一种非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星通信领域，特别是涉及一种非静止轨道卫星网络流量均衡控制方 法。
【背景技术】
[0002] 非静止轨道（NGEO)卫星网络是相对于静止轨道（GEO)卫星网而言，主要是指不 在地球同步静止轨道上运行的卫星星座通过星间链路组成的卫星网络。例如，低地球轨道 (LEO)卫星网络、中地球轨道（MEO)卫星网络等，这些卫星网络在提供覆盖全球的通信服务 时，相对于同步静止轨道（GEO)卫星网络，具有传播时延短、对用户终端天线的尺寸及功率 要求低等优势，能够满足用户随遇接入网络的需求，是承载地面蓬勃发展的移动互联网数 据通信的理想选择。
[0003] 但是，由于人口在地球表面分布的不均匀性，卫星经过人口密度较大的区域上空 时，通信负载会变大，而经过海洋、沙漠、森林等区域上空时，通信负载相应会减小。并且，随 着地面用户对数据业务需求的激增，如何平衡网络中的数据流量，使得网络利用率最大化 已成为卫星网络数据通信中亟待解决的问题。
[0004] 现有技术中，T. Taleb 等人在《Explicit load balancing technique for NGEO satellite IP networks with on-board processing capabilities》 （IEEE/ACM Trans. Netw.，vol. 17, no. 1，pp. 281 - 293, Feb. 2009.)中提出了一种非静止轨道卫星网络中IP路 由平衡控制方法，该方法根据卫星节点中的队列占用情况将卫星划分为空闲、相对繁忙和 繁忙三种状态，当某一卫星由空闲状态变为繁忙状态时，将通知其相邻卫星提前计算到目 的端的不包含该卫星节点的备选路径，而一旦相邻卫星收到其他卫星的繁忙通告时，则会 将一部分数据进行分流。该方法利用了卫星星座网络的多路径特性，在相邻卫星节点之间 交换拥塞信息有助于卫星节点对拥塞信息进行及时地响应。
[0005] 中国专利"基于负载均衡的卫星网络按需路由方法"(CN102231896)通过寻找负载 最小路径的方法，实现了卫星网络流量的负载均衡，并降低了网络路由开销。
[0006] 但这些现有技术主要是侧重于卫星网络流量的局部分析，只能有限地利用了星座 网络中的多路径特性，例如只在相邻卫星节点之间交换拥塞信息，虽然能够避免局部拥塞， 但由于各个卫星节点没有网络的整体拥塞状况，被分流的数据仍然有可能在其他卫星节点 产生拥塞。因此，需要根据卫星网络的整体流量分布情况解决网络流量均衡问题。
【发明内容】
[0007] 本发明主要解决的技术问题是提供一种非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法， 解决现有技术中只能局部实现卫星网络流量均衡而不能根据卫星网络拓扑结构的动态变 化及时调控整个网络的流量均衡的问题。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：第一步，地面控制中心根据 卫星网络拓扑的可预测性，将卫星网络运行过程划分为多个时间段，并在每一个时间段内 保持该卫星网络拓扑不变；第二步，构建当前时间段内该卫星网络拓扑中任意两颗卫星之 间的通信隧道，并在该卫星网络中的所有卫星中共享该通信隧道信息；第三步，在该当前时 间段内，对该任意两颗卫星之间的通信隧道进行动态流量分配控制；第四步，由该当前时间 段切换到下一个时间段，构建该下一个时间段内卫星网络拓扑中任意两颗卫星之间的通信 隧道，在该通信隧道上进行动态流量分配控制。
[0009] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，该通信隧道是该 任意两颗卫星之间人工指定的K个通信隧道或者是前K个最小路径值的通信隧道，K多2。
[0010] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，对该任意两颗卫 星之间的通信隧道进行动态流量分配控制的方法是：收集链路利用率信息，该任意两颗卫 星中的接收端卫星定期向发送端卫星发送反馈数据包，该反馈数据包沿该各通信隧道反向 到达该发送端卫星，并收集沿途该各通信隧道中包含的链路利用率信息；动态分配，该发送 端卫星根据接收到的该各通信隧道中的链路利用率信息，动态控制该发送端卫星到该接收 端卫星之间该各通信隧道的流量分配比例。
[0011] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，该链路利用率信 息是该通信隧道的最大链路利用率信息。
