专利名称：一种适用于多层卫星系统的资源管理方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于具有星际链路的高轨卫星-低轨的多层卫星网络的资源管理方法，具体是一种保障不同优先级用户的服务质量需求，对高优先级用户按需分配资源，并基于遗传算法设计为低优先级用户设计多目标优化的资源管理方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术：
卫星网络具有灵活的按需分配带宽的能力，可以提供广泛多样的数据通信业务，对于不可预测带宽的业务需求，卫星可以作为备用信道。与地面网络相比，低轨卫星网络具有拓扑结构动态变化、通信链路频繁切换、传输时延长、卫星节点数目相对较少、星座网络具有规则性和均衡性等特点，同时由于卫星轨道固定，网络拓扑变化又具有周期性和预知性。高轨卫星主要负责信息包的交换和转发，位置基本固定、覆盖时间也较长，在对大量的用户终端实现广播业务时具有不可替代的优势，同时可以为具备较大功率发射装置的用户提供接入服务。这些为星上管理方法的研究既带来一定困难。未来的无线通信系统，对通信速率、服务质量和服务种类都提出了更高的要求，而网络资源的有限性，即系统功率、带宽等限制，成为影响无线通信系统进一步发展的瓶颈。网络中用户的数目和网络资源的消耗程度是动态变化的，当用户数目较少，且网络负载量较轻时，如果网络资源的价格仍然维持很高，端用户所能申请的资源数量将被限定的很低，从而造成了大量资源的闲置；当系统的用户数目较大，且网络消耗较为严重时，用户对资源的申请得不到足够的约束，过量的资源使得网络拥塞的机会大大增加。由于网络资源总是有限的，无论是综合服务还是区分服务都必须保证进入网络的业务总量不超过网络的最大服务能力。因此必须在基站内根据用户服务质量要求，判断该业务的类型以便分配信道资源给不同的用户。网络资源分配的方法可以分为静态分配和动态分配:静态分配将为会话连接保留一定数量的资源，直到会话结束；而动态分配将根据网络条件和应用需求动态地调整资源分配的数量。传统的资源管理算法有:Round Robin算法(轮询调度算法)、Max C/1 (最大容量/利用率)算法以及M-LWDF (实时业务)算法等。Round Robin算法保障用户之间的公平性，但没有考虑信道的时变特点，也不考虑用户之间存在不同的服务质量需要情况，很多情况下不能满足部分通信系统的要求。Max C/Ι算法的设计目标是获得最大的系统容量和最高的资源利用率，摒弃了用户之间的公平性，在每一个时隙都选择信道状态最好的用户进行服务，从而达到尽可能高的传输速率。M-LWDF算法目标是在充分利用系统资源的基础上尽量保障用户的服务质量要求，可以兼顾公平性和传输速率，但是却不能动态适应无线链路的变化，无线信道利用率不高。依据上述所述现有资源管理方法在卫星接入网络应用上的不适宜，随着网络日益发展对资源需求的多元化，用户对网络资源需求的日益丰富和高服务质量要求(QoS)以及网络资源本身的有限性，将成为影响无线通信系统进一步发展的瓶颈。根据高低轨卫星自身特点，以及不同用户对资源需求的QoS要求不同，在设计资源管理算法时，要实现网络资源利用率的最大化，这里我们不可能忽略高用户高优先级以及高QoS的需求，也不能不考虑普通用户，因此在资源管理方案的设计上要二者兼顾。
发明内容
技术问题:鉴于用户对网络资源需求的服务质量参数主要有效率、成本以及公平性，一般以吞吐量、平均分组延时、分组丢失率、资源利用率等为网络效率的评价指标。这些优化问题相互关联又相互矛盾，本发明提供了一种多层卫星系统(高轨卫星以及低轨卫星)接入网络中基于遗传算法的多目标优化资源管理方法，在尽可能满足不同优先级用户在网络中对资源不同QoS需求的前提下，最大化网络资源利用率，并解决了高动态拓扑结构下多用户的资源管理问题。技术方案:根据以上特性，我们综合考虑网络动态拓扑结构、用户优先级以及资源调度方法的优点，提出一种基于遗传算法的考虑用户优先级的多目标优化的资源管理方法。其设计原则是:以高轨卫星为预留资源，专门负责高优先高QoS需求用户的资源分配，为用户按需实时分配资源；同时结合低轨卫星作为地面网络补充，考虑其自身高速运动等特性，设计一种以效率、成本以及用户公共性为评价指标的低优先级用户动态分配资源的方法。这种设计结合了高轨卫星和低轨卫星特点，并考虑了用户优先级，对高优先级用户按需分配，对低优先级用户设计多目标评价函数，并将其进行无量纲化，使得在资源管理时不因某种指标的函数值过大而忽略其余目标的评价指标，从而从整体上实现延时较小、带宽利用率高以及资源分配平衡的多目标优化方法。