一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法组成比例

本发明专利技术提供了一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法：向卫星发出资源分配请求；建立基于马尔可夫的状态转移概率矩阵，预测下一周期内的业务量；根据所述预测下一周期内的业务流量对业务请求进行分类，得到最优分配方式；将所述最优分配方式反馈至卫星，并进行接入，从而完成卫星上行链路的带宽资源分配。本发明专利技术通过马尔可夫理论的引入，解决了传统卫星通信架构的高延迟问题；通过FIFO原则将业务进行入队和出队操作，并对业务划分不同的优先级，实现了各种业务的资源分配，既保证了不同类型终端的QoS，又实现了同一评级业务的公平。本发明专利技术有效地降低业务请求到NCC的时延，同时也减少使用NCC的计算资源。

A method of satellite uplink bandwidth resource allocation based on Markov prediction

【技术实现步骤摘要】
一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法
本专利技术属于通信
，尤其涉及一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法。
技术介绍
随着通信网络的发展，用户对于卫星通信的需求不断提高，卫星通信已经成为整个通信网络不可或缺的一部分。卫星通信相比传统地面网络的优势在于覆盖区域广阔，偏远和海上地区，通信质量高可靠性强等等。由于卫星带宽资源是有限的，因此对于卫星带宽资源的计算和分配是一个十分具有研究和挑战性的问题，一方面，要保证带宽资源合理公正的分配，另一方面，要解决卫星请求带宽资源的延迟问题。未来网络中，越来越多的物联网设备需要通信和传输，设备的种类和要求也多种多样，因此卫星既要保证服务质量，又要协调各终端的要求。现今的卫星带宽资源分配方案有静态分配方案和动态分配方案两种，静态分配方案主要思想就是流量一旦到达卫星网络当中，控制中心计算带宽资源并分配带宽，这个方案可以确保较低的延迟，但是卫星资源利用率不高，因为是即来即分配思想，不论哪种类型的流量，只有接入传输，立即分配资源，对于突发性流量无法有效处理。另外一种方案是动态分配资源，网络控制中心根据需求分配带宽资源，而不是即来即分配，一个链接需求，一次资源分配，这个可以有效的根据卫星网络系统的实际流量变化分配资源，提高了资源利用率，但延迟相对较高。传统卫星通信系统架构如图1所示，主要包含了卫星、网络控制中心、网关、用户终端。用户终端预测它的用户带宽需求，通过卫星向网络控制中心发出请求，网络控制中心根据各个终端的请求计算之后，按照特定的方案将卫星上行链路带宽分配给终端，网关主要功能是终端和地面网络之间的信息交换，一方面地面用户终端需要定期向网络控制中心发送带宽请求消息，这样增加了终端到网络控制中心之间的请求延迟，另一方面网络控制中心收到请求之后，需要协调各个终端之间的资源分配，这样无法保证各个终端的服务质量要求，也增加了计算时延。综上，本专利技术基于马尔可夫进行业务流量预测，在此基础上对服务进行优先级队列排队，进行不同的资源请求分配算法。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法解决了传统卫星网络中业务流量接入问题，以及解决了卫星上行链路带宽资源分配问题的问题。为了达到以上目的，本专利技术采用的技术方案为：本方案提供一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法，包括以下步骤：S1、向卫星发出资源分配请求；S2、根据所述资源分配请求建立基于马尔可夫的状态转移概率矩阵，并根据所述状态转移概率矩阵预测下一周期内的业务量；S3、根据所述下一周期内的业务流量对业务请求进行分类，并通过网络控制中心NCC整理业务类型和业务请求，得到最优分配方式；S4、将所述最优分配方式反馈至卫星，并进行接入，从而完成卫星上行链路的带宽资源分配。进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：S201、初始化卫星历史业务量数据U；S202、根据所述资源分配请求划分状态空间E；S203、根据各个状态空间E的数据区间以及每段时间内的卫星业务量，获取频数转移矩阵fij；S204、根据所述频数转移矩阵fij计算得到状态转移概率矩阵；S205、根据所述状态转移概率矩阵以及当前时刻业务量x(t)计算得到下一时刻的预测业务量x'(t+1)；S206、根据下一时刻的预测业务量x'(t+1)以及下一时刻的实时业务量x(t+1)，计算得到预测误差pr；S207、判断所述预测误差pr是否小于预设的阈值，若是，则将下一时刻的预测业务量x'(t+1)反馈至网络控制中心NCC，并进入步骤S3，否则，将下一时刻的实时业务量x(t+1)反馈至网络控制中心NCC，并进入步骤S3，从而完成对下一周期内业务量的预测。再进一步地，所述状态转移概率矩阵的表达式如下：其中，pij表示状态转移概率矩阵中的第i行第j列的元素，fij表示从i到j状态转移出现的次数。再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：S301、根据所述下一周期内的业务流量判断是否采用预测业务量，若是，则进入步骤S303，否则，进入步骤S302；S302、采用实际业务量，并根据先进先出FIFO原则进入队操作；S303、接收业务请求S，并根据所述业务请求S得到各个业务最小需求min(S)；S304、判断卫星资源量B是否支撑各个业务需求，若是，则进入步骤S308，否则，进入步骤S305；S305、判断所述卫星资源量B是否满足各个业务的最小需求min(S)，若是，则进入步骤S306，否则，进入步骤S307；S306、给每个业务分配最小带宽，同时通过网络控制中心NCC将剩余带宽按照加权比例进行分配；S307、满足优先级高的队列资源请求，并通过网络控制中心NCC将剩余带宽按照加权比例进行分配；S308、通过网络控制中心NCC对其进行按需分配。再进一步地，所述步骤S303中业务请求S的表达式如下：其中，N表示优先级业务队列的数量，Cmij表示第j级队列中第mi个业务请求，j＝1,2,...,N，i＝1,2,...,N，mi＝1,2,...,M(i)，i表示某一队列的请求数量，M(i)表示总的业务请求。再进一步地，所述步骤S303中业务最小需求min(S)的表达式如下：其中，N表示优先级业务队列的数量，Cmijmin表示第j级队列中第mi个最小带宽的业务请求，j＝1,2,...,N，i＝1,2,...,N，mi＝1,2,...,M(i)，i表示某一队列的请求数量，M(i)表示总的业务请求。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术针对传统卫星网络中业务流量接入问题，结合马尔可夫状态转移预测模型来提出一种新型预测业务流量的算法，马尔可夫过程具有典型的无后效性、状态独立性以及随机性的特点，未来时刻的状态只依赖于当前时刻的状态，可以完美契合卫星业务流量的特点，一方面可以防止海量数据对卫星的压力，另一方面可以省却业务提交请求到卫星的延迟和计算时延，实现对卫星业务量的预测问题；(2)为了解决卫星上行链路带宽资源分配问题，本专利技术基于业务优先级排队提出了一种保证服务QoS的资源分配算法，通过对不同业务流量的排队，网络控制中心根据不同的资源请求以及当前状态下的剩余资源，结合不同业务的优先级加权，实现卫星链路资源的有效划分，保证满足各个终端的信息高效传输；(3)本专利技术对传统卫星通信架构的资源动态分配方案进行了深入的研究分析，将资源策略置于卫星之上处理，可以有效地降低业务请求到网络控制中心NCC的时延，同时也减少使用网络控制中心NCC的计算资源；(4)本专利技术通过先进先出FIFO原则将业务进行入队和出队操作，并对业务划分不同的优先级，借助于对卫星资源总量和业务请求的评测，实现了各种业务的资源分配，这样既保证了不同类型终端的QoS，又实现了同一评级业务的公平性。附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、向卫星发出资源分配请求；/nS2、根据所述资源分配请求建立基于马尔可夫的状态转移概率矩阵，并根据所述状态转移概率矩阵预测下一周期内的业务量；/nS3、根据所述下一周期内的业务流量对业务请求进行分类，并通过网络控制中心NCC整理业务类型和业务请求，得到最优分配方式；/nS4、将所述最优分配方式反馈至卫星，并进行接入，从而完成卫星上行链路的带宽资源分配。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、向卫星发出资源分配请求；
S2、根据所述资源分配请求建立基于马尔可夫的状态转移概率矩阵，并根据所述状态转移概率矩阵预测下一周期内的业务量；
S3、根据所述下一周期内的业务流量对业务请求进行分类，并通过网络控制中心NCC整理业务类型和业务请求，得到最优分配方式；
S4、将所述最优分配方式反馈至卫星，并进行接入，从而完成卫星上行链路的带宽资源分配。


