一种基于双层卫星异构网络的差异化业务传输方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双层卫星异构网络的差异化业务传输方法，属于卫星通信技术领域。该方法包括：S1：利用卫星定位系统和星历信息获取用户、基站和卫星的位置集合；同时构建出用户的业务模型，利用用户请求信息以及位置信息和节点资源构成候选服务节点集和候选服务路径集；S2：以最大化用户的平均业务体验质量为目标，联合考虑用户业务质量等级选择、服务路径选择以及服务节点计算资源和功率资源分配，建立业务质量等级自适应优化问题；S3：利用变量松弛法、连续凸逼近法和交替方向乘子法求解问题；S4：利用边际效用函数将求解的线性解转换为非线性解。本发明专利技术能提高用户业务体验质量和信息传输的吞吐量，增强信息传输的可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层卫星异构网络的差异化业务传输方法


[0001]本专利技术属于卫星通信
，涉及一种基于双层卫星异构网络的差异化业务传输方法。

技术介绍

[0002]卫星网络具有全球覆盖、抗自然灾害、低延迟、高带宽等传统地面网络无法比拟的优势，因此卫星网络在通信中发挥着重要作用。随着多媒体技术的发展，未来的家庭对带宽的需求越来越大。比如视频业务，目前大多数平板电视安装将是超高清(UHD)，而且UHD视频的比特率约为15
‑
18mbps。这将给下一代移动网络带来巨大挑战。同时，许多不断发展的地面通信技术被进一步改进，用于卫星网络。利用卫星网络的优点可以有效的提高业务传输速率和用户的业务质量体验。目前太空中已发射卫星主要由LEO卫星和GEO卫星组成，且随着卫星数量的不断增加，作为不可再生资源的频段将严重制约空地一体化网络的未来发展。因此不同的卫星星座必须在同一频段内运行，并共享频谱资源，但LEO卫星和GEO卫星共享频谱会带来同频干扰。国际电信联盟无线电规则规定NGEO卫星在保证不对GEO卫星造成不可接受的干扰的情况下和GEO卫星共用同一频段。因此，设计一种基于双层卫星异构网络的业务传输方法是一个必然的发展结果。
[0003]但是，目前的研究重点主要集中在地面的业务传输机制，对于星地联合的差异化业务传输机制的研究比较少。仅考虑地面传播的机制在部署回程设备时容易受到地面环境的限制，并且地面通信资源难以满足增长的用户需求，因此通过在双层卫星异构网络中部署差异化业务传输机制，可以提高用户的业务质量体验。<br/>
技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于双层卫星异构网络的差异化业务传输方法，该方法联合了功率分配、计算资源分配、路径选择和业务等级选择算法，能够提高用户业务体验质量和信息传输的吞吐量，增强信息传输的可靠性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于双层卫星异构网络的差异化业务传输方法，具体包括以下步骤：
[0007]S1：利用卫星定位系统和星历信息获取用户、基站和卫星等节点的位置集合；同时构建出用户的业务模型，利用用户请求信息以及位置信息和节点资源构成候选服务节点集和候选服务路径集；
[0008]S2：基于步骤S1中构建的业务模型，同时考虑到双层卫星的同频干扰限制，以最大化用户的平均业务体验质量为目标，联合考虑用户业务质量等级选择、服务路径选择以及服务节点计算资源和功率资源分配，建立业务质量等级自适应优化问题模型；
[0009]S3：利用变量松弛法和连续凸逼近法将构建的优化问题转化为凸问题，然后利用交替方向乘子法求解得到用户业务质量等级选择和服务路径选择结果，并得到相应的资源分配方案；
[0010]S4：利用边际效用函数将求解到的线性解转换为非线性解。
[0011]进一步，网络的物理节点包括：用户、低轨卫星、高轨卫星、基站、云服务器、SDN控制器，其中用户接收下行数据以及选择业务质量等级，卫星、基站、云服务器负责下行数据的发送、信道状态信息的收集和上传、资源分配控制以及作为中继链路传递信令和数据，SDN控制器负责汇总全局的信道状态信息、执行提出的双层卫星网络下联合的功率分配、计算资源分配、路径选择和业务等级选择算法并将结果反馈给相应的节点。
[0012]进一步，步骤S1中，所述业务模型指通用业务，包括流量密集型任务、计算密集型任务和其他类型任务；对某一类型业务，设用户可选的业务质量为q∈{1,...,Q}，每一种业务质量对应所需的链路数据速率为v
q
，所需要的计算资源为c
q
，即用户业务可以表示为(q,v
q
,c
q
)。
[0013]由于有线回程链路部署困难以及目前卫星网络的显著优势，加入卫星网络作为无线回程网络，同时引入现代通信技术(边缘计算、缓存、软件定义网络)，用户可以先从边缘节点请求服务，若边缘节点不能满足用户需求便可以通过卫星回程链路获取云服务器的资源，从而进一步提高业务传输性能。
[0014]进一步，步骤S2中，建立的业务质量等级自适应优化问题模型表示为：
[0015]P1:
[0016]s.t.C2.1:
[0017]C2.2:
[0018]C2.3:
[0019]C2.4:
