一种基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法和系统

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法和系统。


背景技术：

2.卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信，是一种重要的无线通信手段。长期以来，在军事、远洋、抢险救灾、航空通信、远程医疗等众多领域都有着广泛的应用。传统上，卫星通信是一种高可用的备份通信方式，当不具备地面和其它无线通信条件时，卫星通信为用户提供唯一的通信手段。随着社会的发展，通信系统的全天候连接能力、无缝覆盖能力、安全保障能力对国家和企业的生存至关重要。目前，国内在卫星通信过程中，如何有效地管理、监视与高效调度使用星上资源已成为卫星资源管理中不可分割的一部分。同时，由于卫星通信资源的信息种类繁多、逻辑关系复杂，很难对资源进行建模和统一描述。随着被利用的卫星资源种类越来越丰富，传统的卫星资源管理方法效率低，无法实时准确地监视和显示星上资源的状态，进而无法为调度规划提供实时准确的卫星资源状态信息，造成空闲资源浪费。如何实现不同卫星资源的统一管理和高效使用一直以来都是困扰业界的一个难题。


技术实现要素：

3.针对卫星通信资源的信息种类繁多、逻辑关系复杂，传统的卫星资源管理方法效率低的技术难题，本发明公开了一种基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法和系统，能够实时监控卫星通信资源状态，根据其带宽、能源消耗、扰动特性和利用率等特征建立相应的效能评估模型，按照任务需求，动态分配卫星通信资源，实现通信资源利用最大化。
4.本发明公开了一种基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法，包括：
5.实时监控和获取卫星通信资源状态信息；
6.利用效能评估模型对所获取的卫星通信资源状态信息进行处理，得到资源效能评估信息；
7.根据资源效能评估信息和卫星通信资源状态信息，利用反馈式卫星通信资源动态调度规划模型，对卫星通信资源进行动态分配。
8.所述的卫星通信资源的状态信息包括空闲状态(初始态)、指派状态、分配状态、占用状态和标注状态，其中空闲状态、占用状态和指派状态可转换为除自身以外的其余四种状态，分配状态可转换为空闲状态、占用状态和指派状态，标注状态可转换为空闲状态、占用状态以及指派状态。卫星通信资源的状态信息，通过分析卫星通信资源使用过程中的状态变化特性来得到。
9.所述的效能评估模型，用于对卫星通信资源的综合效能进行计算，得到资源效能评估指标，并对资源效能评估指标进行融合处理，得到资源效能评估信息；
10.所述的资源效能评估指标包括卫星通信资源在通信过程中的平均带宽、能耗和扰
动率等；
11.所述的对资源效能评估指标进行融合处理，得到资源效能评估信息，其中融合处理的具体公式为：
12.si＝s
i-1
×
α+(bi×
wb+ei×
we+di×
wd)
×
β，
13.其中，si表示通信资源完成第i个通信任务后的资源效能评估信息，bi表示通信资源完成第i个通信任务需要的平均带宽，ei表示通信资源完成第i个通信任务的能量消耗，di表示通信资源完成第i个通信任务的扰动率，wb表示平均带宽的权重，we表示能量消耗的权重，wd表示扰动率的权重，α为完成第i-1个通信任务的资源效能评估信息的权重，β为完成第i个通信任务的资源效能评估信息的权重，α+β＝1。当某一通信资源的状态转为空闲时，计算其资源效能评估信息。
14.所述的根据资源效能评估信息和卫星通信资源状态信息，利用反馈式卫星通信资源动态调度规划模型，对卫星通信资源进行动态分配，包括：
15.所述的反馈式卫星通信资源动态调度规划模型利用有限状态机来实现，反馈式卫星通信资源动态调度规划模型实时获取当前的卫星通信资源状态信息和资源效能评估信息，并根据当前的卫星通信需求、卫星通信资源状态信息和资源效能评估信息，对卫星通信资源进行按需分配，对空闲的卫星通信资源进行回收；反馈式卫星通信资源动态调度规划模型从其实时获取的当前的卫星通信资源状态信息中读取到某个卫星通信资源状态变为空闲状态时，计算该卫星通信资源的当前的资源效能评估信息，并与当前的所有已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息进行比对，如果空闲状态的卫星通信资源的资源效能评估信息优于当前的已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息，则用所述的空闲状态的卫星通信资源替换所述的已分配但未被占用的卫星通信资源；当存在多个空闲状态的卫星通信资源和多个已分配但未被占用的卫星通信资源时，使用资源动态调度规划算法，对卫星通信资源进行动态分配。
