软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统，包括：计算中低轨卫星网络拓扑变化发生的时间；将卫星网络运行周期划分为一系列拓扑稳定期，计算下一拓扑稳定期中每对卫星间数据传输跳数；分别预测地面和卫星产生的负载，预测下一拓扑稳定期每个卫星的实际负载以及每条星间链路实际负载；构建初始管控域，量化管控开销和管控效率，计算下一拓扑稳定期的卫星控制器位置、数量、以及管控关系；将计算结果上传至卫星，根据计算结果开启或关闭控制器，卫星根据管控关系迁移至对应控制器。本发明专利技术联合考虑卫星负载和运动，实现了更准确的负载预测精度，可以保障完整网络运行周期内的总管控开销有界。整网络运行周期内的总管控开销有界。整网络运行周期内的总管控开销有界。

【技术实现步骤摘要】
软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统


[0001]本专利技术涉及卫星网络
，具体地，涉及一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统。

技术介绍

[0002]在软件定义中低轨(即非高轨NGEO：Non
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geostationary)卫星网络中，数据均根据节点上的流表进行传输。由于每个节点的流表都是向控制器请求得到的，过长的管控时延将从根本上限制网络对于突发事件的响应能力。例如，当网络发生拥塞时，如果流表请求时间较长将导致发送策略调整的滞后，这将进一步加剧链路拥塞。因此，优化的控制器的部署策略是保障网络高效传输的基础，它需要能够在网络运行的过程中根据实时网络状态动态调整。
[0003]现有方法无法在动态的软件定义卫星网络达到全局优化的效果。具体地，针对地面网络中控制器部署的方法是将控制器放置在固定的位置，当卫星网络拓扑结构和负载分布发生变化时，这种部署策略将不再适用。同时，现有针对NGEO卫星网络控制器动态部署的研究沿用了地面网络类似的方法，即在每个时隙贪心地优化该时隙的控制开销，使得卫星不得不频繁地从一个控制器迁移到另一个控制器，引入了较高的迁移开销，进而导致了全局总开销较高。比如，相关学者(Sahand Torkamani
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Azara，Mohsen Jahanshahib.A new GSO based method for SDN controller placement.Computer Communications,Vol.163,2020,pp.91
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108)提出了一种高效的地面网络控制器部署方法，考虑控制器异构的计算能力，将地面控制器部署问题建模为0
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1背包问题，并提出启发式方法进行求解最优控制器部署位置。此外，刘治国等(刘治国，卢美玲，李慧，刘庆利。基于SDN的卫星网络多控制器部署方法研究，计算机仿真，37(4)，第4期，2020，第62
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66页)提出了一种基于遗传算法的卫星网络控制器动态部署方法，首先将卫星运动周期切分成一个个时间窗口，考虑时延和控制器负载均衡，贪心计算每个时间窗口的控制器部署策略。
[0004]在公开号为CN112817605A的中国专利文献中，公开了一种软件定义卫星网络控制器部署方法、装置及相关设备，该方法构建软件定义卫星网络架构，获取所述软件定义卫星网络架构在故障条件下的网络状态延迟，基于模拟退火算法计算获取所述网络状态延迟的最优解和对应的控制器部署方案，最后基于所述控制器部署方案对所述软件定义卫星网络架构中的控制器进行部署。
[0005]本专利技术针对现有方法不足，提出了高效的NGEO卫星网络控制器动态部署方法。该方法联合考虑卫星运动和负载动态性，自适应调整卫星控制器数量、位置以及管控关系，并利用正则化方法，避免了卫星的频繁迁移，在保障管控效率的同时实现了全局总管控开销的最小化。
[0006]专利文献CN113595613A(申请号：CN202110727381.3)公开了一种用于低轨软件定义卫星网络的控制器部署方法，该方法包括：在一个卫星星座运行周期内选择多个预设控制器位置，在多个预设控制器位置上分别部署SDN控制器；基于SDN控制器的静态部署方式，
