CN112187386B

CN112187386B - 一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法及系统

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Publication number: CN112187386B
Application number: CN202010969989.2A
Authority: CN
Inventors: 赖泽祺; 李贺武; 李基豪; 吴建平
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: CN112187386A

Abstract

本发明实施例提供一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法及系统，该方法包括：确定天地一体化网络的网络基本特征信息；基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能。本发明实施例通过对天地一体化网络进行网络性能评估，由具有时空高动态特性的卫星网络和地面互联网相融合时的各项网络性能指标得到综合网络性能的评估结果，相对于现有网络性能仿真评估方法，综合考虑了底层网络的时空大尺度、高动态特性、差异化路由算法以及用户流量对于各项网络性能指标的影响。

Description

一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法及系统

技术领域

本发明涉及网络性能评估技术领域，尤其涉及一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法及系统。

背景技术

随着计算机网络和航空航天技术的不断演进发展，空间信息网络和地面互联网的融合将成为未来网络发展的重要趋势。

然而，天地一体化网络的建设目前仍处于探索和发展阶段，许多相关的关键技术，如一体化网络中的组网、路由等技术，仍处于研究和探索阶段，尚未形成统一公认的技术方案。空间星座和地面站仍然在不断规划和部署中，且海量卫星的部署和更新是一项成本高昂，耗时巨大的工作。

上述两点现状，使得理解和评估天地一体化网络的网络性能充满挑战：由于空间网络的时空大尺度，高度动态性等特征，传统地面网络的网络建模与评估方案无法直接运用于天地融合网络。巨型星座的部署和更新成本开销巨大，现在难以直接从完全部署的卫星网络中直接测量其网络性能。此外，卫星节点的休眠或故障等突发事件，同样会对天地网络的网络性能产生影响。以上关键挑战，使得现有的网络建模和评估方案，难以探究不同的网络关键技术、星座架构设计、用户流量分布、故障事件等因素对于整个天地融合网络的网络性能的影响。

发明内容

本发明实施例提供一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法及系统，用以解决现有技术中对于天地一体化网络没有系统有效地性能评估的缺陷。

第一方面，本发明实施例提供一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法，包括：

确定天地一体化网络的网络基本特征信息；

基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；

由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果。

优选地，所述确定天地一体化网络的网络基本特征信息，具体包括：

获取网络基本架构信息，采用连接关系矩阵描述网络连接关系，并设置网络路由策略。

优选地，所述获取网络基本架构信息，采用连接关系矩阵描述网络连接关系，并设置网络路由策略，具体包括：

确定卫星网络部分基本架构信息和地面网络部分基本架构信息；

采用所述连接关系矩阵描述在各个时隙内卫星网络的动态连接关系；

设定卫星接口的链路容量信息，由所述链路容量信息获取卫星的星间数据接口最大有效传输速率和星地数据接口最大有效传输速率；

结合底层链路的高动态特性，设置网络层的路由策略。

优选地，所述基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标，具体包括：

获取地表网格化区域划分集合；

基于所述地表网格化区域划分集合，计算得到预设卫星网络架构设计和网络策略下的若干评估参数。

优选地，所述获取地表网格化区域划分集合，具体包括：

将地球表面区域进行网格化，并将所述地球表面区域切分成若干区域，获得切分集合。

优选地，所述基于所述地表网格化区域划分集合，计算得到预设卫星网络架构设计和网络策略下的若干评估参数，具体包括：

计算得到所述预设卫星网络架构下的覆盖能力，基于所述覆盖能力和热点区域二进制变量得到所述预设卫星网络架构下的热点区域覆盖能力；

计算得到所述预设卫星网络架构和所述网络策略下的任意两节点之间的端到端延迟；

计算得到所述预设卫星网络架构和所述网络策略下的任意两区域之间的最大吞吐量；

计算得到所述预设卫星网络架构和所述网络策略下的卫星网络节点中心值。

优选地，所述由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果，具体包括：

对所述热点区域覆盖能力、所述任意两节点之间的端到端延迟、所述任意两区域之间的最大吞吐量和所述卫星网络节点中心值进行加权求和，得到所述综合网络性能评估结果。

第二方面，本发明实施例还提供一种用于天地一体化网络的网络性能评估系统，包括：

确定模块，用于确定天地一体化网络的网络基本特征信息；

分析模块，用于基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；

处理模块，用于由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果。

第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述用于天地一体化网络的网络性能评估方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述用于天地一体化网络的网络性能评估方法的步骤。

