CN114245421B - 一种基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，包括以下步骤：获取当前全部组网任务信息；计算得到各任务的倾斜因子；得到组网任务的优先级联合倾斜因子分布数据；计算得到用户业务的归一化业务优先级；确定用户业务的指向向量并进行业务优先级修正；对业务优先级和优先级联合倾斜因子进行匹配，实现面向网络流量均衡的路由规划。主要具有以下优点：卫星通信网络中，用户业务数据根据自身优先级选择具备相应倾斜因子的卫星进行路由，能够避免优先级较低的数据占用承担高优先级任务的卫星的带宽资源；根据目的地址方向向量与路由节点方向向量之间的偏差，对用户业务优先级进行修正，能够在保证流量均衡的同时提高路由效率。

Description

一种基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法。

背景技术

卫星通信系统是信息通信网络中不可替代的重要组成部分，然而，受到卫星平台承载能力的约束和卫星通信空间频轨资源紧缺的限制，卫星通信网络中各节点、各链路的通信能力有限，如何利用有限的系统资源和能力，在保证用户服务质量满意度和保证高优先级任务之间达到一种平衡，是提高卫星通信网络服务质量中要解决的关键问题。从系统的角度看，希望能够更好的保障高优先级组网任务，提高接入用户数量，降低阻塞概率；而从用户的角度看，则希望无论何时何地系统都能够提供足够的资源进行业务传输，以得到满意的用户服务质量。因此，亟需提出一种卫星通信网络流量均衡方法，在满足卫星通信资源约束的条件下，实现组网任务优先级与用户业务服务质量之间的均衡。

发明内容

针对卫星通信网络流量均衡需求，本发明公开了一种基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其具体步骤包括：

S1，卫星通信系统从其网络管理信息库中，获取当前承载的全部N个组网任务的网络属性信息，包括优先级P、地理范围A、业务类型T及带宽需求B，将每个组网任务的网络属性信息记为一个四元组集合，其中，第i个组网任务的四元组集合表示为M_i{P_i,A_i,T_i,B_i}，i＝1,2,...,N，其中，P_i表示第i个组网任务的优先级、A_i表示第i个组网任务的地理范围、T_i表示第i个组网任务的业务类型，B_i表示第i个组网任务的带宽需求；网络管理信息库用于保存当前卫星通信系统所承载的全部组网任务的网络属性信息；

S2，对N个组网任务进行遍历，根据其优先级、业务类型及带宽需求信息，计算得到各个组网任务的倾斜因子，其中第i个组网任务的倾斜因子记为η_i；

S201，获取N个组网任务的优先级、业务类型及带宽需求信息，对于N个组网任务中第i个组网任务，获取其优先级P_i、业务类型T_i及带宽需求B_i信息；

S202，对每个组网任务的优先级取值进行归一化处理，对于优先级P_i，其归一化后的优先级记为ρ_i＝P_i/(P_max-P_min)，其中P_max和P_min分别表示优先级取值范围的上下限；

S203，将所有组网任务的业务类型分为N_t类，每个业务类型具有对应的业务类型系数，第n_t个业务类型的业务类型系数记为

其中，n_t＝1,2,...,N_t，

根据第i个组网任务的业务类型T_i，从N_t个业务类型中选择出其匹配的业务类型系数，记为τ_i；

S204，将组网任务的带宽需求由高至低分为N_b个档次，每个档次对应相应的带宽需求系数，第n_b个档次的带宽需求系数记为

其中n_b＝1,2,...,N_b，

根据第i个组网任务的带宽需求B_i，确定该带宽需求对应的档次，进而得到其带宽需求系数，记为ω_i；

S205，计算第i个组网任务的倾斜因子η_i，η_i＝w₁ρ_i+w₂τ_i+w₃ω_i，其中w₁、w₂、w₃分别为优先级、业务类型及带宽需求的权重；

S3，将各个组网任务的倾斜因子按照其地理范围进行累加，再进行归一化，得到组网任务在位置(α,β)处的优先级联合倾斜因子分布Η(α,β)，

其中，α和β分别为地球上任意一点的经度和纬度；

S4，对于每个用户业务，计算其归一化业务优先级；对于用户业务U，根据其业务类型和所属组网任务的优先级，得到用户业务U的归一化业务优先级λ_u，其计算公式为：

λ_u＝(τ_u+ρ_u)/2，

其中，τ_u为用户业务U的业务类型系数，其获取方式与步骤S203中记载的组网任务的业务类型系数的获取方式相同，ρ_u为用户业务U所属组网任务的归一化优先级；

S5，计算每个用户业务的指向向量；用户业务U的目的地址记为(α_d,β_d)，其中，α_d和β_d分别为目的地址的经度和维度；将缓存用户业务U数据的卫星表示为S，该卫星的星下点位置记为(α_s,β_s)，其中，α_s和β_s分别为所述星下点位置的经度和维度；用户业务U的指向向量记为