根据卫星网络拓扑变化计算SDN交换机与SDN控制器的动态分配关系，根据动态分配关系将SDN交换机分配给SDN控制器。但该专利技术不能够根据网络负载、实时拓扑自适应地动态调整控制器的数量、位置以及管控关系。总之，现有工作在中低轨卫星网络中带来了较大的网络管理开销。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统。
[0008]根据本专利技术提供的一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法，包括：
[0009]步骤S1：根据中低轨卫星轨道参数，计算中低轨卫星网络拓扑变化发生的时间；
[0010]步骤S2：基于拓扑变化时间，将卫星网络运行周期划分为一系列拓扑稳定期，计算下一拓扑稳定期中每对卫星间数据传输跳数；
[0011]步骤S3：分别预测地面和卫星产生的负载，预测下一拓扑稳定期每个卫星的实际负载以及每条星间链路实际负载；
[0012]步骤S4：构建初始管控域，根据卫星负载、星间链路负载和卫星迁移过程，量化管控开销和管控效率，计算下一拓扑稳定期的卫星控制器位置、数量、以及管控关系；
[0013]步骤S5：将计算结果上传至卫星，根据计算结果开启或关闭控制器，卫星根据管控关系迁移至对应控制器。
[0014]优选地，在所述步骤S1中：
[0015]根据中低轨卫星轨道参数，计算卫星进入和离开极地区域时间，由于中低轨卫星星座的跨轨道星间链路在经过极地地区断开，该时间为中低轨卫星网络拓扑变化发生的时间，其中拓扑变化指的是星间链路断开或重建；
[0016]拓扑变化时间是指中低轨卫星网络跨轨道星间链路在经过极地地区时断开，拓扑变化时间通过卫星进入和驶出极地地区的时间计算；
[0017]在所述步骤S2中：
[0018]拓扑稳定期为拓扑不发生变化的最长时间窗口，数据传输跳数为距离，其中连续两次拓扑变化之间的时间间隔称为拓扑稳定期。
[0019]优选地，在所述步骤S3中：
[0020]卫星负载和星间链路负载的预测方法包含以下步骤：
[0021]步骤S3.1：将地表按照经纬度均匀划分的N
lat
×
N
lon
个地理区域，N
lat
为纬度均分的数量，N
lon
为经度均分的数量；
[0022]步骤S3.2：为每个地理区域、卫星和每个星间链路构建深度神经网络；
[0023]所述深度神经网络包含两部分，第一部分为长短期记忆网络，第二部分为全连接神经网络，历史负载信息通过长短期记忆网络与其它特征一起嵌入全连接神经网络，其它特征包含当前时间、当前天气状况；
[0024]步骤S3.3：计算下一拓扑稳定期卫星总负载，该负载等于卫星对应地面区域产生的负载总和加上卫星自身产生的负载。
[0025]优选地，在所述步骤S4中：
[0026]基于Louvain方法的卫星控制器的部署策略计算方法包含以下步骤：
[0027]步骤S4.1：定义具有计算能力和安装了预设系统的卫星为控制器备选，初始化所有控制器备选为卫星控制器，其余节点定义为普通卫星节点；
[0028]步骤S4.2：每个控制器及控制器所有管控的节点构成一个管控域，定义节点到管控域的距离为节点到管控域中节点的跳数最小值，将普通卫星节点放入最近的控制器管控域中，完成初始管控域构建，移除所有节点属性，将所有节点定义为普通卫星节点；
[0029]步骤S4.3：计算网络总体管控开销和管控效率，并正则化当前决策对未来开销的影响，保障完整网络运行周期内总管控开销；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法，其特征在于，包括：步骤S1：根据中低轨卫星轨道参数，计算中低轨卫星网络拓扑变化发生的时间；步骤S2：基于拓扑变化时间，将卫星网络运行周期划分为一系列拓扑稳定期，计算下一拓扑稳定期中每对卫星间数据传输跳数；步骤S3：分别预测地面和卫星产生的负载，预测下一拓扑稳定期每个卫星的实际负载以及每条星间链路实际负载；步骤S4：构建初始管控域，根据卫星负载、星间链路负载和卫星迁移过程，量化管控开销和管控效率，计算下一拓扑稳定期的卫星控制器位置、数量、以及管控关系；步骤S5：将计算结果上传至卫星，根据计算结果开启或关闭控制器，卫星根据管控关系迁移至对应控制器。2.根据权利要求1所述的软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法，其特征在于：在所述步骤S1中：根据中低轨卫星轨道参数，计算卫星进入和离开极地区域时间，由于中低轨卫星星座的跨轨道星间链路在经过极地地区断开，该时间为中低轨卫星网络拓扑变化发生的时间，其中拓扑变化指的是星间链路断开或重建；拓扑变化时间是指中低轨卫星网络跨轨道星间链路在经过极地地区时断开，拓扑变化时间通过卫星进入和驶出极地地区的时间计算；在所述步骤S2中：拓扑稳定期为拓扑不发生变化的最长时间窗口，数据传输跳数为距离，其中连续两次拓扑变化之间的时间间隔称为拓扑稳定期。3.根据权利要求1所述的软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法，其特征在于，在所述步骤S3中：卫星负载和星间链路负载的预测方法包含以下步骤：步骤S3.1：将地表按照经纬度均匀划分的N
