提高了链路切换和链路连通的稳定性，实现无阻塞的稳定连通能力，提供多样化应用服务；克服了异构网络融合导致的大方差时延，很好地降低了网络的传输时延。

本发明解决的技术方案为：一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，包括：网络监测模块、评估与决策模块、网络控制模块、资源缓存和流量控制模块；

资源缓存和流量控制模块，将网络中的业务分类，将不同业务的数据流分离；

网络监测模块，能够在5G卫星融合网络的网络入口设置探针，探针用来监测不同业务的网络流量，得到不同业务的网络延时、抖动和丢包率，送至评估与决策模块；

评估与决策模块，根据不同业务的网络延时、抖动和丢包率，得到QoS的MOS评分，利用预存的MOS评分与网络调整策略的对应关系，根据MOS评分，确定网络调整策略，网络调整策略，包括对网络中数据包的处理、路由决策、网络配置；将网络调整策略送至网络控制模块；

网络控制模块，根据网络调整策略，对网络进行调整控制。

优选的，5G卫星融合，包括核心网、卫星、卫星基站和用户终端。

优选的，用户终端具有双模模式，分别是卫星模式和地面模式，相应地接入卫星基站和地面基站，接入基站时,采用基于竞争的随机接入。

优选的，卫星基站分为卫星基站(S-eNodeB)和地面基站(GeNodeB)，主要功能包括无线资源管理和数据压缩与加密。

优选的，核心网负责路由决策、数据转发以及资源调度。

优选的，基站监测到MOS评分过低，立即向核心网发送故障通知报文，使其知晓第一链路出现故障，从而使得对端网络设备及时进行链路切换，保证了端网络设备的即时通信。

优选的，核心网定位故障卫星链路，对链路上所有节点逐一进行排查，及时修复故障链路。

优选的，第一链路故障发生后切换为第二链路切换工作，在第一链路恢复正常时，核心网向基站发送故障恢复通知报文，立即将当前通信链路从所述第二链路切换为所述第一链路，从而缓解地面通信的资源压力。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对以上问题提出异构网络QoS保障方案，当前提升服务质量保障的方法有两个大方面：一是科学管理用户期望，二是提高现有网络质量水平。将两个方面有效的结合，从本质上实现从用户需求出发的业务质量保障，完成“需求用户-实现感知价值-保证感知质量-满意用户”的闭环运营思路。而有效开展这两方面工作的前提是对用户感知的服务质量能够进行客观、准确的度量与评价。

(2)本发明端到端的QoS管理和控制体系，实现一个自上而下的闭环QoS资源保证环路，根据用户满意度动态调整QoS策略，从而保障用户的体验质量。

(3)本发明从网络监控的角度分析，在卫星和地面5G移动通信网络融合的异构网络形态小，由于卫星网络具有大带宽、高时延、广域覆盖、广播传输等特点，而地面5G网络具有低时延、区域增强、全业务、支持海量终端接入、易于管理，但存在覆盖区域局限等特点，研究服务质量保障及增强技术，可以为星地异构网络提供更高质量的信息通信服务。

附图说明

图1为本发明QoS保障系统图；

图2为本发明所处5G卫星融合网络拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，包括：网络监测模块、评估与决策模块、网络控制模块、资源缓存和流量控制模块；资源缓存和流量控制模块，将网络中的业务分类，将不同业务的数据流分离；网络监测模块，能够在5G卫星融合网络的网络入口设置探针，探针用来监测不同业务的网络流量，得到不同业务的网络延时、抖动和丢包率，送至评估与决策模块；评估与决策模块，根据不同业务的网络延时、抖动和丢包率，得到QoS的MOS评分，利用预存的MOS评分与网络调整策略的对应关系，根据MOS评分，确定网络调整策略，网络调整策略，包括对网络中数据包的处理、路由决策、网络配置；将网络调整策略送至网络控制模块；网络控制模块，根据网络调整策略，对网络进行调整控制。实现无阻塞的稳定连通能力，提供多样化应用服务；

如图1中所示，本发明针对5G卫星融合网络中存在的链路连通间歇性和传输延时过高两大缺陷提出一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，该系统包括：资源缓存和流量控制模块、网络监测模块、评估与决策模块、网络控制模块；

资源缓存和流量控制模块中优选方案如下：

5G卫星融合网络拓扑如图2所示，包括核心网、卫星、卫星基站和用户终端。其中，用户终端具有双模模式，分别是卫星模式和地面模式，相应地接入卫星基站和地面基站，接入基站时,采用基于竞争的随机接入。基站分为卫星基站(S-eNodeB)和地面基站(GeNodeB)，主要功能包括无线资源管理和数据压缩与加密。核心网负责路由决策、数据转发以及资源调度。

