CN105743562A - 基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法，采用TCP协议3次握手方法，使用户自由接入，并采用预约的方式向卫星发送业务请求，卫星根据预约时隙数将用户分为不同的优先级，采用按需分配和自由分配相结合的方式进行初始分配，在初始分配后采用流量预测的方法，对下一帧流量进行预测，此后，卫星根据上一帧预测结果及时调整带宽分配方案，实现了动态带宽分配方案，提高卫星***的资源利用率。

Description

基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法

技术领域

本发明涉及一种基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法，利用混沌流量预测的思想实现卫星动态带宽分配，提高信道利用率，属于卫星通信技术领域。

背景技术

卫星通信相比于其他的通信方式，具有通信距离远(比如利用静止卫星进行通信，其通信距离最大可以达到18000km)、覆盖面积大、通信频带宽、传输容量大、机动灵活、通信线路稳定可靠等优势。当前，无线通信技术日新月异，卫星通信、移动通信等技术处于高速发展阶段，上一代卫星网络所能承载的低速数据和话音业务已经不能满足这种不断扩大的需求，新一代卫星宽带通信成为了解决这一问题的基本应用方法。

宽带卫星网络***和很多卫星通信方式相比，最突出的优点在于一个卫星转发器可以为大范围内的众多用户提供实时接入，进行一点对多点的通信，那么多个用户应该如何共享有限的带宽，合理的利用通信资源，这就是宽带卫星通信必须考虑的问题。同时，现代通信网络数据业务传输速率更高，业务方式也逐渐的多样化，在有限的上下行带宽、功率和时延的情况下，如何在宽带卫星网络***中为更多用户提供更好的服务，这是必然要解决的问题。在宽带卫星网络***的实际应用中，用户何时发出数据，如何发送请求，采用哪种高效的帧结构，以及卫星如何分配请求数据保证用户的合理接入，都是接入协议应该考虑的问题。如今，网络通信***规模扩大，实现方式也在不断复杂化，只有不断完善和改进用户多址接入协议才能实现应用中高效公平的通信过程。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法，利用混沌流量预测的思想实现卫星动态带宽分配，提高信道利用率。

本发明中，用户采用自由接入的方法接入卫星，采用预约的方式向卫星发送业务请求，卫星根据预约时隙数将用户分为不同的优先级，采用按需分配和自由分配相结合的方式进行初始分配，在初始分配后采用流量预测的方法，对下一帧流量进行预测，此后，卫星根据上一帧预测结果及时调整带宽分配方案。本发明通过接入、预约、分配、预测四个步骤实现卫星网络的多址接入协议，提高了整个卫星***的资源利用率。

本发明提供的基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法，包括以下步骤：

步骤1：卫星在空间广播自己的标识号ID，终端将接收到的的卫星标识号ID信息和ON状态信息返回给相应卫星，ON状态信息表示当前用户终端有数据分组产生；

步骤2：卫星收到终端发来的信息后，检测其中的标识号ID信息，如果标识号ID与自己的标识号ID匹配，则卫星分配请求时隙给终端，并将请求时隙信息发给终端；

步骤3：终端成功接入后，向卫星发送请求，请求信息中包含用户队列长度，即终端排队分组数；

步骤4：卫星按照终端排队分组数从大到小设置优先级号，并填入预约表和自由分配表；

步骤5：卫星进行时隙初始化分配，即，终端首次接入卫星并发送预约请求后，卫星根据各终端排队分组数进行分配；

初始化分配具体为：卫星计算按预约表分配后剩余时隙是否大于0，如果是，则按优先级为预约表分配时隙，分配完后为自由分配表轮询分配剩余时隙；否则，按照加权分配公式为预约表分配时隙，加权公式为：

${\mathrm{allocate}}_i=\frac{data\_num}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}req\_{\mathrm{num}}_i}req\_{\mathrm{num}}_i,$

其中，allocate_i表示终端i分配的时隙数，data_num表示总的数据时隙数，req_num_i表示终端i预约数据时隙数，m表示当前有时隙请求的终端总数；

