一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法技术

本发明专利技术属于卫星通信技术领域，公开了一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法，包括步骤1可见性分析：利用划分的网格坐标和低轨卫星覆盖区域的表达式，分析覆盖给定网格的低轨卫星数目，步骤2接入方式选择：卫星侧估算该卫星的接入成功率，统计最终成功接入的终端数和负载；物联网终端侧计算接入覆盖该网格所有卫星的满意度、网络活性因子和网络状态变量，分析覆盖所在网格不同卫星的接入概率，选择所要接入的卫星；步骤3控制器部署策略优化：建立控制器部署优化问题，以确定最少所需的控制器数量和控制器对应的部署位置。本发明专利技术能够通过优化SDN控制数量和部署位置，以满足低轨卫星物联网接入负载量和端到端传输时延。卫星物联网接入负载量和端到端传输时延。

【技术实现步骤摘要】
一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法


[0001]本专利技术涉及卫星通信
，具体的说是涉及一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法。

技术介绍

[0002]物联网应用正在逐渐地深入到人类活动的各个领域，但是由于空间、环境等因素的限制，地面物联网无法为某些跨地域、恶劣环境等数据采集的领域提供可靠的服务，出现了服务能力与需求不匹配的现象，其原因主要是对于依靠无线接入的物联网来说，必须要有由足够多的基站构建通信网络，但是在一些人类无法到达的偏远地区，布设基站以及建立通信网络非常困难：(1)大面积的海洋、沙漠等区域无法建立基站；(2)在人口稀少的边远地区建立基站的成本较高；(3)自然灾害会对地面网络造成严重的破坏。因此，如何在偏远地区或者人员难以到达的地区建立通信网络，是实现万物互联必须克服的难题。在众多候选者中，低轨卫星通信系统因其较低传输损耗和时延的特点，且可以通过星座方式对地球实现无缝覆盖的优势，成为辅助地面网络实现万物互联的可靠选择之一。
[0003]但是随着卫星数量的增多，导致了卫星网络节点多、拓扑结构变化快、网络管理难度较大等一系列问题，则需一种新的网络管理方式。此时软件定义网络(Software Defined Network，简称SDN)应运而生，SDN形成了一种新的网络架构。SDN的引入进一步提高了天地一体化信息网络的可扩展性及灵活性。为了满足应急任务低时延、高可靠的服务需求，需要部署多个SDN控制器来实现卫星网络的分布式控制，因此，控制器放置的数量和位置是设计控制器放置方案、提高卫星网络灵活性需要考虑的关键问题。
[0004]然而，基于卫星星座在整个LEO层放置控制器的方案虽然能够充分利用LEO层低时延的特点，但需要选择大量的卫星节点作为控制器以满足控制器对交换机的关联覆盖。当节点数目增加和动态性增强时，控制节点需要进行同步以维护全局网络视图。此时，节点间大量的信令交互导致网络时延增加，仍然无法很好地满足应急任务动态组网的低时延需求。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法，通过卫星物联网场景下的业务模型，得到基于负载均衡的卫星业务量；通过建立以控制器数量的最小化为优化目标，并利用遗传算法进行求解，确定最佳的控制器数量和放置方案；既有效地在短时间内为多控制器寻找合适的解决方法，又保证了网络在时延、负载均衡方面均有较好的性能表现。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0007]本专利技术是一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法，包括可见性分析、接入方式选择和控制器部署策略优化三个部分，具体包括如下步骤：
[0008]步骤1：可见性分析：基于给定的经度、维度划分精度，将地球表面按经纬度均匀划
分成多个网格，并针对其中的任一网格，分析低轨卫星覆盖该网格的条件，进而利用所分析的条件获得所有覆盖该网格的卫星编号集合，统计集合中卫星数量获得覆盖该网格的低轨卫星数目；
[0009]步骤2：接入方式选择：卫星侧基于估计的负载估算该卫星的接入成功率，并统计最终成功接入的终端数和负载，联网终端侧基于所在网格的活跃终端数及网格中心位置与可见卫星的仰角，并结合可见卫星的可用前导数、估算的接入成功率，计算接入覆盖该网格所有卫星的满意度、网络活性因子和网络状态变量，进而分析覆盖所在网格不同卫星的接入概率，并基于分析结果选择所要接入的卫星；
[0010]步骤3：控制器部署策略优化：在给定时延和接入负载时，建立控制器部署优化问题，以确定最少所需的控制器数量和控制器对应的部署位置。
[0011]本专利技术的进一步改进在于：步骤1中，给定网格g，低轨卫星n完全覆盖该网格的条件为：
[0012][0013]其中，r
b
表示地球半径，表示卫星仰角，r
h
表示卫星高度，r
z
＝r
b
+r
h
，卫星到覆盖区域的最大距离(x
l
,y
l
,z
l
)
T
表示网格g的顶点坐标，l表示网格g的顶点。
[0014]本专利技术的进一步改进在于：步骤2具体包括如下步骤：
[0015]步骤2
‑
1：给定网格g和该网格的终端部署密度λ
g
，计算每个时隙下产生的新业务数量，假设物联网终端在t＝0到T
S
