CN116709448B - 一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法，根据呼叫状态确认连接状态，将当前的连接状态信息发送给局部区域内管理终端链路的服务器；服务器接收到来自终端用户的连接状态信息后返回连接状态，并根据终端的连接状态判断是否进行网络接入点选择，若是，则进入网络接入点选择阶段，若否，则等待下一个终端用户发送连接请求；终端接收到来自服务器的连接状态，根据当前连接状态是否需要进行网络接入点选择确定下一步行为。该方法在涉及接入点选择的连接状态下，终端和服务器通过信息交互应用负载均衡的低轨卫星接入点选择策略，所得出的接入点选择决策中终端切换频率低，卫星网络整体负载相对均衡，网络吞吐量较高，在多种性能指标上都有较好表现。

Description

一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法

技术领域

本发明涉及空间通信技术领域，具体涉及一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法。

背景技术

低轨(LEO)通信星座传播延迟低，传播介质性质优良，可作为宇宙空间中理想的无线信号基站，扩展无线网络的覆盖范围。但是低轨卫星作为空间基站相对地球高速运动，导致终端与网络接入点(AP)间的链路频繁发生切换，这一特征与地面无线网络的移动性管理和切换技术有较大不同。此外，大型低轨星座覆盖下，单个终端通常同时在多个卫星节点的信号范围内，这就引入了终端用户在接入网络和进行网络接入点切换时的网络接入点选择问题。

AP选择问题属于移动性管理范畴，在无线网络中已形成完善的解决方案，但卫星网络的移动性特征更加复杂，不能直接将无线网络的移动性管理技术直接套用。卫星网络的环境中可将信号强度、节点负载、节点预期服务时长等多种属性作为辅助决策的因素，所以多属性决策(MADM)方法被广泛用于设计卫星AP选择策略，包括SAW、TOPSIS、GRA在内的多种经典MADM方法都得到了应用，基于对这些方法的调研和实验，发现基于MADM的AP选择策略存在算法性能指标不够突出，优化目标不明确的问题。

MADM方法原理简单，复杂度低，可以满足卫星AP选择场景的实时需求，还需在经典MADM卫星AP选择策略的基础上，设计出有明确优化目标，在多项性能评估指标上都有较好表现的策略，以初步解决LEO通信星座中的AP选择问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法，包括如下步骤：

S1、需要发起呼叫或正在呼叫中的终端用户定时检查确定自身当前的连接状态，将当前的连接状态信息发送给局部区域内管理终端链路的服务器；

S2、服务器接收到来自终端用户的连接状态信息后返回确认信息，并根据终端的连接状态判断是否进行网络接入点选择，若是，则进入网络接入点选择阶段，若否，则等待下一个终端用户发送连接请求；

S3、终端接收到来自服务器的连接状态确认信息，根据当前连接状态是否需要进行网络接入点选择确定下一步行为。

进一步的，所述S1中检查确定自身当前的连接状态具体包括如下步骤：

S11、若终端用户正在发起呼叫，则其当前连接状态为初始连接状态；

S12、若终端用户处于连接状态，且当前卫星接入点的观测仰角高于设定阈值，则当前连接状态为持续连接状态；

S13、若终端用户处于连接状态，且当前卫星接入点的观测仰角低于设定阈值，则当前连接状态为网络接入点切换状态；

S14、若终端用户已完成呼叫业务且将切断网络连接，则当前连接状态为结束呼叫状态。

进一步的，所述卫星网络接入点的观测仰角设定阈值根据卫星网络接入点信号发射机的信号覆盖范围参数计算，具体计算方式为：

其中，α为限定观测仰角阈值后卫星发射机信号覆盖圆锥的半锥角，θ为与α对应的地球中心角，γ为设定的观测仰角阈值，R为地球半径，h为卫星轨道高度。

进一步的，所述S2具体包括如下步骤：

S21、若服务器接收到的信息显示终端用户当前处于持续连接或结束呼叫状态，判断终端用户当前不需要进行接入点选择，服务器端更新链路数据和负载数据后返回确认信息，切断服务器和终端间的通信链路，等待下一个终端用户发送连接请求；

S22、若服务器接收到的信息显示终端用户处于初始连接或网络接入点切换状态，判断终端用户当前需要进行网络接入点选择，服务器端向终端用户返回连接状态信息并进行网络接入点决策。

进一步的，所述S22中网络接入点决策的具体计算方式为：

其中，s_dec为最终决策的作为网络接入点的卫星，s_ideal为终端用户上报给服务器的理想卫星网络接入点，在所述策略中为终端用户能接收到信号的所有卫星中观测仰角最高，信号强度最强的卫星，s_blan为均衡负载目标要求选择的卫星网络接入点，在所述策略中为终端用户可接入的子卫星星座中负载低于子卫星星座平均负载的观测仰角最高的卫星，n_ideal为终端用户理想卫星网络接入点的当前服务终端数，用以表征负载水平，为终端用户可接入的子卫星星座中所有卫星的平均服务终端数，用以表征其平均负载水平。