16.所述的用所述的空闲状态的卫星通信资源替换所述的已分配但未被占用的卫星通信资源，在资源替换过程开始前，对待替换的两个卫星通信资源的资源效能评估信息进行比较，设置替换阈值ρ，当待替换的两个卫星通信资源的资源效能评估信息之间的差值大于ρ时，对两个卫星通信资源进行替换，否则，就不进行替换。
17.所述的当存在多个空闲状态的卫星通信资源和多个已分配但未被占用的卫星通信资源时，使用资源动态调度规划算法，对卫星通信资源进行动态分配，其具体包括：
18.s1，计算当前的所有的空闲状态的卫星通信资源和已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息，根据资源效能评估信息值由小至大，对当前的所有的空闲状态的卫星通信资源进行排序，得到空闲卫星通信资源队列，将当前所有的已分配但未被占用的卫星通信资源构成已分配卫星通信资源集合；
19.s2，按照由先至后的顺序，对空闲卫星通信资源队列中的每个卫星通信资源，将其与已分配卫星通信资源集合中的所有卫星通信资源进行资源效能评估信息值比较，若空闲状态的卫星通信资源的资源效能评估信息优于某一已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息，则称该空闲状态的卫星通信资源为第一卫星通信资源，称该已分配但未被占用的卫星通信资源为第二卫星通信资源，则用第一卫星通信资源替换第二卫星通信资源的替换成本和替换后性能提升值进行计算；
20.s3、对计算得到的替换成本和替换后性能提升值进行比较，若替换成本小于替换后性能提升值，且将第一卫星通信资源替换第二卫星通信资源，将第一卫星通信资源从空闲卫星通信资源队列中删除，将第一卫星通信资源加入到已分配卫星通信资源集合中，将第二卫星通信资源加入到空闲卫星通信资源队列中，将第二卫星通信资源从已分配卫星通信资源集合中删除。
21.s4，判断是否已对空闲卫星通信资源队列中的所有空闲卫星通信资源进行了资源效能评估信息值的比较，若都已进行，则完成卫星通信资源的动态分配过程，否则，返回步骤s2。
22.本发明还公开了一种用于实现上述的基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法的系统，所述系统包括：
23.存储有可执行程序代码的存储器；
24.与所述存储器耦合的处理器；
25.所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行上述的基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法。
26.本发明还公开了一种计算机可存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行上述的基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法。
27.本发明的有益效果为：
28.本发明提出的一种基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法，为每个资源分配一个特定的状态，通过对资源状态的实时监控，为资源规划调度提供支撑。按网络种类(频段类型)对通信资源进行利用率的统计，统计粒度不小于1天(以天为单位)，统计量由使用单位(网络、子网、任务)计算后上报或主动获取，再进行归一化计算后得到，是一个统计均值，主要包括通信过程中的平均带宽、能耗和扰动率，再使用加权平均的方法计算得到每个资源的综合效能。在状态监测过程中，一旦发现存在效能较高的空闲资源时，可尝试替换已分配但尚未占用的资源，以达到较高的通信服务质量。当存在多个高效能空闲资源和多个可替换已分配资源时，则利用动态资源调度规划算法，按照系统扰动最小，整体性能最高的策略，实现资源调度分配。本发明可以有效利用高效能通信资源，提升总体资源利用率，缩短通信时长，具有一定的推广应用价值。
