馬 偉,肖 嵩,周 詮

(1.西安電子科技大學,西安 710071;2.中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000;3.北京電子科技學院,北京 100083)

0 引言

低軌星座作為5G/6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,在寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、衛(wèi)星移動通信等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃是低軌星座系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,其性能優(yōu)劣直接影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸時延、丟包率等核心指標。

針對星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃控制策略的研究大致分為兩類:第一類主要集中在集中式、分布式、分層式等路由控制機制在低軌星座中的應(yīng)用[1];第二類主要集中在控制器在星座中的部署機制,如通過多目標混合優(yōu)化求解部署位置、基于可靠性評估的部署策略等[2]。

針對星座路由算法的研究主要包括:面向星座動態(tài)拓撲特性的路由算法[3](基于虛擬拓撲、基于覆蓋區(qū)劃分等)、多目標服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)路由算法[4](多約束、多業(yè)務(wù)類等)、負載均衡路由算法[5](基于權(quán)重、自適應(yīng)等)、多徑路由算法等[6]。

單層星座較多采用單一的路由控制機制和路由算法,集中式可從全局視角規(guī)劃路徑和流量,但鏈路狀態(tài)變化時響應(yīng)慢、端到端資源預(yù)約方式帶寬復用程度低;分布式自主性強、響應(yīng)快,但路由收斂慢、全局優(yōu)化難;同時采用單一的路由算法(最短路徑算法等)難以兼顧吞吐量、負載均衡等需求。

文章對低軌星座網(wǎng)絡(luò)流模型進行了分析,在此基礎(chǔ)上針對不同網(wǎng)絡(luò)流的特點、QoS要求等,研究設(shè)計了一種基于組合策略的星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法,并與單一策略規(guī)劃方法在網(wǎng)絡(luò)性能指標等方面進行了仿真對比。

1 低軌星座網(wǎng)絡(luò)流模型

定義1(容量網(wǎng)絡(luò)):設(shè)G(V,E),是一個有向網(wǎng)絡(luò),在V中指定了一個頂點,稱為源點(記為Vs),以及另一個頂點,稱為匯點(記為Vt);對于每一條弧屬于E,對應(yīng)有一個權(quán)值c(u,v)>0,稱為弧的容量;通常把這樣的有向網(wǎng)絡(luò)G稱為容量網(wǎng)絡(luò)。

定義2(弧的流量):通過容量網(wǎng)絡(luò)G中每條弧,上的實際流量(簡稱流量),記為f(u,v);

定義3(網(wǎng)絡(luò)流):所有弧上流量的集合f={f(u,v)},稱為該容量網(wǎng)絡(luò)的一個網(wǎng)絡(luò)流。

弧流量限制條件:0≤f(u,v)≤c(u,v);

平衡條件:即流入一個點的流量要等于流出這個點的流量(源點和匯點除外)。

5G寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入場景下,低軌星座主要負責實現(xiàn)天基無線接入網(wǎng)(radio access network,RAN)、天基承載網(wǎng)等功能,大量的接入流量和服務(wù)流量需要在低軌星座與5G核心網(wǎng)(5G core network,5GC)間傳輸處理,數(shù)據(jù)落地鏈路傳輸能力受限于地面信關(guān)站的數(shù)量及帶寬。此種場景下,低軌星座網(wǎng)絡(luò)流模型如圖1所示。

圖1 寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入場景星座網(wǎng)絡(luò)流模型

圖1中,O代表軌道面數(shù)量,N代表每個軌道面部署的衛(wèi)星個數(shù),M代表每顆衛(wèi)星對地的波束數(shù)量,K代表部署的地面信關(guān)站數(shù)量。

終端通過低軌星座向5GC獲取服務(wù)時,由于涉及鑒權(quán)、計費等因素,終端產(chǎn)生的信令、業(yè)務(wù)流需由信關(guān)站落地進入5GC處理,對應(yīng) “多源單匯網(wǎng)絡(luò)”;反之,各類服務(wù)商通過5GC向終端提供服務(wù)時,對應(yīng)“單源多匯網(wǎng)絡(luò)”;寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入場景下的網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃問題對應(yīng)帶寬限制條件下的多源點單匯點最大流問題。

5G用戶面功能(user plane function,UPF)下沉星座及衛(wèi)星移動通信場景下,終端接入控制、資源分配、尋呼處理、路由轉(zhuǎn)發(fā)、計費等工作主要由衛(wèi)星完成,其后終端間通過低軌星座進行移動通信和數(shù)據(jù)交互,對應(yīng) “多源多匯網(wǎng)絡(luò)”,上述場景下的網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃問題對應(yīng)多源點多匯點最大流問題。此種場景下,低軌星座網(wǎng)絡(luò)流模型如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星移動通信場景星座網(wǎng)絡(luò)流模型

對于低軌星座,在進行網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃時需要綜合考慮傳輸跳數(shù)、帶寬、時延、丟包率等指標[7],代表性指標及其屬性說明如表1所列。