本发明实施例提供的用于天地一体化网络的网络性能评估方法及系统，通过对天地一体化网络进行网络性能评估，由具有时空高动态特性的卫星网络和地面互联网相融合时的各项网络性能指标得到综合网络性能的评估结果，相对于现有网络性能仿真评估方法，综合考虑了底层网络的时空大尺度、高动态特性、差异化路由算法以及用户流量对于各项网络性能指标的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的网络性能评估方法思路流程图

图3是本发明实施例提供的一种用于天地一体化网络的网络性能评估系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术存在的问题，本发明实施例的第一目标是是设计一种参数化的天地一体化网络描述方法，能够准确刻画空间网络的星座特征，时变的动态网络拓扑，网络策略和用户流量分布等天地一体化网络的关键信息。第二目标是设计一种基于上述描述方法的网络性能预测和评估方法，能够基于不同的星座设计，网络策略等信息，计算出对应的网络性能(如延迟，吞吐量等指标)。和现有方法相比，本发明的特点在于：所提出的评估方法将天地一体化网络中具有时空高动态的底层网络仿真和上层路由策略的仿真相结合，综合考虑了不同的网络因素对网络性能的影响。

图1是本发明实施例提供的一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法的流程示意图，如图1所示，包括：

S1，确定天地一体化网络的网络基本特征信息；

S2，基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；

S3，由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果。

具体地，本发明实施例的目的是通过对天地一体化网络的架构信息(如轨道、星座信息等)，连接关系，网络策略等输入信息的建模与分析，估算出给定网络下的综合网络性能(如延迟、吞吐量等)。其主要执行流程为：(1)使用者指定需要进行评估的网络的基本架构信息，连接关系，网络策略等用于描述网络基本特征的信息；(2)基于上述信息对网络各项性能指标进行分析与建模；(3)计算天地一体化网络的综合网络性能。整体算法的思路如图2所示。

本发明实施例通过模拟和演算不同的星座架构、算法和协议所能够达到的网络性能，为相关优化方案提供参考依据。

基于上述实施例，该方法中步骤S1具体包括：

其中，所述获取网络基本架构信息，采用连接关系矩阵描述网络连接关系，并设置网络路由策略，具体包括：

结合底层链路的高动态特性，设置网络层的路由策略。

具体地，首先为实现第一目标，本发明实施例设计了面向天地一体化网络的建模方案，使用轨道与星座信息、卫星链路信息、卫星连接关系等，量化描述动态时变的星座设计。

其中，指定卫星网络部分基本架构信息，主要包括以下六个关键参数进行定量描述：(1)轨道倾角大小，其数值定义为卫星轨道面和地球赤道平面的夹角；(2)轨道高度，其数值为卫星所在轨道的海拔高度；(3)轨道相位信息；(4)轨道数量；(5)各个轨道的卫星数量；(6)地面站数量以及地面站的分布情况；此外，使用链路的波段信息和载荷信息描述卫星链路，包括星间链路和星地链路特征，例如：S/X/Ku/Ka波段或者激光通信。卫星链路的选择会影响到星间/星地链路的网络传输能力。

指定地面网络部分基本信息，包括地面站的数量及地理分布信息，以及终端系统的地理分布信息。

然后使用连接关系矩阵C＝{C₁,C₂,C₃…,C_t,…,C_T}描述在各个时隙内卫星网络的动态连接关系。卫星节点可以利用星间链路进行互联，在卫星之间转发数据；为了描述动态时变的连接关系，将连续的时间划分成T个时隙，假定在单个时隙内连接关系不变，C_t表示在时隙t内的连接关系集合，l_ijt∈C_t表示在第t个时隙内，卫星节点i和j是否存在物理连接。只有在建立物理连接后，两个节点间才能进行数据传递。

