CN114268988B - 基于5g的低轨卫星拥塞控制方法、系统、装置及介质 - Google Patents

基于5g的低轨卫星拥塞控制方法、系统、装置及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法、系统、装置及介质，包括：当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的若干倍，再根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，并重新测试所述链路的往返时延；其中，所述若干倍小于1倍；当所述链路的往返时延小于所述重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的指数倍，并重新测试所述链路的往返时延。本发明实施例能够改善拥塞控制，提高系统的吞吐量，可广泛应用于卫星通信技术领域。

Description

基于5G的低轨卫星拥塞控制方法、系统、装置及介质
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法、系统、装置及介质。
背景技术
目前，随着5G技术的日益成熟，中国5G发展稳步前进。由于5G的高性能、低延迟和高容量等突出特点，5G技术开启了互联网时代万物互联的新时代，融入了人工智能、大数据等多项技术。但是作为陆地移动系统，还是有一定的局限性。陆地移动通信服务由于经济和技术的限制，有很多区域都没有覆盖到，比如海洋、森林、沙漠等偏远地区船舶、飞机、科考的宽带通信问题。卫星网络可以解决这些陆地移动服务覆盖不到的区域，成为陆地移动通信的有利补充，所以5G和卫星网络的结合可以大大的提升网络覆盖范围。高轨卫星由于轨道资源有限，所以只能在一个拥挤的环境下工作，并且由于高轨卫星的数据传输延迟很大，在500ms左右，在线视频聊天或者游戏等服务的时间要求都不能满足。而低轨卫星能大大缩短数据传输延迟。并且随着现代移动通信和电子元器件技术的飞速发展，制约早期低轨卫星通信系统的通话质量、数据传输速率和使用成本等问题都迎刃而解，低轨卫星通信的应用时机已经成熟。轨道和频谱是通信卫星能够正常运行非常重要的条件，国外的公司纷纷推出庞大的低轨卫星系统方案，都是为了优先抢占低轨卫星轨道和频谱资源。国内也已经开始了低轨卫星通信系统的建设。低轨卫星系统由于高速运动，会出现频繁的切换，如果切换不到合适的链路，会导致通信中断或者通着通信延迟大大增加，不稳定的链路会给传输层的拥塞控制带来很大的影响。现有的传输层拥塞控制协议并没有考虑卫星通信的链路不稳定或链路质量问题，会导致错误的进行拥塞控制，从而大大降低了整个系统的吞吐量。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法、系统、装置及介质，能够改善拥塞控制，提高系统的吞吐量。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法，包括以下步骤：
当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的若干倍，再根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，并重新测试所述链路的往返时延；其中，所述若干倍小于1倍；
当所述链路的往返时延小于所述重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的指数倍，并重新测试所述链路的往返时延。
可选地，所述根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，具体包括：
当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口加上第一预设值；
当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第二预设值；
当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第三预设值；
当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口保持不变。
可选地，所述卫星的忙闲概率通过以下方法确定：
计算数据包在所有卫星的平均处理时间及期望处理时间；
根据所述平均处理时间及所述期望处理时间的倒数确定第一数值；
根据所述第一数值的倒数确定所述卫星的忙闲概率。
可选地，所述所有卫星的平均处理时间通过以下方法确定：
根据数据包在当前卫星的离开时刻及到达时刻的差值确定当前卫星的处理时间；
计算所有卫星的处理时间的总和，并根据所述所有卫星的处理时间的总和与卫星总数的商值作为所有卫星的平均处理时间。
可选地，所述期望处理时间通过以下方法确定：
根据卫星的最大缓冲区大小与处理速度的商值确定所述期望处理时间。
可选地，所述链路时延根据以下方法确定：
计算数据包在所有卫星链路上的传输时间；
基于激光通信计算数据包在所有卫星的传输时延；
计算所述传输时间与所述传输时延的比值；
根据所述比值的倒数确定所述链路时延。
可选地，所述所有卫星链路上的传输时间通过以下方法确定：
根据下一个卫星的到达时刻与当前卫星的离开时刻确定一条链路的传输时间；
根据所有链路的传输时间总和确定所有卫星链路上的传输时间。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于5G的低轨卫星拥塞控制系统，包括：
第一模块，用于当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的若干倍，再根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，并重新测试所述链路的往返时延；所述若干倍小于1倍；
