一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法
阅读说明：本技术 一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法 (Satellite-ground cooperative network resource allocation method based on synchronous resource balance optimization ) 是由 鲍亚川 肖遥 蔚保国 袁嘉琪 杨辉 于奥 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法,属于星地协同网络领域。本发明通过将地面网和空间网络整合根据时间同步分精度需求分为高时间同步精度域和低时间同步精度域,进行全局资源分配。本发明通过根据业务是否跨域以及当前域的资源情况来选择不同的资源分配方法,以达到在全局实现保障较好的时间同步精度,解决了普通资源分配方案不考虑时间同步因素造成了时间同步精度难以保障的问题。此外,本发明将整个大的多层次的异构网络分为各个不同的小网络进行集中式控制,使得资源分配策略可以在很好地权衡网络时间同步精度需求进行路径选择,这样可以实现降低网络阻塞率,使得整个资源分配符合不同网络的要求。(The invention provides a satellite-ground cooperative network resource allocation method based on synchronous resource balance optimization, and belongs to the field of satellite-ground cooperative networks. The invention carries out global resource allocation by dividing the integration of the ground network and the space network into a high time synchronization precision domain and a low time synchronization precision domain according to the time synchronization sub-precision requirement. According to the invention, different resource allocation methods are selected according to whether the service is cross-domain and the resource condition of the current domain, so that better time synchronization precision is guaranteed globally, and the problem that the time synchronization precision is difficult to guarantee because a time synchronization factor is not considered in a common resource allocation scheme is solved. In addition, the invention divides the whole large multi-level heterogeneous network into different small networks for centralized control, so that the resource allocation strategy can well balance the requirement of network time synchronization precision for path selection, thereby reducing the network blocking rate and ensuring that the whole resource allocation meets the requirements of different networks.)
技术领域
本发明涉及星地协同网络技术领域，尤其涉及一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法。
背景技术
随着物联网，大数据等业务的出现，这些新兴业务需要大容量信息的传递，而高精度的网络时间同步则是这些大容量信息能有效准确传递的保证。其信息传递对网络时间同步精度的高要求，向现有通信网络提出了新的挑战。
星地协同网络作为一种信号覆盖范围广、通信质量良好的通信网络，越来越受到关注。星地协同网络一般可以分为地面网和空间网两个部分。地面网络应用了网络时间同步协议，在一般情况下可以提供低时延高时间同步精度的服务，但是在两个节点相距较远，需要空间网进行中继的时候，会出现中间节点数量多，会造成时延较高，这有可能引入正反向传输时延的随机误差，导致主从时钟钟差计算产生误差，造成其时间同步的精度的下降。
