CN112272412A - 一种基于sdn的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，接入匹配流表计算步骤通过地面控制器计算各卫星的星下点位置与卫星物联网终端所处的地理网格的距离判断终端应选择哪颗卫星进行接入；卫星信道资源动态分配步骤通过卫星控制器对接入终端业务的QoS等级、数量、最低接入成功率限制及卫星可用资源进行计算，动态划分信道资源；接入控制辅助的随机接入步骤根据终端分配到的信道资源，进行竞争随机接入。该方法在SDN架构的基础上，通过地面控制器和卫星控制器协同优化分配信道资源，在保证中低优先级业务接入信道的成功率不低于规定阈值的同时，最大化高优先级业务的接入成功率，保证不同优先级业务的接入性能。

Description

一种基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法
技术领域
本发明涉及一种基于软件定义网络(Software Defined Network，简称SDN)的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，属于卫星通信技术。
背景技术
近年来快速发展的物联网(Internet of Things，简称IoT)逐渐在更多领域得到广泛应用，包括物流、安防、家居、医疗等。但是，由于空间环境和地理因素的限制，地面物联网并不能有效地解决所有问题。在人类无法到达的偏远地区，布设基站以及建立通信网络非常困难。相较于地面移动蜂窝式通信网络，覆盖范围更广的卫星通信系统成为物联网技术发展的新方向。虽然卫星物联网作为地面物联网的补充，可以实现对地面物联网难以覆盖的区域进行覆盖，却也面临着诸多困难。首先，卫星通信系统本身面临着传输时延长、网络节点具有高动态性等特性，因此相较于地面蜂窝物联网，卫星物联网不适用于时延敏感的业务；其次，随着科技的发展，接入卫星物联网系统的终端用户数量越来越多，随机性越来越强，业务种类也越来越繁杂。大量终端设备随机接入、大规模的业务请求很容易导致网络阻塞。在传统的卫星接入控制与切换技术基础上针对物联网中海量终端随机接入带来的多业务、用户高动态问题，考虑使用SDN的框架进行集中式的接入管理与资源分配。作为一种控制与转发完全分离的新型网络架构，SDN架构不仅能解决传统卫星物联网架构集中式管理的困难、海量多样化设备异构的困难，还能够提升系统的可扩展性降低系统的部署与维护成本。
发明内容
发明目的：针对低轨卫星物联网中终端海量、业务繁杂、卫星高动态等问题，以及传统卫星物联网架构集中式管理困难、系统可扩展性低等问题，本发明提供一种基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，是一种在SDN架构的基础上通过地面控制器进行集中式的接入管理、星上控制器按照业务优先级对接入终端动态分配信道资源的方法，能够提高系统灵活性，能够解决卫星物联网中多优先级业务的随机接入问题，保证各优先级业务的接入性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，包括接入匹配流表计算、卫星信道资源动态分配、接入控制辅助的随机接入三个部分，具体步骤如下：
(1)接入匹配流表计算：对某终端目标区域内的所有可见卫星，地面控制器计算各卫星星下点坐标与该终端坐标在地理网格上的距离，选择距离最近的一颗卫星作为该终端的接入卫星，该终端向接入卫星发送接入业务；
(2)卫星信道资源动态分配：接入卫星的卫星控制器根据业务优先级、业务数量、可用前导码资源数目和最低接入成功率为接入业务动态划分信道资源；
(3)接入控制辅助的随机接入：该终端根据划分的信道资源，进行竞争随机接入卫星。
具体的，所述步骤(1)，具体包括如下步骤：
(1.1)记终端m的目标区域内的所有可见卫星的总数为N，采用网格分析法对目标区域进行地理网格划分；
(1.2)卫星n根据其星下点坐标(Lonn,Latn)计算其在地理网格上的坐标(n1,n2)，
Figure BDA0002747554920000021
1≤n≤N，ΔLat和ΔLon为地理网格的划分精度；
(1.3)确定终端m在地理网格上的坐标(m1,m2)；
(1.4)计算终端m与卫星n之间的距离C(m,n)＝max(s1,s2)，s1＝|n1-m1|，s2＝|n2-m2|，C(m,n)值越大表示卫星n与终端m的距离越远，终端m接入卫星n的可能性越低，max()是求最大值函数；
(1.5)对所有N颗卫星，计算
Figure BDA0002747554920000022
终端m选择卫星s作为接入卫星，min()是求最小值函数，
Figure BDA0002747554920000023