第二模块，用于当所述链路的往返时延小于所述重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的指数倍，并重新测试所述链路的往返时延。
第三方面，本发明实施例提供了一种基于5G的低轨卫星拥塞控制装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，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上述的方法。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中，当链路的往返时延大于或等于重传定时器，先对前一个拥塞窗口通过倍数调整进行缩小得到当前拥塞窗口，再对当前拥塞窗口根据卫星的忙闲概率和链路时延进行调整，并重新测试链路的往返时延；当链路的往返时延小于重传定时器，将当前拥塞窗口调整为前一个拥塞窗口的指数倍增大，并重新测试链路的往返时延；从而动态调整拥塞窗口，改善拥塞控制方法，提高系统的吞吐量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种核心网和卫星通信的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于TCP建立通信的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种卫星通信拓扑图；
图4是本发明实施例提供的一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法的步骤流程示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的一种卫星数据包队列模型的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于5G的低轨卫星拥塞控制系统的结构框图；
图8是本发明实施例提供的一种基于5G的低轨卫星拥塞控制装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参阅图1的低轨卫星通信示意图，卫星终端通过低轨卫星网络接入到地面信关站，然后连接到核心网，从而到达数据网络。例如，卫星的编号为Sij(i＝0，1，2，3；j＝0，1，2)，卫星终端传输信令或数据的时候，传输层都有拥塞控制，拥塞控制好坏很大程度上决定了整个网络的吞吐量。传统的TCP协议在卫星通信中不能准确做拥塞控制，因为卫星网络里传输慢有可能是因为链路的不稳定造成的。如果盲目地进行窗口缩减，会大大降低网络的吞吐量，例如，如果S00与S01，S10与S11，S20与S21，S30与S31之间的链路出现了问题，导致卫星终端所发的包迟迟到不了核心网，从而造成TCP的RTO timer(retransmission timer，重传定时器)超时，从而进行窗口缩减，这实际是没有任何用处的，因为链路不通畅并不是因为网络拥塞。同样的，在低轨卫星与卫星终端，或者卫星与地面信关站进行通信时，也会因为链路的不稳定导致丢包，从而也会产生错误的窗口缩减。
参阅图2，TCP有三次握手机制，首先会从source端发送同步信号给destination端；destination端收到source端发来的同步包后，destination端会给source端回相应的同步信号，并发送确认此同步包ACK；source端收到destination端发来的同步信号和之前同步信号的ACK，source端会给destination端发当前信号包ACK；destination端收到ACK之后，连接成功建立。
参阅图3，图3表示的是UE(User Equipment，用户终端)发包经过卫星S01，S02，S12，S13到达地面核心网的AMF(Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能网元)。在传输的过程中，由于S12与S13之间的链路不稳定，导致包不能准确或者及时的从卫星S12发至S13。这种情况会被误认为是网络拥塞，从而触发拥塞控制，拥塞控制在卫星终端中；如果RTO超时的话，拥塞窗口会缩减成1，这些错误的拥塞控制会大大的降低网络的吞吐量。
如图4所示，本发明实施例提供了一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法，包括以下步骤：
S100、当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的若干倍，再根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，并重新测试所述链路的往返时延；其中，所述若干倍小于1倍；
S200、当所述链路的往返时延小于所述重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的指数倍，并重新测试所述链路的往返时延。
需要说明的是，当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口为前一个拥塞窗口的缩小值，缩小的倍数小于1，具体根据应用确定，本实施例不做具体限制。
在一个具体的实施例中，参阅图5，当RTT(Round-Trip Time，往返时延)超过RTO时，则会出现超时重传，也就是网络可能拥塞，需要进行拥塞控制。在本实施例中，当传输超时了，首先调整cwnd(congestion window，拥塞窗口)为原来的一半，然后根据卫星的忙闲概率和链路时延来进行调窗；当调整后的cwnd不在超时，将调整后的cwnd按照指数增长。
