CN114025367A

CN114025367A - 天地一体化信息网络、负载均衡方法、装置和存储介质

Info

Publication number: CN114025367A
Application number: CN202111231567.6A
Authority: CN
Inventors: 步占辉; 王丹
Original assignee: Aipu Road Network Technology Nanjing Co ltd
Current assignee: Aipu Road Network Technology Nanjing Co ltd
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2041-10-22
Also published as: CN114025367B

Abstract

本发明公开了一种天地一体化信息网络、UPF网元负载均衡方法、计算机装置和存储介质，天地一体化信息网络包括运控中心单元、AMF网元和设置在第一卫星的多个UPF网元，运控中心单元根据UPF网元的负载信息确定目标UPF网元，AMF网元获取用户设备的位置信息，在各目标UPF网元中确定一个服务UPF网元为用户设备提供用户面功能服务。本发明通过将原本设置在地面的UPF网元设置在通信卫星上，用户面功能服务过程无需依赖于通信卫星与核心网之间的通信，可以避免通信卫星与核心网之间的通信时延，降低通信卫星的功耗；根据各UPF网元的负载来分配合适的UPF网元，提高用户设备的通信质量。本发明广泛应用于通信网络技术领域。

Description

天地一体化信息网络、负载均衡方法、装置和存储介质

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，尤其是一种天地一体化信息网络、UPF网元负载均衡方法、计算机装置和存储介质。

背景技术

由天基卫星网络和地基核心网组成的天地一体化信息网络，能够融合地面通信容量大、延迟低、性能高，以及卫星通信覆盖范围广的优点。

目前的5G网络技术中，使用用户设备接入5G网络时，由核心网中的UPF网元为用户设备提供分组路由和转发、数据包检查、用户平面部分策略规则实施、合法拦截、流量使用报告、用户平面的QoS处理、上行链路流量验证、上行链路和下行链路中的传输级分组标记，以及下行数据包缓冲和下行数据通知触发等用户面功能服务。如果要将5G网络技术应用到天地一体化信息网络中，用户设备接入天地一体化信息网络时也需要有UPF网元为用户设备提供用户面功能服务。但是，目前的5G网络相关技术中，UPF网元是设置在地面的核心网中，UPF网元要通过与用户设备连接的通信卫星才能提供用户面功能服务，通信卫星与UPF网元和用户设备之间的通信，为通信卫星带来较大的信令传输负担，并且由于通信卫星与核心网之间的通信时延较大，导致用户设备所获得的通信质量较差。

术语解释：

AMF：Access and Mobility Management Function的缩写，表示接入和移动性管理功能；

UPF：User Plane Function的缩写，表示用户面功能；

AMF网元和UPF网元都是5G通信网络中的网元；

GEO：Geosynchronous Earth Orbit的缩写，表示地球静止轨道卫星，是一种高轨卫星；

MEO：Medium Earth Orbit的缩写，表示中轨卫星；

LEO：Low Earth Orbit的缩写，表示低轨卫星。

发明内容

针对上述通信卫星与核心网之间的通信时延较大，导致用户设备所获得的通信质量较差等至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法、计算机装置和存储介质。

一方面，本发明实施例包括一种天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法，包括：

多个UPF网元；各所述UPF网元用于设置在第一卫星，所述第一卫星运行在第一卫星轨道；

运控中心单元；所述运控中心单元用于获取多个所述UPF网元的负载信息，根据各所述负载信息，在多个所述UPF网元中确定至少一个目标UPF网元；

AMF网元；所述AMF网元用于获取所述用户设备的服务请求和位置信息，响应于所述服务请求，根据所述位置信息，在各所述目标UPF网元中确定一个服务UPF网元，由所述服务UPF网元为所述用户设备提供用户面功能服务。

进一步地，所述AMF网元用于设置在其中一个所述目标UPF网元所在的第一卫星。

进一步地，所述运控中心单元用于设置在第二卫星，所述第二卫星运行在第二卫星轨道，所述第二卫星轨道的高度大于所述第一卫星轨道的高度。

进一步地，所述天地一体化信息网络还包括：

中继单元；所述中继单元用于设置在第二卫星，所述第二卫星运行在第二卫星轨道，所述第二卫星轨道的高度大于所述第一卫星轨道的高度；所述中继单元用于获取多个所述UPF网元的负载信息，将各所述UPF网元的负载信息转发至所述运控中心单元。

