多星多信关站的卫星移动通信系统负载均衡体系架构和方法

1.本发明设计卫星移动通信技术领域，尤其涉及一种多星多信关站卫星移动通信系统负载均衡体系架构和方法。


背景技术：

2.与地面移动通信系统相比，卫星移动通信系统具有覆盖范围广和不受地形条件限制的显著优势，在服务空中、海上、沙漠、山地和偏远、无人区域用户方面，发挥着不可替代的作用。为满足大规模用户接入需求、广域覆盖需求和系统鲁棒性需求，卫星移动通信系统通常包含多颗移动通信卫星和多个地面信关站。系统中多颗卫星之间存在重叠覆盖区域，若交叠区域用户全部集中接入同一颗星，则可能出现单星用户数超出承载能力而其他卫星出现资源空闲的情况；此外，多个信关站之间的负载不均衡同样会造成部分信关站负荷过重而其他信关站资源空闲。上述多星多信关站负载不均衡将导致用户接入成功率低、接续时延长，以及资源利用率低等问题，严重影响卫星移动通信系统性能。因此，急需开展多星多信关站之间的负载均衡研究，研究卫星移动通信系统负载均衡体系架构，以实现交叠区域过载用户分流和信关站负载分担。


技术实现要素：

3.针对包含多颗移动通信卫星和多个地面信关站的卫星移动通信系统所出现的负载不均衡问题，本发明公开了一种多星多信关站的卫星移动通信系统负载均衡体系架构，卫星移动通信系统负载均衡体系架构分为物理实体域和逻辑功能域；卫星移动通信系统负载均衡体系架构的物理实体域包括空间段、地面段和用户段，空间段包括移动通信卫星，地面段包括一个运维管控中心和多个信关站，用户段包括部署于陆地、海上和空中的多种形态的用户终端；卫星移动通信系统负载均衡体系架构的逻辑功能域包括用户层、业务层、承载层和链路层；用户层用于进行用户终端分类，将用户终端分为多个用户群；业务层用于进行通信业务分类，将通信业务分为基本业务和定制补充业务；基本业务包括电信业务、承载业务和补充业务；定制补充业务包括应急救生短消息、视频回传、位置信息服务、即时通信和状态信息采集；承载层分为核心承载子层和接入承载子层；链路层用于根据通信传输条件，选用相应的调制编码方式实现可靠传输。
4.本发明还公开了一种利用所述的多星多信关站的卫星移动通信系统负载均衡体系架构进行负载均衡的方法，其包括：
5.s1，卫星移动通信系统将信关站与承载层进行逻辑映射，多个信关站共同构成一个核心网，各信关站与若干用户群分别构成多个接入网，实现多用户群向卫星移动通信系统的一体接入；卫星移动通信系统将运维管控中心与业务层进行逻辑映射，运维管控中心为多用户群提供基本业务并按需提供定制补充业务；卫星移动通信系统将用户终端与用户层和链路层进行逻辑映射，根据用户终端能力指标和应用环境，卫星移动通信系统选择应用相应的通信模式与用户终端进行通信；
6.所述的用户终端能力指标包括终端天线指标、发射功率、终端数量等通信能力指标。
7.s2，卫星移动通信系统通过用户终端接入控制，进行多颗移动通信卫星之间的负载均衡；
8.所述的步骤s2，具体包括：
9.s21，运维管控中心获取各移动通信卫星的实时负载量、过去t时长内的平均负载量和波束覆盖区域，第i颗移动通信卫星的实时负载量记为li，第i颗移动通信卫星的过去t时长内的平均负载量记为l
avg,i
，第i颗移动通信卫星的波束覆盖区域记为ai，其中i＝1,2,...,n，n为卫星移动通信系统中移动通信卫星的总数量；
10.s22，运维管控中心对n颗移动通信卫星的波束覆盖区域进行遍历，获得所有波束覆盖区域中的相互重叠情况，第i颗移动通信卫星和第j颗移动通信卫星的重叠覆盖区域记为d
i,j
，d
i,j
＝ai∩aj，d
i,j
的面积记为s
i,j
，当两颗移动通信卫星之间不存在重叠覆盖区域时，s
i,j
＝0；
11.s23，构建负载均衡优化模型，其表达式为：
12.min:
[0013][0014]
s.t.γ
i,j
＝{0,1}
[0015]
δ
i,j
＝{0,1}
[0016]
n∈n
*
[0017][0018][0019]
其中，γ
i,j
、δ
i,j
分别为第i颗移动通信卫星和第j颗移动通信卫星的重叠覆盖区域的前一次和本次的负载均衡优化结果，γ
i,j
和δ
i,j
的取值为0或1，当其取值为0时，表示重叠覆盖区域d
i,j
中的用户终端接入卫星移动通信系统所产生的负载量由第i颗移动通信卫星承载，当其取值为1时，表示重叠覆盖区域d
i,j