进一步的，所述S3具体包括如下步骤：

S31、若终端用户当前处于初始连接状态，需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，向服务器发送理想卫星网络接入点，等待服务器端根据负载均衡低轨卫星网络接入点选择策略的决策标准做出决策返回确认信息，与服务器端做出的决策卫星接入点建立链路，切断与服务器的通信链路；

S32、若终端用户当前处于持续连接状态，不需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，保持与当前卫星接入点的链路接入卫星网络，切断与服务器的通信链路；

S33、若终端用户当前处于网络接入点切换状态，需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的连接状态，向服务器发送理想接入点，等待服务器端根据负载均衡低轨卫星网络接入点选择策略的决策标准做出决策返回连接状态，切断与当前卫星接入点的链路，与服务器端做出的决策卫星网络接入点建立链路，切断与服务器的通信链路；

S34、若终端处于结束连接状态，不需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，切断与当前卫星接入点的链路，切断与服务器的通信链路。

本发明具有以下有益效果：

本发明参考多属性决策方法设计的卫星接入点选择策略的全步骤中，终端用户和服务器通过实时数据测量和终端覆盖模型，可较精确地掌握低轨卫星网络的实时运行情况。并且在涉及接入点选择的连接状态下，终端和服务器通过信息交互应用负载均衡的低轨卫星接入点选择策略，所得出的接入点选择决策中终端切换频率低，卫星网络整体负载相对均衡，网络吞吐量较高，在多种性能指标上都有较好表现。

附图说明

图1为本发明负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法流程示意图。

图2为本发明实施例低轨卫星网络接入点选择问题场景示意图。

图3为本发明实施例终端覆盖模型示意图。

图4为本发明实施例网络接入点选择策略中终端的选择流程示意图。

图5为本发明实施例选择策略中服务器的选择流程示意图。

图6为本发明实施例涉及网络接入点选择时终端和服务器信息交换流程示意图。

图7为本发明实施例不涉及网络接入点选择时终端和服务器信息交换流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

LEO卫星接入点选择问题的场景如图2所示，在局部区域中设置了服务器用于管辖范围内终端与卫星节点间的链路，一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、需要发起呼叫或正在呼叫中的终端用户定时检查确定自身当前的连接状态，然后将当前的连接状态发送给局部区域内管理终端链路的服务器；

在本实施例里，步骤S1包括以下分步骤：

S11、若终端用户正在发起呼叫，则其当前连接状态为初始连接；

S12、若终端用户处于连接状态，且当前接入点的观测仰角高于设定阈值，则其当前连接状态为持续连接；

S13、若终端用户处于连接状态，但当前卫星接入点的观测仰角低于设定阈值，则其当前连接状态为接入点切换；

S14、若终端用户已完成呼叫业务，即将切断网络连接，则其当前连接状态为结束呼叫。

如图3所示，终端根据终端覆盖模型计算自身与可见卫星间的观测仰角，通过设定的卫星观测仰角阈值确定卫星接入点信号发射机信号覆盖范围相关参数的计算公式为：

其中，α为限定观测仰角阈值后卫星发射机信号覆盖圆锥的半锥角，θ为与α对应的地球中心角，γ为设定的观测仰角阈值，R为地球半径，h为卫星轨道高度。

S2、服务器接收到来自终端用户的连接状态信息后，返回确认信息，并根据终端的连接状态确定下一步行为；

步骤S2包括以下分步骤：

S21、若服务器接收到的信息显示终端用户当前处于持续连接或结束呼叫状态，判断终端用户当前不需要进行接入点选择，服务器端更新链路数据和负载数据后返回确认信息，切断服务器和终端间的通信链路，等待下一个终端用户发送连接请求；

S22、若服务器接收到的信息显示终端用户处于初始连接或接入点切换状态，判断终端用户当前需要进行接入点选择，服务器端向终端用户返回确认信息，进入接入点选择阶段。

如图5、图6和图7所示，服务器等待终端发起连接请求，并根据终端的连接状态决定后续行为，在需要接入点选择时与终端的信息交互如图6所示，在不需要接入点选择时与终端的信息交互如图7所示，接入点选择阶段的决策公式为：

其中s_dec为最终决策的作为AP的卫星，s_ideal为终端用户上报给服务器的理想卫星AP，在所述策略中为终端用户能接收到信号的所有卫星中观测仰角最高，信号强度最强的卫星，s_blan为均衡负载目标要求选择的卫星AP，在所述策略中为终端用户可接入的子卫星星座中负载低于子卫星星座平均负载的观测仰角最高的卫星，n_ideal为终端用户理想卫星AP的当前服务终端数，用以表征负载水平，为终端用户可接入的子卫星星座中所有卫星的平均服务终端数，用以表征其平均负载水平。