进一步地，所述运控中心单元用于设置在地面或者第三卫星，所述第三卫星运行在第三卫星轨道，所述第三卫星轨道的高度大于所述第二卫星轨道的高度。

进一步地，所述根据各所述负载信息，在多个所述UPF网元中确定至少一个目标UPF网元，包括：

根据各所述负载信息对各所述UPF网元进行负载预测，获得各所述UPF网元的负载预测值；

确定各所述UPF网元的负载预测值占所有所述UPF网元的负载预测值总和的比例；

将对应比例最低的一个或多个所述UPF网元分别确定为所述目标UPF网元。

进一步地，所述根据所述位置信息，在各所述目标UPF网元中确定一个服务UPF网元，包括：

获取各所述目标UPF网元所在第一卫星的星历数据；

根据所述位置信息和所述星历数据，确定距离所述用户设备最接近的目标UPF网元作为所述服务UPF网元。

另一方面，本发明实施例还包括一种天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法，包括：

获取多个UPF网元的负载信息；各所述UPF网元用于设置在第一卫星，所述第一卫星运行在第一卫星轨道；

根据各所述负载信息，在多个所述UPF网元中确定至少一个目标UPF网元；

获取所述用户设备的服务请求和位置信息；

响应于所述服务请求，根据所述位置信息，在各所述目标UPF网元中确定一个服务UPF网元；

由所述服务UPF网元为所述用户设备提供用户面功能服务。

另一方面，本发明实施例还包括一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行实施例中的天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法。

另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行实施例中的天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法。

本发明的有益效果是：实施例中的天地一体化信息网络，通过将原本设置在地面的UPF网元设置在通信卫星上，用户面功能服务过程无需依赖于通信卫星与核心网之间的通信，因此通信卫星在为用户设备提供用户面功能服务过程中的信令传输负担较轻，可以避免通信卫星与核心网之间的通信时延，降低通信卫星的功耗；由运控中心单元根据各UPF网元的负载来为用户设备分配合适的UPF网元，可以提高用户设备获得的通信质量。

附图说明

图1为实施例中天地一体化信息网络的第一种应用场景示意图；

图2为实施例中天地一体化信息网络的第二种应用场景示意图

图3为实施例中天地一体化信息网络的第三种应用场景示意图

图4为实施例中天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法的流程图。

具体实施方式

本实施例中，天地一体化信息网络的第一种应用场景如图1所示。参照图1，在地面，基站与核心网连接，用户使用用户终端，其中用户终端可以是手机、平板电脑或者专用仪器等终端设备。太空中运行高轨卫星GEO、中轨卫星MEO和低轨卫星LEO等不同轨道上的通信卫星，其中，GEO的运行轨道高度大于MEO的运行轨道高度，MEO的运行轨道高度大于LEO的运行轨道高度。用户终端既可以直接与基站通信，从而直接连接到核心网，也可以通过通信卫星与基站通信，从而连接到核心网。

本实施例中，第一卫星、第二卫星和第三卫星是一组运行在不同高度轨道的通信卫星组合，其中第一卫星运行在第一卫星轨道，第二卫星运行在第二卫星轨道，第三卫星运行在第三卫星轨道，并且第一卫星轨道的高度、第二卫星轨道的高度、第三卫星轨道的高度依次增加，即第三卫星所在的轨道高度大于第二卫星所在的轨道高度，第二卫星所在的轨道高度大于第一卫星所在的轨道高度，第一卫星比第二卫星离地面更近，第二卫星比第三卫星离地面更近。本实施例中，以第一卫星是LEO、第二卫星是MEO、第三卫星是GEO为例进行说明。

本实施例中，天地一体化信息网络包括各UPF网元、运控中心单元、AMF网元和中继单元等单元。

当天地一体化信息网络运行时，UPF网元被安装在第一卫星上，具体地，可以每个第一卫星安装一个UPF网元，并且安装了UPF网元的第一卫星还可以安装一个AMF网元，即每个第一卫星都安装一个UPF网元和一个AMF网元。其中，UPF网元和AMF网元原本是属于地面核心网中的网元，本实施例中可以在每个第一卫星都安装一个UPF网元和一个AMF网元，相当于将地面核心网中的UPF网元和AMF网元迁移到第一卫星，地面核心网中不再保留UPF网元和AMF网元，也可以在地面核心网中保留UPF网元和AMF网元，每个第一卫星上分别另设一套UPF网元和AMF网元。

本实施例中，第一卫星、第二卫星和第三卫星也可以是天地一体化信息网络的一部分，天地一体化信息网络还可以包括在轨运行的其他LEO、MEO和GEO。

本实施例中，运控中心单元的位置可以有三种情况，分别是：运控中心单元设置在地面，即运控中心单元设置在核心网中；运控中心单元设置在第二卫星，即运控中心单元设置在其中一个MEO上；运控中心单元设置在第三卫星，即运控中心单元设置在其中一个GEO上。