附图说明
29.图1为本发明的卫星通信资源状态变迁示意图；
30.图2为本发明的反馈式卫星通信资源动态调度规划模型有限状态机示意图；
31.图3为本发明的系统功能模块架构图；
32.图4为本发明的卫星通信资源调度系统功能模块架构图。
具体实施方式
33.为了更好的了解本发明内容，这里给出三个实施例。
34.图1为本发明的卫星通信资源状态变迁示意图；图2为本发明的反馈式卫星通信资源动态调度规划模型有限状态机示意图；图3为本发明的系统功能模块架构图；图4为本发
明的卫星通信资源调度系统功能模块架构图。
35.实施例一：
36.本发明公开了一种基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法，包括：
37.实时监控和获取卫星通信资源状态信息；
38.利用效能评估模型对所获取的卫星通信资源状态信息进行处理，得到资源效能评估信息；
39.根据资源效能评估信息和卫星通信资源状态信息，利用反馈式卫星通信资源动态调度规划模型，对卫星通信资源进行动态分配。
40.所述的卫星通信资源的状态信息包括空闲状态(初始态)、指派状态、分配状态、占用状态和标注状态,其中空闲状态、占用状态和指派状态可转换为除自身以外的其余四种状态，分配状态可转换为空闲状态、占用状态和指派状态，标注状态可转换为空闲状态、占用状态以及指派状态。卫星通信资源的状态信息，通过分析卫星通信资源使用过程中的状态变化特性来得到。
41.所述的效能评估模型，用于对卫星通信资源的综合效能进行计算，得到资源效能评估指标，并对资源效能评估指标进行融合处理，得到资源效能评估信息；
42.所述的资源效能评估指标包括卫星通信资源在通信过程中的平均带宽、能耗和扰动率等；
43.所述的对资源效能评估指标进行融合处理，得到资源效能评估信息，其中融合处理的具体公式为：
44.si＝s
i-1
×
α+(bi×
wb+ei×
we+di×
wd)
×
β，
45.其中，si表示通信资源完成第i个通信任务后的资源效能评估信息，bi表示通信资源完成第i个通信任务需要的平均带宽，ei表示通信资源完成第i个通信任务的能量消耗，di表示通信资源完成第i个通信任务的扰动率，wb表示平均带宽的权重，we表示能量消耗的权重，wd表示扰动率的权重，α为完成第i-1个通信任务的资源效能评估信息的权重，β为完成第i个通信任务的资源效能评估信息的权重，α+β＝1。当某一通信资源的状态转为空闲时，计算其资源效能评估信息。
46.所述的扰动率，是指卫星通信资源在完成某个通信任务时，所有传输分组的时延抖动平均值，扰动率反映了卫星通信资源的服务质量，其值越小服务质量越高，适合为语音和视频等实时性较强的应用提供服务，反之服务质量越低。
47.所述的根据资源效能评估信息和卫星通信资源状态信息，利用反馈式卫星通信资源动态调度规划模型，对卫星通信资源进行动态分配，包括：
48.所述的反馈式卫星通信资源动态调度规划模型利用有限状态机来实现，反馈式卫星通信资源动态调度规划模型实时获取当前的卫星通信资源状态信息和资源效能评估信息，并根据当前的卫星通信需求、卫星通信资源状态信息和资源效能评估信息，对卫星通信资源进行按需分配，对空闲的卫星通信资源进行回收；反馈式卫星通信资源动态调度规划模型从其实时获取的当前的卫星通信资源状态信息中读取到某个卫星通信资源状态变为空闲状态时，计算该卫星通信资源的当前的资源效能评估信息，并与当前的所有已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息进行比对，如果空闲状态的卫星通信资源的资源效能评估信息优于当前的已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息，则
用所述的空闲状态的卫星通信资源替换所述的已分配但未被占用的卫星通信资源；当存在多个空闲状态的卫星通信资源和多个已分配但未被占用的卫星通信资源时，使用资源动态调度规划算法，对卫星通信资源进行动态分配。
49.所述的用所述的空闲状态的卫星通信资源替换所述的已分配但未被占用的卫星通信资源，在资源替换过程开始前，对待替换的两个卫星通信资源的资源效能评估信息进行比较，为了避免两个资源效能评估值比较接近，导致替换资源对总体服务质量提升较小，设置替换阈值ρ，当待替换的两个卫星通信资源的资源效能评估信息之间的差值大于ρ时，对两个卫星通信资源进行替换，否则，就不进行替换。