lat
×
N
lon
个地理区域，N
lat
为纬度均分的数量，N
lon
为经度均分的数量；步骤S3.2：为每个地理区域、卫星和每个星间链路构建深度神经网络；所述深度神经网络包含两部分，第一部分为长短期记忆网络，第二部分为全连接神经网络，历史负载信息通过长短期记忆网络与其它特征一起嵌入全连接神经网络，其它特征包含当前时间、当前天气状况；步骤S3.3：计算下一拓扑稳定期卫星总负载，该负载等于卫星对应地面区域产生的负载总和加上卫星自身产生的负载。4.根据权利要求1所述的软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法，其特征在于，在所述步骤S4中：基于Louvain方法的卫星控制器的部署策略计算方法包含以下步骤：步骤S4.1：定义具有计算能力和安装了预设系统的卫星为控制器备选，初始化所有控制器备选为卫星控制器，其余节点定义为普通卫星节点；步骤S4.2：每个控制器及控制器所有管控的节点构成一个管控域，定义节点到管控域的距离为节点到管控域中节点的跳数最小值，将普通卫星节点放入最近的控制器管控域
中，完成初始管控域构建，移除所有节点属性，将所有节点定义为普通卫星节点；步骤S4.3：计算网络总体管控开销和管控效率，并正则化当前决策对未来开销的影响，保障完整网络运行周期内总管控开销；步骤S4.4：依次计算将每个节点迁移至其相邻管控域后的网络总体开销和管控效率，并计算该迁移带来的性能提升量；步骤S4.5：如果存在正收益迁移，执行带来性能提升最高的迁移，跳转运行步骤S4.3；步骤S4.6：如果不存在正收益迁移，构建拓扑聚合图，图中每一个点为一个管控域，每一条边代表跨域链路的聚合；步骤S4.7：如果拓扑聚合图不等于原始拓扑图，跳转运行步骤S4.4；步骤S4.8：如果拓扑聚合图等于原始拓扑图，计算每个管控域的最优控制器位置，并由最优控制器管控所在域所有其它卫星节点。5.根据权利要求4所述的软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法，其特征在于，在所述步骤S4中：所述步骤S4.2中：节点到管控域之间的距离为节点到管控域中节点的跳数最小值，计算方式如下，定义H
u,v
为节点u到节点v之间的跳数，则节点u到管控域的距离为所述步骤S4.3中：管控开销包含卫星迁移开销和路由请求开销，其中：每个卫星迁移开销等于该卫星在迁移过程中引入的控制信令传输量，总体卫星迁移开销等于所有卫星迁移开销的总和；每个卫星的路由请求开销等于该卫星负载乘以每个路由请求引入的控制信令传输量，总路由请求开销等于所有卫星路由请求开销的总和；卫星管控效率使用网络的模块化程度量化，等于域内负载总和；基于相对熵函数的正则化方法是指，迁移代价中，卫星u是否迁移至控制器v，可表达为其中是二进制决策变量，代表第t个拓扑稳定期下卫星u是否被控制器v控制，为第t
‑
1个拓扑稳定期下卫星u是否被控制器v控制，( )
+
为取正函数，当输入值为正数时返回输入值，否则输出0；为了正则化当前决策对未来迁移开销的影响，使用相对熵函数为了正则化当前决策对未来迁移开销的影响，使用相对熵函数替换保证完整卫星网络运行周期内的总迁移开销有界；所述步骤S4.6中：拓扑聚合图的构建方法是指，定义聚合前后拓扑图分别为G(V,E)和G'(V',E')，其中V和E分别代表拓扑图的点集合和边集合，原始拓扑图G被划分为N个不相交管控域，定义第i个管控域为D
i
,定义第j个管控域为D
j
,聚合时，对每个管控域D
i
构建节点对于管控域D
i
和管控域D
j
,将D
i
中节点到D
j
中节点的所有链路聚合为链路即从到的链路，并将D
j
中节点到D
i
中节点的所有链路聚合为链路链路负载为所聚合的所有链路负载总和。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐飞龙，
申请(专利权)人：苏州全时空信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：