一种基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法

1.本发明涉及天地网络领域，具体为一种基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法。


背景技术：

2.随着日益增长的用户需求多样化，我国大力推进天地网络的构建，它是以空间平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。卫星网络是其中比较重要的部分，其具有覆盖范围广、全球直接通信、信息传输快速等特点。但是，卫星网络拓扑结构频繁变化，资源种类多、时变特性导致现有的资源分配策略不够灵活，算法稳定性差，网络中存在造价高、消耗大、资源利用率低等问题，因而如何突破当前网络资源管理的瓶颈，综合调度网络资源适应日益增长的实时业务需求具有重大的研究意义。
3.虽然现有工作已经在天地网络资源分配方面取得了一定进展，但其依然存在不足之处。根据天地网络是一个更加整体化的场景，如何解决面向不同业务时多维资源分配的问题，合理调配网络中的多维资源，这些都是目前存在的问题。传统的资源分配方法难以使有限的网络资源满足如今的多实时业务需求，但现有的多维资源联合管理方法复杂度较高，且未能充分考量不同实时业务的服务质量需求。因此如何突破当前网络资源合理分配的瓶颈，综合调度分配网络资源适应日益增长的实时业务需求成为提高资源利用率的关键所在。
4.现有的资源分配方法大都针对单一资源的分配，面向链路资源的分配方法有拓扑快照法、动态路由法等。面向传输资源的分配主要是对带宽资源和频谱资源。这类方法在天地网络中资源利用率上并不是很高，另一方面天地网络中时空变化也很频繁，这也对资源分配的效果产生了影响。
5.基于天地网络中实时业务的资源分配方法也有限，现有的分配方法可以满足用户的需求，并且也可以保证不错的资源利用率。但是这类方法并未考虑到实时业务所需资源的时变性，难以在这种拓扑动态变化的卫星网络和地面网络中起到很好的效果，这样就会导致整体的资源利用率降低。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法，针对天地网络资源的多维性和实时业务所需资源的时变性的特点，设计了天地网络资源分配的架构图，并且考虑到资源分配过程中资源的时变性，在建立资源模型阶段提出资源容量比的概念，再资源容量比的大小进行不同实时业务间的资源分配。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法，包括如下步骤：
9.步骤1，对天地网络中的资源和业务进行架构的设计，建立天地网络总体架构；
10.步骤2，从天地网络总体架构中将实时业务等待队列提取出来，收集实时业务和相
应的参数，计算业务的资源需求量；
11.步骤3，分析并建立资源模型得到资源模块；
12.步骤4，根据资源模块得到总的资源模型和节点资源容量模型，将资源模型转换成资源坐标图，计算出各维度的资源容量比；
13.步骤5，对不同实时业务类型进行划分进行资源分配。
14.优选的，步骤1中，所述的天体网络总体架构包括业务层、业务管理层、采集层、虚拟资源层、基础设施层和控制层。
15.优选的，步骤3中，所述资源模型的建立如下：
16.设定天地网络中的虚拟资源池是由n个虚拟网络节点资源池组成(g)，其中g＝{g1,g2,
…
,gn}，gi∈g，一个g代表一个g在g模型中，g被定义成网络节点由d种资源组成，其中，g是虚拟网络节点资源池；g是节点资源池中的一个节点；d是每个节点中的资源种类数；每个g的资源表示为：每个g的资源表示为：每个维度的资源都可以使用映射函数转化为一个常数：
17.其中，表示节点资源池中资源数量的集合，c是一个常数，每个维度的资源都可以转化为一个固定常数c使用映射函数f
t
；
18.给定一个资源请求集a＝{ai|1≤i≤n,ai＝request,ai∈rd}，其中n表示天地网络中有n个实时业务的资源请求，ai表示第d个实时业务的一个资源请求，rd表示资源的数量和维度的集合，request表示为：资源请求的集合；a表示总的资源请求集；每个a中的单个实时业务资源请求放到集合mj(1≤j≤m)中，其中mj表示将资源请求划分成j个集合；j表示第几个节点；m表示最少节点的数量；把每个mj放到一个网络节点中，确保每个网络节点在每个维度上请求的资源总和小于或等于该特定网络节点在同一维度上可用资源的总和，满足在a中实时业务的资源需求用最少数量的节点m。