中的用户终端接入卫星移动通信系统所产生的负载量由第j颗移动通信卫星承载；a
s,i
、a
s,j
分别为第i颗移动通信卫星和第j颗移动通信卫星波束覆盖区域面积；l
max,i
表示第i颗移动通信卫星的最大负载量；
[0020]
s24，利用智能优化方法或机器学习方法对负载均衡优化模型进行求解，得到求解结果，运维管控中心将该求解结果发送至各移动通信卫星，各移动通信卫星根据接收到的求解结果进行用户终端接入控制处理，实现多颗移动通信卫星之间用户终端接入所产生的
负载量的负载均衡。
[0021]
s3，卫星移动通信系统通过波束划分进行多个信关站之间的负载均衡。
[0022]
所述的步骤s3，包括：
[0023]
s31，每颗移动通信卫星具有多个波束并相应部署多个信关站，第i颗移动通信卫星的波束数量记为ki，第i颗移动通信卫星的第k个波束表示为的实时业务量记为在过去t时长内的平均业务量记为k＝1,2,..,ki，对第i颗移动通信卫星所部署的信关站数量记为gi，第i颗移动通信卫星所部署的第m个信关站的最大业务负载量为第i颗移动通信卫星所部署的第m个信关站当前承载的波束集合为所述的信关站承载波束，指信关站对波束中的业务进行处理，若信关站不承载波束，则信关站不处理该波束的业务；
[0024]
s32，运维管控中心以最小化每颗移动通信卫星的信关站之间的负载差异量为准则，构建目标函数g1，以最小化信关站承载波束变化量为准则，构建目标函数g2，利用目标函数g1和目标函数g2，构建信关站负载均衡模型，第i颗移动通信卫星的信关站负载均衡模型表示为：
[0025][0026]
其中，表示每颗移动通信卫星的信关站之间的负载差异量，表示求在中的补集，为负载均衡后第i颗移动通信卫星所部署的第m个信关站承载的波束集合；对每个移动通信卫星，采用智能优化方法或机器学习方法，求解其对应的信关站负载均衡模型，得到各信关站在负载均衡后所承载的波束集合信息；
[0027]
s33，运维管控中心将各信关站在负载均衡后所承载的波束集合信息发送给对应的信关站；
[0028]
s34，各信关站将接收的负载均衡后所承载的波束集合信息中对应的波束设定为承载波束，将其他波束设定为不承载波束，各信关站仅向承载波束提供用户终端接入服务，从而完成多个信关站之间的负载均衡。
[0029]
本发明具有如下优点：
[0030]
1、本发明支持多用户群统一管理、统一寻址，实现不同接入方式用户业务互联互通；
[0031]
2、本发明支持常规、应急、机动等多种通信模式，适应差异化通信传输条件；
[0032]
3、本发明支持多星多信关站之间的资源负载均衡，能够有效提高系统资源利用率，提升系统效能，且方法简单易实现。
附图说明
[0033]
图1为本发明公开的多星多信关站卫星移动通信系统负载均衡体系架构物理架构；
[0034]
图2为本发明公开的多星多信关站卫星移动通信系统负载均衡体系架构逻辑架构。
具体实施方式
[0035]
下面对本发明进行详细描述。
[0036]
如图1和图2所示，本发明公开了一种多星多信关站卫星移动通信系统负载均衡体系架构，其特征在于：
[0037]
本发明公开了一种多星多信关站的卫星移动通信系统负载均衡体系架构，卫星移动通信系统负载均衡体系架构分为物理实体域和逻辑功能域；卫星移动通信系统负载均衡体系架构的物理实体域包括空间段、地面段和用户段，空间段包括移动通信卫星，地面段包括一个运维管控中心和多个信关站，用户段包括部署于陆地、海上、空中的多种形态的用户终端；卫星移动通信系统负载均衡体系架构的逻辑功能域包括用户层、业务层、承载层和链路层；用户层用于进行用户终端分类，将用户终端分为多个用户群；业务层用于进行通信业务分类，将通信业务分为基本业务和定制补充业务；基本业务包括电信业务、承载业务和补充业务；定制补充业务包括应急救生短消息、视频回传、位置信息服务、即时通信和状态信息采集；承载层分为核心承载子层和接入承载子层；链路层用于根据通信传输条件，选用不同的调制编码方式实现可靠传输。
[0038]
本发明还公开了一种利用所述的多星多信关站的卫星移动通信系统负载均衡体系架构进行负载均衡的方法，其包括：
[0039]