50.反馈式卫星通信资源动态调度规划模型具有使用状态监测、动态分配、资源回收和资源替换等特性的反馈机制。图2是反馈式卫星通信资源动态调度规划模型有限状态机。首先任务到达时，系统计算当前所有空闲资源的效能评估值，为任务分配最优的通信资源，实现资源动态分配；其次，系统实时监测所有通信资源状态，当任务执行完成之后，立即回收资源，并重新计算所有资源的效能评估值，如果发现空闲资源效能评估值高于已分配但尚未使用的资源，则进行任务迁移，使用高效能通信资源替换低效能通信资源，从而保证全局最优的通信服务质量。
51.所述的当存在多个空闲状态的卫星通信资源和多个已分配但未被占用的卫星通信资源时，使用资源动态调度规划算法，对卫星通信资源进行动态分配，其具体包括：
52.s1，计算当前的所有的空闲状态的卫星通信资源和已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息，根据资源效能评估信息值由小至大，对当前的所有的空闲状态的卫星通信资源进行排序，得到空闲卫星通信资源队列，将当前所有的已分配但未被占用的卫星通信资源构成已分配卫星通信资源集合；
53.s2，按照由先至后的顺序，对空闲卫星通信资源队列中的每个卫星通信资源，将其与已分配卫星通信资源集合中的所有卫星通信资源进行资源效能评估信息值比较，若空闲状态的卫星通信资源的资源效能评估信息优于某一已分配但未被占用的卫星通信资源的资源效能评估信息，则称该空闲状态的卫星通信资源为第一卫星通信资源，称该已分配但未被占用的卫星通信资源为第二卫星通信资源，则用第一卫星通信资源替换第二卫星通信资源的替换成本和替换后性能提升值进行计算；
54.s3、对计算得到的替换成本和替换后性能提升值进行比较，若替换成本小于替换后性能提升值，且将第一卫星通信资源替换第二卫星通信资源，将第一卫星通信资源从空闲卫星通信资源队列中删除，将第一卫星通信资源加入到已分配卫星通信资源集合中，将第二卫星通信资源加入到空闲卫星通信资源队列中，将第二卫星通信资源从已分配卫星通信资源集合中删除。
55.s4，判断是否已对空闲卫星通信资源队列中的所有空闲卫星通信资源进行了资源效能评估信息值的比较，若都已进行，则完成卫星通信资源的动态分配过程，否则，返回步骤s2。
56.实施例二：
57.本发明还公开了一种用于实现实施例一的基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法的系统，所述系统包括：
58.存储有可执行程序代码的存储器；
59.与所述存储器耦合的处理器；
60.所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行上述的基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法。
61.本发明还公开了一种计算机可存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行上述的基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法。
62.实施例三：
63.基于卫星通信资源的静态与动态特征，建立相应的效能评估模型，通过动态分配卫星通信资源，实现对卫星通信资源的精细化调度，提升使用效率，其具体包括：
64.1)建立卫星通信资源状态模型，通过对资源状态的实时监控，为资源规划调度模型提供支撑，通过分析资源使用过程中的状态变化特征，为每个资源设置了五个状态，分别为空闲状态(初始态)、指派状态、分配状态、占用状态和标注状态，相应的状态变迁如图1所示；
65.2)设计卫星通信资源效能评估模型。为了达到卫星通信资源利用最大化目标，需要计算每个资源的综合效能，在任务规划调度时，优先选择效能较高的通信资源，保障通信服务质量，提升全局资源利用率。资源效能评估指标主要包括通信过程中的平均带宽、能耗和扰动率，每个上报的统计量在最后计算中的权值与分配给它的资源量相关，计算公式如下：
66.si＝s
i-1
×
α+(bi×
wb+ei×
we+di×
wd)
×
β
67.其中si表示通信资源s完成第i个通信任务后的效能评估结果，bi表示带宽，ei表示能源消耗，di表示扰动率，w表示每个统计量的权重，α为上一次评估结果权重，β为本次评估结果权重，通常α+β＝1。当通信资源s的状态转为空闲时，计算其最新的效能评估值。
