CN112040510B - 基于QoS约束和负载均衡的卫星网络接入选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于QoS约束和负载均衡的卫星网络接入选择方法，主要解决现有技术在选择卫星接入时，导致网络整体负载不均衡及实时业务时延高的问题。其方案是：在用户发起业务请求时，先识别该业务的类别，判断覆盖该用户的所有卫星的空闲带宽与业务请求所需最小带宽的关系，得到可接入卫星集合；再确定该业务对各项参数的依赖度，计算可接入卫星集合中每颗卫星的QoS综合加权值和网络负载值；最后计算得到综合效用函数值，将函数值最小的卫星作为该用户选择接入的卫星。本发明综合考虑了用户的服务质量和网络整体负载情况，降低了实时业务端到端的时延和网络的新呼叫阻塞率，提高了用户的满意度和资源利用率，可用于卫星网络通信。

Description

基于QoS约束和负载均衡的卫星网络接入选择方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种卫星网络接入选择方法，可用于卫星网络通信时用户的选择接入。
背景技术
传统的地面网络在建设过程中会受到自然灾害、极端地形等因素的影响，使得网络设备搭建困难，因此仅仅依靠地面无线通信系统无法实现真正意义上的全球无缝覆盖。卫星通信具有覆盖范围广、灵活性好、抗破坏性强等优点，可以很大程度上实现对地面网络的补充和完善。近年来，随着卫星通信技术的发展，卫星网络中部署使用的卫星数量逐渐增多，地面用户被多颗卫星同时覆盖的可能性也相应增大。同一用户选择不同的卫星接入，所获得的接入性能和服务质量往往有所差异，并且也会影响整个卫星网络的负载均衡。因此，针对多颗卫星覆盖下的接入选择技术的研究具有重要的意义。
现有的多星覆盖下的最基本的接入选择算法都是基于单因素的，如基于最短距离的接入选择算法，该算法原理简单，但是没有充分利用覆盖时间、可用信道数等先验知识，因而具有较高的接入失败率和阻塞率；基于最长覆盖时间的接入选择算法可以有效减少星间切换，但是对于短时间通信的用户来说无法达到最好的性能。地面用户仅凭系统中的单一参数来确定最终的接入卫星，考虑问题偏极化，会造成系统性能无法达到最优状态。为此，研究者已经提出了在卫星通信网络接入策略中考虑多项参数，使用参数综合加权的算法确定最终的接入卫星，以提高接入访问效率的诸多方法。
张华涛在其发表的论文“分层卫星网络中的接入策略研究”(计算机工程与设计，2005)公开了一种基于仰角加权的覆盖时间优先方案，该方案通过对覆盖时间和卫星仰角这两个变量分别加权得到目标函数，作为卫星选择接入的依据。原始呼叫产生时，若多星覆盖当前呼叫，系统将计算这些卫星的目标函数值，并对它们进行排序，然后在权值最高的卫星上寻找空闲信道，若有信道则建立链接，若无空闲信道，则寻找余下覆盖卫星中权值高者，依此类推。该方法的不足之处在于，随着用户业务请求不断增多，在用户进行接入选择过程中仅仅考虑个体服务质量最优，将可能导致网络整体负载不均衡，使得一些卫星负荷很轻，另外一些卫星满载，这将增大数据阻塞和传输中断概率。
别玉霞在其发表的论文“低轨卫星通信网络中改进的综合加权接入算法”(电视技术，2013)公开了一种基于覆盖时间、空闲信道以及接收信号信噪比的综合加权接入选择方法。该方法从整体性能的角度出发，针对三方面进行线性加权操作，将权值最高者作为接入时的最优选择。该方法的不足之处在于，对用户的请求业务类型敏感度不高，即不能对实时性业务和非实时性业务进行有效区分,可能造成实时性业务具有较高的时延。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于QoS约束和负载均衡的卫星网络接入选择方法，以减小网络的新呼叫阻塞率和切换失败率，平衡卫星网络的业务负载，提高资源利用率。
实现本发明目的的技术方案是：通过综合考虑用户的服务质量和网络的负载情况，根据不同业务类型对接入策略参数设置不同的敏感度，以系统综合性能最优作为用户接入选择的指标，具体步骤包括如下：
