CN113328777B - 面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间信息技术领域，公开了一种面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统及方法，所述面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统包括：业务层、全局组织层、局部协调层和资源层；业务层作为输入，驱动整个系统的运作；全局组织层实现全网的测运控一体化控制和决策；局部协调层实现局部管控决策和管控切片生成；资源层提供物理资源和物理设备，并实现资源虚拟化。本发明通过在高轨卫星或中轨卫星上布设局部协调层控制器，使得局部协调层控制器的布设不会受到无法全球布站的限制，实现对大规模低轨卫星星座的管控，给出低轨卫星星座规模下局部协调层控制器数量的近似计算公式，为卫星星座系统设计和控制器布设提供理论依据。

Description

面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统及方法

技术领域

本发明属于空间信息技术领域，尤其涉及一种面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统及方法。

背景技术

目前，巨型卫星星座是以上万个空间平台(高、中、低轨道卫星)为载体，实时传输和处理各类用户节点(手持终端、物联网节点、车辆节点、飞行器节点等)业务数据的网络系统，进而满足无地面蜂窝网络覆盖地区的互联网连接、数据获取、语音通信、导航定位等重大应用需求，并保障地面蜂窝网络服务性能低下区域的服务有效性和可靠性，从而将互联网和通信服务拓展至全球、空间、乃至深空。随着卫星及通信技术的发展，卫星星座已经从早期单一轨道、几到几十颗卫星的构型发展为多层、上千颗卫星的巨型星座，且星座规模有进一步扩增的趋势，未来的巨型卫星星座将至少包含一万颗卫星，星座纵向维度将涉及低、中、高三种轨道类型。

在现有卫星网络运维及资源管控架构中，卫星网络测控、运维和管控是相互分离的，这些功能模块分布于不同类型的地面节点，如地面运维中心、地面测控中心、地面网管中心等，不仅提高了测运控成本，还降低了管理决策的参考维度，而在同一类地面节点上联合布置测运控功能，实现测运控一体化是未来卫星网络的必然趋势。

然而，集中式管控的管控时延较大，管控中心负担较重，由于我国设计实现的卫星通信系统通常无法在全球布设地面关口站，因此管控信令需要通过星间链路回传至较近的地面关口站进行处理，从而导致地面关口站及局部卫星网络拥塞，且大量信令回传会加重网络负荷、增大管控开销。随着卫星载荷能力的增强，卫星节点也可以分布式搭载具有测运控功能的控制器对其覆盖下的用户及业务实施无线资源管理，如无线资源调度、分配，和移动性管理，如位置管理、切换管理。分布式控制器布设是指在部分网络节点上布设控制器，目前比较前沿的架构有以下两种：第一种架构是在系统中布设同等级分布式控制器，同等级分布式控制器通常布设在地面关口站或低轨卫星上，这些控制器之间需要不断交互以获取全网的信息，因此该架构会增大网络控制开销和网络负荷，且控制器数量与网络规模成正比，因而不适用于巨型卫星网络；第二种是分级分层的控制器布设架构，在这种架构中，高等级控制器可以连接并控制多个低等级控制器，并向低等级控制器分发信息，低等级控制器负责管控其控制区域内的所有网络节点，其中高等级控制器通常布设在地面关口站，而低等级控制器布设在低轨卫星、中轨卫星或高轨卫星上，但为大规模卫星节点布设控制器载荷无疑会增加卫星制造和运营成本。

然而，上述分布式控制器布设架构既没有给出控制器内部具体的系统功能模块设计和管控方法，也没有考虑到未来巨型卫星网络的应用场景、控制器的布设成本和全球布站受限等问题，也无法满足未来卫星网络测运控一体化的迫切需求。因此，亟待提出一种面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统及方法，兼顾网络运维管控和系统成本。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)集中式管控的管控时延较大，管控中心负担较重；同时管控信令需要通过星间链路回传至较近的地面关口站进行处理，从而导致地面关口站及局部卫星网络拥塞，且大量信令回传会加重网络负荷、增大管控开销。

(2)同等级分布式控制器通常布设在地面关口站或低轨卫星上，这些控制器之间需要不断交互以获取全网的信息，因此该架构会增大网络控制开销和网络负荷，且控制器数量与网络规模成正比，因而不适用于巨型卫星网络。

(3)分级分层的控制器布设架构中，高等级控制器可以连接并控制多个低等级控制器，并向低等级控制器分发信息，低等级控制器负责管控其控制区域内的所有网络节点，其中高等级控制器通常布设在地面关口站，而低等级控制器布设在低轨卫星、中轨卫星或高轨卫星上，但为大规模卫星节点布设控制器载荷无疑会增加卫星制造和运营成本。

