一种用于卫星网络的带宽分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于卫星网络的带宽分配方法，该方法通过业务的紧迫重要性、业务要求的服务质量QoS和星地链路的信道状态通过效用函数建立带宽分配模型来实现卫星通信网络链路状态变化条件下的高效带宽分配，通过结合星地链路的信道状态特点优化了卫星通信网络的吞吐量。该方法又采用了动态抢夺式带宽分配策略，因此在带宽资源不足时解决了一些特别重要和高优先级业务到来不能被服务的问题，进而公平对待没有得到需求带宽的业务，使每个业务都能得到最小带宽，从而改善了带宽分配的公平性。基于上述理由，本发明可在航天航空等领域广泛推广。
【专利说明】
—种用于卫星网络的带宽分配方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种带宽分配方法，具体是关于一种用于卫星网路的基于业务特点和信道状态的动态抢夺式带宽分配方法(BFCS-DRBA, Business Features and ChannelState Dynamic Rob Bandwidth Allocat1n algorithm)。
【背景技术】
[0002]卫星网络资源管理技术的目标是在有限的带宽资源下，为终端用户提供优质的用户体验。由于卫星网络具有信道高误码、链路长时延和非对称信道等特点，通过研究设计合理有效的资源管理方法能够极大提高卫星网络的带宽利用率，并预防网络拥塞出现。
[0003]目前，针对卫星网络带宽分配方法的研究主要包括:(1)基于队列调度的带宽分配策略，如基于业务优先级的动态带宽分配方法，它的特点是设计思想简单，容易实现，适合一些特殊业务的服务要求，缺点是公平性差；(2)基于带宽共享的带宽分配方法，如基于博弈论的公平共享带宽的方法，该方法保证了带宽分配的公平性，但没有区分不同业务类型，过分强调公平，导致有些业务分配了多余需求的带宽，造成带宽资源浪费；(3)基于跨层的带宽分配方法，该方法综合考虑卫星网络各层因素对带宽分配的影响，提高了带宽利用率，但是，还未解决在带宽资源不足，如何满足高服务级别业务的服务质量，而且计算量大。
【发明内容】
[0004]根据上述提出的技术问题，而提供一种按不同用户的业务类型和当前卫星网络的信道环境为接入用户分配带宽的用于卫星网路的基于业务特点和信道状态的动态抢夺式带宽分配方法。
[0005]本发明采用的技术手段如下:一种用于卫星网络的带宽分配方法，其包括以下步骤:1)卫星节点所在链路状态发生变化或新一轮用户申请带宽更新时，对卫星节点进行初始化，并计算卫星节点处的可用总带宽A ;2)计算新到业务和前一次未能满足需求业务的带宽申请总带宽B ;3)判断卫星节点处的可用总带宽A是否能够满足新到业务和前一次未能满足需求的业务带宽申请总带宽B ;gA>B，进入下一步，否则转到步骤5) ；4)根据在数据链路层获得的数据帧格式得到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度和业务类型，进而获得各业务对应的业务QoS服务等级，并先按照重要紧迫度由大到小，再按照业务QoS优先级由大到小进行带宽分配，直到A = O;转到步骤7) ；5)收集新到业务和前一次未能满足需求的业务特性和卫星链路信道状态信息；6)通过最优化效用函数带宽分配模型为新到业务和前一次未能满足需求的业务中每个业务分配带宽；7)根据不同类型业务在卫星网络传输中需要满足不同的最小需求带宽来判断为每一个业务分配的带宽是否满足其自身对带宽的要求；若不满足，则进入下一步，否则带宽分配结束；8)根据带宽分配后不满足需求的业务的重要紧迫度的大小，按照动态抢夺式方式进行带宽的释放和抢夺；9)再次判断为业务分配的带宽是否满足该业务对带宽的要求；若不满足进入下一步；否则，带宽分配结束；10)判断所得带宽不满足业务的重要紧迫度；若重要紧迫度为最高级另IJ，则放弃对该业务的处理，带宽分配结束；否则将该业务的重要紧迫度上升一个级别，转到步骤2)中，作为步骤2)中前一次未能满足需求的业务，继续进行带宽分配。
[0006]所述步骤6)包括以下内容:最优化效用函数带宽分配模型采用效用函数U(Xi)将卫星节点所收集到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度参数Hli，业务QoS服务等级的优先级参数1和链路的信道状态参数Si进行建立的；该效用函数U(Xi)需要同时满足非否、单调非减、一阶导数先增后减和有上界的条件，其最优化效用函数带宽分配模型如下:
【权利要求】