(1)在地面用户发起业务请求时，确定覆盖当前用户的所有卫星，组成卫星集合S＝{S1,S2,Sj,…,Sn}，其中，Sj表示覆盖当前用户的第j个卫星，1≤j≤n，n代表覆盖当前用户的卫星总个数；
(2)判断覆盖当前用户的卫星集合S中各卫星的空闲带宽Bfree与用户所期望的最小带宽Bmin之间的关系：
若S中卫星的空闲带宽均小于用户请求的业务类型通信所需的最小带宽，即Bfree＜Bmin，则该用户接入失败，需要重新发起业务请求；
若有多颗卫星的空闲带宽满足Bfree≥Bmin，则组成可接入卫星集合S'＝{S1,S2,Si,…,Sm}，其中，Si表示第i个可接入卫星，1≤i≤m，m代表可接入卫星的总个数，继续进行(3)；
(3)根据用户所发出的业务请求，获取业务类型属性值数据和接入方案相关参数数据，计算每颗卫星可提供的QoS综合加权值P1；
(4)计算每颗候选卫星的网络负载值P2；
(5)根据(3)和(4)的结果，确定网络综合效用函数值P：
P＝λ1*P1+λ2*P2，
其中，λ1表示用户业务请求对P1的加权系数，λ2表示用户业务请求对P2的加权系数；
(6)根据步骤(5)所计算的网络综合效用函数值，选择使对应函数值最小的卫星进行接入：
其中，Pi代表第i个候选卫星，A代表综合效用函数值最小的卫星。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明由于针对实时业务和非实时业务，确定每颗卫星可提供的QoS综合加权值，降低了实时业务端到端的时延，增强了用户的交互体验，提高了用户的满意度。
2.本发明由于考虑了每颗候选卫星的网络负载值，避免了用户请求扎堆于某几颗卫星，降低了由于接入卫星过载造成的数据阻塞和传输中断概率。
附图说明
图1是本发明使用的场景示例图；
图2是本发明的实现流程图；
图3是本发明与现有方法的呼叫阻塞率变化仿真对比图；
图4是本发明与现有方法的切换失败率变化仿真对比图；
图5是本发明与现有方法的网络平均负载变化仿真对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和效果做进一步的描述。
参照图1，本实施例使用的场景是一个双层卫星网络，该网络中包括3颗高轨道卫星GEO和48颗低轨道卫星LEO。在地面用户发起业务请求时，该用户被多颗卫星同时覆盖，需要找出使用户服务质量好并且使网络负载均衡的卫星进行接入。
参照图2，本实施例的具体步骤如下：
步骤一：确定覆盖当前用户的卫星集合S。
在地面用户发起业务请求时，需要确定覆盖当前用户的所有卫星，组成卫星集合S＝{S1,S2,Sj,…,Sn}，其中，Sj表示覆盖当前用户的第j个卫星，1≤j≤n，n代表覆盖当前用户的卫星总个数。
步骤二：确定可接入的卫星集合S'。
确定可接入的卫星集合是通过判断覆盖当前用户的卫星集合S中各卫星的空闲带宽Bfree与用户所期望的最小带宽Bmin之间的关系进行：
若S中卫星的空闲带宽均小于用户请求的业务类型通信所需的最小带宽，即Bfree＜Bmin，则该用户接入失败，需要重新发起业务请求；
若有多颗卫星的空闲带宽满足Bfree≥Bmin，则用这些组成可接入卫星集合S'＝{S1,S2,S3,…,Sm}，其中，Si表示第i个可接入卫星，1≤i≤m，m代表可接入卫星的总个数。
步骤三：计算可接入卫星集合S'中每颗卫星的服务质量QoS综合加权值。
(3.1)在地面用户发起业务请求时，根据用户所处位置计算其空间坐标Pu：
其中，L、B、H分别表示用户位置的经度、纬度和高度，对于海拔高度为零的地面静止用户，H＝0，表示地球椭圆的卯酉圈曲率半径，RE＝6378137m为地球椭圆的长半轴，fE＝1/298.257223563为地球椭球扁率，/>为地球椭球的第一偏心率；
(3.2)根据卫星的坐标和用户的坐标Pu计算传播时延DT：
其中，Ps＝[xs,ys,zs]T代表卫星的坐标，T表示转置，c＝3×108m/s为真空中光速；
(3.3)根据地面用户所发起的业务请求类别，分别确定该用户业务请求对传播时延的依赖度a、对网络抖动的依赖度b以及对卫星网络费用的依赖度c，并通过下面公式计算卫星传播时延的加权系数ξ、卫星网络抖动的加权系数υ，以及卫星网络费用的加权系数η：