(4)分布式控制器布设架构既没有给出控制器内部具体的功能模块设计和管控方法，也没有考虑到未来巨型卫星网络的应用场景、控制器的布设成本和全球布站受限等问题，也无法满足未来卫星网络测运控一体化的迫切需求。

解决以上问题及缺陷的难度为：(1)一体化设计网络测运控功能模块，明确模块间的相互协作关系，并形成完整的网络运维和资源管控方法难；(2)在分级分层的控制器布设架构中，合理划分不同等级控制器的具体功能难；(3) 我国卫星系统无法全球布设地面站带来的管控时效性差的问题难解决。

解决以上问题及缺陷的意义为：(1)实现了测运控一体化的卫星网络分层网络运维和资源管控系统功能模块和方法设计；(2)有效解决了我国卫星系统无法全球布设地面站点带来的网络管控时效性差问题，且避免了大规模低轨卫星节点携带控制器造成的网络建设高成本问题；(3)为我国未来巨型卫星网络网络运维和资源管控系统设计提供了有效参考。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统及方法。

本发明是这样实现的，一种面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，所述面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统包括：

业务层，包括K个待管控的业务，所述待管控的业务作为分层网络运维和资源管控架构的输入，驱动整个系统的运作；

全局组织层，包括1个全局组织层控制器，全局组织层控制器布设在地面关口站，实现全网的测运控一体化控制和全局资源管控决策；

局部协调层，包含Q个局部协调层控制器，局部协调层控制器全部布设在高轨卫星或中轨卫星上，实现局部资源管控决策和管控切片生成；

资源层，包含物理资源域和虚拟资源域，物理资源域包含不同轨道的卫星和地面关口站，提供物理资源实体，提供无线资源；同时还提供传输信道，虚拟资源域实现物理资源的虚拟化，构建虚拟资源池和虚拟资源空间，并对虚拟资源层次化表征。

进一步，所述全局组织层控制器包括：

业务整形模块，包含要素提取和业务整形功能，所述要素提取功能分析业务属性和特点，实现业务关键要素的提取，业务整形功能根据提取的业务要素信息对待管控业务进行统一表征；其中，所述业务属性和特点包括业务类型、业务统计特性和业务服务质量需求；

资源整形模块，包含属性提取和资源整形功能，所述属性提取功能获取并分析全网资源属性，资源整形功能实现全网资源属性的统一表征；其中，所述全网资源属性包括资源类型和资源分布；

运维测控控制模块，实现全网的测控和运维控制，保障卫星网络的有效性和可靠性；

状态整形模块，实现全网网络状态的统一化表征，为资源管控决策提供多样化的决策维度；

智能资源管控模块，实现网络的全局资源管控决策，包括无线资源管理决策和移动性管理决策；

决策匹配模块，用于全局组织层控制器和局部协调层控制器间的接口，实现全局资源管控决策与局部协调层控制器的匹配，并将全局资源管控决策映射到匹配的局部协调层控制器。

进一步，所述局部协调层控制器包括：

匹配映射模块，存储全局组织层控制器映射到当前局部协调层控制器的全局资源管控决策，实现全局资源管控决策的分类和优先级排队，根据决策优先级，全局资源管控决策会依次被送入资源切片运算模块；

参数迁移模块，实现全局组织层决策知识和经验参数的部分迁移，进而实现无线资源管理和移动性管理的局部决策；

资源切片运算模块，根据局部资源管控决策，实现资源切片的计算和生成。

进一步，所述运维测控模块包括：

业务管理子模块，实现全网业务的集中化管理，包括业务分析、业务统计和业务预测；

故障管理子模块，实现卫星故障的实时感知、准确诊断、快速恢复、统计和后期维护，故障类型包括卫星网络故障、卫星设备故障和卫星运行故障；

卫星管理子模块，实现全网资源数量和质量的分析和统计，资源类型包括卫星计算资源、卫星存储资源、星间链路资源、星地馈电和服务链路资源、频谱资源和天线资源。

进一步，所述状态整形模块包括业务状态子模块、卫星状态子模块和资源状态子模块，所述子模块分别从运维测控模块中提取相应的业务状态、卫星状态和资源状态数据，并分别对这些状态数据实现整形，整形后的数据将作为智能资源管理模块的决策指标。

