基於鏈路代價轉換的雙層衛星負載均衡方法
2023-10-19 08:09:12
基於鏈路代價轉換的雙層衛星負載均衡方法
【專利摘要】本發明是一種基於鏈路代價轉換的衛星負載平衡方法，該方法是在衛星虛擬拓撲策略的基礎上，對拓撲快照進行LEO(低軌)層鏈路代價轉換和分層分流。因此，利用衛星星座運行的可預測性和周期性，將系統運行時間劃分為若干個相同的時間段，並在每個時間段個分n個間隙tp，每個時隙內對星間鏈路進行鏈路過載判斷。對全球覆蓋區域進行擁塞等級劃分，配合LEO衛星鏈路實時流量，在鏈路擁塞時進行代價調整和路徑優化，平衡整個網絡的流量。並在此基礎上配合MEO層衛星網絡，對不同服務質量(QoS)的傳輸業務進行合理的路徑選擇，在滿足高優先級業務時延的同時，提高整網的吞吐量。
【專利說明】基於鏈路代價轉換的雙層衛星負載均衡方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用於雙層衛星系統的衛星負載均衡方法，本發明基於LE0/ME0雙層衛星網絡，利用鏈路代價轉換的思想來實現衛星數據業務分流，在鏈路擁塞時進行代價調整和路徑優化，提高整個網絡的平衡性，同時減少數據包在衛星網絡中的傳輸時延和丟失概率。在航空、航天、軍事層衛星體系結構，及社會經濟等領域中都具有較好的轉化應用前景，屬於衛星通信【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著衛星返回信道和星上處理技術的新近發展，現在的衛星已經能夠提供和地面站的雙向通信服務，並且能夠提供廣泛的地理區域的覆蓋和遠程地面網絡的互聯。但是，空間信息資源有限、衛星鏈路連接不穩定使得衛星在支持高質量QoS服務的業務中表現不足。另一方面，衛星網絡具有高動態拓撲、地面用戶分布不均勻等特點，網絡負載容易失衡，會出現部分衛星擁塞而周圍衛星未被充分利用的情況，增加了數據包的排隊時延和丟失概率。此外，衛星路由優化協議通常採用單一的路由優化策略，導致數據傳輸集中於某些路徑。因此，有必要在衛星系統運行的周期內，對路徑進行優化分配，對不同類型的數據包進行相應的分流措施。本發明提出了一種基於鏈路代價轉換的衛星負載平衡方法，在衛星鏈路擁塞時通過代價轉換和路徑優化，對擁塞數據進行合理的分流，同時支持多用戶的不同服務質量(QoS)需求，對平衡整個衛星網絡的數據量具有重要的作用。
[0003]以LEO(低軌衛星)為主幹網絡傳輸，結合MEO(中軌衛星)分流的體系架構中，由於低軌衛星星上處理能力有限、覆蓋範圍較小原因，導致數據業務在某些局部鏈路發生擁塞；另外，中軌衛星相對低軌衛星有較大的覆蓋範圍，但傳播時延較大。LEO和MEO在支持多媒體通信方面的優勢不盡相同，因此，如何有效合理的分配網絡流量，利用LEO和MEO各自的優勢達到整個網絡流量的平衡，提高衛星網絡的吞吐量，對衛星網絡通信具有重要意義。
【發明內容】
[0004]技術問題:本發明的目的是提供一種基於鏈路代價轉換的雙層衛星負載均衡方法，有效合理的分配網絡流量，利用LEO和MEO各自的優勢達到整個網絡流量的平衡，提高衛星網絡的吞吐量。
[0005]技術方案:
[0006]一、體系結構
[0007]基於鏈路代價轉換的雙層衛星負載均衡方法才用LE0/ME0雙層衛星系統來進行數據通信，由於LEO星座系統軌道很低，星地之間的傳播時延非常小，鏈路傳播損耗小，所以我們主要用LEO作為主幹網進行數據傳輸，而由MEO來配合進行時延不敏感型業務的分流。如圖2所示，在這種體系結構中存在四種類型的星際鏈路:
[0008]I)軌道內星際鏈路(ISL)
[0009]同一個軌道面衛星之間的鏈路稱為軌道內星際鏈路。同軌道的之間前後兩顆衛星位置相對穩定，這種鏈路能夠一直保持。這裡的ISL包括了 LEO層和MEO層的所有ISL鏈路。
[0010]2)軌道間星際鏈路(1L)