图1、图2和图3分别为实施例中天地一体化信息网络的三种应用场景示意图。图1所示是运控中心单元设置在地面的情况，图2所示是运控中心单元设置在第二卫星的情况，图3所示是运控中心单元设置在第三卫星的情况。在图3所示的情况中，也就是运控中心单元设置在第三卫星的情况下，还可以在第二卫星设置中继单元，该中继单元可以用于UPF网元与运控中心单元之间的信号中继，也就是中继单元接收UPF网元发出的信号，经过降噪和放大后再发送给运控中心单元。

无论运控中心单元设置在哪个位置，运控中心单元都是接收多个UPF网元上报负载信息。具体地，UPF网元上报的负载信息的格式如表1所示，

表1

UPF ID	SatID	时间戳	用户量	业务量
					1	Sat01	20210922-10:00:00	1000	3000
2	sat04	20210922-10:00:00	1200	5000
					3	sat07	20210922-10:00:00	1300	6000

表1中的一行是一个UPF网元上报的负载信息，其中附带有用于表示UPF网元编号的UPF ID、用于表示卫星编号的Sat ID以及用于表示上报时间的时间戳。负载信息可以通过UPF网元当前所连接的用户量以及所承载的业务量来表示，具体可以通过前所连接的用户量以及所承载的业务量计算出加权平均值作为该UPF网元对应的负载信息。

运控中心单元获取到各个UPF网元上报的负载信息后，根据各负载信息，在多个UPF网元中确定至少一个目标UPF网元。运控中心单元可以分别对每个UPF网元进行负载预测，具体地，运控中心单元可以将一个UPF网元历次上报的负载信息组成时间序列，然后使用prophet算法对时间序列进行处理，获得一个对这个时间序列在下一时刻的预测值，作为该UPF网元的负载预测值。运控中心单元分别对各UPF网元执行上述过程，从而获得各UPF网元的负载预测值；

在n个UPF网元向运控中心单元上报的负载信息，运控中心单元获得UPF网元1对应的负载预测值1、UPF网元2对应的负载预测值2……UPF网元n对应的负载预测值n之后，运控中心单元确定各UPF网元的负载预测值占所有UPF网元的负载预测值总和的比例，例如UPF网元1对应的比例为负载预测值1/(负载预测值1+负载预测值2……+负载预测值n)，UPF网元2对应的比例为负载预测值2/(负载预测值1+负载预测值2……+负载预测值n)。运控中心单元确定各个比例中最小的i个比例，将这i个比例对应的i个UPF网元分别确定为目标UPF网元。例如，在需要确定3个目标UPF网元的情况下，运控中心单元确定各个比例中最小的3个比例，将这3个比例对应的3个UPF网元分别确定为目标UPF网元。

运控中心单元通过获取各UPF网元的负载历史值进行预测，获得各UPF网元的负载预测值，并计算出各UPF网元的负载预测值占所有UPF网元的负载预测值总和的比例，能够预测在未来一个时刻各UPF网元的负载分布情况，通过寻找最小的一个或几个比例，能够确定预测未来一个时刻负载最小的一个或几个UPF网元作为目标UPF网元，能够从这些目标UPF网元中进一步确定用来为为用户设备提供用户面功能服务的服务UPF网元。

本实施例中，运控中心单元根据位置信息，在各目标UPF网元中确定一个服务UPF网。具体地，运控中心单元获取各目标UPF网元所在第一卫星的星历数据，根据星历数据可以确定各个第一卫星在一段时间内在太空中的位置。运控中心单元获取用户设备上传的位置信息，根据用户设备上传的位置信息可以确定用户设备在地球上的位置。运控中心单元根据各个第一卫星在太空中的位置以及用户设备在地球上的位置，可以计算出各个第一卫星与用户设备之间的距离，由于各个目标UPF网元分别安装在各自的上，因此目标UPF网元所在的第一卫星与用户设备之间的距离就是目标UPF网元与用户设备之间的距离，运控中心单元可以筛选出距离用户设备最接近的目标UPF网元，将该目标UPF网元确定为服务UPF网元。由于服务UPF网元比其他目标UPF网元距离用户设备更近，因此服务UPF网元与用户设备之间的延迟较低，而且服务UPF网元的预测负载与其他大部分UPF网元相比是较小的，因此服务UPF网元能够为用户设备提供低时延、高响应速度的更高质量的通信服务。

在图1所示的情景中，运控中心单元安装在地面核心网中，UPF网元所在的第一卫星在低轨道运行，因此UPF网元与运控中心单元之间进行通信时，第一卫星的馈电功率较低，有利于减轻第一卫星的负荷。