目前，由于星地协同网络其本身具有的较高的星地传播时延，许多对时延敏感的业务并不能使用，并且由于使用的资源分配算法未考虑时间同步资源分配，这导致星地协同网络还具有较高的阻塞率，也使其网络时间同步精度难以保证。可见，一个能考虑空间网资源并且能权衡时间同步的资源分配策略的优化方法显得十分重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法，其能够减少星地协同网络传输业务时网络阻塞，降低传输时延。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法，包括以下步骤：
(1)按照网络所需时间同步精度，将星地协同网络分为高时间同步精度域和低时间同步精度域，每个域都有一个单域控制器，各单域控制器收集本域的底层网元资源信息并上报给多域控制器；
(2)当域内业务到来时，单域控制器根据网络情况进行资源分配，计算域内链路，通过流表下发的方式控制网元，实现路径建路以及对业务的处理；当域内资源不足以保证其所需的时间同步精度时，单域控制器将业务上报多域控制器；
(3)当跨域资源或单域控制器上报的业务到来时，多域控制器依据相关单域控制器的信息，在考虑时间同步精度的前提下进行资源分配，将计算的路径通过流表下发给单域控制器，实现跨域路径建路。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(201)当业务到来时，单域控制器查询流表，确认该业务是否为域内业务，若是域内业务则执行步骤(202)，若域内资源不足以保证该业务所需的时间同步精度时，则将该业务上报多域控制器；
(202)在确认业务为域内业务后，单域控制器从不同层资源控制器处收集底层资源信息；
(203)依据底层资源信息，计算n个候选计算服务器的计算资源的整体情况Fa＝{fa1,fa2,...,fan}、光资源情况Fb＝{fb1,fb2,...,fbn}和无线频率资源情况Fc＝{fc1,fc2,...,fcn}，Fa中的每个元素表示每个候选计算服务器计算资源的整体情况，计算方式为：
fa(Am,Ac,η)＝(1-η)×Ac+η×Am
式中，Ac为CPU利用率，Am为内存利用率，η为CPU利用率和内存利用率之间的可调比例；
Fb中的每个元素表示每个候选计算服务器处光网络节点的光资源情况，计算方式为：
式中，Ll为候选路径，Qx为候选路径的跳跃时间；
Fc中的每个元素表示每个候选计算服务器的无线资源情况，使用成本比重来衡量无线链路的承载能力，计算方式为：
式中，Br为当前信号的符号率，Fr为空间网络频谱的无线频率；
(204)计算各候选计算服务器的全局评价因子χ，并得到最小全局评价因子；其中，每一候选计算服务器的全局评价因子χ的计算方式为：
式中，fa(Am,Ac,η)、fb(Qx,Ll)、fc(Br,Fr)为一候选计算服务器的计算资源整体情况、光资源情况、无线资源情况，ε和λ为可调权重，max表示取最大值；
(205)若最小全局评价因子小于2.4，则将具有最小全局评价因子的候选计算服务器作为目标路径，单域控制器将流表下发给各个层资源控制器，实现资源分配和路径建立；
若最小全局评价因子大于2.4，则单域控制器将业务作为跨域业务，将信息上报多域计算器。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(301)多域控制器根据单域控制器上报的底层网元资源信息，选择周围无线和光路径较短的高时间同步需求域，查询其域内时间最近的域内业务的全局评价因子；若全局评价因子的最小值小于2.4，则选择全局评价因子最小的域作为资源调度源域，否则，查询周围无线和光路径较短的低时间同步需求域内的域内业务的全局评价因子，并选择全局评价因子最小的域作为资源调度源域；
(302)计算当前资源调度源域的候选计算服务器的计算资源的整体情况、光资源情况和无线资源情况；
(303)计算当前资源调度源域内各候选计算服务器的全局评价因子，选择具有最小全局评价因子的候选计算服务器作为目标路径；
(304)多域控制器将流表下发给各个单域控制器，单域控制器将流表下发给各个层资源控制器，实现资源分配和路径建立。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过根据业务是否跨域以及当前域的资源情况来选择不同的资源分配方法，以达到在全局实现保障较好的时间同步精度，解决了普通资源分配方案不考虑时间同步因素造成了时间同步精度难以保障的问题。
2、本发明将整个大的多层次的异构网络分为各个不同的小网络进行集中式控制，使得资源分配策略可以在很好地权衡网络时间同步精度需求进行路径选择，这样可以实现降低网络阻塞率，使得整个资源分配符合不同网络的要求。
附图说明
图1是本发明实施例中星地协同网络的结构示意图。
图2是本发明实施例中单域资源分配的流程图。
图3是本发明实施例中多域资源分配的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法，包括以下步骤：
(1)按照网络所需时间同步精度，将星地协同网络分为高时间同步精度域和低时间同步精度域，每个域都有一个单域控制器，各单域控制器收集本域的底层网元资源信息并上报给多域控制器；
(2)当域内业务到来时，单域控制器根据网络情况进行资源分配，计算域内链路，通过流表下发的方式控制网元，实现路径建路以及对业务的处理；当域内资源不足以保证其所需的时间同步精度时，单域控制器将业务上报多域控制器；
(3)当跨域资源或单域控制器上报的业务到来时，多域控制器依据相关单域控制器的信息，在考虑时间同步精度的前提下进行资源分配，将计算的路径通过流表下发给单域控制器，实现跨域路径建路。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(201)当业务到来时，单域控制器查询流表，确认该业务是否为域内业务，若是域内业务则执行步骤(202)，若域内资源不足以保证该业务所需的时间同步精度时，则将该业务上报多域控制器；
