优化服务覆盖率的大规模星座业务管理方法

本发明属于卫星通信，特别涉及一种大规模星座业务管理方法，可用于管理大规模星座的多类业务，提升服务覆盖率。

背景技术：

1、随着无处不在和高速通信需求的爆发式增长，地面网络趋于饱和，卫星网络作为地面网络的补充受到关注。与中轨卫星和高轨卫星相比，低轨卫星具有发射成本低、易于维护、传播延迟短等优势，因此越来越多的机构开始研究由数千个低地球轨道组成的大规模星座来提供全球服务，如spacex、oneweb、telesat等。卫星业务管理是维护大规模星座健康高效运行、提升服务覆盖率和服务质量的关键技术，随着业务类型的日益增多和性能需求的差异化，对业务进行管理的需求更加迫切。业务统计和业务整形是卫星业务管理的重要组成部分。一方面，业务是动态变化的，大规模星座需要统计业务信息感知业务变化，有针对性地对网络资源进行调配和优化，从而提升服务覆盖率。另一方面，业务突发容易导致网络出现拥塞，需要业务整形降低拥塞发生的概率，而不同的业务数据包大小、性能需求等各不同，如何根据业务的特性将其整形、使其更适合在网络中传输是需要考虑的重要问题。

2、申请号为201710205375.5.3的专利文献公开了一种“软件定义网络中qos可感知的流量管理方法”，其对不同种类的业务流量采用不同的流量调度和流速调控，实施差异化的服务策略。将业务流量分成优先级不同的若干类别，对不同类别的业务流量进行不同的路由，高优先级的业务优先使用最短路径。同时检测所有链路的使用率，对发生拥塞的链路进行业务流量调度，低优先级的业务优先被调度到其他链路上。已经经过业务流量调度的链路再次发生拥塞时将对业务进行流速调控。该方法由于没有考虑具体应用的网络场景和网络规模，即卫星网络在节点移动性、节点位置、网络拓扑等方面与地面网络截然不同的这些网络特性，因而使得业务管理方法难以进行实际部署。同时，由于大规模星座跨度大、覆盖范围广，实际的业务统计需求往往是局部性的，如果每次都进行全局性的业务统计，需要同时协调众多卫星节点和地面站节点，导致控制复杂且耗费资源。

3、tatsuya fukui等人在其发表多论文“delay-based shaper with dynamic tokenbucket algorithm for deterministic networks”(ieee access 2014)中提出了一种通过动态令牌桶算法实现的基于延迟的整形器。其与传统的基于速率的整形器不同，基于延迟的整形器根据配置的整形延迟和输入的突发长度动态调整令牌桶的输出速率，在减少网络边缘处突发的同时将整形延迟上界控制在一定范围内，保证业务的端到端时延需求得到满足。但由于大规模星座服务的业务种类多，不同业务的延迟需求差异大，会造成这种令牌桶整形无法在同时满足实时类业务和非实时类业务的时延需求下对突发业务进行有效抑制。此外，由于较大的数据包在网络中传输易造成慢货车效应，较小的数据包因包头开销占比大会导致链路传输效率降低，业务的数据包大小也需要纳入业务整形考虑的范围内。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种面向大规模星座提升服务覆盖率的业务管理方法，以解决大规模星座在进行业务管理时面临的控制复杂、耗费资源和未充分考虑业务性能需求的问题，实现灵活、自适应的业务统计和基于时延、数据包大小的二维业务整形，有效提升大规模星座的服务覆盖率。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

3、(1)构建包括低轨卫星、中轨卫星、地面站和卫星管理中心的大规模星座网络；

4、(2)将地面划分为多个移动性管理区域，将每个移动性管理区域内划分为多个位置区，设定中轨卫星和地面站用于负责管控移动性管理区域；设定低轨卫星用于覆盖位置区，负责传输用户的业务数据；