是求最小值所对应的卫星序号。
具体的，所述步骤(2)中，接入卫星的卫星控制器根据业务优先级、业务数量、可用前导码资源数目和用户设定的最低接入成功率接入业务动态划分信道资源，在确保其他接入业务的最低接入成功率的同时，最大化最高业务优先级接入业务的接入成功率，包括如下步骤：
(2.1)卫星控制器统计当前时刻接入业务中各业务优先级的业务数量Ni,j,n，Ni,j,n表示卫星n在时隙j接入业务优先级为i的业务数量，i＝1表示最高业务优先级，i越大业务优先级越低，1≤i≤K，K表示总优先等级数；
(2.2)计算分配给除最高业务优先级接入业务的其他接入业务的可用前导码资源数目Ri,j,n，i≠1，以满足其他接入业务的最低接入成功率限制，Ri,j,n表示卫星n在时隙j分配给业务优先级为i的可用前导码资源数量；
(2.3)计算分配给最高业务优先级接入业务的可用前导码资源数目R1,j,n，
Figure BDA0002747554920000031
Rj,n表示卫星n在时隙j可用前导码资源数量；
(2.4)计算最高业务优先级接入业务的接入成功率P1,j,n，P1,j,n表示最高业务优先级接入业务随机选择R1,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的概率。
具体的，所述步骤(2.2)中，计算接入业务的接入成功率为Pi,j,n：
Figure BDA0002747554920000032
Pi,j,n≥pi,j,n
其中：Pi,j,n表示业务优先级为i的接入业务随机选择Ri,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的概率，pi,j,n表示业务优先级为i的接入业务随机选择Ri,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的最低概率限制。
具体的，所述步骤(3)中，接入控制辅助的随机接入包括如下步骤：
(3.1)在一个接入时隙内，卫星控制器将各自对应的可用前导码资源广播给其覆盖区内的所有终端，进入步骤(3.2)；
(3.2)终端从所有接收到的可用前导码资源中随机选择一个可用前导码资源，向其对应的卫星发送业务的随机接入请求；
(3.3)卫星控制器判断随机接入请求的数量是否超过阈值：若不超过，卫星控制器给所有终端发送随机接入响应；若超过，卫星控制器只给阈值数量内的终端发送随机接入响应；进入步骤(3.4)；
(3.4)终端根据接收到的随机接入响应，进行业务数据传输。
有益效果：本发明提供的基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，该方法通过采用SDN控制与转发完全分离的思想，进行集中式的接入管理与资源分配，解决了传统卫星物联网架构集中式管理困难等问题；该方法通过地面控制器进行集中式的接入管理，卫星控制器按照业务优先级对接入终端动态分配信道资源；该方法能够最大化高优先级业务的接入成功率，同时保证中低优先级业务接入信道的成功率不低于指定值，较好地减小高优先级业务的突发性对低优先级业务接入的影响，保证各优先级业务的接入性能。
附图说明
图1为本发明的框架结构示意图；
图2为本发明的接入匹配流表计算流程示意图；
图3为本发明的卫星信道资源动态分配流程示意图；
图4为本发明的接入控制辅助的随机接入流程示意图；
图5为采用本发明方法单颗卫星在各时隙接入的各优先级业务的数量分布；
图6为采用本发明方法单颗卫星在各时隙的接入成功率曲线图；
图7为采用本发明方法单颗卫星对各优先级业务的接入成功率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，包括接入匹配流表计算、卫星信道资源动态分配、接入控制辅助的随机接入三个部分。
第一部分：接入匹配流表计算：对某终端目标区域内的所有可见卫星，地面控制器计算各卫星星下点坐标与该终端坐标在地理网格上的距离，选择距离最近的一颗卫星作为该终端的接入卫星，该终端向接入卫星发送接入业务。
如图2所示，地面控制器计算各卫星星下点坐标与终端坐标在地理网格上的距离，判断终端应选择哪颗卫星进行接入；具体包括如下步骤：
(1.1)记终端m的目标区域内的所有可见卫星的总数为N，采用网格分析法对目标区域进行地理网格划分；
(1.2)卫星n根据其星下点坐标(Lonn,Latn)计算其在地理网格上的坐标(n1,n2)，
Figure BDA0002747554920000041
1≤n≤N，ΔLat和ΔLon为地理网格的划分精度；
(1.3)确定终端m在地理网格上的坐标(m1,m2)；