可选地，所述根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，具体包括：
S110、当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口加上第一预设值；
S120、当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第二预设值；
S130、当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第三预设值；
S140、当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口保持不变。
需要说明的是，第一预设值、第二预设值或第三预设值根据具体应用设置，一预设值、第二预设值或第三预设值相等或不相等均可，本实施例不做具体限制。
需要说明的是，第一门限值和第二门限值根据具体应用设置，本实施例不做具体限制。
在一个具体的实施例中，拥塞控制的调窗窗口大小为：
Figure BDA0003445056750000051
其中，cnwd表示调整后的当前拥塞窗口，cnwd表示调整前的当前拥塞窗口，θ1表示卫星的忙闲概率，θ2表示传输链路时延，τ1表示卫星忙闲概率的门限值，τ2表示卫星传输链路时延的门限值。如果θ1≥τ1，则认为卫星处于忙的状态，反之为不忙的状态；如果θ2≥τ2，则认为传输时延过长，反之则认为正常。
可选地，所述卫星的忙闲概率通过以下方法确定：
S111、计算数据包在所有卫星的平均处理时间及期望处理时间；
S112、根据所述平均处理时间及所述期望处理时间的倒数确定第一数值；
S113、根据所述第一数值的倒数确定所述卫星的忙闲概率。
可选地，所述所有卫星的平均处理时间通过以下方法确定：
S1111、根据数据包在当前卫星的离开时刻及到达时刻的差值确定当前卫星的处理时间；
S1112、计算所有卫星的处理时间的总和，并根据所述所有卫星的处理时间的总和与卫星总数的商值作为所有卫星的平均处理时间。
可选地，所述期望处理时间通过以下方法确定：
S1113、根据卫星的最大缓冲区大小与处理速度的商值确定所述期望处理时间。
参阅图6，卫星中数据包的排队模型，基本原则是先进先出。记录某数据包到达当前卫星的时刻tin(i)和离开当前卫星的时刻tout(i)，以及记录某数据包到达下一个卫星的时刻tin(i+1)和离开当前卫星的时刻tout(i+1)，则该数据包在所有卫星上的处理时间：
Figure BDA0003445056750000061
其中，tall表示该数据包在所有卫星上的处理时间总和，N表示该数据包经过的卫星总数。
当卫星的处理速率为v packets/s，卫星的最大buffer_size为B packets，每一颗卫星的期望处理时间为：
T＝B/v
其中，T表示每一颗卫星的期望处理时间。
卫星忙闲概率如下：
Figure BDA0003445056750000062
其中，θ1表示卫星的忙闲概率。
可选地，所述链路时延根据以下方法确定：
S114、计算数据包在所有卫星链路上的传输时间；
S115、基于激光通信计算数据包在所有卫星的传输时延；
S116、计算所述传输时间与所述传输时延的比值；
S117、根据所述比值的倒数确定所述链路时延。
可选地，所述所有卫星链路上的传输时间通过以下方法确定：
S1141、根据下一个卫星的到达时刻与当前卫星的离开时刻确定一条链路的传输时间；
S1142、根据所有链路的传输时间总和确定所有卫星链路上的传输时间。
参阅图6，数据包在所有卫星链路上的传输时间总和：
Figure BDA0003445056750000063
其中，ttrans表示该数据包在所有卫星链路上的传输时间总和。
卫星间链路的传输距离为D，采取激光通信，可以得到传输时延：
Tt(i)＝D(i)/C
其中，Tt(i)表示第i个卫星到第i+1个卫星的传输时延。
卫星传输链路的状态：
Figure BDA0003445056750000071
其中，θ2表示传输链路时延。
在一个具体的实施例中，RTT的计算公式如下：
Figure BDA0003445056750000072
其中，RTTe表示统计的RTT均值，RTTv表示每次测得的RTT与期望的RTT之间的差值，
Figure BDA0003445056750000073
的取值根据具体应用确定，本实施例不做具体限制，如
Figure BDA0003445056750000075
RTTe的计算公式如下：
Figure BDA0003445056750000074
RTTv的计算公式如下：
RTTv＝Rc–Sc
其中，Ri表示每次收到数据包的时间戳，Si表示该数据包对应的发送时间戳，Rc是当前卫星收到数据包的时间戳，Si表示当前数据包的发送时间戳。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中，当链路的往返时延大于或等于重传定时器，先对前一个拥塞窗口通过倍数调整进行缩小得到当前拥塞窗口，再对当前拥塞窗口根据卫星的忙闲概率和链路时延进行调整，并重新测试链路的往返时延；当链路的往返时延小于重传定时器，将当前拥塞窗口调整为前一个拥塞窗口的指数倍增大，并重新测试链路的往返时延；从而动态调整拥塞窗口，改善拥塞控制方法，提高系统的吞吐量。
如图7所示，本发明实施例提供了一种基于5G的低轨卫星拥塞控制系统，包括：
第一模块，用于当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的若干倍，再根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，并重新测试所述链路的往返时延；所述若干倍小于1倍；