2.根据权利要求1所述的基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、初始化卫星历史业务量数据U；
S202、根据所述资源分配请求划分状态空间E；
S203、根据各个状态空间E的数据区间以及每段时间内的卫星业务量，获取频数转移矩阵fij；
S204、根据所述频数转移矩阵fij计算得到状态转移概率矩阵；
S205、根据所述状态转移概率矩阵以及当前时刻业务量x(t)计算得到下一时刻的预测业务量x'(t+1)；
S206、根据下一时刻的预测业务量x'(t+1)以及下一时刻的实时业务量x(t+1)，计算得到预测误差pr；
S207、判断所述预测误差pr是否小于预设的阈值，若是，则将下一时刻的预测业务量x'(t+1)反馈至网络控制中心NCC，并进入步骤S3，否则，将下一时刻的实时业务量x(t+1)反馈至网络控制中心NCC，并进入步骤S3，从而完成对下一周期内业务量的预测。


3.根据权利要求2所述的基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方法，其特征在于，所述状态转移概率矩阵的表达式如下：



其中，pij表示状态转移概率矩阵中的第i行第j列的元素，fij表示从i到j状态转移出现的次数。


4.根据权利要求1所述的基于马尔可夫预测的卫星上行链路带宽资源分配方...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖丹，韩钧，王文滔，李慧，张明，陈雪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51