该算法既保障高优先级用户的QoS，又保障低优先级用户之间的公平性，在满足所有用户不同的服务质量需要情况的前提下，尽可能提高网络资源利用率，优化全网资源。本发明应用于多层卫星系统的资源管理方法中，所述的多层卫星系统至少包括一颗高轨卫星，若干具有星际链路的低轨卫星群，以及若干不同接入方式的用户群；主要用于解决不同优先级用户在网络资源有限情况下如何分配资源的问题，其具体步骤如下:步骤1.初始时刻，等待用户接入网络；步骤2.判定用户是否为军事用户，是转步骤3，否则，转步骤6 ;步骤3.将军事用户接入高轨卫星链路；步骤4.判断当前高轨卫星有无可用资源，有可分配资源则按需为用户分配资源，直至等待队列为空时，高轨卫星资源分配结束；步骤5.没有资源可分配时，用户进入高轨卫星资源等待队列，等待资源分配，转步骤4 ;步骤6.将普通用户接入低轨卫星链路；步骤7.判断当前时刻是否为新快照，是转步骤8，否转步骤10 ；步骤8.取新快照，更新网络拓扑结构图；步骤9.地面控制中心根据递归卫星周期运动规律、当前拓扑结果以及接入用户数，分配网络资源，步骤10.判断用户优先级，对于接入的高优先级用户，则允许占用预留带宽；若无预留带宽，则允许抢占当前低优先级用户的的带宽；
步骤11.对于接入的低优先级用户，则只允许分配普通剩余带宽；若无剩余带宽，进入排队等待队列执行轮询；步骤12.当前并非新快照，则不改变当前资源分配方案，判断有无可用剩余资源，若有则分配剩余资源，若无剩余资源，进入排队等待队列执行轮询；步骤13.按照当前方案为用户分配资源；步骤14.等待下一时刻信号的到来。步骤9中分配网络资源具体过程为:I).若干接入用户，分别向低轨卫星发出了业务请求，分析用户需求，矩阵b表示用户对低轨卫星资源的带宽需求量，其中表示用户i需要低轨卫星j的带宽，
权利要求
1.一种应用于多层卫星系统的资源管理方法，其特征在于所述的多层卫星系统至少包括一颗高轨卫星，若干具有星际链路的低轨卫星群，以及若干不同接入方式的用户群；主要用于解决不同优先级用户在网络资源有限情况下如何分配资源的问题，其具体步骤如下: 步骤1.初始时刻，等待用户接入网络； 步骤2.判定用户是否为军事用户，是转步骤3，否则，转步骤6 ； 步骤3.将军事用户接入高轨卫星链路； 步骤4.判断当前高轨卫星有无可用资源，有可分配资源则按需为用户分配资源，直至等待队列为空时，高轨卫星资源分配结束； 步骤5.没有资源可分配时，用户进入高轨卫星资源等待队列，等待资源分配，转步骤4 ； 步骤6.将普通用户接入低轨卫星链路； 步骤7.判断当前时刻是否为新快照，是转步骤8，否转步骤10 ； 步骤8.取新快照，更新网络拓扑结构图； 步骤9.地面控制中心根据递归卫星周期运动规律、当前拓扑结果以及接入用户数，分配网络资源， 步骤10.判断用户优先级，对于接入的高优先级用户，则允许占用预留带宽；若无预留带宽，则允许抢占当前低优先级用户的的带宽； 步骤11.对于接入的 低优先级用户，则只允许分配普通剩余带宽；若无剩余带宽，进入排队等待队列执行轮询； 步骤12.当前并非新快照，则不改变当前资源分配方案，判断有无可用剩余资源，若有则分配剩余资源，若无剩余资源，进入排队等待队列执行轮询； 步骤13.按照当前方案为用户分配资源； 步骤14.等待下一时刻信号的到来。
2.根据权利要求1所述的应用于多层卫星系统的资源管理方法，其特征在于，步骤9中分配网络资源具体过程为: 1).若干接入用户，分别向低轨卫星发出了业务请求，分析用户需求，矩阵b表示用户对低轨卫星资源的带宽需求量，其中表示用户i需要低轨卫星j的带宽，
全文摘要
本发明是一种适用于多层卫星系统的资源管理方法。其设计原则是以高轨卫星为预留资源，专门负责高优先高服务质量需求用户的资源分配，为用户按需实时分配资源；同时结合低轨卫星作为地面网络补充，考虑其自身高速运动等特性，设计一种以效率、成本以及用户公共性为评价指标的低优先级用户动态分配资源的方法。这种设计结合了高轨卫星和低轨卫星特点，并考虑了用户优先级，对高优先级用户按需分配，对低优先级用户设计多目标评价函数，并将其进行无量纲化，使得在资源管理时不因某种指标的函数值过大而忽略其余目标的评价指标，从而从整体上实现延时较小、带宽利用率高以及资源分配平衡的多目标优化方法。
文档编号H04W72/04GK103079273SQ20121046814
公开日2013年5月1日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者孙力娟, 王苏丹, 肖甫, 叶晓国, 王汝传, 邹志强, 刘林峰, 李鹏 申请人:南京邮电大学