表1 星座網(wǎng)絡(luò)流代表性指標及屬性

2 網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法

2.1 多源單匯網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法

低軌星座寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入場景對應(yīng)“多源單匯網(wǎng)絡(luò)(獲取服務(wù))”和“單源多匯網(wǎng)絡(luò)(提供服務(wù))”,此場景下網(wǎng)絡(luò)流主要發(fā)生在終端與5GC間,流向固定、持續(xù)時間較長,路徑規(guī)劃通常采用端到端方式;網(wǎng)絡(luò)最大流主要受限于星間鏈路及星地鏈路帶寬;網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃需要重點考慮負載均衡、擁塞控制和鏈路切換開銷等。

針對低軌星座寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入場景的上述特點,星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃控制比較適合由地面網(wǎng)絡(luò)控制中心(network control center,NCC)集中完成。一方面,NCC可從全局視角掌握星座的負載狀態(tài)、帶寬占用情況、鏈路切換時刻等;另一方面,NCC可以充分發(fā)揮地面算力強、軟件易于維護升級的特點,采用全局優(yōu)化、計算開銷大的路由算法。

在路由算法方面,寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入場景適合采用負載均衡路由算法。負載均衡路由算法主要分為靜態(tài)和動態(tài)兩種,對于靜態(tài)負載均衡路由算法,網(wǎng)絡(luò)流在傳輸期間,通常不動態(tài)改變規(guī)劃好的路徑;對于動態(tài)負載均衡路由算法,在網(wǎng)絡(luò)流傳輸期間會根據(jù)不同路徑的負載情況,將負載過大路徑上的部分流量調(diào)整到輕負載路徑上,從而達到動態(tài)的負載均衡。

低軌星座較多采用的負載均衡路由算法包括:等效多路徑路由算法(equal-cost multi-path routing,ECMP)[8],利用網(wǎng)絡(luò)中存在多條等效路徑,通過網(wǎng)絡(luò)流某些字段的哈希值將網(wǎng)絡(luò)流映射到不同的等效路徑上;擁塞感知的多路徑優(yōu)化路由算法(congestion aware multi-path optimal routing,CAMOR)[9],首先計算節(jié)點間的多條等價最短路徑,再根據(jù)不同路徑的負載情況、可用帶寬等,從中選擇發(fā)生擁塞可能性最小的路徑作為最優(yōu)路徑。

2.2 多源多匯網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法

5G UPF下沉低軌星座及衛(wèi)星移動通信場景對應(yīng)“多源多匯網(wǎng)絡(luò)”,此場景下網(wǎng)絡(luò)流主要發(fā)生在不同終端之間,流向多變、持續(xù)時間隨機,傳輸路徑通常采用逐跳規(guī)劃方式;網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃需要重點考慮QoS保證、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和協(xié)議開銷。

在QoS路由策略方面,主要包括源端路由、分布式路由、分級路由等。單層低軌星座可考慮采用源端路由和分布式路由策略,星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃由衛(wèi)星自主規(guī)劃完成;一方面,衛(wèi)星能夠根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QoS要求,匹配合理的路徑;另一方面,能夠快速響應(yīng)鏈路狀態(tài)、帶寬等變化,靈活調(diào)整路徑。

在路由算法方面,衛(wèi)星移動通信場景比較適合采用多約束QoS路由算法。多約束QoS路由算法主要分為:多項式非啟發(fā)類、偽多項式非啟發(fā)類、探測類、限定QoS度量類、路徑子空間搜索類、QoS度量相關(guān)類、花費函數(shù)類和概率求解類等[10]。

對于多約束QoS 路由算法,當可加性約束條件或者可乘性約束條件數(shù)量在兩個或兩個以上的時候,求解可行路徑是一個NP完全問題[11]。低軌星座中關(guān)注較多的度量參數(shù)主要包括帶寬、時延、丟包率等;當約束條件較少時,可以采用的QoS路由算法包括最寬最短路徑算法(widest shortest path,WSP)、最短最寬路徑算法(shortest widest path,SWP)等;當約束條件較多時,可以采用的QoS路由算法,包括Fallback算法、Chen算法、H_MCOP算法等[12]。

2.3 基于組合策略的網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法

低軌星座需要同時滿足包括寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、衛(wèi)星移動通信等在內(nèi)的不同應(yīng)用需求;基于單一策略進行網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃,難以同時兼顧時效性、可靠性、吞吐量、負載均衡等要求。

針對上述問題,設(shè)計了一種基于組合策略的低軌星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法,首先根據(jù)不同業(yè)務(wù)的重要程度、持續(xù)時間等,將業(yè)務(wù)劃分為面向連接類和非面向連接類[13];其次定義了網(wǎng)絡(luò)流分類映射規(guī)則,根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QoS要求差異(帶寬、時延、時延抖動、丟包率等)[14],將面向連接類業(yè)務(wù)和非面向連接類業(yè)務(wù)進一步細分成6類業(yè)務(wù),6類業(yè)務(wù)的劃分方式與QoS要求如表2所列。