步骤6：初始化分配的同时预测下一帧的终端时隙数，下一帧到达卫星时，卫星根据上一帧的预测结果调整时隙分配，并且在之后的每一帧中重复进行。

时隙分配调整方案具体为：

对于所有初始化分配时隙大于或者等于预测时隙的终端，进行如下配置：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{allocate}}_i={\mathrm{pro}}_i\\ free=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{allocate}}_i-{\mathrm{pro}}_i\end{array}\right.,$

然后，将总的空闲时隙数free再重新分配到初始化分配时隙小于预测时隙的终端，具体分配的数量为：

${\mathrm{allocate}}_i={\mathrm{allocate}}_i+free\×\frac{{\mathrm{pro}}_i-{\mathrm{allocate}}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{pro}}_i-{\mathrm{allocate}}_i},$

其中，allocate_i表示终端i分配的时隙数，data_num表示总的数据时隙数，req_num_i表示终端i预约数据时隙数，pro_i表示预测终端i下一帧的时隙数，free表示总的空闲时隙数，m表示当前有时隙请求的终端总数。

本发明具有以下有益效果：经典的卫星网络多址接入协议主要缺点是时隙占用的固定性，对于突发性很强的业务流量，可能会造成时隙浪费，降低信道利用率。本发明提出的基于预测的动态带宽分配接入方法有效的改善这这一问题，当用户终端申请到带宽后，不再发送业务请求时隙，而利用分配到的带宽持续发送数据，卫星端加入混沌时间序列流量预测方法，在初始分配之后，对下一帧流量进行预测，卫星根据预测结果及时调整带宽分配方案，这样就解决了时隙占用固定性问题，提高卫星网络的资源利用率。在初始分配的时候利用混合和按需分配的方式，并加入优先级排序，优先给高优先级终端分配时隙，确保资源分配的合理性和公平性。

附图说明

图1为低轨卫星网络体系结构图；

图2为本发明提供的接入方法的上下行链路帧结构；

图3为本发明流程图。

具体实施方式

宽带低轨卫星网络的多址接入协议的研究主要集中在卫星与用户端的接入算法上，给出其研究模型，如图1所示，由卫星(ST)和用户终端(UT)组成，卫星(ST)主要负责处理卫星终端的业务任务，每个用户终端通过指定的卫星终端连接到卫星网络上。

混沌流量业务预测模型：

网络数据流具有明显的自相似特性，而自相似也是混沌的一个重要特性，因此利用混沌时间序列预测模型能够很好的预测网络中的实际业务流量。本发明采用的整个预测模型构建分为三个阶段：

第一个阶段为相空间重构，采用坐标延迟的方法，通过一维时间序列b_N的不同延迟来构造实际***的相空间，我们假设m为嵌入维数，τ为时间延迟，当前的时间序列为，该序列可以表示为b₁,b₂…b_N，该序列可以表示m维相空间中N-(m-1)τ个相点，则第i个相点可由公式(1)得到。

X_i＝{b_i,b_i+τ…b_i+(m-1)τ}，i＝1,2…N-(m-1)τ(1)

本发明认为τ与m是相互联系的，并给出嵌入时间窗口τ_w＝(m-1)τ的概念，本发明根据嵌入时间窗口不变的概念，采用均匀嵌入方式，并选取m＝2，调节τ作为相空间重构的参数，这种方法能够简化相空间重构时参数的选取过程。

第二个阶段为最大Lyapunov指数的计算，混沌***对初始值有着极为敏感的觉察性，因此就算两个初始值相差很小，但随着时间的推移这两个初始值产生的轨迹也会出现以指数方式分离的状态，而Lyapunov指数就是通过定量的方式来描述这一现象，Lyapunov指数代表***在相空间中相邻轨道之间发散或收敛的平均指数率。而在所有Lyapunov的指数中，只要有大于零的值出现，那么整个***都将是混沌的。因此在实际应用中只要计算出最大Lyapunov指数的值，并通过观察计算出的值即可判断***是否混沌。