(202)在确认业务为域内业务后，单域控制器从不同层资源控制器处收集底层资源信息；
(203)依据底层资源信息，计算n个候选计算服务器的计算资源的整体情况Fa＝{fa1,fa2,...,fan}、光资源情况Fb＝{fb1,fb2,...,fbn}和无线频率资源情况Fc＝{fc1,fc2,...,fcn}，Fa中的每个元素表示每个候选计算服务器计算资源的整体情况，计算方式为：
fa(Am,Ac,η)＝(1-η)×Ac+η×Am
式中，Ac为CPU利用率，Am为内存利用率，η为CPU利用率和内存利用率之间的可调比例；
Fb中的每个元素表示每个候选计算服务器处光网络节点的光资源情况，计算方式为：
式中，Ll为候选路径，Qx为候选路径的跳跃时间；
Fc中的每个元素表示每个候选计算服务器的无线资源情况，使用成本比重来衡量无线链路的承载能力，计算方式为：
式中，Br为当前信号的符号率，Fr为空间网络频谱的无线频率；
(204)计算各候选计算服务器的全局评价因子χ，并得到最小全局评价因子；其中，每一候选计算服务器的全局评价因子χ的计算方式为：
式中，fa(Am,Ac,η)、fb(Qx,Ll)、fc(Br,Fr)为一候选计算服务器的计算资源整体情况、光资源情况、无线资源情况，ε和λ为可调权重，max表示取最大值；
(205)若最小全局评价因子小于2.4，则将具有最小全局评价因子的候选计算服务器作为目标路径，单域控制器将流表下发给各个层资源控制器，实现资源分配和路径建立；
若最小全局评价因子大于2.4，则单域控制器将业务作为跨域业务，将信息上报多域计算器。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(301)多域控制器根据单域控制器上报的底层网元资源信息，选择周围无线和光路径较短的高时间同步需求域，查询其域内时间最近的域内业务的全局评价因子；若全局评价因子的最小值小于2.4，则选择全局评价因子最小的域作为资源调度源域，否则，查询周围无线和光路径较短的低时间同步需求域内的域内业务的全局评价因子，并选择全局评价因子最小的域作为资源调度源域；
(302)计算当前资源调度源域的候选计算服务器的计算资源的整体情况、光资源情况和无线资源情况；
(303)计算当前资源调度源域内各候选计算服务器的全局评价因子，选择具有最小全局评价因子的候选计算服务器作为目标路径；
(304)多域控制器将流表下发给各个单域控制器，单域控制器将流表下发给各个层资源控制器，实现资源分配和路径建立。
以下为一个更具体的例子：
一种基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法，包括以下步骤：
(1)通过按照网络所需同步精度将星地协同网络分为高同步精度N1域和低同步精度N2域如图1所示，其中时间同步精度需求小于50ms的定为低同步需求的N1域，时间同步精度需求大于50ms的定为高时间同步需求的N2域；
(2)当域内业务到来时，单域控制器会根据网络情况进行资源分配，计算域内链路，通过流表下发的方式控制网元，实现路径建路以及对业务的处理。当域内资源不足以保证其所需的时间同步精度时，单域控制器会将业务上报多域控制器；
其中，单域资源分配策略如图2所示，具体包括以下步骤：
(201)当业务到来时，单域控制器查询流表，确认其是否为域内业务，若为跨域业务则上报多域控制器；
(202)在确认为域内业务后，单域控制器从不同层资源控制器收集底层资源信息，开始根据多层资源分配策略进行选择：
(i)计算资源利用情况选择利用率最低的计算服务器，用作计算无线和光路径。
(ii)在无线和光层资源中选择全局评价因子X最小的为目标路径。
(203)若全局评价因子X小于2.4(3种资源平均都达到了百分之80的利用率)，单域控制器将流表下发给各个层资源控制器，实现资源分配和路径建立；
(204)若全局评价因子X大于2.4，单域控制器将此业务当为跨域业务，将信息上报多域计算器。
(3)当跨域资源到来时，多域控制器会依据相关单域控制器的信息，在考虑到同步精度的前提下进行资源分配，将计算的路径通过流表下发给单域控制器，进而实现跨域路径建路。
其中，多域资源分配策略如图3所示，具体包括以下步骤：
(301)跨域业务或者在域内计算全局评价因子X大于2.4域内业务到来，单域控制器将底层网元资源信息收集上报多域控制器。
(302)多域控制器获取到多个单域网络的资源状态信息后，执行多层资源分配策略：
(i)先选择周围最近多个N2域，查询其域内时间最近的域内业务计算的全局评价因子X，选择全局评价因子X最小的域作为资源调度源域；若周围N2域网络的资源紧张(全局评价因子X>2.4),则查询周围N1域内时间最近的域内业务计算的全局评价因子X，选择全局评价因子X最小的域作为资源调度源域。
(ii)计算当前资源调度源域的计算资源情况选择利用率最低的计算服务器，用作计算无线和光路径。
(iii)在无线和光层资源中选择全局评价因子X最小的为目标路径。
(303)多域控制器将流表下发给各个单域控制器。
(304)单域控制器将流表下发给各个层资源控制器，实现资源分配和路径建立。
完成基于同步资源权衡优化的星地协同网络资源分配方法。
总之，本发明的整体思路是通过将地面网和空间网络整合根据时间同步分精度需求分为高时间同步精度域和低时间同步精度域，进行全局资源分配。本发明通过根据业务是否跨域以及当前域的资源情况来选择不同的资源分配方法，以达到在全局实现保障较好的时间同步精度，解决了普通资源分配方案不考虑时间同步因素造成了时间同步精度难以保障的问题。此外，本发明将整个大的多层次的异构网络分为各个不同的小网络进行集中式控制，使得资源分配策略可以在很好地权衡网络时间同步精度需求进行路径选择，这样可以实现降低网络阻塞率，使得整个资源分配符合不同网络的要求。