[0011]同一層中不同軌道的衛星之間的鏈路稱為軌道間星際鏈路。軌道間鏈路在某些情況下，由於衛星相對位置發生變化，鏈路要關閉或者進行切換。LEO層和MEO層都有軌道間星際鏈路。
[0012]3)層間星際鏈路(ILISL)
[0013]運行在不同高度的衛星軌道間建立的衛星鏈路稱為層間星際鏈路。層間星際鏈路把不同的衛星星座連接成一個網絡，不同層的衛星通過層間的衛星鏈路進行通信。這裡的層間星際鏈路指的是LEO和MEO間的鏈路。
[0014]4)星地鏈路(UDL)
[0015]衛星通過UDL和其覆蓋範圍內的地面網關通信。一顆衛星可和多個地面網關進行通信。當然，一個地面網關也可以直接和不同層中的多顆衛星通信。這裡我們只建立地面站和LEO層衛星間的UDL。
[0016]二、方法流程
[0017]該方法是在衛星虛擬拓撲策略的基礎上，對拓撲快照進行LEO (低軌)層鏈路代價轉換和分層分流。因此，利用衛星星座運行的可預測性和周期性，將系統運行時間劃分為若干個相同的時間段，並在每個時間段個分η個間隙tp，每個時隙內對星間鏈路進行鏈路過載判斷。
[0018]步驟1:獲取每顆低軌衛星的位置信息，根據衛星信息，更新該衛星的流量預估值
Wi ；
[0019]步驟2:將系統運行時間劃分為若干個相同的拓撲時間段，在每個拓撲時間段tp開始的時刻tl，對每條鏈路進行鏈路過載計算，根據衛星鏈路的隊列信息和傳輸量，計算負載因子PI ;
[0020]步驟3:對負載因子P ?進行判定,設定負載閥值α和β，當P < α時，鏈路負載正常，轉步驟4;當a < P1 β時，鏈路為高負載，轉步驟6 ；
[0021]步驟4:將該條鏈路進行代價重置，恢復正常鏈路狀態，在該狀態下，鏈路的代價為鏈路兩端衛星之間的端到端傳播時延，轉步驟? ；
[0022]步驟5:對鏈路進行代價轉換，根據該衛星所在小區的流量估計和鏈路狀態，按照鏈路負載代價計算公式:
【權利要求】
1.一種基於鏈路代價轉換的雙層衛星負載均衡方法，其特徵在於該方法的具體執行步驟如下: 步驟1:獲取每顆低軌衛星的位置信息，根據衛星信息，更新該衛星的流量預估值Wi ；步驟2:將系統運行時間劃分為若干個相同的拓撲時間段，在每個拓撲時間段tp開始的時刻tl，對每條鏈路進行鏈路過載計算，根據衛星鏈路的隊列信息和傳輸量，計算負載因子P I ; 步驟3:對負載因子P1進行判定，設定負載閥值α和3，當Ρι〈α時，鏈路負載正常，轉步驟4;當a < P1 β時，鏈路為高負載，轉步驟6 ; 步驟4:將該條鏈路進行代價重置，恢復正常鏈路狀態，在該狀態下，鏈路的代價為鏈路兩端衛星之間的端到端傳播時延，轉步驟7 ; 步驟5:對鏈路進行代價轉換，根據該衛星所在小區的流量估計和鏈路狀態，按照鏈路負載代價計算公式:
導到新的鏈路代價；D(ISU)為鏈路時延代價，F(ISU)是負載變換函數
是該鏈路的隊列大小，g是上一時間段tp的隊列平均值，Wi和Wj是該鏈路兩端衛星的流量預估值，U是該函數的縮減係數，轉步驟7; 步驟6:標記該鏈路為高負載狀態，並對其進行負載代價調整； 步驟7:對整網的路由進行更新，得到當前負載下低軌衛星層衛星的最短路徑路由表、負載最短路徑路由表以及中軌衛星層的最短路徑路由表； 步驟8:對於負載鏈路上經過的數據包，對其進行類型判定，軍事用戶為A類，數據包從最短路徑路徑走；高級用戶為B類，普通用戶為C類，數據包從負載最短路徑路徑走；如果該鏈路為高負載狀態，則對C類數據包按照分流百分比計算公式:
，將部分數據流分流到中軌衛星層的最短路徑中去,這裡Cia是鏈路的發送能力，Ic是該條鏈路業務C的數據發送量； 步驟9:完成循環，轉到步驟I。
【文檔編號】H04L12/803GK104079496SQ201410313345
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】孫力娟, 郭俞江, 王汝傳, 周劍, 肖甫, 葉曉國, 郭劍 申請人:南京郵電大學