在图2所示的情景中，运控中心单元安装在第二卫星中，第二卫星在中轨道运行，运控中心单元所在的第二卫星与UPF网元所在的第一卫星之间是太空，因此UPF网元与运控中心单元之间进行通信时所受到的干扰较少。

在图3所示的情景中，运控中心单元安装在第三卫星中，第三卫星在高轨道运行，运控中心单元与UPF网元之间通过安装在第二卫星的中继单元进行信号中继，运控中心单元所在的第三卫星与中继单元所在的第二卫星之间、中继单元所在的第二卫星之间与UPF网元所在的第一卫星之间是太空，因此UPF网元与运控中心单元之间进行通信时所受到的干扰较少，并且运控中心单元在高轨道运行，其覆盖范围更广，有利于接收到更多UPF网元上传负载信息，从而将更多UPF网元纳入选择出服务UPF网元的范围内，有利于为用户设备选择更合适的UPF网元来提供用户面功能服务。

本实施例中的天地一体化信息网络，通过将原本设置在地面的UPF网元设置在通信卫星上，用户面功能服务过程无需依赖于通信卫星与核心网之间的通信，因此通信卫星在为用户设备提供用户面功能服务过程中的信令传输负担较轻，可以避免通信卫星与核心网之间的通信时延，降低通信卫星的功耗；由运控中心单元根据各UPF网元的负载来为用户设备分配合适的UPF网元，可以提高用户设备获得的通信质量；运控中心单元可以设置在地面、中轨道的第二卫星或者高轨道的第三卫星等不同位置，当运控中心设置在地面，能够减轻第一卫星的负荷，当运控中心设置在第二卫星，能够使得UPF网元与运控中心单元之间进行通信时所受到的干扰较少，当运控中心设置在第三卫星，能够使得UPF网元与运控中心单元之间进行通信时所受到的干扰较少，且有利于运控中心单元将更多UPF网元纳入选择出服务UPF网元的范围内，有利于为用户设备选择更合适的UPF网元来提供用户面功能服务。

通过运行本实施例中的天地一体化信息网络，可以执行一种UPF网元负载均衡方法。参照图4，基于本实施例中的天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法包括以下步骤：

S1.获取多个UPF网元的负载信息；

S2.根据各负载信息，在多个UPF网元中确定至少一个目标UPF网元；

S3.获取用户设备的服务请求和位置信息；

S4.响应于服务请求，根据位置信息，在各目标UPF网元中确定一个服务UPF网元；

S5.由服务UPF网元为用户设备提供用户面功能服务。

由于步骤S1-S5可以由本实施例中的天地一体化信息网络中的相应部件执行，具体地，可以由核心网中的控制部件控制天地一体化信息网络中的相应部件执行，因此能够实现与本实施例中的天地一体化信息网络相同的技术效果。

可以通过编写执行本实施例中的天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法的计算机程序，将该计算机程序写入至计算机装置或者存储介质中，当计算机程序被读取出来运行时，执行本实施例中的天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法，从而实现与实施例中的天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法相同的技术效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims

1.一种天地一体化信息网络，其特征在于，所述天地一体化信息网络包括：

2.根据权利要求1所述的天地一体化信息网络，其特征在于，所述AMF网元用于设置在其中一个所述目标UPF网元所在的第一卫星。

3.根据权利要求1所述的天地一体化信息网络，其特征在于，所述运控中心单元用于设置在第二卫星，所述第二卫星运行在第二卫星轨道，所述第二卫星轨道的高度大于所述第一卫星轨道的高度。

4.根据权利要求1所述的天地一体化信息网络，其特征在于，所述天地一体化信息网络还包括：

5.根据权利要求4所述的天地一体化信息网络，其特征在于，所述运控中心单元用于设置在地面或者第三卫星，所述第三卫星运行在第三卫星轨道，所述第三卫星轨道的高度大于所述第二卫星轨道的高度。

6.根据权利要求1所述的天地一体化信息网络，其特征在于，所述根据各所述负载信息，在多个所述UPF网元中确定至少一个目标UPF网元，包括：

7.根据权利要求1所述的天地一体化信息网络，其特征在于，所述根据所述位置信息，在各所述目标UPF网元中确定一个服务UPF网元，包括：

获取各所述目标UPF网元所在第一卫星的星历数据；

8.一种天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法，其特征在于，包括：

获取所述用户设备的服务请求和位置信息；

由所述服务UPF网元为所述用户设备提供用户面功能服务。

9.一种计算机装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行权利要求8所述天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行权利要求8所述的天地一体化信息网络的UPF网元负载均衡方法。