进一步，所述智能资源管理模块包括：

无线资源管理子模块，实现业务的全局无线资源管理决策，全局无线资源管理决策包括该业务需要的资源类型；其中，所述资源类型包括频谱、时隙、功率、天线，以及各种资源所需的资源数量；

移动性管理子模块，实现用户节点的位置管理，包括用户节点的位置更新和用户节点的位置附着点选择；和业务的切换管理，包括业务的切换触发决策，以及业务的切换目标卫星选择。

进一步，所述资源切片运算模块可以计算并生成；

业务资源切片，包含业务所需的频谱资源、功率资源、时隙资源和天线资源，所述资源可映射到具体的资源层物理设施和物理资源上，实现业务的无线资源分配和调度；

切换管理切片，包含业务切换所需的信令承载资源、波束资源和业务信道资源，所述资源可映射到具体的物理设施和物理资源上，实现业务切换过程中信令交互所需的无线资源的分配和调度，确保切换过程的可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控方法，所述面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控方法包括以下步骤：

步骤一，地面全局组织层控制器持续地获取全网资源属性并对资源整形，并对某个需要进行无线资源分配的业务进行业务要素提取和业务整形，并经过整形后的业务和资源属性将作为管理决策指标被送入智能资源管理模块。该步骤驱动了整个系统的运转。

步骤二，运维测控控制模块对业务、故障和卫星进行实时监测管理，并将运维测控数据整形为无线资源管理决策所需的业务状态、卫星状态和资源状态。该步骤为系统做网络运维和资源管控决策提供了信息支撑和决策依据。

步骤三，智能资源管控模块的无线资源管理子模块根据业务整形子模块、资源整形子模块和状态整形子模块提供的决策指标，以及整形后的业务和资源属性做出全局无线资源管控决策，做出全局无线资源管控决策，包括分配的资源类型，以及各种资源所需的资源量。该步骤直接指导了局部协调层控制器的资源管控决策。

步骤四，决策匹配模块将智能资源管控模块的无线资源管理子模块做出的全局无线资源管控决策映射到对应的局部协调层控制器。该步骤为全局组织层控制器和局部协调层控制器协作提供了接口操作。

步骤五，局部协调层控制器的匹配映射模块缓存并按照优先级排序所有全局资源管控决策，资源切片运算模块根据优先级顺序依次处理全局资源管控决策，对于全局无线资源管控决策，根据决策信息，资源切片运算模块获取完成当前业务的无线资源需求，并为当前业务分配和生成具体地业务资源切片。该步骤实现了虚拟化资源分配。

步骤六，业务资源切片是虚拟资源的一种层次化表征，其可映射到具体的物理设备和物理资源，支撑整个业务过程。该步骤根据资源管控决策实现了虚拟化资源到实际物理资源的映射，完成了卫星网络资源调度。

进一步，步骤五中，所述局部协调层控制器的布设方法，包括：

(1)根据高轨卫星或中轨卫星与低轨卫星的轨道高度差κ、低轨卫星轨道高度κ_leo、高轨卫星或中轨卫星的波束锥角θ、低轨卫星间的平均纬度差值和经度差值ΔLa和ΔLo，求解方程：

其中，球体O为以地心为球心，以低轨卫星轨道上任意一点到地心的距离R 为半径的球体，α(θ,κ)为局部协调层控制器波束角度所对球体O的球心角；所述α(θ,κ)的值可以通过求解以下方程组获得：

其中，x是任意一个局部协调层控制器与其控制区域内任意低轨卫星间的最大直线距离；

(2)计算局部协调层控制器的矩形或圆形天线波束可覆盖的低轨卫星数目 V(θ,κ)：

其中，ΔLa和ΔLo分别为赤道平面附近低轨卫星间的平均纬度差值和经度差值；

(3)计算单个局部协调层控制器在H跳内可控制的低轨卫星数目N：

其中，j为计数因子；

(4)根据低轨卫星星座的卫星数量M_leo和单个局部协调层控制器在H跳内可控制的低轨卫星数目N，求得所需的高轨卫星或中轨卫星局部协调层控制器数量Q＝M_leo/N。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，包括用户层，全局组织层，局部协调层和资源层，其中全局组织层控制器实现网络的一体化测控、运维和管理，并可以应用强化学习和深度学习的方法，实现业务无线资源管理和移动性管理的全局化决策；局部协调层控制器迁移部分决策知识和经验，实现控制区域内低轨卫星节点及移动业务的局部化管控，并负责计算和生成资源管控切片，进而为管控过程提供物理资源和物理设备支持。