68.3)建立反馈式卫星通信资源动态调度规划模型。首先能够动态获取卫星通信资源使用统计量，实时计算相应效能评估值；其次建立具有使用状态监测、动态分配、资源回收等特性的反馈机制。图2是反馈式卫星通信资源动态调度规划模型有限状态机。
69.卫星通信资源管理系统具有按需分配和回收通信资源的机制，能够实时获取通信资源当前使用状态和效能评估结果。当任务结束资源状态变为空闲时，计算其当前效能，并与所有已分配但未占用资源进行效能比对，择优进行替换。为了降低资源替换造成的扰动，我们设置了一个替换阈值ρ，当效能差值大于ρ时进行替换。
70.4)在状态监测过程中，一旦发现存在效能较高的空闲资源时，可尝试替换已分配但尚未占用的资源，以达到较高的通信服务质量。当存在多个高效能空闲资源和多个可替换已分配资源时，使用资源动态调度规划算法实现将效能高的资源分配给占用时间较长的任务，提升卫星通信资源总体利用率，调度算法的思想为：
71.第一步：当通信资源被回收后，计算其最新的效能评估值，并与已分配但未被占用的所有资源的效能评估值进行比较，若存在高效能空闲资源，则进一步计算替换成本rs
ia
；
72.第二步：预估每个任务占用资源时长，计算高效能资源替换后的性能提升度rs
ij
；
73.第三步：若rs
ij
优于rs
ia
，则进行替换；
74.第四步：将被替换资源作为空闲资源重新进行第一步比较。
75.具体的动态资源调度规划算法如下所示：
[0076][0077]
本发明还公开了一种用于实现实施例一的基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法的系统，所述系统包括：资源数据存储模块、资源数据获取模块、资源模型表征模块和资源调度规划模块，资源数据存储模块使用资源数据库来完成相应的功能，资源数据获取模块使用数据访问服务来完成相应的功能，资源模型表征模块使用资源动态管理服务来完成相应的功能，资源调度规划模块使用资源替换服务来完成相应的功能。系统通过实时获取的卫星资源动态数据和状态变迁情况，构建卫星通信资源的各种关键模型，并通过资源调度规划选择最优通信资源供任务调度使用，原型系统功能模块架构如图3所示。
[0078]
本发明提出的一种基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法，为每个资源分配一个特定的状态，通过对资源状态的实时监控，为资源规划调度提供支撑。按网络种类(频段类型)对通信资源进行利用率的统计，统计粒度不小于1天(以天为单位)，统计量由使用单位(网络、子网、任务)计算后上报或主动获取，再进行归一化计算后得到，是一个统计均值，主要包括通信过程中的平均带宽、能耗和扰动率，再使用加权平均的方法计算得到每个资源的综合效能。在状态监测过程中，一旦发现存在效能较高的空闲资源时，可尝试替换已分配但尚未占用的资源，以达到较高的通信服务质量。当存在多个高效能空闲资源和多个可替换已分配资源时，则利用动态资源调度规划算法，按照系统扰动最小，整体性能最高的策略，实现资源调度分配。本发明可以有效利用高效能通信资源，提升总体资源利用率，缩短通信时长，具有一定的推广应用价值。
[0079]
基于动态测量反馈的卫星通信资源调度方法具体实施方式如下：
[0080]
1)在intel-linux架构的高性能服务器上安装并运行具有本发明功能模块架构的原型系统。将该服务器的100/1000mb/s以太网卡连接到卫星通信系统虚拟仿真平台上，使之能够获取到虚拟卫星通信系统中所有资源的静态特征,如图4所示。
[0081]
2)在虚拟卫星通信系统中设定各类卫星通信资源1000个，随机设定资源属性，包括频段、带宽和时延。
[0082]
3)在原型系统中设定5000个任务，为了使试验具有一般性，每个请求的到达时间和资源占用时间都是独立的且与泊松过程同分布。
[0083]
4)将请求到达率设为λ＝40的泊松分布，而资源占用时间(秒)设为λ＝50的泊松分布。
[0084]
5)每个请求到达时，本发明的调度方法就为其动态分配一个最优的空闲资源，并采用同样的方式为后续请求都分配当前最优的空闲资源。当任务完成回收资源后，重新计算当前空闲资源效能评估值，并进行资源替换。
[0085]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。