一般而言，影响用户感知网络性能的关键参数有三个：时延、抖动和丢包率，这三个参数也是划分QoS类别的主要区分值。同时，各种业务经过网络时,不同的业务对网络的要求是不同的,不同的业务级别对指标要求也不同。因此，本发明在5G卫星融合网络的基站中采用资源缓存和流量控制模块，实现业务分类，为后续QoS评级奠定基础。具体做法如下：

将信令报头中的TOS字段重命名为DS字段，该字段按DiffServ标准规则加以定义，使下行节点通过识别DS字段，获取足够的信息来处理到达的数据包，并将他们正确转发给下一节点，把复杂的QoS保证通过DS字段转化为PHB(per hop behavior,单跳行为)。当数据包进入边界节点时，首先根据五元组标识手段进行分组到流的区分，并把分类结果传给计量器分析，计量器对流的特性进行测量(如速率,突发长度等)，将流统计信息传给标记器和整形丢包器，调整这两个模块的数据；分类后的数据包进入标记器，打上相应的DSCP值(也可能是IP优先级或器内部的QoS组)，同时送入整形丢包模块中，整形可以平缓突发通信，对超过平均速率的分组进行排队或置入缓存，当业务流超出一定程度时则丢弃；当流量进入内部节点后，判断对分组采取何种PHB，同一行为聚合体的分组按相同的方法处理，通过队列调度(如FIFO，WFQ等)，完成对不同PHB的区分。

PHB有四种类型，分别是EF(Expedited Forwarding)PHB，AF(AssuredForwarding)PHB，CS(class selector)PHB和BE PHB。其中，EF PHB不用考虑其他流量是否分享其链路，适用于低时延、低丢失、低抖动、确保带宽的优先业务(如虚租用线路)；AF PHB的QoS性能参数低于EF类型；CS(class selector)PHB是从IP TOS字段演变而来，其QoS性能参数进一步降低；BE PHB自身没有任何QoS保证，AF类超限后可以降级为BE类。

为了保证用户业务在网络中的性能,将业务划分四种级别，业务级别与上述PHB类别一一对应。将不同级别的业务流放入不同的队列,使用加权平衡排队算法(WFQ,Weighted-Fair Queuing)控制每个队列。该算法给每个队列一个权,由它决定该队列可享用的链路带宽。它对每个数据流都保证了一定的带宽,并且与通过路由器的其它数据流的状态无关,即实现了用户隔离。网关路由器可将包标识翻译,进行约定策略后,传送到下一跳的网关路由器上。

网络监测模块中优选方案如下：

硬件探针是一种用来获取网络流量的硬件设备,能够较精确的对网络性能进行测量，实现端到端的QoS监控和OAM(Operations,,Administration,andMaintenance)可视化。同时，该设备支持实时在线式检测功能，端到端的QoS监控和SLA(service--levelagreement)保证,并且测量的过程中可以不占用网络资源。基于硬件探针的最大特点是能够提供丰富的从物理层到应用层的详细信息并且能够支持网络质量的精密测量。本系统所提出的监测模块,即基于该探针。在基站的用户侧部署硬件探针，从资源缓存和流量控制模块传来的不同业务类别的网络流量，经过探针监测，可以输出不同业务的网络延时、抖动和丢包率，并送至评估与决策模块。

评估与决策模块中优选方案如下：

除了测量网络服务质量(QoS)外，许多研究人员还致力于提高用户体验质量(QoE)。QoE被定义为“体验应用、服务或系统的人的快乐或烦恼的程度”。这与QoS形成了对比，后者关注网络(延迟、抖动、包丢失等)和应用程序级别(帧速率、分辨率等)的技术指标。现如今，QoS被认为不足以全面描述产品或服务。区分QoS和QoE并采用QoE作为QoS反馈阶段的质量评估标准的原因有两个：首先，QoS处理与服务相关的纯技术方面，不包含任何与人相关的质量影响因素，这意味着相同的QoS级别可能无法为两个不同的用户保证相同的QoE级别。除了系统的技术特性外，其他因素，如使用环境、用户特定的特性、交付的内容和服务的定价，也对最终感知到的QoE有重要影响。其次，由于没有直接定义连接，QoS没有反映技术因素对用户质量感知的影响。这意味着，一个技术参数的不断改进并不能线性地、无限地改善用户的体验。

影响QoE的因素除了客观的QoS参数外，还包括主观因素，如移动终端的功耗率、不同子网的资费差异等。因此，我们将综合考虑主客观因素，研究QoS对QoE的影响，确定QoE评价方案。下面介绍求解QoE评分的具体步骤：