可采用一种轨线跟踪算法来计算最大Lyapunov指数，该算法计算量和存储空间较小，利于实时预测。在满足约束条件(m-1)τ<|j-i|<α(m-1)τ,1<α<10的前提下，根据公式(2)求得X_i的最近相邻点X_{i_near}。其中j<N-(m-1)τ，||X_j-X_i||代表X_j和X_i之间的欧几里德距离。约束条件(m-1)τ<|j-i|能够保证X_i和其相邻点X_{i_near}在不同的轨道上，而|j-i|<(m-1)τ则能够保证计算Lyapunov指数的次数在合理的范围之内，减小了***的负荷。

$\left|\right|X_{i\_near}-X_i\left|\right|=\underset{j}{min}\left|\right|X_j-X_i\left|\right|---\left(2\right)$

由此，在设定约束条件1<h<N-(m-1)τ-i的情况下通过公式(3)可得到Xi在扩展的最大方向上的Lyapunov指数。

$L\left(i\right)=\max \left\{\frac{1}{h}\ln \frac{\left|\right|X_{i\_\mathrm{near}+h}-X_{i+h}\left|\right|}{\left|\right|\underset{h}{X_{i\_\mathrm{near}}}-X_i\left|\right|}\right\}---\left(3\right)$

再通过公式(4)求出相点的平均最大Lyapunov指数值。

$L=\frac{1}{N-(m-1)\mathrm{\&tau;}}\underset{i=1}{\overset{N-(m-1)\mathrm{\&tau;}}{\&Sigma;}}L\left(i\right)---\left(4\right)$

第三个阶段为信源预测，由前两个阶段的推断可得，当前相空间中最后一个相点由公式(5)得到。

X_N-(m-1)τ＝{b_N-(m-1)τ,b_N-(m-2)τ...b_N}(5)

经过一步推导可得

X_N+1-(m-1)τ＝{b_N+1-(m-1)τ,b_N+1-(m-2)τ...b_N+1}(6)

由X_N-(m-1)τ的最近相邻点为X_near，我们可以得知X_N+1-(m-1)τ的最近相邻点为X_near+1，又因为Lyapunov指数为空间中一步变换的指数增长率，所以得到公式(7)。

$e^{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{\left|\right|X_{N+1-(m+1)\mathrm{\&tau;}}-X_{N-(m+1)\mathrm{\&tau;}}\left|\right|}{\left|\right|X_{near+1}-X_{near}\left|\right|}---\left(7\right)$

由此可通过前N个时间序列b₁,b₂…b_N求得第N+1个时间序列的值。

本发明提出基于预测动态带宽分配的卫星网络接入协议，如图3所示，主要包括用户接入、用户预约请求、卫星分配时隙和卫星预测调整时隙分配这四个过程，具体执行步骤如下：

步骤1、卫星首先在空间广播自己的标识号ID，当用户需要接入相应卫星传输数据之前，会先收到这些广播的信息，然后将收到的ID信息和ON状态信息装入确认字符ACK包中返回给相应卫星，ON状态信息表示当前用户终端有数据分组产生。

步骤2、卫星收到用户发来的ACK包后，检测其中的ID信息，如果ID与自己的ID匹配，则卫星分配请求时隙给用户，请求时隙信息装在ACK包中发往用户。

步骤3、用户成功接入后，向卫星发送请求，请求信息中包含用户队列长度，即终端排队分组数，请求信息帧结构如图2所示。

步骤4、卫星按照终端排队分组数从大到小设置优先级号，并填入预约表和自由分配表。预约表为存储在卫星调度器中的一张表，保存了已预约的用户ID和预约时隙数；自由分配表保存了卫星网络中所有活跃用户的ID。

步骤5、卫星进行时隙初始化分配：用户首次接入卫星并发送预约请求时，卫星根据各用户的终端排队分组数进行分配。具体为：卫星计算按预约表分配后剩余时隙是否大于0，如果是，则按优先级为预约表分配时隙，分配完后为自由分配表轮询分配剩余时隙；否则，按照加权分配公式为预约表分配时隙。