本发明针对巨型卫星星座的管控特点和尚存问题，通过在高轨卫星或中轨卫星上布设局部协调层控制器，使得局部协调层控制器的布设不会受到无法全球布站的限制，实现了使用较少的局部协调层控制器对大规模低轨卫星星座的管控，并给出了一定低轨卫星星座规模下所需局部协调层控制器数量的近似计算公式，从而为大规模卫星星座系统设计和控制器布设提供了理论依据。

本发明给出了基于分层网络运维和资源管控架构的资源管控方法，并给出了一定低轨卫星星座规模下所需局部协调级控制器数量的近似计算公式，明确了架构内部的模块和功能设计，实现了卫星网络测运控一体化，消除了全球布站限制对卫星网络运维管控的影响，降低了管控时延，可用于大规模卫星星座网络运维和资源管控架构和方法设计。

本发明所提出的面向巨型卫星星座的分层网络运维及资源管控架构具有以下重要实验结论：第一是随着卫星星座规模的增大，局部协调层控制器与低轨卫星间的单次交互时延逐渐下降，所需局部协调层控制器数量下降；第二是随着局部协调层控制器可控跳数的增加，局部协调层控制器与低轨卫星间的单次交互时延逐渐增大，而所需局部协调层控制器数量先快速下降后趋缓下降，也就是说可控跳数带来的增益逐渐减小；第三是局部协调层控制器布设数量与单次交互平均时延之间存在权衡关系，增大局部协调层控制器可控跳数并不能持续地换来局部协调层控制器数量上的较大增益；第四是在满足管控时延需求的条件下，布设少量的局部协调层控制器即可实现对大规模卫星星座的管控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅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面向大规模卫星星座的分层网络运维及资源管控系统示意图。

图2是本发明实施例提供的面向大规模卫星星座的局部协调层控制器布设架构示意图。

图3(a)-图3(e)是本发明实施例提供的面向大规模卫星星座的局部协调层控制器布设架构实验结果图。

图4是本发明实施例提供的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图4所示，本发明实施例提供的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控方法包括以下步骤：

S101，地面全局组织层控制器对某个需要进行无线资源分配的业务进行业务要素提取和业务整形，并持续地获取全网资源属性并对资源整形，经过整形后的业务和资源属性将作为管理决策指标被送入智能资源管理模块；

S102，运维测控控制模块对业务、故障和卫星进行实时监测管理，并将运维测控数据整形为无线资源管理决策所需的业务状态、卫星状态和资源状态；

S103，智能资源管控模块的无线资源管理子模块根据业务整形子模块、资源整形子模块和状态整形子模块提供的决策指标，做出全局无线资源管控决策，包括分配的资源类型，以及各种资源所需的资源量；

S104，决策匹配模块将智能资源管控模块的无线资源管理子模块做出的全局无线资源管控决策映射到对应的局部协调层控制器；

S105，局部协调层控制器的匹配映射模块缓存并按照优先级排序所有全局资源管控决策，资源切片运算模块根据优先级顺序依次处理全局资源管控决策，对于全局无线资源管控决策，根据决策信息，资源切片运算模块获取完成当前业务的无线资源需求，并为当前业务分配和生成具体地业务资源切片；

S106，业务资源切片是虚拟资源的一种层次化表征，其可映射到具体的物理设备和物理资源，支撑整个业务过程。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

参考图1，本发明提出了一种面向大规模卫星星座的分层网络运维及资源管控架构和方法，该架构包括业务层、全局组织级、局部协调层和资源层。

具体地，业务层包含个待管控的业务，这些待管控的业务作为分层网络运维和资源管控架构的输入，驱动整个系统的运作。

全局组织级包含1个全局组织层控制器，全局组织层控制器布设在地面关口站，实现全网的测运控一体化控制和决策，其包含六部分：业务整形模块、资源整形模块、运维测控控制模块、状态整形模块、智能资源管理模块和决策匹配模块。

具体地，全局组织层控制器中的业务整形模块包含要素提取和业务整形功能，其中要素提取功能分析业务属性和特点，如业务类型、业务统计特性、业务服务质量需求等，实现业务关键要素的提取；业务整形功能根据提取的业务要素信息对待管控业务进行统一表征，进而将整形后的业务送入智能资源管理模块实施管控决策过程。

全局组织层控制器中的资源整形器包含属性提取和资源整形功能，其中属性提取功能获取并分析全网资源属性，如资源类型、资源分布等；资源整形功能实现全网资源属性的统一表征。