步骤1进行大规模用户调查，获得用户在不同网络状况下对各类型业务的QoE的满意度评分，并命名为MOS评分。注意，MOS评分的取值区间为[0，1]。

步骤2以监测模块送来的网络延时、抖动和丢包率作为输入特征，调研得到的MOS评分作为输出，得到样本数据。随机抽取70％的样本数据作为训练样本，剩余的30％作为测试样本。样本数据格式如下：

其中，q_m,l ^k,d为第m个样本中第k种业务在时间段d内的第l项QoS指标。

步骤3由于每个QoS参数的取值范围不同，使得评价比较困难。因此，有必要将输入特征全部规范化为区间[0,1]。随后，用训练样本训练随机神经网络(RNN)，通过不断调整权值，得到MOS评分与QoS值之间的映射关系。当满足收敛条件时，可以得到MOS评分与QoS值之间的映射关系f(·)。值得一提的是，该过程为离线训练过程，不占用切换算法的计算资源。

步骤4将测试样本的QoS值输入RNN,RNN根据f(·)给出MOS评分。将得到的MOS值与实际MOS值进行比较。如果上述两个值足够接近，QoE评估就成功了。也就是说，通过RNN建立了QoS与QoE之间的映射关系。值得注意的是，考虑到VIP和普通用户对相同的QoS可能有不同的期望，我们将VIP和普通用户分开，训练不同的RNN模型，得到MOS评分与QoS值之间不同的对应关系。在这两种模型中，VIP用户和普通用户对于相同的QoS给出了不同的MOS评分，导致RNN训练的映射关系不同。但其实这两种映射关系在本质上没有区别。

一旦接收到监测模块送来的QoS指标，训练好的评估模型立刻得到相应的MOS评分，并将MOS评分送到策略数据库。策略数据库利用预存的MOS评分与网络调整策略的对应关系，根据MOS评分，确定网络调整策略。具体策略如下：

当0.9<MOS≤1时，采用MODE 1，意味着无需做出网络调整；

当0.5<MOS≤0.9时，采用MODE 2，意味着网络需要进行资源调度；

当0<MOS≤0.5时，采用MODE 3，意味着网络需要进行链路切换。

网络控制模块中优选方案如下：

网络控制模块同样部署在基站中，负责接收并翻译评估与决策模块送来的网络调整策略，然后根据策略对网络进行调整控制。具体做法如下：

1)当接收到MODE 1时，对网络资源配置不做任何改变。

2)当接收到MODE 2时，基站服务器向核心网发送服务质量(QOS)请求，为该局域中所有结点(沿着流路径)申请更多的网络资源，并建立和维持这种状态以提供请求服务，引起每个节点数据路径上的资源预留。这种接收方起动的模式原则上允许系统的异构性。既支持单点投递的资源预留，也支持多点间的群组通信资源预留，并且它的过滤机制允许预留的资源可以被多个发送者共享或对同一个发送者的预留进行合并。资源预留的建立在转发数据之前完成，其资源预留是单向的。用软状态指示预留的存在状态，周期性地被刷新，从而支持动态的成员和路由变化。

3)当接收到MODE 3时，意味着网络链接问题严重。在5G卫星融合网络中，为了克服卫星通信固有的链路连通间歇性，通常会在地面通信网络中建立多条备份链路，当卫星链路故障的时候，立刻切换到通信状况良好的地面链路上，从而改善通信质量。具体做法如下：

基站监测到MOS评分过低，立即向核心网发送故障通知报文，使其知晓第一链路出现故障，从而使得对端网络设备及时进行链路切换，保证了端网络设备的即时通信。同时，核心网定位故障卫星链路，对链路上所有节点逐一进行排查，及时修复故障链路。在上面所述第一链路恢复正常时，核心网向基站发送故障恢复通知报文，立即将当前通信链路从所述第二链路切换为所述第一链路，从而缓解地面通信的资源压力。

采用本发明提出的QoS保障系统后，5G卫星融合网络的平均延时可下降五个百分点，通信链路中断情况的出现频率接近于0。

Claims (2)

1.一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，其特征在于包括：网络监测模块、评估与决策模块、网络控制模块、资源缓存和流量控制模块；

资源缓存和流量控制模块，将网络中的业务分类，将不同业务的数据流分离；

网络监测模块，能够在5G卫星融合网络的网络入口设置探针，探针用来监测不同业务的网络流量，得到不同业务的网络延时、抖动和丢包率，送至评估与决策模块；其中，探针作为获取网络流量的硬件设备，能够实现端到端的QoS监控和OAM可视化；同时，支持实时在线式检测功能，端到端的QoS监控和SLA保证，并且测量的过程中不占用网络资源；在基站的用户侧部署硬件探针，从资源缓存和流量控制模块传来的不同业务类别的网络流量，经过探针监测，输出不同业务的网络延时、抖动和丢包率，并送至评估与决策模块；