S6，判断用户业务的指向向量

是否为(0,0)，若是，则代表该用户业务U已经到达目的地址，执行步骤S9，否则，执行步骤S7；

S7，计算每个用户业务的归一化业务优先级在其对应卫星与相应可达卫星的连线方向上的修正值；计算卫星S与其全部可达卫星的连线方向，卫星S的可达卫星指与卫星S通过星间通信链路能直接相连的卫星，第j颗可达卫星的星下点位置坐标记为(α_sj,β_sj)，(α_sj,β_sj)分别为该位置的经度和纬度，卫星S与第j颗可达卫星的连线方向记为

其中，j＝1,2,...,M，M为卫星S的全部可达卫星数量，根据

和

计算用户业务U在

方向的归一化业务优先级修正值λ′_j，其计算公式为：

其中，λ′_j具体为用户业务U归一化业务优先级对于卫星S与第j颗可达卫星的连线方向

的修正值；

S8，计算用户业务对应卫星的可达卫星的可达因子，选择可达因子最小值对应的可达卫星为卫星S向目的地址传输的下一跳卫星，并利用其进行数据传输；返回步骤S6；

所述的步骤S8，其具体包括：计算用户业务对应卫星S的可达卫星的可达因子，对第j个可达卫星，其可达因子K_j的计算公式为：

K_j＝|λ_u-λ′_j|+|λ′_j-H(α_sj,β_sj)|，

其中，H(α_sj,β_sj)为卫星S的第j颗可达卫星所承载组网任务在位置(α_sj,β_sj)处的优先级联合倾斜因子，取min(K_j)对应的可达卫星为用户业务U由卫星S向目的地址传输的下一跳卫星，并利用其进行数据传输；返回步骤S6；

S9，完成对每个用户业务的路由规划，实现卫星通信网络流量的均衡。

本发明具有如下优点：

1、卫星通信网络中，用户业务数据根据自身优先级选择具备相应倾斜因子的卫星进行路由，能够避免优先级较低的数据占用承担高优先级任务的卫星的带宽资源；

2、根据目的地址方向向量与路由节点方向向量之间的偏差，对用户业务优先级进行修正，能够在保证流量均衡的同时提高路由效率。

附图说明

图1为本发明中基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法实现流程图。

具体实施方式

下面给出了本发明的一个实施例，对其进行详细描述。

如图1所示，本发明公开了一种基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其具体步骤包括：

S1，卫星通信系统从其网络管理信息库中，获取当前承载的全部N个组网任务的网络属性信息，包括优先级P、地理范围A、业务类型T及带宽需求B，将每个组网任务的网络属性信息记为一个四元组集合，其中，第i个组网任务的四元组集合表示为M_i{P_i,A_i,T_i,B_i}，i＝1,2,...,N，其中，P_i表示第i个组网任务的优先级、A_i表示第i个组网任务的地理范围、T_i表示第i个组网任务的业务类型，B_i表示第i个组网任务的带宽需求；网络管理信息库用于保存当前卫星通信系统所承载的全部组网任务的网络属性信息；

S2，对N个组网任务进行遍历，根据其优先级、业务类型及带宽需求信息，计算得到各个组网任务的倾斜因子，其中第i个组网任务的倾斜因子记为η_i；

S201，获取N个组网任务的优先级、业务类型及带宽需求信息，对于N个组网任务中第i个组网任务，获取其优先级P_i、业务类型T_i及带宽需求B_i信息；

S202，对每个组网任务的优先级取值进行归一化处理，对于优先级P_i，其归一化后的优先级记为ρ_i＝P_i/(P_max-P_min)，其中P_max和P_min分别表示优先级取值范围的上下限；

S203，将所有组网任务的业务类型分为N_t类，每个业务类型具有对应的业务类型系数，第n_t个业务类型的业务类型系数记为

其中，n_t＝1,2,...,N_t，

根据第i个组网任务的业务类型T_i，从N_t个业务类型中选择出其匹配的业务类型系数，记为τ_i；

S204，将组网任务的带宽需求由高至低分为N_b个档次，每个档次对应相应的带宽需求系数，且带宽需求系数随着组网任务带宽需求的降低而增大，第n_b个档次的带宽需求系数记为