(1.4)计算终端m与卫星n之间的距离C(m,n)＝max(s1,s2)，s1＝n1-m1，s2＝n2-m2，C(m,n)值越大表示卫星n与终端m的距离越远，终端m接入卫星n的可能性越低，max()是求最大值函数；
(1.5)对所有N颗卫星，计算
Figure BDA0002747554920000051
终端m选择卫星s作为接入卫星，min()是求最小值函数，
Figure BDA0002747554920000052
是求最小值所对应的卫星序号。
第二部分：卫星信道资源动态分配：接入卫星的卫星控制器根据业务优先级、业务数量、可用前导码资源数目和最低接入成功率为接入业务动态划分信道资源。
如图3所示，接入卫星的卫星控制器根据业务优先级、业务数量、可用前导码资源数目和用户设定的最低接入成功率接入业务动态划分信道资源，在确保其他接入业务的最低接入成功率的同时，最大化最高业务优先级接入业务的接入成功率；具体包括如下步骤：
(2.1)卫星控制器统计当前时刻接入业务中各业务优先级的业务数量Ni,j,n，Ni,j,n表示卫星n在时隙j接入业务优先级为i的业务数量，i＝1表示最高业务优先级，i越大业务优先级越低，1≤i≤K，K表示总优先等级数；
(2.2)计算分配给除最高业务优先级接入业务的其他接入业务的可用前导码资源数目Ri,j,n，i≠1，以满足其他接入业务的最低接入成功率限制，Ri,j,n表示卫星n在时隙j分配给业务优先级为i的可用前导码资源数量；接入业务的接入成功率为Pi,j,n：
Figure BDA0002747554920000053
Pi,j,n≥pi,j,n
其中：Pi,j,n表示业务优先级为i的接入业务随机选择Ri,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的概率，pi,j,n表示业务优先级为i的接入业务随机选择Ri,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的最低概率限制；
(2.3)计算分配给最高业务优先级接入业务的可用前导码资源数目R1,j,n，
Figure BDA0002747554920000061
Rj,n表示卫星n在时隙j可用前导码资源数量；
(2.4)计算最高业务优先级接入业务的接入成功率P1,j,n，P1,j,n表示最高业务优先级接入业务随机选择R1,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的概率。
第三部分：接入控制辅助的随机接入：该终端根据划分的信道资源，进行竞争随机接入卫星。
如图4所示，接入控制辅助的随机接入包括如下步骤：
(3.1)在一个接入时隙内，卫星控制器将各自对应的可用前导码资源广播给其覆盖区内的所有终端，进入步骤(3.2)；
(3.2)终端从所有接收到的可用前导码资源中随机选择一个可用前导码资源，向其对应的卫星发送业务的随机接入请求；
(3.3)卫星控制器判断随机接入请求的数量是否超过阈值：若不超过，卫星控制器给所有终端发送随机接入响应；若超过，卫星控制器只给阈值数量内的终端发送随机接入响应；进入步骤(3.4)；
(3.4)终端根据接收到的随机接入响应，进行业务数据传输。
选取一颗卫星前50个时隙验证动态资源划分方法，设定中优先级业务的最低接入概率为0.1，低优先级业务的最低接入概率为0.01。如图5所示表示这三类优先级业务的数量对比(每个时隙由左至右分别为高优先级业务、中优先级业务和低优先级业务)，图6显示了这三类优先级业务的接入成功率曲线，结合两图可以看到中低优先级业务数量虽然存在波动，但是其接入成功率能够维持在最低接入概率之上，而且高优先级业务的接入概率最高。这是由于信道资源动态分配算法能够根据业务数量实时调整为各优先级业务分配的信道资源的数量，减小高优先级业务的到达对正在接入卫星信道的中低优先级业务的影响。图7是单颗卫星下包含接入控制的接入成功率曲线图，同时将高优先级业务和中优先级业务的最低接入概率设置为0.1，低优先级业务的最低接入概率为0.01，且低优先级业务数量随接入时隙递增。当接入数量超过13时，将停止接入。
从该实施例可以看出，本发明提供的基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法通过其中地面控制器包括可以完成地面终端的用户注册及业务QoS等级标记功能，并根终端选星流程为地面终端实时选择卫星接入，节省了地面终端的计算开销；卫星控制器随着卫星运动可实时获取各卫星节点的不同优先级业务的接入信息，根据负载动态调整信道资源状态，能够保证各优先级业务的接入性能以及整个卫星系统的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，其特征在于：包括接入匹配流表计算、卫星信道资源动态分配、接入控制辅助的随机接入三个部分，具体步骤如下：