评估与决策模块，根据不同业务的网络延时、抖动和丢包率，得到QoS的MOS评分，利用预存的MOS评分与网络调整策略的对应关系，根据MOS评分，确定网络调整策略；网络调整策略，包括对网络中数据包的处理、路由决策、网络配置；将网络调整策略送至网络控制模块；

网络控制模块部署在基站中，根据网络调整策略，对网络进行调整控制；包括：1)当接收到MODE 1时，对网络资源配置不做任何改变；2)当接收到MODE 2时，基站服务器向核心网发送服务质量请求，为网络中所有节点申请更多的网络资源，并建立和维持这种状态以提供请求服务，引起每个节点数据路径上的资源预留；这种接收方启动的模式允许系统的异构性，既支持单点投递的资源预留，也支持多点间的群组通信资源预留，且过滤机制允许预留的资源可以被多个发送者共享或对同一个发送者的预留进行合并；资源预留的建立在转发数据之前完成，其资源预留是单向的；用软状态指示预留的存在状态，周期性地被刷新，从而支持成员和路由的动态变化；3)当接收到MODE 3时，意味着网络链接问题严重，在5G卫星融合网络中，在地面通信网络中建立多条备份链路，当卫星链路故障的时候，立刻切换到通信状况良好的地面链路上，从而改善通信质量：基站监测到MOS评分过低，立即向核心网发送故障通知报文，使核心网知晓第一链路出现故障，从而使得对端网络设备及时进行链路切换，保证了端网络设备的即时通信；同时，核心网定位故障卫星链路，对链路上所有节点逐一进行排查，及时修复故障链路；在第一链路恢复正常时，核心网向基站发送故障恢复通知报文，立即将当前通信链路从所述第二链路切换为所述第一链路，从而缓解地面通信的资源压力；其中，MODE 1、MODE 2和MODE 3即三种模式：模式1、模式2和模式3；当0.9<MOS≤1时，采用MODE 1，意味着无需做出网络调整；当0.5<MOS≤0.9时，采用MODE 2，意味着网络需要进行资源调度；当0<MOS≤0.5时，采用MODE 3，意味着网络需要进行链路切换；

5G卫星融合，包括核心网、卫星、卫星基站和用户终端；其中，用户终端具有双模模式，分别是卫星模式和地面模式，相应地接入卫星基站和地面基站，接入基站时,采用基于竞争的随机接入；基站分为卫星基站和地面基站，主要功能包括无线资源管理和数据压缩与加密；

资源缓存和流量控制模块具体用于：

将信令报头中的TOS字段重命名为DS字段，该字段按DiffServ标准规则加以定义，使下行节点通过识别DS字段，获取信息来处理到达的数据包，并将正确的数据包转发给下一节点，把复杂的QoS保证通过DS字段转化为PHB；当数据包进入边界节点时，首先根据五元组标识手段进行分组到流的区分，并把分类结果传给计量器分析，计量器对流的特性进行测量，将流统计信息传给标记器和整形丢包器，调整这两个模块的数据；分类后的数据包进入标记器，打上相应的DSCP值，同时送入整形丢包器中，通过整形平缓突发通信，对超过平均速率的分组进行排队或置入缓存，当业务流超出一定程度时则丢弃；当流量进入内部节点后，判断对分组采取何种PHB，同一行为聚合体的分组按相同的方法处理，通过队列调度，完成对不同PHB的区分；

PHB有四种类型，分别是EF PHB，AF PHB，CS PHB和BE PHB；其中，EF PHB不用考虑其他流量是否分享其链路，适用于低时延、低丢失、低抖动、确保带宽的优先业务；AF PHB的QoS性能参数低于EF类型；CS PHB是从IP TOS字段演变而来，其QoS性能参数进一步降低；BEPHB自身没有任何QoS保证，AF类超限后可以降级为BE类；

为了保证用户业务在网络中的性能，将业务划分四种级别，业务级别与上述PHB类别一一对应；将不同级别的业务流放入不同的队列,使用加权平衡排队算法控制每个队列；网关路由器将包标识翻译，进行约定策略后传送到下一跳的网关路由器上。

2.根据权利要求1所述的一种5G卫星融合网络的QoS保障系统，其特征在于：核心网负责路由决策、数据转发以及资源调度。

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