19.优选的，步骤3中，建立资源模型所得到的资源模块包括如下：
20.资源占用模块：分配给g中实时业务占用的资源为：
21.剩余资源模块：资源分配以后剩余资源的数量剩余资源模块：资源分配以后剩余资源的数量
22.资源预留模块：rsg＝(rs1，rs2…
,rsk)；
23.实时业务的资源请求模块：ai；
24.其中，表示分配的资源量，表示剩余的资源量，rsg表示分配的预留资源量。
25.进一步的，步骤4中，根据资源模块定义总的资源模型，公式如下：
26.rm＝{(d,yd,t)|d∈{1,2,
…
,d},t∈{1,2,3,4}}；
27.其中，d表示资源的数量，yd表示每一维资源的量化值，t为资源模型的类型；t＝1表示g中分配资源的模型，t＝2表示剩余资源的模型，t＝3表示资源预留模型，t＝4表示实时业务资源请求模型。
28.更进一步的，步骤4中，根据资源模块定义节点资源容量模型，公式如下：
[0029][0030]
其中，nrc为资源最大容量值，r是资源的维度，c是不同维度的资源量化值，rm
t＝1
表示分配资源量，rm
t＝2
表示剩余资源量。
[0031]
更进一步的，步骤4中，所述资源最大容量值nrc是建立资源坐标图的依据，每一个资源轴的最大值通过资源最大容量值nrc模型决定。
[0032]
优选的，步骤5中，不同实时业务类型包括话音类业务、偏远地区的通信类业务和应急场景下的卫星观测类业务。
[0033]
进一步的，步骤5中，对不同实时业务类型的资源分配方式如下：
[0034]
话音类业务，将具有最大资源容量值的网络节点依次进行资源分配；
[0035]
偏远地区的通信类业务，提前计算部署最小网络节点的值，按照该值的大小进行资源分配；
[0036]
应急场景下的卫星观测类业务，在资源分配过程中通过实时业务的完成和清除，按照资源需求的降序依次进行分配。
[0037]
更进一步的，话音类业务采用具有最大crd(p)值的节点优先依次分配，当多个业务即实时业务的资源请求以批处理方式到达时，首先将具有最大crd(p)值的节点分配给当前业务，rm模型按资源容量比值降序排列，并按此顺序一一分配业务；
[0038]
所述偏远地区的通信类业务，要提前计算部署最小网络节点的数量，其计算公式如下：
[0039][0040]
其中，ming是最小网络节点数，nrc是资源最大容量值，d代表资源的维度，是每个虚拟网络节点资源池中每个维度的资源请求值；
[0041]
所述应急场景下的卫星观测类业务，根据实时业务的分配完成和清除，每个虚拟网络节点资源池中的剩余资源增加，节点将按照剩余资源重新降序排列，当新一批资源请求到达时，根据其资源需求排序，按照资源需求的降序依次进行分配。
[0042]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0043]
本发明提供了一种基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法，针对天地网络中的资源利用率不高和时空变化频繁等问题，提出了基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法。该方法一方面可以满足这种异构网络中资源的多维性，另一方面考虑了实时业务所需资源的时变性。本发明对实时业务所需资源按四种资源形式进行划分，针对不同维度的资源，建立资源坐标图，更加适合这种时空频繁变化的网络，然后将实时业务的资源请求量化到各个资源轴，求得相邻资源轴的资源容量比，提高了资源分配过程中的资源利用率，更加直观地看出资源的使用剩余情况，最后针对不同的业务类型进行资源分配，进一步保证了整个资源分配方法的效率及损耗时间。
附图说明
[0044]
图1为本发明天地网络总体多层架构图；
[0045]
图2为本发明资源分配方法的架构图；
[0046]
图3为本发明不同维度的资源坐标图；
[0047]
图4为本发明资源容量基准图；
[0048]
图5为本发明分配模块的架构图；
[0049]
图6为本发明资源分配的整体流程图。
具体实施方式
[0050]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0051]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0052]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0053]