表2 業(yè)務(wù)分類方式及其QoS要求

在此基礎(chǔ)上,針對6類業(yè)務(wù)采用集中式、分布式和源端路由相結(jié)合的路由控制策略,面向連接類業(yè)務(wù)由地面NCC進行端到端路徑規(guī)劃與QoS保障;非面向連接類業(yè)務(wù),由衛(wèi)星基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級和QoS要求自主規(guī)劃路由,具體實現(xiàn)方法如表3所列。

表3 基于組合策略的星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法

基于組合策略的低軌星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法網(wǎng)絡(luò)流具體處理流程描述如圖3所示。

圖3 星座網(wǎng)絡(luò)流處理流程示意圖

功能實現(xiàn)層面,轉(zhuǎn)發(fā)平面功能主要通過星座衛(wèi)星中的交換設(shè)備實現(xiàn);控制平面功能通過星座衛(wèi)星中的控制設(shè)備和地面網(wǎng)絡(luò)控制中心NCC共同實現(xiàn),如圖4所示。

圖4 星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃控制方式示意圖

路由算法選擇方面,針對面向連接類業(yè)務(wù)采用負載均衡路由算法[15],針對非面向連接類業(yè)務(wù)采用QoS路由算法[16]。

3 仿真及結(jié)果分析

為了評估基于組合策略和采用單一策略的星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標的影響,結(jié)合低軌星座典型應(yīng)用場景,仿真方案設(shè)計如表4所列。

表4 網(wǎng)絡(luò)性能仿真方案

重點評估的低軌星座網(wǎng)絡(luò)性能指標主要包括:傳輸時延、丟包率、帶寬利用率等,仿真采用的星座參數(shù)如表5所列。

表5 星座參數(shù)

仿真參數(shù)設(shè)置方面,鏈路帶寬設(shè)為100 Mbps,每條業(yè)務(wù)流量設(shè)為100 Kbps,仿真過程中不斷增加面向連接類和非面向連接類業(yè)務(wù)流量。

仿真采用MATLAB軟件。MATLAB具有強大的數(shù)學計算和算法開發(fā)能力,支持數(shù)據(jù)處理和可視化,并提供建模仿真和編程功能,使用戶能夠進行高效、靈活的科學計算和工程應(yīng)用。

在上述場景下,針對集中式、分布式和基于組合策略的網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法分別進行了仿真評估。

傳輸時延指標仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 傳輸時延指標仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看出,隨著網(wǎng)絡(luò)流數(shù)的增加,采用集中式策略的計算開銷和耗費的時長也隨之增長,傳輸時延明顯高于分布式和組合策略方式;組合策略方式計算開銷處于集中式和分布式之間,傳輸時延低于集中式,略高于分布式。

丟包率指標仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 丟包率指標仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看出,集中式采用端到端路徑規(guī)劃和帶寬預(yù)約方式,需要在有限的帶寬下處理大量的業(yè)務(wù)流量。隨著業(yè)務(wù)流量的不斷增加,受剩余可用帶寬限制,將無法滿足所有新增業(yè)務(wù)流量的傳輸需求,數(shù)據(jù)包需排隊等待發(fā)送或者被丟棄以給優(yōu)先級更高的業(yè)務(wù)留出帶寬。因此,當業(yè)務(wù)流量過大時,集中式策略會導致丟包率的快速增長;分布式策略與組合策略的丟包率指標相當。

帶寬利用率(可用帶寬)指標仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 帶寬利用率(可用帶寬)指標仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以看出,隨著網(wǎng)絡(luò)流數(shù)的增加,采用分布式策略的可用帶寬快速減少,采用集中式和組合策略的可用帶寬緩慢減少,帶寬利用率更高。

4 結(jié)論

文章根據(jù)低軌星座典型應(yīng)用場景建立了星座網(wǎng)絡(luò)流模型,在此基礎(chǔ)上針對采用單一策略進行網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃時存在的不足,研究提出了一種基于組合策略的星座網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法,并在網(wǎng)絡(luò)性能方面與集中式、分布式規(guī)劃方法進行了對比分析,通過仿真結(jié)果可以看出:(1)組合策略兼有集中式全局優(yōu)化和分布式自主靈活的優(yōu)勢;(2)組合策略可根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型及其QoS要求,采用針對性更強的路由算法組合;(3)基于組合策略的網(wǎng)絡(luò)流規(guī)劃方法在傳輸時延、丟包率、帶寬利用率等指標方面,相比單一策略具有綜合優(yōu)勢。對于低軌星座,星地可用鏈路數(shù)量、帶寬、切換頻度等對星座整體網(wǎng)絡(luò)性能影響較大,需要在后續(xù)工作中進一步深入研究。