其中n_b＝1,2,...,N_b，

根据第i个组网任务的带宽需求B_i，确定该带宽需求对应的档次，进而得到其带宽需求系数，记为ω_i；

S205，计算第i个组网任务的倾斜因子η_i，η_i＝w₁ρ_i+w₂τ_i+w₃ω_i，其中w₁、w₂、w₃分别为优先级、业务类型及带宽需求的权重；

S3，将各个组网任务的倾斜因子按照其地理范围进行累加，再进行归一化，得到组网任务在位置(α,β)处的优先级联合倾斜因子分布Η(α,β)，

其中，α和β分别为地球上任意一点的经度和纬度，取值精度为1°；

S4，对于每个用户业务，计算其归一化业务优先级；对于用户业务U，根据其业务类型和所属组网任务的优先级，得到用户业务U的归一化业务优先级λ_u，其计算公式为：

λ_u＝(τ_u+ρ_u)/2，

其中，τ_u为用户业务U的业务类型系数，其获取方式与步骤S203中记载的组网任务的业务类型系数的获取方式相同，ρ_u为用户业务U所属组网任务的归一化优先级；

S5，计算每个用户业务的指向向量；用户业务U的目的地址记为(α_d,β_d)，其中，α_d和β_d分别为目的地址的经度和维度；将缓存用户业务U数据的卫星表示为S，该卫星的星下点位置记为(α_s,β_s)，其中，α_s和β_s分别为所述星下点位置的经度和维度；用户业务U的指向向量记为

S6，判断用户业务的指向向量

是否为(0,0)，若是，则代表该用户业务U已经到达目的地址，执行步骤S9，否则，执行步骤S7；

S7，计算每个用户业务的归一化业务优先级在其对应卫星与相应可达卫星的连线方向上的修正值；计算卫星S与其全部可达卫星的连线方向，卫星S的可达卫星指与卫星S通过星间通信链路能直接相连的卫星，第j颗可达卫星的星下点位置坐标记为(α_sj,β_sj)，(α_sj,β_sj)分别为该位置的经度和纬度，卫星S与第j颗可达卫星的连线方向记为

其中，j＝1,2,...,M，M为卫星S的全部可达卫星数量，根据

和

计算用户业务U在

方向的归一化业务优先级修正值λ′_j，其计算公式为：

其中，λ′_j具体为用户业务U归一化业务优先级对于卫星S与第j颗可达卫星的连线方向

的修正值；

S8，计算用户业务对应卫星的可达卫星的可达因子，选择可达因子最小值对应的可达卫星为卫星S向目的地址传输的下一跳卫星，并利用其进行数据传输；返回步骤S6；

所述的步骤S8，其具体包括：计算用户业务对应卫星S的可达卫星的可达因子，对第j个可达卫星，其可达因子K_j的计算公式为：

K_j＝|λ_u-λ′_j|+|λ′_j-H(α_sj,β_sj)|，

其中，H(α_sj,β_sj)为卫星S的第j颗可达卫星所承载组网任务在位置(α_sj,β_sj)处的优先级联合倾斜因子，取min(K_j)对应的可达卫星为用户业务U由卫星S向目的地址传输的下一跳卫星，并利用其进行数据传输；返回步骤S6；

S9，完成对每个用户业务的路由规划，实现卫星通信网络流量的均衡。

以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其特征在于，其具体步骤包括：

S1，卫星通信系统从其网络管理信息库中，获取当前承载的全部N个组网任务的网络属性信息，包括优先级P、地理范围A、业务类型T及带宽需求B，将每个组网任务的网络属性信息记为一个四元组集合；