[0012] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，该动态控制该发 送端卫星到该接收端卫星之间该各通信隧道的流量分配比例方法包括：首先，包括两个限 定条件，第一，该在各通信隧道上的动态更新流量分配比例的调整时间间隔大于该接收端 卫星定期向该发送端卫星反馈数据包的反馈时间间隔；第二，若该发送端卫星没有收到该 接收端卫星在该通信隧道上的最大链路利用率信息，则该发送端卫星将该通信隧道的最大 链路利用率设置为1 ;其次，该发送端卫星在各通信隧道上更新流量分配比例的当前时刻， 该发送端卫星根据收到的各通信隧道的最大链路利用率信息按照如下计算方法更新当前 该各通信隧道的流量分配比例：
[0013]
[0014] 其中，p为发送端卫星s i到接收端卫星s 6在前一个调整时间间隔内在第P个通 信隧道上的的流量分配比例，A Xig则是该发送端卫星s i到接收端卫星s e在第p个通信隧 道上的分配比例变化量，P e [1，K]。
[0015] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，该Δχ%ρ计算方 法是：
[0016]
[0017] 其中，在前一个该调整时间间隔内，是该发送端卫星S i在第P个通信隧道上 向该接收端卫星Se发送数据包的速率，$,??/是该发送端卫星&与该接收端卫星s ^之 间各通信隧道上发送数据包的速率之和，并且，在前一个该反馈时间间隔内，U1M是该发送 端卫星^与该接收端卫星S 6之间在第P个通信隧道上的最大链路利用率，：?:是该发送端 卫星S1与该接收端卫星S e之间在各通信隧道上链路利用率的平均值，U _是该发送端卫星 S1接收到的该发送端卫星S i与该接收端卫星S e之间各通信隧道的最大链路利用率中的最 小值，当该发送端卫星^与该接收端卫星S ^在其中第P个通信隧道上的最大链路利用率是 其中各通信隧道上最大链路利用率中的最小值时，ε是该第P个通信隧道上的最大链路利 用率的变化量。
[0018] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，该:?计算方法 是：
[0019]
[0020] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，该ε计算方法
是：
[0021]
[0022] 其中，(：_为整个卫星网络中的最小链路容量，N为该发送端卫星s i到多个接收端 卫星的连接个数，Rle为该发送端卫星s i到该接收端卫星s e的数据量。
[0023] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，该ε = 〇. 0902 或 ε = 〇· 01。
[0024] 在本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一实施例中，若有大于1， 归一化：
[0025]
[0026] 本发明的有益效果是：本发明提供的非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法，能 够根据卫星网络拓扑可预测的特点，通过将卫星运行时间进行分段划分，并在划分后的每 一个时间段内保持卫星网络拓扑不变，然后通过反馈机制对卫星网络中任意两颗卫星之间 的多个通信隧道进行流量分配比例的动态化控制，进而实现对整个卫星网络在整个运行时 间内保持流量分配的整体均衡。该方法充分利用了卫星网络拓扑的可预测性及卫星网络中 的多路径特性，从整体上对网络流量问题进行了优化，避免了网络局部拥塞，具有实现简单 有效，鲁棒性强，适用范围广等技术优势。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法一个实施例的流程图；
[0028] 图2是本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一个实施例中通信隧道 原理图；
[0029] 图3是本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一个实施例的流程图；
[0030] 图4是本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一个实施例的流程图。
[0031] 图5是本发明非静止轨道卫星网络流量均衡控制方法另一个实施例的反馈数据 包的组成结构图。
【具体实施方式】
[0032] 为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。 附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限 于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的 理解更加透彻全面。
[0033] 需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于 本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只 是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语