全局组织层控制器中的运维测控控制模块实现全网的测控和运维控制，保障卫星网络的有效性和可靠性，其包含三个功能：业务管理功能、故障管理功能和卫星管理功能，业务管理功能实现全网业务的集中化管理，包括业务分析、业务统计和业务预测等；故障管理功能实现卫星故障的实时感知、准确诊断、快速恢复、统计和后期维护，故障类型包括卫星网络故障、卫星设备故障、卫星运行故障等；卫星管理功能实现全网资源数量和质量的收集和控制，例如卫星计算资源、卫星存储资源、星间链路资源、星地馈电和服务链路资源、频谱资源、天线资源等。

全局组织层控制器中的状态整形模块实现全网网络状态的统一化表征，为管控决策提供多样化的决策维度，其包含三个功能：业务管理功能、故障管理功能和卫星管理功能，业务管理功能实现全网业务的集中化管理，包括获取业务类型、服务质量需求、业务接入卫星、业务时长、业务用户信息、业务管控日志等；故障管理功能实现卫星故障的实时监测、快速诊断和统计，例如卫星网络故障、卫星设备故障、卫星运行故障等；卫星管理功能实现全网资源数量和质量的收集和控制，例如卫星计算资源、卫星存储资源、星间链路资源、星地馈电和服务链路资源、频谱资源、天线资源等。

全局组织层控制器中的资源管控智能体集实现网络的全局资源管控决策，包括无线资源管理子模块和移动性管理子模块，其中无线资源管理子模块实现业务的无线资源管理决策，无线资源管理决策包括该业务需要的资源类型，如频谱、时隙、功率、天线等，以及各种资源所需的资源数量；移动性管理子模块，实现用户节点的位置管理，包括用户节点的位置更新和用户节点的位置附着点选择；和业务的切换管理，包括业务的切换触发决策，以及业务的切换目标卫星选择。

全局组织层控制器中的决策匹配模块是全局组织层和局部协调层间的接口，实现全局管控决策与局部协调层控制器的准确匹配，并将全局管控决策映射到匹配的局部协调层控制器。

进而，局部协调层包含个局部协调层控制器，局部协调层控制器均布设在高轨卫星或中轨卫星上，实现局部管控决策和管控切片生成，每一个局部协调层控制器由三部分组成：匹配映射模块、参数迁移模块和资源切片运算模块。

具体地，局部协调层控制器中的匹配映射模块缓存有全局组织层映射到当前局部协调层控制器的全局资源管控决策，实现全局资源管控决策的分类和优先级排队，根据决策优先级，这些全局资源管控决策会依次被送入资源切片运算模块。

局部协调层控制器中的参数迁移模块实现全局组织级决策知识和经验参数的部分迁移，进而实现无线资源管理和移动性管理的局部化决策。

局部协调层控制器中的资源切片运算模块根据全局和/或局部管控决策信息，实现资源切片的计算和产生，其可以产生两种类型的切片：业务资源切片和切换管理切片，业务资源切片包含业务所需的频谱资源、功率资源、时隙资源、天线资源等，这些资源可映射到具体的资源层物理设施和物理资源上，实现业务的无线资源分配和调度；切换管理切片包含业务切换所需的信令承载资源、波束资源、业务信道资源等，这些资源可映射到具体的物理设施和物理资源上，实现业务切换过程中信令交互所需的无线资源的分配和调度，确保切换过程的可靠性。

进而，资源层包含物理资源域和虚拟资源域，物理资源域包含不同轨道的卫星和地面关口站等，提供物理资源实体，例如交换机、路由器、各种卫星等，提供无线资源，例如网络节点的频谱、功率、时隙、天线、波束等资源，同时还提供传输信道，例如业务信道和信令控制信道，虚拟资源域实现物理资源的虚拟化，构建虚拟资源池和虚拟资源空间，并对虚拟资源层次化表征。

参考图1，以无线资源管理为例，本架构的网络运维和资源管控实施流程如下：

1)地面全局组织层控制器对某个需要进行无线资源分配的业务进行业务要素提取(业务类型、业务统计特性等)和业务整形，同时其持续地获取全网资源属性(资源类型、资源分布等)并对资源整形，经过整形后的业务和资源属性将作为管理决策指标被送入智能资源管理模块；

