文摘
新的卫星有效载荷技术的发展,为了提高系统资源的利用率,研究基于软件定义网络(SDN)虚拟化(NFV)网关的体系结构和网络功能。基于该体系结构,系统实现全球资源管理和总体数据分布,可以解决资源分配问题的最大/最小率保证不同VNO终端在不同梁之间,不同的网关,和不同的卫星。为此,可以使用全局带宽管理方法主要是一个管理的过程控制通信链路上的流量。提出全球资源管理和控制方法可以基于速率保证值VNO /终端在系统中配置的基本限制条件和重新分配率保证值限制参数根据在线终端的资源应用现状。该方法可以最大化整个卫星通信系统的资源利用率,满足用户的资源请求终端尽可能多。
1。介绍
网络通信需求的不断攀升和卫星通信技术的发展,未来的通信网络将卫星通信网络和地面通信网络组成。卫星通信不能取代在跨越海洋和地区交流,国际军事通信、搜索和救援,导航和定位、航空通信,和其他领域1]。
VHTS多波束的特点和multigateway,图中描述1。为了支持移动性,系统执行横梁,跨网关,和交叉卫星交接技术(2]。通过梁交接技术,移动终端可以实现宽区域全球漫游。通常情况下,卫星运营商租用卫星带宽资源虚拟运营商或根据使用带宽流量收费。为了保证服务质量,卫星运营商将总最大速率限制为每个VNO和最低保证利率;,所有终端的总速率VNO不会超过最大速度,和资源对应的最低保证利率可以获得永久。然而,由于VHTS的特点,VNO终端可能分布在不同的地理区域,对应于不同的卫星梁和网关。为分布式multigateway和多波束系统,因此,如何确保终端组的QoS保证需求的一致性将是一个关键技术。
基于虚拟化技术的卫星网关,本文构造了一个新的云网关体系结构,实现整个网络的整体资源分配功能,和解决问题的全球卫星通信系统的带宽管理。
VHTS系统包括网关、卫星和终端。随着卫星通信系统的核心部分,网关进行的访问和控制终端之间的信号和数据传输,需要完成地面和卫星。因此,资源配置的网关中起着特别重要的作用在卫星系统的有效利用3]。如果可以完全虚拟化技术应用到网关,卫星系统的综合资源调度能力可以大大提高。NFV / SDN和其他关键技术可用于卫星地面集成中扮演一个重要角色,专注于解决网络功能的卫星地面分割问题[4]。同时,通过网关的集中和虚拟化管理和设计,渠道资源的合理分配和有效的管理可以实现,并可以进行灵活的配置和按需配置。解决问题的不同通信网络之间的集成和向后兼容性。它解决了很多问题由于用户的地理分布不均匀,潮汐的影响用户的整天网络访问时间分布和不平等的资源使用不同的网关。论文的其余部分安排如下:部分2包含虚拟网关和资源管理方法而部分3侧重于GBM带宽分配方法。同样,部分4阐述了仿真结果和最后部分5是结论部分。
2。虚拟化网关和资源管理方法
2.1。虚拟化网关体系结构
为了解决全球问题的带宽管理的多波束和multigateway VHTS系统,首先,一个新的网关架构设计基于软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV),它将网络功能硬件实体的控制,也就是说,控制平面和转发平面分离的设备。打破传统的局限性综合网络体系结构的网络配置、网络服务、跨系统互连,等等。它有利于灵活的网络和协作应用卫星系统和实现无缝切换的数据与地面网络,实现灵活的信息传输和分布。
网络功能和网络基础设施可以抽象和虚拟化。结合有效的映射机制从虚拟资源到物理资源,屏蔽物理网络和设备之间的差异。上层应用程序不再需要直接处理较低的物理设备,从而实现低的透明的管理网络。依赖于抽象、孤立和迁移功能NFV,网关基于SDN / NFV可以定制所需的网络服务根据用户的个性化需求,从而实现软件的适应性和灵活的适应未来新的服务。
所有功能实体的卫星网关是通过软件实现的。整个基带单元是虚拟化和连接与远程射频单元通过向前传输链接。这些功能可以实现通过独立的虚拟设备,形成一个卫星虚拟网关。在这样的环境中与所有虚拟化功能,具体化的卫星网络功能,操作,控制和管理可以实现通过智能云服务器的处理以满足任务需求的用户在应用程序层,如图2。这实现了卫星云无线接入网(Sat-C-RAN)体系结构。云计算环境的应用程序隐藏了底层技术的复杂性和网络层。虚拟网络运营商可以完全自动化用户服务的交付和分配控制层,实现网络资源的快速和灵活的配置,或结合网络虚拟应用程序支持弹性和灵活的服务传输的需求。