5、(3)以t为时隙长度，将大规模星座网络的运行时间划分为n个时隙，n≥1；

6、(4)根据服务覆盖率的定义，以数据包作为衡量业务量的最小单位，将服务覆盖率表示为r＝p/q，其中q为接收的数据包总量，p为端到端传输未超时的数据包总量；

7、(5)在第t个时隙内，1≤t≤n，低轨卫星对接收到的数据包进行全局统计和整形：

8、(5a)对一到多个位置区进行覆盖的低轨卫星k，在接收上行数据包和下行数据包时，分别统计接收的数据包总量qk和端到端传输未超时的数据包总量pk；

9、(5b)根据大规模星座所采用的网络层和数据链路层的通信协议，设置数据包大小的上限smedium和下限slow；

10、(5c)低轨卫星k判断接收的数据包大小是否大于上限smedium：

11、若是，则将该数据包拆分为n个大小小于smedium的子数据包，并在子数据包包头添加拆分标记，执行(5g)；否则，执行(5d)；

12、(5d)低轨卫星k判断接收的数据包大小是否大于下限slow或者接收的数据包是否要求大规模星座提供低时延服务：若是，则执行(5g)；否则，执行(5e)；

13、(5e)低轨卫星k维护一个哈希表，并将该数据包的包头信息输入到哈希函数中得到索引ini，判断哈希表中索引ini位置是否已存储其他数据包：若是，则执行(5f)；否则，将当前数据包存储到空索引ini位置，执行(5i)；

14、(5f)低轨卫星k比较索引ini位置存储的数据包与当前数据包的包头信息是否相同：

15、若是，则将当前数据包存储至非空索引ini位置，执行(5i)；否则，将索引ini位置存储的所有数据包进行聚合，添加到调度队列，再将当前数据包存储到索引ini位置，执行(5h)；

16、(5g)低轨卫星k将数据包添加至调度队列，判断数据包是否要求大规模星座提供低时延服务：若是，则发送数据包，执行(5i)；否则，将数据包放入令牌桶，执行(5h)；

17、(5h)令牌桶根据当前大规模星座网络的拥塞程度调整令牌的产生速率，低轨卫星k判断令牌桶中是否有可用令牌：若有，则发送数据包，执行(5i)；否则，等待令牌产生，直到有可用令牌时再发送数据包，执行(5i)；

18、(5i)低轨卫星k根据哈希表中存储的数据包的时延需求设置遍历间隔thash，每隔thash时间遍历哈希表，将非空索引处存储的数据包聚合，循环执行(5g)到(5h)，直到哈希表为空；

19、(6)在第t个时隙结束时，低轨卫星k将全局统计数据发送给卫星管理中心，卫星管理中心触发局部统计：

20、(6a)低轨卫星k将端到端传输未超时的数据包总量pk和接收的数据包总量qk发送给中轨卫星和地面站mgj；

21、(6b)中轨卫星和地面站mgj接收位于移动性管理区域j内所有低轨卫星的全局统计数据，并将其汇总为移动性管理区域j内接收的数据包总量qj和端到端传输未超时的数据包总量pj，再转发给卫星管理中心；

22、(6c)卫星管理中心计算所有位置区的服务覆盖率rall和触发向量call，触发向量call记录一个位置区的服务覆盖率，对于在连续nslot个时隙都低于最低门限的位置区，将其添加至触发局部统计的位置区集合，并发送局部统计信令发送给中轨卫星和地面站；

23、(6d)中轨卫星和地面站接收局部统计信令，根据信令中包含的位置区集合，创建覆盖这些位置区的低轨卫星集合，将局部统计信令转发给包含在集合中的低轨卫星；

24、(6e)在集合h中的低轨卫星收到局部统计信令后，建立源端和目的端的统计列表进行局部统计，并将该局部统计结果发送给中轨卫星和地面站，中轨卫星和地面站再将其转发给卫星管理中心。

25、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

26、1.本发明通过全局统计的单一指标服务覆盖率，来判断一个位置区的服务覆盖率是否连续多个时隙低于门限，从而触发局部统计，相较现有的业务统计方法不仅提高了局部业务统计的执行精度，而且实现了依据服务覆盖率变化自适应启动的局部业务统计；同时由于在全局统计中只统计服务覆盖率，在局部统计中统计更加详细的业务信息，因而可有效避免非必要的统计行为，减少业务统计带来的控制开销；

27、2.本发明由于基于业务的时延需求和数据包大小两个指标设计二维业务整形，拆分大数据包，聚合小数据包，并使用令牌桶平滑业务流量，可以有效地将数据包整形为适合网络传输的形式，抑制网络中的突发，避免拥塞。

28、3.本发明由于利用哈希表存储数据的特性进行数据包的聚合，根据数据包所属的报文类型，提取相应的包头信息输入哈希函数得到索引位置，当有包头信息不同的数据包被散列到相同索引位置时，可将原先存储的数据包聚合并发送，再存储新到达的数据包，提高了数据包聚合的效率。