(1)接入匹配流表计算：对某终端目标区域内的所有可见卫星，地面控制器计算各卫星星下点坐标与该终端坐标在地理网格上的距离，选择距离最近的一颗卫星作为该终端的接入卫星，该终端向接入卫星发送接入业务；
(2)卫星信道资源动态分配：接入卫星的卫星控制器根据业务优先级、业务数量、可用前导码资源数目和最低接入成功率为接入业务动态划分信道资源；
(3)接入控制辅助的随机接入：该终端根据划分的信道资源，进行竞争随机接入卫星。
2.根据权利要求1所述的基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，其特征在于：所述步骤(1)，具体包括如下步骤：
(1.1)记终端m的目标区域内的所有可见卫星的总数为N，采用网格分析法对目标区域进行地理网格划分；
(1.2)卫星n根据其星下点坐标(Lonn,Latn)计算其在地理网格上的坐标(n1,n2)，
Figure FDA0002747554910000011
1≤n≤N，ΔLat和ΔLon为地理网格的划分精度；
(1.3)确定终端m在地理网格上的坐标(m1,m2)；
(1.4)计算终端m与卫星n之间的距离C(m,n)＝max(s1,s2)，s1＝|n1-m1|，s2＝|n2-m2|，C(m,n)值越大表示卫星n与终端m的距离越远，终端m接入卫星n的可能性越低，max()是求最大值函数；
(1.5)对所有N颗卫星，计算
Figure FDA0002747554910000012
终端m选择卫星s作为接入卫星，min()是求最小值函数，
Figure FDA0002747554910000013
是求最小值所对应的卫星序号。
3.根据权利要求1所述的基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中，接入卫星的卫星控制器根据业务优先级、业务数量、可用前导码资源数目和用户设定的最低接入成功率接入业务动态划分信道资源，在确保其他接入业务的最低接入成功率的同时，最大化最高业务优先级接入业务的接入成功率，包括如下步骤：
(2.1)卫星控制器统计当前时刻接入业务中各业务优先级的业务数量Ni,j,n，Ni,j,n表示卫星n在时隙j接入业务优先级为i的业务数量，i＝1表示最高业务优先级，i越大业务优先级越低，1≤i≤K，K表示总优先等级数；
(2.2)计算分配给除最高业务优先级接入业务的其他接入业务的可用前导码资源数目Ri,j,n，i≠1，以满足其他接入业务的最低接入成功率限制，Ri,j,n表示卫星n在时隙j分配给业务优先级为i的可用前导码资源数量；
(2.3)计算分配给最高业务优先级接入业务的可用前导码资源数目R1,j,n，
Figure FDA0002747554910000021
Rj,n表示卫星n在时隙j可用前导码资源数量；
(2.4)计算最高业务优先级接入业务的接入成功率P1,j,n，P1,j,n表示最高业务优先级接入业务随机选择R1,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的概率。
4.根据权利要求3所述的基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，其特征在于：所述步骤(2.2)中，计算接入业务的接入成功率为Pi,j,n：
Figure FDA0002747554910000022
Pi,j,n≥pi,j,n
其中：Pi,j,n表示业务优先级为i的接入业务随机选择Ri,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的概率，pi,j,n表示业务优先级为i的接入业务随机选择Ri,j,n中任一可用前导码资源并成功接入的最低概率限制。
5.根据权利要求3所述的基于SDN的低轨卫星物联网信道资源动态分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中，接入控制辅助的随机接入包括如下步骤：
(3.1)在一个接入时隙内，卫星控制器将各自对应的可用前导码资源广播给其覆盖区内的所有终端，进入步骤(3.2)；
(3.2)终端从所有接收到的可用前导码资源中随机选择一个可用前导码资源，向其对应的卫星发送业务的随机接入请求；
(3.3)卫星控制器判断随机接入请求的数量是否超过阈值：若不超过，卫星控制器给所有终端发送随机接入响应；若超过，卫星控制器只给阈值数量内的终端发送随机接入响应；进入步骤(3.4)；
(3.4)终端根据接收到的随机接入响应，进行业务数据传输。
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