Sat-C-RAN卫星网络的基于云架构和SDN实现高效的资源利用率,灵活的资源共享。和低成本。通过这些,可以适应不同的通信系统和不依赖于物理专用设备。这些虚拟卫星接入网络和地面宽带接入网络基于C-RAN架构实现的集成架构和功能如图3。地面网络系统和不同的卫星系统实现资源整合,通过SDN和NFV的控制水平。统一管理和控制层可以进行全球资源配置和整体数据分布和传输各种接入网络(6]。
在这个架构下,卫星网络与地面网络可以集成在不同层,如图3。连接在物理网络设施最低级别可以通过地面物理网络设施和卫星实现物理网络设施(网关、终端等)通过网络连接。地面网络的管理控制层可以直接集成了卫星网络的管理控制层或连接到一个共同的SDN控制器运行一个共同和一致的通信协议和管理机制。在服务层面,不同的网络可以接收用户服务请求和任务需求通过面向用户的北向接口。服务集成控制与管理控制层,从而实现服务任务的总体规划综合网络管理控制(7]。
2.2。全局带宽管理方法
基于上述Sat-C-RAN架构,构造一个统一的全球带宽管理功能在系统控制水平下解决VNO组的QoS保证一致性VHTS多波束和multigateways。
VHTS设计multispot梁和multigateways,出现在商业网络通信覆盖全球。然而,由于大量的小点光束,VHTS使用地理传播网关和部署覆盖更多的地理区域。在wholesaler-reseller网络,VNO购买卫星带宽的HNO beam-level能力(8]。每一束由每个VNO网关提供订阅资源。由于本地化为特定的光束带宽管理,传统的带宽分配方法不再适用于分布式网关。基于Sat-C-RAN,我们提出一个“绿带运动”执行比例公平分配到一个或多个vno在特定的光束。GBM将运行在一个集中的控制平面Sat-C-RANs和VNO可能订阅系统级聚合带宽跨多个卫星或在一个卫星上。
图4描绘了一个VNO订阅,这可能包括多个光束,网关和卫星。每个网关服务特定的光束通过执行在一个或多个vno带宽分区。之间的带宽分区划分vno对GBM配置。相关负责人了解路程中带宽管理器(IBM)和一个Outroute带宽管理器(理论)将在每个Sat-C-RAN的控制平面实现。首先,IBM相关负责人了解路程中能力要求活跃终端接收订阅实际VNO特定梁和定期转发“绿带运动”。相关负责人了解路程中需求可能包括一个聚合的每束VNO或当前状态信息。那么“绿带运动”相关负责人了解路程中需求来自IBM,计算一个分布式的最小和最大带宽保证每个VNO和发回为容量分配基于IBM VNO订阅相关负责人了解路程中需求从一个数据存储和检索。
3所示。“绿带运动”带宽分配方法
3.1。带宽分配算法
目前部分披露的带宽管理系统和方法HNO分配一个或多个vno卫星能力。,每个终端与一个VNO相关联,每个VNO有带宽限制VNO订阅是一个系统级聚合带宽为全球订阅多个相关负责人了解路程中(上行)现货梁和多个卫星的方向。此外,每个VNO提供一个或多个光束,光束也从不同的网关服务,如图所示5。一个网关可能包括一个IBM提供相关负责人了解路程中连接梁共享带宽。
梁水平,IBM可能收集和相关负责人了解路程中所有活动终端需求提出的“绿带运动”包括一个聚合和流量信息/ VNO特定梁上,IBM定期发送带宽状态报告每个超帧周期(9]。然后,“绿带运动”相关负责人了解路程中要求接收所有IBM和每个VNO分区计算带宽。最后,“绿带运动”进行基于多维因素的比例公平分配计算有多少带宽分配实际vno基于需求在不同的光束。它独立配置新闻调查中心(提交信息率)和米尔(最大信息速率)带宽有限的订阅方法再次个人VNO和终端,分别。我们应用这种情况在哪里是vno的数量。然后,我们给的条件如下: 在哪里最小带宽保证吗 ; 最大带宽分配给吗 ; 最小带宽保证终端在吗在梁j;的最大带宽分配给一个终端在梁j。新闻调查中心是一种保证最小带宽VNO。通常,它是足够低,这样系统可以共享带宽池与其他终端,至少本规范的一部分,无论多忙的联系。米尔理论最大带宽,这可能分配时,终端要求率高于背景和低于或等于米尔带宽可用。如果终端要求率高于米尔,那么系统将考虑它的请求等于米尔。因此,新闻调查中心和米尔配置带宽管理方法确保从所有终端请求的能力不超过网络的能力。
3.1.1。最小带宽分配
VNO订阅系统级最小带宽,这是保证所有VNO VNO和通常可用网络。GBM接收到从活跃终端聚合带宽保证VNO由IBM转发,然后运行一个特定VNO比例公平分配需求。让是一个总担保在梁j在任何瞬间的时间,让系统级的最小带宽 ;然后VNO可能的最低认购分布计算 在哪里的总和最小带宽保证所有终端在梁j的总和所有梁j来J不超过VNO的全球系统级订阅。在(2),聚合最小带宽分配vno总是可用的用户终端,它取决于多少带宽保证终端。在卫星网络中,每个RCST至少可以得到一组的最小带宽保证一个实体即使在链接的浪费情况下连接。