2)运维测控控制模块对业务、故障和卫星进行实时的监测管理，并将运维测控数据整形为无线资源管理决策所需的业务状态、卫星状态和资源状态；

3)智能资源管控模块的无线资源管理子模块根据业务整形子模块、资源整形子模块和状态整形子模块提供的决策指标，做出全局无线资源管控决策，包括分配的资源类型(频谱、时隙、功率、天线等)，以及各种资源所需的资源量；

4)决策匹配模块将智能资源管控模块的无线资源管理子模块做出的全局无线资源管控决策映射到对应的局部协调层控制器；

5)局部协调层控制器的匹配映射模块缓存并按照优先级排序所有全局资源管控决策，资源切片运算模块根据优先级顺序依次处理全局资源管控决策，对于全局无线资源管控决策，根据决策信息，资源切片运算模块获取完成当前业务所需的频谱、功率、时隙、天线等无线资源需求，并为当前业务分配和生成具体地业务资源切片；

6)业务资源切片是虚拟资源的一种层次化表征，其可映射到具体的物理设备和物理资源，支撑整个业务过程。

参照图2，本发明还针对局部协调层控制器的布设问题，给出了局部协调层控制器的布设架构示意图，该架构包括三种网络节点：全局组织层控制器节点、局部协调层控制器节点和其他网络节点。

具体地，全局组织层控制器均布设在地面关口站，地面关口站之间有地面光纤链路连接，由于地面关口站的布设受到地理、政治、人口等多方面因素的影响，所以本发明不涉及具体的地面关口站布设方法。

局部协调层控制器布设在中轨或高轨卫星上，具体布设步骤如下：

步骤五中，所述局部协调层控制器的布设方法，包括：

(1)根据高轨卫星或中轨卫星与低轨卫星的轨道高度差κ、低轨卫星轨道高度κ_leo、高轨卫星或中轨卫星的波束锥角θ、低轨卫星间的平均纬度差值和经度差值ΔLa和ΔLo，求解方程：

其中，球体O为以地心为球心，以低轨卫星轨道上任意一点到地心的距离R 为半径的球体，α(θ,κ)为局部协调层控制器波束角度所对球体O的球心角；所述α(θ,κ)的值可以通过求解以下方程组获得：

其中，x是任意一个局部协调层控制器与其控制区域内任意低轨卫星间的最大直线距离；

(2)计算局部协调层控制器的矩形或圆形天线波束可覆盖的低轨卫星数目V(θ,κ)：

其中，ΔLa和ΔLo分别为赤道平面附近低轨卫星间的平均纬度差值和经度差值；计算局部协调层控制器一跳内可控制的低轨卫星数目，在图1中该值为4。

(3)计算单个局部协调层控制器在H跳内可控制的低轨卫星数目N：

其中，j为计数因子；求出单个局部协调层控制器在跳内可控制的低轨卫星数目，其中为计数因子，在图2中的值为12。

(4)根据低轨卫星星座的卫星数量M_leo和单个局部协调层控制器在H跳内可控制的低轨卫星数目N，求得所需的高轨卫星或中轨卫星局部协调层控制器数量Q＝M_leo/N。最后，根据低轨卫星星座的卫星数量和单个局部协调层控制器在跳内可控制的低轨卫星数目，可以求得所需的高轨卫星或中轨卫星局部协调层控制器数量，在图2中的值为48，的值为4。

由上述局部协调层控制器布设过程，我们可以得到图2所示的局部协调层控制器布设架构，其中每颗高轨卫星或中轨卫星均搭载局部协调层控制器载荷，低轨卫星网络可以看作是一个环状格型网络，相同颜色的低轨卫星由同一个高轨或中轨局部协调层控制器管控，其中颜色较深的低轨卫星是局部协调层控制器一跳可控的低轨卫星。

以下可通过仿真实验对上述实施方式的效果作进一步说明：

仿真实验在MATLAB仿真软件上实现，首先仿真了在不同低轨卫星规模和不同局部协调层控制器轨道高度下，所需局部协调层控制器的数量以及局部协调层控制器与低轨卫星间单次交互的时延性能，此时局部协调层控制器可控跳数为4，低轨卫星轨道高度为1000公里，局部协调层控制器的波束锥角为32度，结果在图3(a)和图3(b)中。从这两个结果图中可以看到，所需局部协调层控制器数量随着低轨卫星规模增大而增大，随着局部协调层控制器轨道高度的增大而减小，而局部协调层控制器与低轨卫星的单次交互时延随着低轨卫星规模的增大而减小，随着局部协调层控制器轨道高度的增大而增大。