加权公式为：

${\mathrm{allocate}}_i=\frac{data\_num}{\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}req\_{\mathrm{num}}_i}req\_{\mathrm{num}}_i,$

其中，allocate_i表示终端i分配的时隙数，data_num表示总的数据时隙数，req_num_i表示终端i预约数据时隙数，m表示当前有时隙请求的终端总数。

步骤6、初始化分配的同时预测下一帧的终端时隙数，下一帧到达卫星时，卫星根据上一帧的预测结果调整时隙分配，并且在之后的每一帧中重复进行，调整方案如下：

对于所有初始化分配时隙大于或者等于预测时隙的终端，进行如下配置：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{allocate}}_i={\mathrm{pro}}_i\\ free=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{\mathrm{allocate}}_i-{\mathrm{pro}}_i\end{array}\right.$

然后，将总的空闲时隙数free再重新分配到那些初始化分配时隙小于预测时隙的终端，具体分配的数量为：

${\mathrm{allocate}}_i={\mathrm{allocate}}_i+free\&times;\frac{{\mathrm{pro}}_i-{\mathrm{allocate}}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{\mathrm{pro}}_i-{\mathrm{allocate}}_i}$

其中allocate_i表示终端i分配的时隙数，data_num表示总的数据时隙数，req_num_i表示终端i预约数据时隙数，pro_i表示预测终端i的时隙数，free表示总的空闲时隙数。

Claims (3)

1.一种基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：卫星在空间广播自己的标识号ID，终端将接收到的的卫星标识号ID信息和ON状态信息发送给相应卫星，ON状态信息表示当前终端有数据分组产生；

步骤2：卫星收到终端发来的信息后，检测其中的标识号ID信息，如果标识号ID与自己的标识号ID匹配，则卫星分配请求时隙给终端，并将请求时隙信息发给终端；

步骤3：终端成功接入后，向卫星发送请求，请求信息中包含用户队列长度，即终端排队分组数；

步骤4：卫星按照终端排队分组数从大到小设置优先级号，并填入预约表和自由分配表；

步骤5：卫星进行时隙初始化分配，即，终端首次接入卫星并发送预约请求后，卫星根据各终端排队分组数进行分配；

步骤6：初始化分配的同时预测下一帧的终端时隙数，下一帧到达卫星时，卫星根据上一帧的预测结果调整时隙分配，并且在之后的每一帧中重复进行。

2.如权利要求1所述的基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法，其特征在于，初始化分配具体为：

卫星计算按预约表分配后剩余时隙是否大于0，如果是，则按优先级为预约表分配时隙，分配完后为自由分配表轮询分配剩余时隙；否则，按照加权分配公式为预约表分配时隙，加权公式为：

${\mathrm{allocate}}_i=\frac{data\_num}{\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}req\_{\mathrm{num}}_i}req\_{\mathrm{num}}_i,$

其中，allocate_i表示终端i分配的时隙数，data_num表示总的数据时隙数，req_num_i表示终端i预约数据时隙数，m表示当前有时隙请求的终端总数。

3.如权利要求1所述的基于预测动态带宽分配的卫星网络接入方法，其特征在于，所述步骤6中时隙分配调整方案具体为：

对于所有初始化分配时隙大于或者等于预测时隙的终端，进行如下配置：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{allocate}}_i={\mathrm{pro}}_i\\ free=\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{\mathrm{allocate}}_i-{\mathrm{pro}}_i\end{array}\right.,$

然后，将总的空闲时隙数free再重新分配到初始化分配时隙小于预测时隙的终端，具体分配的数量为：

${\mathrm{allocate}}_i={\mathrm{allocate}}_i+free\&times;\frac{{\mathrm{pro}}_i-{\mathrm{allocate}}_i}{\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{\mathrm{pro}}_i-{\mathrm{allocate}}_i},$

其中，allocate_i表示终端i分配的时隙数，data_num表示总的数据时隙数，req_num_i表示终端i预约数据时隙数，pro_i表示预测终端i下一帧的时隙数，free表示总的空闲时隙数，m表示当前有时隙请求的终端总数。