并设定卫星接口的链路容量信息，决定卫星的星间数据接口和星地数据接口的最大有效传输速率；进一步使用链路容量信息矩阵描述卫星网络的链路容量信息。集合B＝{B₁,B₂,B₃…,B_t,…,B_T}描述在各个时隙内的星上有效链路容量信息。B_t表示在时隙t内的有效链路容量信息，b_ijt∈B_t表示在时隙t内节点i和节点j之间的最大可用带宽。在时隙t时间内，节点i和j之间的数据传输速率需满足小于或等于b_ijt。

结合底层链路的高动态特性，设置网络层的路由策略。具体实施方式为：在给定连接关系矩阵C下，网络节点i和j之间的路由计算为：

Route＝f_route(C,i,j)＝{Route₁,Route₂,Route₃…,Route_t,…,Route_T}.其中，Route_t为在时隙t的连接关系C_t下，从节点i到j的路由。Route_t具体内容为从i到j所经过的网络节点序列，即阐明数据包如何从i经过中间网络节点到达j。本步骤将底层链路和高动态特性和网络路由策略相结合，为后续网络性能评估提供支持。

本发明实施例在进行网络性能的计算和评估，考虑了空间网络的时空高动态性。将卫星网络中的结点视为随时间周期性变化的网络节点，刻画了动态的网络连接关系对于各项网络性能指标的影响，并设计了开放可扩展的网络性能评估方式，并不局限于某种特定星座设计或特定路由策略下的网络性能，使用时允许灵活的设置星座参数和网络策略，模拟计算不同的星座和网络策略下的网络性能。

基于上述任一实施例，该方法中步骤S2具体包括：

获取地表网格化区域划分集合；

其中，所述获取地表网格化区域划分集合，具体包括：

其中，所述基于所述地表网格化区域划分集合，计算得到预设卫星网络架构设计和网络策略下的若干评估参数，具体包括：

具体地，为实现第二目标，本发明实施例设计了面向天地融合网络的网络性能评估方案。首先，将地面表面进行网格化切分成r个区域，切分集合记为：Reg＝{R₁,R₂,R₃…,R_r}，所有区域的并集为完整的地表集合。

计算给定星座的覆盖能力。记cr_it为区域R_t在时隙t的覆盖参数，cr_it＝1代表在时隙t内区域R_t至少被1颗卫星覆盖。cr_it＝0代表在时隙t内区域R_t无法被卫星覆盖。星座的覆盖能力定义为在一个卫星周期T内被覆盖区域所占的百分比：

考虑到地球表面的区域处于海洋、山脉等用户数量极少地区。为了进一步评估卫星星座对于人口密度大的热点区域的覆盖能力，使用二进制变量h_it描述区域i是否为热点区域(如人口密度大于一定阈值的区域为热点区域，h置为1，反之为0)。因此，计算热点区域的覆盖能力计算为：

计算给定星座设计和网络策略下的端到端传播时延。任意两节点i和j间的传播时延计算为：

其中，L_ijt为节点i和j在时隙t的端到端传播时延。distance(C,NS,t)为连接关系C和网络策略NS下，从i到j在时隙t的星上数据传播距离。s_light为光在真空中的传播速度，数据在空间的传播速度大约是s_light的三分之二。

计算给定星座设计和网络策略下的区域到区域最大吞吐量，任意两区域m和n之间的最大吞吐量计算方式为：

Tpt＝∑Tpt_mnt,Tpt_mnt＝f_throughput(C,NS,t,β)

其中，Tpt_mnt为区域m和n在时隙t的最大吞吐量。f_throughput为给定连接关系C和网络策略NS下的吞吐量函数。β为路径延迟约束因子，且β>1。f_throughput的计算方法为：从m到n的所有可达路径中，找出传播时延小于等于最短路径传播延迟β倍的路径子集Route。f_throughput的计算结果为使用所有Route中的路径传输m到n的数据时，所能够达到的最大吞吐量。