且ξ+υ+η＝1；
(3.4)根据(3.1)、(3.2)和(3.3)的结果，计算可接入卫星集合S'中每颗卫星的QoS综合加权值P1：
其中，DT表示候选卫星的传播时延，Dmax表示对应卫星的传播时延最大值；SN表示候选卫星的网络抖动等级，Smax表示卫星的最大抖动等级；FU表示接入当前卫星所需的费用等级，Fmax表示卫星的最大费用等级。
步骤四：计算可接入卫星集合S'中每颗卫星的网络负载值。
计算公式如下：
P2＝e-x/B
其中，P2表示每颗候选卫星的网络负载值，x表示此卫星的剩余带宽资源数目，B表示总的带宽资源数目，x/B的值介于0和1之间。P2的值越大表示当前卫星网络的负载越高，剩余的带宽资源越少，反之，则表示卫星网络的负载越低，可用的带宽资源越多。
步骤五：计算可接入卫星集合S'中每颗卫星的综合效用值。
根据步骤三和步骤四的结果，计算候选卫星的综合效用值P：
P＝λ1*P1+λ2*P2
其中，λ1是QoS综合加权值P1的加权系数，λ2是网络负载值P2的加权系数，且λ1+λ2＝1。P值越小，即卫星的综合效用函数值越小，表示此卫星的综合性能最好，能够给用户提供较好的服务质量，以及使网络的负载更加平衡，不至于让部分卫星满载，而另一些卫星负荷很轻。
步骤六：选择最优卫星接入。
根据步骤五的结果，选择使得对应函数值最小的卫星进行接入，计算公式如下：
其中，Pi代表第i个候选卫星，A代表综合效用函数值最小的卫星。
本发明的效果可通过下面仿真实验进一步说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台：处理器为Intel(R)Xeon(R)CPU，主频为3.1GHz，内存8GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 7操作系统和Jupyter Notebook。
本实验搭建了由3颗高轨卫星GEO和48颗低轨卫星LEO组成的网络仿真场景，低轨卫星高度为1414Km，高轨卫星高度为35786Km，语音业务通信所需带宽恒定为32kbps，多媒体业务和数据业务所需通信带宽范围为[64,128]kbps，设置用户的到达率服从独立的泊松分布，用户的持续通信时间t服从μ＝180s的负指数布。
2.仿真内容及结果分析：
在上述实验条件下，将本发明提出的基于QoS约束和负载均衡的卫星网络接入选择方法QoS-L和现有的最长覆盖时间优先接入选择算法T-max、最短距离优先接入选择算法D-min以及综合加权接入选择算法TDC在呼叫阻塞率、切换失败率和网络平均负载三个方面进行仿真比较。
仿真1，比较四种方法在呼叫阻塞率方面的性能表现，结果如图3所示。
图3的横坐标表示会话到达率，纵坐标表示呼叫阻塞率，呼叫阻塞率为呼叫接入失败的次数和呼叫总次数之比，四种曲线分别代表四种不同的方法，其中带有空心圆圈的曲线代表本发明的呼叫阻塞率的变化曲线。
由图3可以看出，在同一卫星网络中，本发明与其他几种方法相比，有着较低的新呼叫阻塞率。随着会话到达率的增加，网络负载越来越严重，直至趋向饱和状态，从而造成卫星网络的新呼叫阻塞率不断攀高，这是由于本发明综合考虑了网络负载值，使得网络负载更加均衡，有效降低了呼叫阻塞率。
仿真2，比较四种方法在切换失败率方面的性能表现，结果如图4所示。
图4的横坐标表示会话到达率，纵坐标表示切换失败率，用户若正在接受某颗卫星的业务服务，且在未来的某个时刻被多颗卫星同时覆盖，而用户需要切换接入另一颗卫星以继续工作，则可通过切换失败率这一参数来衡量该条件下用户接入的性能。切换失败率为切换失败次数和切换总次数之比。
由图4可以看出，在同一卫星网络中，本发明与其他几种方法相比，有着较低的切换失败率。随着用户的业务请求越来越多，对每一种接入选择算法来说，卫星网络的切换失败率都会逐渐提升，本发明和综合加权接入选择算法TDC对应的切换失败概率非常相似，即这两种算法的切换失败概率都比较低，而对于其它两种方法，即最长覆盖时间优先接入选择算法T-max仅考虑覆盖时间这个参数，最短距离优先接入选择算法D-min仅考虑用户与卫星之间的距离这个参数，考虑问题片面，未能综合考虑网络的整体性能，而本发明和综合加权接入选择算法TDC结合多个卫星网络参数，考虑较全面，能够针对用户做出更好的选择，不仅能让用户获得较好的服务质量，而且还能够有效降低卫星网络的切换失败率。