S3、终端接收到来自服务器的连接状态确认信息，根据当前连接状态是否需要进行接入点选择确定下一步行为。

步骤S3包括以下分步骤：

S31、若终端用户当前处于初始连接状态，需要进行接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，向服务器发送理想接入点，等待服务器端根据负载均衡低轨卫星接入点选择策略的决策标准做出决策返回确认信息，与服务器端做出的决策卫星接入点建立链路，切断与服务器的通信链路；

S32、若终端用户当前处于持续连接状态，不需要进行接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，保持与当前卫星接入点的链路接入卫星网络，切断与服务器的通信链路；

S33、若终端用户当前处于接入点切换状态，需要进行接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，向服务器发送理想卫星接入点，等待服务器端根据负载均衡低轨卫星接入点选择策略的决策标准做出决策返回确认信息，切断与当前卫星接入点的链路，与服务器端做出的决策卫星接入点建立链路，切断与服务器的通信链路；

S34、若终端处于结束连接状态，不需要进行接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，切断与当前卫星接入点的链路，切断与服务器的通信链路。

如图4、图6和图7所示，终端在网络连接过程中的特定时间点发起呼叫请求，在需要进行接入点选择时按照图6的流程与服务器进行信息交互，在不需要进行接入点选择时按照图7的流程与服务器进行信息交互。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、需要发起呼叫或正在呼叫中的终端用户定时检查确定自身当前的连接状态，将当前的连接状态信息发送给局部区域内管理终端链路的服务器；

S2、服务器接收到来自终端用户的连接状态信息后返回确认信息，并根据终端的连接状态判断是否进行网络接入点选择，若是，则进入网络接入点选择阶段，若否，则等待下一个终端用户发送连接请求，具体而言，所述S2具体包括如下步骤：

S21、若服务器接收到的信息显示终端用户当前处于持续连接或结束呼叫状态，判断终端用户当前不需要进行接入点选择，服务器端更新链路数据和负载数据后返回确认信息，切断服务器和终端间的通信链路，等待下一个终端用户发送连接请求；

S22、若服务器接收到的信息显示终端用户处于初始连接或网络接入点切换状态，判断终端用户当前需要进行网络接入点选择，服务器端向终端用户返回确认信息并进行网络接入点决策，具体计算方式为：

其中，s_dec为最终决策的作为网络接入点的卫星，s_ideal为终端用户上报给服务器的理想卫星网络接入点，在所述策略中为终端用户能接收到信号的所有卫星中观测仰角最高，信号强度最强的卫星，s_blan为均衡负载目标要求选择的卫星网络接入点，在所述策略中为终端用户可接入的子卫星星座中负载低于子卫星星座平均负载的观测仰角最高的卫星，n_ideal为终端用户理想卫星网络接入点的当前服务终端数，用以表征负载水平，为终端用户可接入的子卫星星座中所有卫星的平均服务终端数，用以表征其平均负载水平；

S3、终端接收到来自服务器的连接状态确认信息，根据当前连接状态是否需要进行网络接入点选择确定下一步行为。

2.根据权利要求1所述的一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法，其特征在于，所述S1中检查确定自身当前的连接状态具体包括如下步骤：

S11、若终端用户正在发起呼叫，则其当前连接状态为初始连接状态；

S12、若终端用户处于连接状态，且当前卫星接入点的观测仰角高于设定阈值，则当前连接状态为持续连接状态；

S13、若终端用户处于连接状态，且当前卫星接入点的观测仰角低于设定阈值，则当前连接状态为网络接入点切换状态；

S14、若终端用户已完成呼叫业务且将切断网络连接，则当前连接状态为结束呼叫状态。

3.根据权利要求2所述的一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法，其特征在于，所述卫星网络接入点的观测仰角设定阈值根据卫星网络接入点信号发射机的信号覆盖范围参数计算，具体计算方式为：

其中，α为限定观测仰角阈值后卫星发射机信号覆盖圆锥的半锥角，θ为与α对应的地球中心角，γ为设定的观测仰角阈值，R为地球半径，h为卫星轨道高度。

4.根据权利要求1所述的一种负载均衡的低轨卫星网络接入点选择方法，其特征在于，所述S3具体包括如下步骤：

S31、若终端用户当前处于初始连接状态，需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的连接状态，向服务器发送理想卫星接入点，等待服务器端根据负载均衡低轨卫星网络接入点选择策略的决策标准做出决策返回确认信息，与服务器端做出的决策卫星接入点建立链路，切断与服务器的通信链路；

S32、若终端用户当前处于持续连接状态，不需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，保持与当前卫星网络接入点的链路接入卫星网络，切断与服务器的通信链路；

S33、若终端用户当前处于网络接入点切换状态，需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，向服务器发送理想卫星网络接入点，等待服务器端根据负载均衡低轨卫星网络接入点选择策略的决策标准做出决策返回确认信息，切断与当前卫星网络接入点的链路，与服务器端做出的决策卫星接入点建立链路，切断与服务器的通信链路；

S34、若终端处于结束连接状态，不需要进行网络接入点选择，等待接收呼叫请求和当前连接状态的确认信息，切断与当前卫星接入点的链路，切断与服务器的通信链路。