计算给定星座设计和网络策略中，节点k的中心值I_k的计算方式为：

其中，给定星座设计和网络策略下，任意两网络节点之间可能存在最短路径。num_shortest为网络中最短路径的路径数量。num_shortest_k为中途经过节点k的所有最短路径的数量。I_k的值表征了k在整个网络中的抗毁能力，I_k的值越低，说明节点k发生故障时，对网络中的路由影响越小。

本发明实施例针对新兴天地一体化网络进行网络性能评估，重点关注具有时空高动态特性的卫星网络和地面互联网相融合时的各项网络性能，以及对特定星座设计下卫星网络物理层的仿真和评估(如SNS3工具)，或者主要从传输层进行端到端的网络性能评估(如iperf，netperf等工具)。相比于现有的网络性能仿真评估技术，本发明实施例在于综合考虑了底层网络的时空大尺度，高动态特性，和差异化的路由算法、用户流量对于各项网络性能指标的影响。

基于上述任一实施例，该方法中步骤S3具体包括：

具体地，计算天地融合网络的综合网络性能评估，综合网络性能计算NP为覆盖能力，传播延迟，吞吐量，抗毁能力的加权求和：

其中，γ,δ,ε,θ为各项指标的权值，可依据网络性能评估的侧重点设置经验值。

本发明实施例设计了开放可扩展的网络性能评估方式，并不局限于某种特定星座设计或特定路由策略下的网络性能，使用本发明时允许使用者灵活的设置星座参数和网络策略，模拟和计算不同的星座和网络策略下的网络性能。

下面对本发明实施例提供的用于天地一体化网络的网络性能评估系统进行描述，下文描述的用于天地一体化网络的网络性能评估系统与上文描述的用于天地一体化网络的网络性能评估方法可相互对应参照。

图3是本发明实施例提供的一种用于天地一体化网络的网络性能评估系统的结构示意图，如图3所示，包括：确定模块31、分析模块32和处理模块33；其中：

确定模块31用于确定天地一体化网络的网络基本特征信息；分析模块32用于基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；处理模块33用于由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果。

图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(communication interface)420、存储器(memory)430和通信总线(bus)440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行用于天地一体化网络的网络性能评估方法，该方法包括：确定天地一体化网络的网络基本特征信息；基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果。

此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的用于天地一体化网络的网络性能评估方法，该方法包括：确定天地一体化网络的网络基本特征信息；基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果。

又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的用于天地一体化网络的网络性能评估方法，该方法包括：确定天地一体化网络的网络基本特征信息；基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标；由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于天地一体化网络的网络性能评估方法，其特征在于，包括：

确定天地一体化网络的网络基本特征信息；

由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果；

所述基于所述网络基本特征信息对若干网络性能指标进行分析与建模，得到若干评估指标，具体包括：

获取地表网格化区域划分集合；

2.根据权利要求1所述的用于天地一体化网络的网络性能评估方法，其特征在于，所述确定天地一体化网络的网络基本特征信息，具体包括：

3.根据权利要求2所述的用于天地一体化网络的网络性能评估方法，其特征在于，所述获取网络基本架构信息，采用连接关系矩阵描述网络连接关系，并设置网络路由策略，具体包括：

结合底层链路的高动态特性，设置网络层的路由策略。

4.根据权利要求1所述的用于天地一体化网络的网络性能评估方法，其特征在于，所述获取地表网格化区域划分集合，具体包括：

5.根据权利要求1所述的用于天地一体化网络的网络性能评估方法，其特征在于，所述基于所述地表网格化区域划分集合，计算得到预设卫星网络架构设计和网络策略下的若干评估参数，具体包括：

6.根据权利要求5所述的用于天地一体化网络的网络性能评估方法，其特征在于，所述由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果，具体包括：

7.一种用于天地一体化网络的网络性能评估系统，其特征在于，包括：

确定模块，用于确定天地一体化网络的网络基本特征信息；

处理模块，用于由所述若干评估指标获得所述天地一体化网络的综合网络性能评估结果；

所述分析模块具体用于：

获取地表网格化区域划分集合；

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述用于天地一体化网络的网络性能评估方法的步骤。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述用于天地一体化网络的网络性能评估方法的步骤。