s1，卫星移动通信系统将信关站与承载层进行逻辑映射，多个信关站共同构成一个核心网，各信关站与若干用户群分别构成多个接入网，实现多用户群向卫星移动通信系统的一体接入；卫星移动通信系统将运维管控中心与业务层进行逻辑映射，运维管控中心为多用户群提供基本业务并按需提供定制补充业务；卫星移动通信系统将用户终端与用户层和链路层进行逻辑映射，根据用户终端能力指标和应用环境，卫星移动通信系统选择应用相应的通信模式与用户终端进行通信；
[0040]
用户终端能力指标包括终端天线指标、发射功率、终端数量等通信能力指标。
[0041]
s2，卫星移动通信系统通过用户终端接入控制，进行多颗移动通信卫星之间的负载均衡；
[0042]
所述的步骤s2，具体包括：
[0043]
s21，运维管控中心获取各移动通信卫星的实时负载量、过去t时长内的平均负载量和波束覆盖区域，第i颗移动通信卫星的实时负载量记为li，第i颗移动通信卫星的过去t时长内的平均负载量记为l
avg,i
，第i颗移动通信卫星的波束覆盖区域记为ai，其中i＝1,2,...,n，n为卫星移动通信系统中移动通信卫星的总数量；
[0044]
s22，运维管控中心对n颗移动通信卫星的波束覆盖区域进行遍历，获得所有波束覆盖区域中的相互重叠情况，第i颗移动通信卫星和第j颗移动通信卫星的重叠覆盖区域记为d
i,j
，d
i,j
＝ai∩aj，d
i,j
的面积记为s
i,j
，当两颗移动通信卫星之间不存在重叠覆盖区域时，s
i,j
＝0；
[0045]
s23，构建负载均衡优化模型，其表达式为：
[0046]
min:
[0047][0048]
s.t.γ
i,j
＝{0,1}
[0049]
δ
i,j
＝{0,1}
[0050]
n∈n
*
[0051][0052][0053]
其中，γ
i,j
、δ
i,j
分别为第i颗移动通信卫星和第j颗移动通信卫星的重叠覆盖区域的前一次和本次的负载均衡优化结果，γ
i,j
和δ
i,j
的取值为0或1，当其取值为0时，表示重叠覆盖区域d
i,j
中的用户终端接入卫星移动通信系统所产生的负载量由第i颗移动通信卫星承载，当其取值为1时，表示重叠覆盖区域d
i,j
中的用户终端接入卫星移动通信系统所产生的负载量由第j颗移动通信卫星承载；a
s,i
、a
s,j
分别为第i颗移动通信卫星和第j颗移动通信卫星波束覆盖区域面积；l
max,i
表示第i颗移动通信卫星的最大负载量；
[0054]
s24，利用智能优化方法或机器学习方法对负载均衡优化模型进行求解，得到求解结果，运维管控中心将该求解结果发送至各移动通信卫星，各移动通信卫星根据接收到的求解结果进行用户终端接入控制处理，实现多颗移动通信卫星之间用户终端接入所产生的负载量的负载均衡。
[0055]
s3，卫星移动通信系统通过波束划分进行多个信关站之间的负载均衡。
[0056]
所述的步骤s3，包括：
[0057]
s31，每颗移动通信卫星具有多个波束并相应部署多个信关站，第i颗移动通信卫
星的波束数量记为ki，其中的第k个波束表示为的实时业务量记为在过去t时长内的平均业务量记为对第i颗移动通信卫星所部署的信关站数量记为gi，第i颗移动通信卫星所部署的第m个信关站的最大业务负载量为第i颗移动通信卫星所部署的第m个信关站当前承载的波束集合为所述的信关站承载波束，指信关站对波束中的业务进行处理，若信关站不承载波束，则信关站不处理该波束的业务；
[0058]
s32，运维管控中心以最小化每颗移动通信卫星的信关站之间的负载差异量为准则，构建目标函数g1，以最小化信关站承载波束变化量为准则，构建目标函数g2，利用目标函数g1和目标函数g2，构建信关站负载均衡模型，第i颗移动通信卫星的信关站负载均衡模型表示为：
[0059][0060]
其中，表示每颗移动通信卫星的信关站之间的负载差异量，表示求在中的补集，为负载均衡后第i颗移动通信卫星所部署的第m个信关站承载的波束集合；对每个移动通信卫星，采用智能优化方法或机器学习方法，求解其对应的信关站负载均衡模型，得到各信关站在负载均衡后所承载的波束集合信息；
[0061]
s33，运维管控中心将各信关站在负载均衡后所承载的波束集合信息发送给对应的信关站；
[0062]
s34，各信关站将接收的负载均衡后所承载的波束集合信息中对应的波束设定为承载波束，将其他波束设定为不承载波束，各信关站仅向承载波束提供用户终端接入服务，从而完成多个信关站之间的负载均衡。
[0063]
以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。