进一步，仿真了不同局部协调层控制器可控跳数下，局部协调层控制器轨道高度对所需局部协调层控制器数量以及局部协调层控制器和低轨卫星单次交互时延的影响，此时局部协调层控制器波束锥角为32度，低轨卫星数量为10000 颗，同时仿真了不同局部协调层控制器可控跳数下，局部协调层控制器波束锥角对所需局部协调层控制器数量以及局部协调层控制器和低轨卫星单次交互时延的影响，此时局部协调层控制器轨道高度为4000公里，低轨卫星数量为10000，结果在图3(c)、3(d)和3(e)中。从这三个结果图中可以看到，局部协调层控制器数量随着局部协调层控制器可控跳数的增加先迅速下降，然后平缓下降；局部协调层控制器轨道高度越高、波束锥角越大，所需局部协调层控制器数量越少，而局部协调层控制器与低轨卫星单次交互的平均时延越大，另外还可以发现，局部协调层控制器轨道高度对单次交互平均时延的影响远大于局部协调层控制器波束锥角对单次交互平均时延的影响。更重要的发现是，局部协调层控制器布设数量与单次交互平均时延之间存在权衡关系，一味地增大局部协调层控制器可控跳数并不能持续地换来局部协调层控制器数量上的较大增益。

以上为本发明所提供的一种针对大规模卫星星座的分层网络运维及资源管控架构和方法，并给出了架构的使用方法和架构中局部协调层控制器的具体布设方案，可以看出，本发明通过在地面关口站布设全局组织层控制器，在高轨卫星或中轨卫星上布设局部组织级控制器，实现大规模卫星星座的网络运维和资源管控，且局部协调层控制器布设不受全球布站问题的约束。此外，本发明还给出了一定规模低轨卫星星座下所需局部协调层控制器数量的计算公式，进而支撑大规模卫星星座的系统设计。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控方法，其特征在于，所述面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控方法包括以下步骤：

步骤一，地面全局组织层控制器持续地获取全网资源属性并对资源整形，并对某个需要进行无线资源分配的业务进行业务要素提取和业务整形，经过整形后的业务和资源属性将作为管理决策指标被送入智能资源管理模块；

步骤二，运维测控控制模块对业务、故障和卫星进行实时监测管理，并将运维测控数据整形为无线资源管理决策所需的业务状态、卫星状态和资源状态；

步骤三，智能资源管控模块的无线资源管理子模块根据业务整形子模块、资源整形子模块和状态整形子模块提供的决策指标，以及整形后的业务和资源属性做出全局无线资源管控决策，包括分配的资源类型，以及各种资源所需的资源量；

步骤四，决策匹配模块将智能资源管控模块的无线资源管理子模块做出的全局无线资源管控决策映射到对应的局部协调层控制器；

步骤五，局部协调层控制器的匹配映射模块缓存并按照优先级排序所有全局资源管控决策，资源切片运算模块根据优先级顺序依次处理全局资源管控决策，对于全局无线资源管控决策，根据决策信息，资源切片运算模块获取完成当前业务的无线资源需求，并为当前业务分配和生成具体的业务资源切片；

步骤六，业务资源切片是虚拟资源的一种层次化表征，其可映射到具体的物理设备和物理资源，支撑整个业务过程；

步骤五中，所述局部协调层控制器的布设方法，包括：

(1)根据高轨卫星或中轨卫星与低轨卫星的轨道高度差κ、低轨卫星轨道高度κl_eo、高轨卫星或中轨卫星的波束锥角θ、低轨卫星间的平均纬度差值和经度差值ΔLa和ΔLo，求解方程：

其中，球体O为以地心为球心，以低轨卫星轨道上任意一点到地心的距离R为半径的球体，a(θ,κ_leo，κ)为局部协调层控制器波束角度所对球体O的球心角；所述α(θ，κ_leo，κ)的值可以通过求解以下方程组获得：

其中，x是任意一个局部协调层控制器与其控制区域内任意低轨卫星间的最大直线距离；

(2)计算局部协调层控制器的矩形或圆形天线波束可覆盖的低轨卫星数目V(θ，κ_leo，κ):

其中，ΔLa和ΔLo分别为赤道平面附近低轨卫星间的平均纬度差值和经度差值；

(3)计算单个局部协调层控制器在H跳内可控制的低轨卫星数目N：

其中，j为计数因子；

(4)根据低轨卫星星座的卫星数量Mleo和单个局部协调层控制器在H跳内可控制的低轨卫星数目N，求得所需的高轨卫星或中轨卫星局部协调层控制器数量Q＝M_leo/N。