本发明一个实施例中，提供一种基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法，针对天地网络资源的多维性和实时业务所需资源的时变性的特点，设计了天地网络资源分配的架构图，并且考虑到资源分配过程中资源的时变性，在建立资源模型阶段提出资源容量比的概念，再资源容量比的大小进行不同实时业务间的资源分配。
[0054]
该方法基于天地网络总体多层架构下参见图1，在此基础上构建了资源分配方法的架构参见图2，图2中分析模块中的三类资源信息构建资源坐标图参见图3，输出得到rm模型，最终在分配模块中进行不同业务间的资源分配。
[0055]
根据图1所示，天地网络被分为6层架构，分别为业务层、业务管理层、采集层、虚拟资源层、基础设施层和控制中心，基本功能如下：
[0056]
业务层：承担了天地网络的业务收集的任务。提取业务的特征和需求，最后到业务管理层进行调整。
[0057]
业务管理层：对业务进行管理与分类(这里确定一个机制，对不同的业务进行区分:是实时还是非实时)。
[0058]
采集层：构建实时业务队列与非实时业务队列，与控制中心实时交互。
[0059]
基础设施层：由天地各网络各种设备组成，这些设备提供我们需要的资源
[0060]
虚拟资源层：提供虚拟化功能，用于构建虚拟化的资源池。(将物理资源抽象为虚拟资源，更有利于建模表征，为后续资源分配提供了环境)。
[0061]
控制中心：主要负责用户业务的资源分配。
[0062]
根据图2所示，本发明所述的资源分配的架构图主要采用三个模块；分析模块、分
配模块和监控模块。
[0063]
下面对三个模块进行介绍。
[0064]
1.分析模块
[0065]
收集实时业务和相应的参数，计算每个维度的资源需求量。
[0066]
2.分配模块
[0067]
分配模块的主要功能参见图5。它由ra分析器、ra数据库和业务部署mrcbd组成，完成主要资源分配算法的工作。ra分析器根据实时业务的资源请求构造rm，并且使用相应的映射函数(完成资源模型和资源坐标图的转换(mrc转换器))计算rm中g的最大资源容量比，并在相邻的资源轴之间进行标注，根据资源轴和资源维度进行分类(实时业务中资源请求的资源维度可能会有所不同)，对mrc的信息进行排序。ra数据库中存储rm各种类型的信息。信息分为三类prm和mrc：资源请求、节点内分配的资源、节点内剩余资源和系统中实时业务拥有的资源对应的mrc信息以及各种实时业务的状态。业务部署mrcbd根据mrc将实时业务部署到目标g中。
[0068]
3.监控模块：用于监视在每个g中发生变化的资源。
[0069]
参见图6，本发明的基于天地网络中面向实时业务的资源分配方法，包括以下步骤：
[0070]
步骤1，建立天地网络总体多层架构，分别为业务层、业务管理层、采集层、虚拟资源层、基础设施层和控制中心。
[0071]
步骤2，建立资源模型，假设天地网络中的虚拟资源池是由n个虚拟网络节点资源池组成(g)，这个g就被定义为g＝{g1,g2,
…
,gn}，gi∈g，一个g代表一个g在g模型中，这个g被定义成网络节点由d种资源组成，其中，g是虚拟网络节点资源池；g是节点资源池中的一个节点；d是每个节点中的资源种类数；每个g的资源表示为：每个维度的资源都可以使用映射函数转化为一个常数：
[0072]
其中，表示节点资源池中资源数量的集合，c是一个常数，每个维度的资源都可以转化为一个固定常数c使用映射函数f
t
；
[0073]
给定一个资源请求集a＝{ai|1≤i≤n,ai＝request,ai∈rd}，其中n表示天地网络中有n个实时业务的资源请求，ai代表的是第i个实时业务的一个资源请求，rd代表的是资源的数量和维度的集合，每个a中的单个实时业务资源请求放到集合mj(1≤j≤m)把每个mj放到一个网络节点中，确保每个网络节点在每个维度上请求的资源总和小于或等于该特定网络节点在同一维度上可用资源的总和，目的是满足在a中实时业务的资源需求用最少数量的节点m；给定一个资源请求集a＝{ai|1≤i≤n,ai＝request,ai∈rd}，其中n表示天地网络中有n个实时业务的资源请求，ai表示第i个实时业务的一个资源请求，rd表示资源的数量和维度的集合，request表示为：资源请求的集合；a表示总的资源请求集；每个a中的单个实时业务资源请求放到集合mj(1≤j≤m)中，其中mj表示将资源请求划分成j个集合；j表示第几个节点；m表示最少节点的数量；把每个mj放到一个网络节点中，确保每个网络节点在每个维度上请求的资源总和小于或等于该特定网络节点在同一维度上可用资源的总和，满足在a中实时业务的资源需求用最少数量的节点m。