S2，对N个组网任务进行遍历，根据其优先级、业务类型及带宽需求信息，计算得到各个组网任务的倾斜因子；

S3，将各个组网任务的倾斜因子按照其地理范围进行累加，再进行归一化，得到组网任务在位置(α,β)处的优先级联合倾斜因子分布Η(α,β)，

其中，α和β分别为地球上任意一点的经度和纬度，A_i表示第i个组网任务的地理范围；

S4，对于每个用户业务，计算其归一化业务优先级；

S5，计算每个用户业务的指向向量；

S6，判断用户业务的指向向量

是否为(0,0)，若是，则代表该用户业务U已经到达目的地址，执行步骤S9，否则，执行步骤S7；

S7，计算每个用户业务的归一化业务优先级在其对应卫星与相应可达卫星的连线方向上的修正值；

S8，计算用户业务对应卫星的可达卫星的可达因子，选择可达因子最小值对应的可达卫星为卫星S向目的地址传输的下一跳卫星，并利用其进行数据传输；返回步骤S6；

S9，完成对每个用户业务的路由规划，实现卫星通信网络流量的均衡；

所述的步骤S2，其具体包括：

S201，获取N个组网任务的优先级、业务类型及带宽需求信息，对于N个组网任务中第i个组网任务，获取其优先级P_i、业务类型T_i及带宽需求B_i信息；

S202，对每个组网任务的优先级取值进行归一化处理，对于优先级P_i，其归一化后的优先级记为ρ_i＝P_i/(P_max-P_min)，其中P_max和P_min分别表示优先级取值范围的上下限；

S203，将所有组网任务的业务类型分为N_t类，每个业务类型具有对应的业务类型系数，第n_t个业务类型的业务类型系数记为

其中，n_t＝1,2,...,N_t，

根据第i个组网任务的业务类型T_i，从N_t个业务类型中选择出其匹配的业务类型系数，记为τ_i；

S204，将组网任务的带宽需求由高至低分为N_b个档次，每个档次对应相应的带宽需求系数，第n_b个档次的带宽需求系数记为

其中n_b＝1,2,...,N_b，

根据第i个组网任务的带宽需求B_i，确定该带宽需求对应的档次，进而得到其带宽需求系数，记为ω_i；

S205，计算第i个组网任务的倾斜因子η_i，η_i＝w₁ρ_i+w₂τ_i+w₃ω_i，其中w₁、w₂、w₃分别为优先级、业务类型及带宽需求的权重。

2.如权利要求1所述的基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其特征在于，第i个组网任务的四元组集合表示为M_i{P_i,A_i,T_i,B_i}，i＝1,2,...,N，其中，P_i表示第i个组网任务的优先级、A_i表示第i个组网任务的地理范围、T_i表示第i个组网任务的业务类型，B_i表示第i个组网任务的带宽需求；网络管理信息库用于保存当前卫星通信系统所承载的全部组网任务的网络属性信息。

3.如权利要求1所述的基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其特征在于，

所述的步骤S4，对于用户业务U，根据其业务类型和所属组网任务的优先级，得到用户业务U的归一化业务优先级λ_u，其计算公式为：

λ_u＝(τ_u+ρ_u)/2，

其中，τ_u为用户业务U的业务类型系数，其获取方式与步骤S203中记载的组网任务的业务类型系数的获取方式相同，ρ_u为用户业务U所属组网任务的归一化优先级。

4.如权利要求3所述的基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其特征在于，

所述的步骤S5，用户业务U的目的地址记为(α_d,β_d)，其中，α_d和β_d分别为目的地址的经度和维度；将缓存用户业务U数据的卫星表示为S，该卫星的星下点位置记为(α_s,β_s)，其中，α_s和β_s分别为所述星下点位置的经度和维度；用户业务U的指向向量记为

从而完成用户业务的指向向量的计算。

5.如权利要求4所述的基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其特征在于，

所述的步骤S7，计算卫星S与其全部可达卫星的连线方向，卫星S的可达卫星指与卫星S通过星间通信链路能直接相连的卫星，第j颗可达卫星的星下点位置坐标记为(α_sj,β_sj)，(α_sj,β_sj)分别为该位置的经度和纬度，卫星S与第j颗可达卫星的连线方向记为

其中，j＝1,2,...,M，M为卫星S的全部可达卫星数量，根据

和

计算用户业务U在

方向的归一化业务优先级修正值λ′_j，其计算公式为：

其中，λ′_j具体为用户业务U归一化业务优先级对于卫星S与第j颗可达卫星的连线方向

的修正值。

6.如权利要求5所述的基于倾斜因子的卫星通信网络流量均衡方法，其特征在于，

所述的步骤S8，其具体包括：计算用户业务对应卫星S的可达卫星的可达因子，对第j个可达卫星，其可达因子K_j的计算公式为：

K_j＝|λ_u-λ′_j|+|λ′_j-H(α_sj,β_sj)|，

其中，H(α_sj,β_sj)为卫星S的第j颗可达卫星所承载组网任务在位置(α_sj,β_sj)处的优先级联合倾斜因子，取min(K_j)对应的可达卫星为用户业务U由卫星S向目的地址传输的下一跳卫星，并利用其进行数据传输；返回步骤S6。

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