[0020]C2.5:
[0021]C2.6:
[0022]C2.7:
[0023]C2.8:
[0024]其中，C2.1表示每个用户只能选择一个业务质量等级，C2.2表示每个用户的业务流之和应等于用户所需的数据速率，C2.3表示节点为用户提供的速率限制，C2.4表示节点计算资源分配与业务等级之间的关系，C2.5表示LEO卫星对GEO卫星的下行干扰限制，C2.6表示链路容量限制，C2.7表示计算资源限制，C2.8表示功率资源限制；其中，{z
qm
}、{y
mn
}、和{p
l
}分别是集合Z、Y、R和P的元素，z
qm
表示用户m选择的业务质量等级q，y
mn
表示服务节点n能否为用户m提供计算服务，表示路径的业务传输速率，表示用户数量，s
q
表
示每个业务质量等级q的收益；表示所有用户集合，Q表示最高的业务质量等级；表示从服务节点n到用户m的第k条路径，表示用户m的所有路径集，v
qm
表示用户m选择质量等级为q的业务所需要的速率；表示从服务节点n到用户m的路径集，v
Qm
表示用户m选择最高质量等级的业务所需要的速率，z
Qm
表示用户m选择最高质量等级，表示所有服务节点集合；EPFD
m
表示高轨卫星地面站接收到的干扰，EPFD
th
表示高轨卫星的干扰门限，表示高轨地面站；表示链路是否路过了链路l，表示网络中的所有路径，表示链路l的最大容量；h
mn
表示服务节点n是否能为用户m提供服务，c
m
表示用户m所需的计算资源，C
n
表示节点拥有的计算资源；p
l
表示链路l分配的功率，P
nmax
表示节点n能提供的最大功率，表示从节点n到下一跳节点的所有链路集。
[0025]提出的问题模型旨在帮助用户选择合适的业务质量等级，同时调用网络和节点的资源支持用户的选择，帮助网络最大化业务质量等级的效用。
[0026]进一步，步骤S3具体包括以下步骤：
[0027]S31：网络控制面初始化参数；
[0028]S32：将二元离散的用户关联变量松弛到[0,1]的连续区间上；
[0029]S33：控制器根据全局的信道状态信息，估计连续松弛和连续凸近似法迭代的初始点；
[0030]S34：使用连续凸逼近法非凸将链路容量约束条件转化为线性的约束条件；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层卫星异构网络的差异化业务传输方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：利用卫星定位系统和星历信息获取用户、基站和卫星的位置集合；同时构建出用户的业务模型，利用用户请求信息以及位置信息和节点资源构成候选服务节点集和候选服务路径集；S2：基于步骤S1中构建的业务模型，同时考虑到双层卫星的同频干扰限制，以最大化用户的平均业务体验质量为目标，联合考虑用户业务质量等级选择、服务路径选择以及服务节点计算资源和功率资源分配，建立业务质量等级自适应优化问题模型；S3：利用变量松弛法和连续凸逼近法将构建的优化问题转化为凸问题，然后利用交替方向乘子法求解得到用户业务质量等级选择和服务路径选择结果，并得到相应的资源分配方案；S4：利用边际效用函数将求解到的线性解转换为非线性解。2.根据权利要求1所述的差异化业务传输方法，其特征在于，步骤S1中，所述业务模型指通用业务，包括流量密集型任务、计算密集型任务和其他类型任务；对某一类型业务，设用户可选的业务质量为q∈{1,...,Q}，每一种业务质量对应所需的链路数据速率为v
q
，所需要的计算资源为c
q
，即用户业务表示为(q,v
q
,c
q
)。3.根据权利要求2所述的差异化业务传输方法，其特征在于，步骤S2中，建立的业务质量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：量等级自适应优化问题模型表示为：其中，C2.1表示每个用户只能选择一个业务质量等级，C2.2表示每个用户的业务流之和应等于用户所需的数据速率，C2.3表示节点为用户提供的速率限制，C2.4表示节点计算资源分配与业务等级之间的关系，C2.5表示LEO卫星对GEO卫星的下行干扰限制，C2.6表示链路容量限制，C2.7表示计算资源限制，C2.8表示功率资源限制；其中，{z
qm
}、{y
mn
}、和
{p
l
}分别是集合Z、Y、R和P的元素，z
qm
表示用户m选择的业务质量等级q，y
mn
表示服务节点n能否为用户m提供计算服务，表示路径的业务传输速率，表示用户数量，s
q
表示每个业务质量等级q的收益；表示所有用户集合，Q表示最高的业务质量等级；表示从服务节点n到用户m的第k条路径，表示用户m的所有路径集，v
qm
表示用户m选择质量等级为q的业务所需要的速率；表示从服务节点n到用户m的路径集，v
Qm
表示用户m选择最高质量等级的业务所需要的速率，z
Qm
表示用户m选择最高质量等级，表示所有服务节点集合；EPFD
m
表示高轨卫星地面站接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁承超，周天意，柏耀辅，刘占军，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：