之间的某一个时间节点被触发，则第i个时隙中网格g被触发的终端数目表达式为：
[0016][0017]其中：S
g
表示网格g的面积，λ
g
表示网格g的终端密度，N
g
为网格总数，1≤g≤N
g
，p(t)表示Beta分布的概率分布函数，α和β为Beta分布参数，α＞0，β＞0，t
i
＝it
s
表示第i个时隙对应的时间，t
s
表示时隙长度，T
S
表示总时间，进入步骤2
‑
2；
[0018]步骤2
‑
2：卫星n根据自身的前导码使用情况来预估负载，即接入的终端数目并计算接入成功率，的表达式为：
[0019][0020]其中：I
i
‑
1,n
为第i
‑
1个时隙卫星n的空闲前导序列数目，R
i
‑
1,n
为卫星n可用的前导序列数目，M
i
‑
1,n
为第i
‑
1个时隙成功接入卫星n的负载数目，lambertw(
·
)表示朗伯w函数，第i个时隙,卫星n的接入成功率为：
[0021][0022]其中：M
i,n
为第i个时隙卫星n成功接入的终端数目，为第i个时隙卫星n估计接入的总终端数目，进入步骤2
‑
3；
[0023]步骤2
‑
3：根据终端所在网格g的中心坐标和卫星实时星下点算出卫星仰角结合卫星覆盖网格数目q
i,n
、接入成功率P
i,n
和可用前导数R
i,n
计算卫星n的满意度从而得到卫星n的网络状态变量从而得到每颗可见卫星接入的概率进入步骤2
‑
4；
[0024]步骤2
‑
4：对于网格g，第i个时隙被激活的物联网终端分别生成服从均匀分布的随机数R
h
～U(0,1)，并与累积概率矩阵中的元素依次比较，取出矩阵中第一个大于该随机数的元素编号作为各自随机接入的卫星编号，N
g
表示覆盖网格g的卫星数目，进入步骤2
‑
5；
[0025]步骤2
‑
5：终端生成0～1的随机数μ，卫星n广播接入等级限制参数λ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法，其特征在于：所述SDN控制器部署方法包括可见性分析、接入方式选择和控制器部署策略优化三个部分，具体包括如下步骤：步骤1：可见性分析：基于给定的经度、维度划分精度，将地球表面按经纬度均匀划分成多个网格，并针对其中的任一网格，分析低轨卫星覆盖该网格的条件，进而利用所分析的条件获得所有覆盖该网格的卫星编号集合，统计集合中卫星数量获得覆盖该网格的低轨卫星数目；步骤2：接入方式选择：卫星侧基于估计的负载估算该卫星的接入成功率，并统计最终成功接入的终端数和负载，联网终端侧基于所在网格的活跃终端数及网格中心位置与可见卫星的仰角，并结合可见卫星的可用前导数、估算的接入成功率，计算接入覆盖该网格所有卫星的满意度、网络活性因子和网络状态变量，进而分析覆盖所在网格不同卫星的接入概率，并基于分析结果选择所要接入的卫星；步骤3：控制器部署策略优化：在给定时延和接入负载时，建立控制器部署优化问题，以确定最少所需的控制器数量和控制器对应的部署位置。2.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法，其特征在于：所述步骤1中，给定网格g，低轨卫星n完全覆盖该网格的条件为：其中，r
b
表示地球半径，表示卫星仰角，r
h
表示卫星高度，r
z
＝r
b
+r
h
，卫星到覆盖区域的最大距离(x
l
,y
l
,z
l
)
T
表示网格g的顶点坐标，l表示网格g的顶点。3.根据权利要求1所述的一种面向低轨卫星物联网的SDN控制器部署方法，其特征在于：所述步骤2具体包括如下步骤：步骤2
‑
1：给定网格g和该网格的终端部署密度λ
g
，计算每个时隙下产生的新业务数量，假设物联网终端在t＝0到T
S
之间的某一个时间节点被触发，则第i个时隙中网格g被触发的终端数目表达式为：其中：S
g
表示网格g的面积，λ
g
表示网格g的终端密度，N
g
为网格总数，1≤g≤N
g
，p(t)表示Beta分布的概率分布函数，α和β为Beta分布参数，α＞0，β＞0，t
i
＝it
s
表示第i个时隙对应的时间，t
s
表示时隙长度，T
S
表示总时间，进入步骤2
‑
2；步骤2
‑
2：卫星n根据自身的前导码使用情况来预估负载，即接入的终端数目并计算接入成功率，的表达式为：
其中：I
i
‑
1,n
为第i
‑
1个时隙卫星n的空闲前导序列数目，R
i
‑
1,n
为卫星n可用的前导序列数目，M
i
‑
1,n
为第i
‑
1个时隙成功接入卫星n的负载数目，lambertw(
·
)表示朗伯w函数，第i个时隙,卫星n的接入成功率为：其中：M
i,n
为第i个时隙卫星n成功接入的终端数目，为第i个时隙卫星n估计接入的总终端数目，进入步骤2
‑
3；步骤2
‑
3：根据终端所在网格g的中心坐标和卫星实时星下点算出卫星仰角结合卫星覆盖网格数目q
i,n
、接入成功率P
i,n
和可用前导数R
i,n
计算卫星n的满意度从而得到卫星n的网络状态变量从而得到每颗可见卫星接入的概率进入步骤2
‑
4；步骤2
‑
4：对于网格g，第i个时隙被激活的物联网终端分别生成服从均匀分布的随机数R
h
～U(0,1)，并与累积概率矩阵中的元素依次比较，取出矩阵中第一个大于该随机数的元素编号作为各自随机接入的卫星编号，N
g
表示覆盖网格g的卫星数目...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晓进，包文，朱晓荣，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：