仿真3，比较四种方法在网络平均负载方面的性能表现，结果如图5所示。
图5的横坐标表示会话到达率，纵坐标表示网络平均负载，卫星网络的平均负载为在单位时间间隔内所有卫星的平均负载。
由图5可以看出，在同一卫星网络中，本发明与其他几种方法相比，有着较高的平均负载值，即卫星网络的资源利用率较高。随着会话到达率的不断攀增，即卫星网络覆盖下的等待接入的请求用户数不断增多，对于不同的接入方法，卫星网络的平均负载均会不断加大，本发明在平均网络负载这一参数上的表现和综合加权算法TDC相当，数值表现均较高。这是由于本发明有着较低的切换失败概率和新呼叫阻塞率，可以将用户的请求及时地分配给其他具有较低负载的卫星，因此整个卫星网络的负载趋于平均，卫星网络的资源也得到了充分利用。

Claims (3)

1.一种基于QoS约束和负载均衡的卫星网络接入选择方法，其特征在于，包括如下：
(1)在地面用户发起业务请求时，确定覆盖当前用户的所有卫星，组成卫星集合S＝{S1,S2,Sj,…,Sn}，其中，Sj表示覆盖当前用户的第j个卫星，1≤j≤n，n代表覆盖当前用户的卫星总个数；
(2)判断覆盖当前用户的卫星集合S中各卫星的空闲带宽Bfree与用户所期望的最小带宽Bmin之间的关系：
若S中卫星的空闲带宽均小于用户请求的业务类型通信所需的最小带宽，即Bfree＜Bmin，则该用户接入失败，需要重新发起业务请求；
若有多颗卫星的空闲带宽满足Bfree≥Bmin，则组成可接入卫星集合S'＝{S1,S2,Si,…,Sm}，其中，Si表示第i个可接入卫星，1≤i≤m，m代表可接入卫星的总个数，继续进行(3)；
(3)根据用户所发出的业务请求，获取业务类型属性值数据和接入方案相关参数数据，计算每颗卫星可提供的QoS综合加权值P1，通过如下公式进行：
其中：表示对归一化传播时延的加权系数；/>表示对归一化网络抖动的加权系数，/>表示对归一化网络费用的加权系数；
DT代表候选卫星的传播时延，Dmax代表卫星传播时延的最大值，SN代表候选卫星的网络抖动等级，Smax代表卫星的最大抖动等级，FU代表接入当前卫星所需的费用等级，Fmax代表卫星的最大费用等级，a表示用户的业务请求对传播时延的依赖度，b表示用户的业务请求对网络抖动的依赖度，c表示用户的业务请求对卫星网络费用的依赖度；
(4)计算每颗候选卫星的网络负载值P2；
(5)根据(3)和(4)的结果，确定网络综合效用函数值P：
P＝λ1*P1+λ2*P2，
其中，λ1表示用户业务请求对P1的加权系数，λ2表示用户业务请求对P2的加权系数；
(6)根据步骤(5)所计算的网络综合效用函数值，选择使对应函数值最小的卫星进行接入：
其中，Pi代表第i个候选卫星，A代表综合效用函数值最小的卫星。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)计算每颗候选卫星的网络负载值P2，通过如下公式进行：
P2＝e-x/B，
其中，x表示候选卫星的剩余带宽资源数目，B表示总的带宽资源数目，x/B的值介于0和1之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，候选卫星的传播时延DT，通过如下公式进行计算：
其中，代表用户的坐标，Ps＝[xs,ys,zs]T代表卫星的坐标，c＝3×108m/s为真空中光速，L、B、H分别表示用户位置的经度、纬度和高度，对于海拔高度为零的地面静止用户，H＝0，/>表示地球椭圆的卯酉圈曲率半径，RE＝6378137m为地球椭圆的长半轴，fE＝1/298.257223563为地球椭球扁率，为地球椭球的第一偏心率。
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