2.一种实施权利要求1所述面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控方法的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，其特征在于，所述面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统包括：

业务层，包括K个待管控的业务，所述待管控的业务作为分层网络运维和资源管控架构的输入，驱动整个系统的运作；

全局组织层，包括1个全局组织层控制器，全局组织层控制器布设在地面关口站，实现全网的测运控一体化控制和全局资源管控决策；

局部协调层，包含Q个局部协调层控制器，局部协调层控制器全部布设在高轨卫星或中轨卫星上，实现局部资源管控决策和管控切片生成；

资源层，包含物理资源域和虚拟资源域，物理资源域包含不同轨道的卫星和地面关口站，提供物理资源实体，提供无线资源，同时还提供传输信道；虚拟资源域实现物理资源的虚拟化，构建虚拟资源池和虚拟资源空间，并对虚拟资源层次化表征。

3.如权利要求2所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，其特征在于，所述全局组织层控制器包括：

业务整形模块，包含要素提取和业务整形功能，所述要素提取功能分析业务属性和特点，实现业务关键要素的提取，业务整形功能根据提取的业务要素信息对待管控业务进行统一表征；其中，所述业务属性和特点包括业务类型、业务统计特性和业务服务质量需求；

资源整形模块，包含属性提取和资源整形功能，所述属性提取功能获取并分析全网资源属性，资源整形功能实现全网资源属性的统一表征；其中，所述全网资源属性包括资源类型和资源分布；

运维测控控制模块，实现全网的测控和运维控制，保障卫星网络的有效性和可靠性；

状态整形模块，实现全网网络状态的统一化表征，为资源管控决策提供多样化的决策维度；

智能资源管控模块，实现网络的全局资源管控决策，包括无线资源管理决策和移动性管理决策；

决策匹配模块，用于全局组织层控制器和局部协调层控制器间的接口，实现全局资源管控决策与局部协调层控制器的匹配，并将全局资源管控决策映射到匹配的局部协调层控制器。

4.如权利要求2所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，其特征在于，所述局部协调层控制器包括：

匹配映射模块，存储全局组织层控制器映射到当前局部协调层控制器的全局资源管控决策，实现全局资源管控决策的分类和优先级排队，根据决策优先级，全局资源管控决策会依次被送入资源切片运算模块；

参数迁移模块，实现全局组织层决策知识和经验参数的部分迁移，进而实现无线资源管理和移动性管理的局部决策；

资源切片运算模块，根据局部资源管控决策，实现资源切片的计算和生成。

5.如权利要求3所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，其特征在于，所述运维测控控制模块包括：

业务管理子模块，实现全网业务的集中化管理，包括业务分析、业务统计和业务预测；

故障管理子模块，实现卫星故障的实时感知、准确诊断、快速恢复、统计和后期维护，故障类型包括卫星网络故障、卫星设备故障和卫星运行故障；

卫星管理子模块，实现全网资源数量和质量的分析和统计，资源类型包括卫星计算资源、卫星存储资源、星间链路资源、星地馈电和服务链路资源、频谱资源和天线资源。

6.如权利要求3所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，其特征在于，所述状态整形模块包括业务状态子模块、卫星状态子模块和资源状态子模块；所述子模块分别从运维测控模块中提取相应的业务状态、卫星状态和资源状态数据，并分别对这些状态数据实现整形，整形后的数据将作为智能资源管理模块的决策指标。

7.如权利要求6所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，其特征在于，所述智能资源管理模块包括：

无线资源管理子模块，实现业务的全局无线资源管理决策，全局无线资源管理决策包括该业务需要的资源类型；其中，所述资源类型包括频谱、时隙、功率、天线，以及各种资源所需的资源数量；

移动性管理子模块，实现用户节点的位置管理，包括用户节点的位置更新和用户节点的位置附着点选择；和业务的切换管理，包括业务的切换触发决策，以及业务的切换目标卫星选择。

8.如权利要求4所述的面向巨型卫星星座的分层网络运维和资源管控系统，其特征在于，所述资源切片运算模块可以计算并生成；

业务资源切片，包含业务所需的频谱资源、功率资源、时隙资源和天线资源，所述资源可映射到具体的资源层物理设施和物理资源上，实现业务的无线资源分配和调度；

切换管理切片，包含业务切换所需的信令承载资源、波束资源和业务信道资源，所述资源可映射到具体的物理设施和物理资源上，实现业务切换过程中信令交互所需的无线资源的分配和调度，确保切换过程的可靠性。

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