1.一种用于卫星网络的带宽分配方法，其包括以下步骤: 1)卫星节点所在链路状态发生变化或新一轮用户申请带宽更新时，对卫星节点进行初始化，并计算卫星节点处的可用总带宽A ； 2)计算新到业务和前一次未能满足需求业务的带宽申请总带宽B； 3)判断卫星节点处的可用总带宽A是否能够满足新到业务和前一次未能满足需求的业务带宽申请总带宽B ;若A > B，进入下一步，否则转到步骤5)； 4)根据在数据链路层获得的数据帧格式得到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度和业务类型，进而获得各业务对应的业务QoS服务等级，并先按照重要紧迫度由大到小，再按照业务QoS优先级由大到小进行带宽分配，直到A = O ;转到步骤7)； 5)收集新到业务和前一次未能满足需求的业务特性和卫星链路信道状态信息； 6)通过最优化效用函数带宽分配模型为新到业务和前一次未能满足需求的业务中每个业务分配带宽； 7)根据不同类型业务在卫星网络传输中需要满足不同的最小需求带宽来判断为每一个业务分配的带宽是否满足其自身对带宽的要求；若不满足，则进入下一步，否则带宽分配结束； 8)根据带宽分配后不满足需求的业务的重要紧迫度的大小，按照动态抢夺式方式进行带宽的释放和抢夺； 9)再次判断为业务分配的带宽是否满足该业务对带宽的要求；若不满足进入下一步；否则，带宽分配结束； 10)判断所得带宽不满足业务的重要紧迫度；若重要紧迫度为最高级别，则放弃对该业务的处理，带宽分配结束；否则将该业务的重要紧迫度上升一个级别，转到步骤2)中，作为步骤2)中前一次未能满足需求的业务，继续进行带宽分配。
2.如权利要求1所述的一种用于卫星网络的带宽分配方法，其特征在于:所述步骤6)包括以下内容: 最优化效用函数带宽分配模型采用效用函数U(Xi)将卫星节点所收集到的新到业务和前一次未能满足需求的业务的重要紧迫度参数Hii，业务QoS服务等级的优先级参数Qi和链路的信道状态参数Si进行建立的；该效用函数U(Xi)需要同时满足非否、单调非减、一阶导数先增后减和有上界的条件，其最优化效用函数带宽分配模型如下:
其中，效用函数U (Xi)表示业务i在获得带宽资源数量为Xi时的满意程度；业务i表示新到业务和前一次未能满足需求的业务中第i个业务，且业务共η个，且η为正整数；Xi是相对应于业务i分配得到的带宽；α表示业务特性中重要紧迫度参数Hii所占权重的大小，β表示业务特性中业务QoS服务等级的优先级参数1所占权重的大小，且α+β = I ;bi表示业务i请求分配的带宽量； 单一一个业务的效用值大，并不能保证整个网络的效用最大化，因此将带宽分配优化问题转化为非线性规划问题进行最优化分配带宽，其分配模型如下:
其中，η表示新到业务和前一次未能满足需求的业务的总数量，A表示卫星节点处的可用总带宽。
3.如权利要求1或2所述的一种用于卫星网络的带宽分配方法，其特征在于:所述步骤8)中，动态抢夺式方式的抢夺过程如下: ①判断业务i的重要紧迫参数Hii,若IIii= 3或IIii = 2,则进入步骤②,若IIii = I,则进入步骤③； ②当Hli= 3或叫=2时,按照重要紧迫度参数Hli由大到小的顺序抢夺Hli = I业务的带宽: 经过步骤6)进行分配带宽后，设没有满足要求的带宽量的业务称为抢夺业务k ;得到满足或得到过量带宽的业务称为被抢夺业务1，且k、I为正整数，表示在所有业务中的第k个，第I个业务；被抢夺业务I应满足的条件为.X) -Ctgak + /?,.4，其中，沁是经过按照步骤6)中进行分配带宽后被抢夺业务I当前分配得到的带宽，B1是被抢夺业务I的最小需求带宽，ak是抢夺业务k的最小需求带宽，Hii是抢夺业务k重要紧迫度参数；1表示带宽量纲；当被抢夺业务I不满足条件.\1 - a, > Cii +m χ I时,说明此时抢夺业务k只抢夺一个被抢夺业务I的剩余带宽不能满足要求，抢夺业务k需要抢夺多个业务的剩余带宽，并且当有多种方案可选择时，抢夺业务k抢夺的业务个数应满足最少原则；抢夺业务k只抢夺被抢夺业务I超过S1的剩余带宽,被抢夺业务I最终分配带宽为X1, X1应满足条件为X; =X11 -CIk-1nj Xl ；进入步骤9)； ③当IIii= I时,先判断该IIii = I业务的QoS服务等级,若为高QoS服务等级,贝U再抢夺信道状态差和QoS服务优先级低的业务所占用的带宽，进入步骤9)。
【文档编号】H04B7/185GK104184514SQ201410441343
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】杨力, 常李霞, 石怀峰 申请人:大连大学