[0074]
步骤3，建立总的资源模型并构建资源坐标图如图3所示，总的资源模型主要有四个模块，资源占用模块：分配给g中实时业务占用的资源为：个模块，资源占用模块：分配给g中实时业务占用的资源为：剩余资源模块：资源分配以后剩余资源的数量资源模块：资源分配以后剩余资源的数量资源预留模块：rsg＝(rs1，rs2…
,rsk),实时业务的资源请求模块：ai；
[0075]
其中，表示分配的资源量，表示剩余的资源量，rsg表示分配的预留资源量。
[0076]
步骤4，根据以上四个模块可以得到总的资源模型，公式如下：rm＝{(d,yd,t)|d∈{1,2,
…
,d},t∈{1,2,3,4}}，d表示资源的数量，yd表示每一维资源的量化值，t表示资源模块的类型。为了更直观地看到资源分配过程中的资源变化，构建了资源坐标图并定义了资源容量比crd(p)，根据资源容量的大小比例进行后续的资源分配任务。
[0077]
资源坐标图如图3所示，图三中表示的是不同维度的资源，不同维度的资源坐标图是不相同的，举例说明图三第一个图的rm模型公式如下：
[0078]
rm＝{(3,y3,1)|y3＝(2,2,3)}
[0079]
根据资源模型可以计算出资源容量比crd(p)的大小，如图4所示，s1、s2为相邻维度间的资源使用容量值，s1的资源容量比的计算公式下：
[0080][0081][0082][0083]
其中，y
max
是预留资源的最大值，r、r-1是不同资源维度，yr、y
r-1
是量化后的资源值，rcsd是相邻维度间的夹角度数，cr1是s1的资源容量比。
[0084]
总体的实时多维资源容量值的计算公式如下：
[0085][0086]
其中，area(sd)是总体的实时多维资源容量值，r是资源维度值，si是第r个维度的资源容量比值。
[0087]
步骤5，将实时业务按照类型进行划分，实时业务有话音类业务、偏远地区的通信类业务和应急场景下的卫星观测类业务等，针对不同的实时业务采用不同的资源分配方法，可以高效地提高资源利用率以及系统的耗时。
[0088]
其中，针对话音类的业务采用具有最大crd(p)值的节点优先依次分配，当多个业务(即实时业务的资源请求)以批处理方式到达时，首先将具有最大crd(p)值的节点分配给当前业务。rm模型按资源容量比值降序排列，并按此顺序一一分配业务。选择g节点分配任务时，要遵守的准则是crd(p)，资源请求模型与剩余资源模型。选择剩余资源最少且没有资源冲突的节点来接受实时业务的资源请求。在冲突的情况下，选择下一个没有资源冲突的剩余资源最少的节点。
[0089]
针对偏远地区的通信类业务，要提前计算部署最小网络节点的数量，其计算公式如下：
[0090][0091]
其中，ming是最小网络节点数，nrc是资源最大容量值，d代表资源的维度，是每个虚拟网络节点资源池中每个维度的资源请求值；
[0092]
将启动的g节点和剩余资源作为候选节点，按照crd(p)的值降序分配业务。在候选节点中，那些期望在部署后剩余资源没有发生冲突的节点将被选择接受业务。
[0093]
如果没有合适的节点可用，则新节点将被包含在流程中，直到当前业务完全分配为止。
[0094]
针对应急场景下的卫星观测类业务，考虑了实时业务的分配完成和清除，从候选集中选择多个实时业务分配给合适的节点后，寻求实现节点内实时业务资源请求的最佳容量比。系统将批量到达的资源请求一个一个分配给节点。选择资源请求的标准是rm的剩余资源可以达到最高的资源利用率。随着节点上实时业务的分配完成和清除，每个节点中的剩余资源增加。节点将按照剩余资源重新降序排列。当新一批资源请求到达时，根据其资源需求排序，按照资源需求的降序依次分配给一个节点，实现剩余资源的最高利用率。
[0095]
综上所示，本发明具有以下优点：
[0096]
1.设计的资源模型和资源坐标图可以更加清晰地看到系统中的资源使用情况，为资源分配提供了更直观的表示，表征了资源的多维性和实时业务所需资源的时变性，有利于资源的高效分配。
[0097]
2.对实时业务进行划分，针对不同的业务类型采用不同的资源分配方法，提高了业务的响应时间，且引入资源容量比的概念，可以更好地观察到资源的实时变化，提高了资源分配的效率和整体的性能稳定性。
[0098]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。