第二模块，用于当所述链路的往返时延小于所述重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的指数倍，并重新测试所述链路的往返时延。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
如图8所示，本发明实施例提供了一种基于5G的低轨卫星拥塞控制装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
此外，本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，计算机程序产品或计算机程序存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机程序，处理器执行该计算机程序，使得该计算机设备执行上述的方法。同样地，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于5G的低轨卫星拥塞控制方法，其特征在于，包括：
当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的若干倍，再根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，并重新测试所述链路的往返时延；其中，所述若干倍小于1倍；
当所述链路的往返时延小于所述重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的指数倍，并重新测试所述链路的往返时延；
其中，所述根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，具体包括：
当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口加上第一预设值；
当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第二预设值；
当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第三预设值；
当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口保持不变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星的忙闲概率通过以下方法确定：
计算数据包在所有卫星的平均处理时间及期望处理时间；
根据所述平均处理时间及所述期望处理时间的倒数确定第一数值；
根据所述第一数值的倒数确定所述卫星的忙闲概率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述所有卫星的平均处理时间通过以下方法确定：
根据数据包在当前卫星的离开时刻及到达时刻的差值确定当前卫星的处理时间；
计算所有卫星的处理时间的总和，并根据所述所有卫星的处理时间的总和与卫星总数的商值作为所有卫星的平均处理时间。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述期望处理时间通过以下方法确定：
根据卫星的最大缓冲区大小与处理速度的商值确定所述期望处理时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述链路时延根据以下方法确定：
计算数据包在所有卫星链路上的传输时间；
基于激光通信计算数据包在所有卫星的传输时延；
计算所述传输时间与所述传输时延的比值；
根据所述比值的倒数确定所述链路时延。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述所有卫星链路上的传输时间通过以下方法确定：
根据下一个卫星的到达时刻与当前卫星的离开时刻确定一条链路的传输时间；
根据所有链路的传输时间总和确定所有卫星链路上的传输时间。
7.一种基于5G的低轨卫星拥塞控制系统，其特征在于，包括：
第一模块，用于当链路的往返时延大于或等于重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的若干倍，再根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，并重新测试所述链路的往返时延；所述若干倍小于1倍；
第二模块，用于当所述链路的往返时延小于所述重传定时器，将当前拥塞窗口设置为前一个拥塞窗口的指数倍，并重新测试所述链路的往返时延；
其中，所述根据卫星的忙闲概率和链路时延对所述当前拥塞窗口进行调整，具体包括：
当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口加上第一预设值；
当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延小于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第二预设值；
当卫星的忙闲概率小于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口减去第三预设值；
当卫星的忙闲概率大于或等于第一门限值，且链路时延大于或等于第二门限值，将当前拥塞窗口保持不变。
8.一种基于5G的低轨卫星拥塞控制装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-6任一项所述的方法。
9.一种存储介质，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如权利要求1-6任一项所述的方法。
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