3.1.2。最大带宽分配
VNO订阅系统水平最大带宽和可能把它当作最好的工作带宽。每个流控制的时代,“绿带运动”接收到的信息聚合最大带宽订阅从活跃的终端在梁j相关负责人了解路程中要求,以及目前的交通。让是聚合最大订阅的所有活动终端在梁j在任何瞬间的时间和让是当前所有活动的终端需求聚合在梁j。让系统级最大的订阅 ,然后最大订阅VNO计算的分布
让的总和最大带宽分配给所有终端在梁j;让是所有活跃的终端需求的总和在梁j。一个静态的因素可以配置最高订阅和实际需求之间的偏差在上面的计算。默认情况下,价值的可能更重视交通需求和设置为0.1,0.2,0.3,或类似。目前的方程(3)可能执行的总和最大带宽分配所有梁j来J的VNO不超过全球最大订阅基于系统级配置约束。此外,这个方程是基于每一个终端的需求如果可用容量大于请求的能力,那么系统会分配带宽的终端需求,也提供了更多的重量。
3.1.3。Beam-Level带宽分配
一束j有自己的带宽与所有用户vno分享特定的覆盖范围。这可能包括IBM来管理和分享每个VNO带宽需求,计算最小和最大带宽聚合后VNO preresource。然后,在梁的水平,一个IBM分发所有vno。让prebandwidth分配到一个在梁j这是计算如下:
在此,我们 的总和最小和最大带宽聚合到一个在梁j。由于需求分配所有vno,那么总带宽请求可以高于梁水平。使用(4),资源分配给每个VNO的总和必须小于或等于在梁的水平。
因此,我们提出一个基于每个波束动态带宽分配要求被认为只有当交通总需求超过了系统容量。在现实网络中,每个波束将请求不同的交通需求。拟议的方法称卫星网络的带宽管理算法适用于HNO如何分配多个VNO系统级的总容量限制对全球订阅,其中每个VNO接收根据需求分配带宽。此外,带宽分配所有vno不会超过系统容量。
3.2。公平带宽分配算法
VNO有能力管理自己的网络容量分区和独立分配给它的用户终端(RCSTs) [10]。我们提出一个公平的资源分配算法来分配每个RCST带宽要求,分别。在此,一个公平的分配资源(时间),每天播发或者刊登R实体是通过下面的最大化问题, 是终端的数量(RCST)和是每天播发或者刊登的数量分配 : 在哪里是最小数量的保证,每天播发或者刊登一个终端和分配给终端的最大数量,每天播发或者刊登吗 。这个算法调用生成TBTP2网关的返回链接MF-TDMA方案基础上,分为频率和时间分割的快速传输。破裂率大小是由载荷认为调节设计,编码速率,破裂长度,和其他特征;见表1(11]。对于带宽分配,我们提出了一个固定MF-TDMA通道结构,其中每个时隙可以传输一个破裂率。然后,计算如下三个条件。
的一个终端的请求的能力吗(Mbps)和是每时隙破裂率(字节)。这里,每个终端请求带宽根据随机选择的需求。但是,每天播发或者刊登分配给每个终端站之间的最小和最大数量的条件下,每天播发或者刊登,每天播发或者刊登的数量分配实体必须大于或等于最小数量的保证每个实体,每天播发或者刊登否则,它必须小于或等于最大数量,每天播发或者刊登和请求的能力。
如图6,可以实现图形的方式的解决方案,通过填充一个容器相应的保证资源和需求数量的水。自(5)是可以解决的,解决方案首先分配的最小数量(即“淡水”),然后“公平”分配剩下的(即“冲水”)。在这种情况下,通常的解决方案是计算一个实值的问题,但它可以获得详细列明整数的情况下,简单地假设一个额外资源(圆)的子群用户,共享相同数量的资源,一轮下来剩余的(12]。
以防活跃终端的要求每天播发或者刊登数量小于或等于可用,每天播发或者刊登的NCC分配,每天播发或者刊登每个终端的请求数量,每天播发或者刊登自由分配的时间,每天播发或者刊登每个终端比例估计到达的数据包数量增加每个终端的传输队列。这是表示为 。相反,当所有活动终端的请求时隙数量大于可用的数量每天播发或者刊登和NCC比较请求时隙数量在梁j作为 ,然后它不能分配每个实体的需求,每天播发或者刊登。在这种情况下,我们需要减少所有终端需求公平。让从所有活动的要求,每天播发或者刊登数量后终端减少百分比和可以计算给定的方程如下: 在哪里 与 ,这意味着至少每个终端可以得到50%的请求。公平的资源分配,所有实体需要减少他们的需求一样 。在减少所有终端的要求,那么NCC通常可以分配每个终端的要求,每天播发或者刊登。此外,网络容量可以重新分配和重新分配在一段时间内更新每个超帧。请求可以分配,每天播发或者刊登分配给每个实体可用资源时MF-TDMA渠道结构有足够的空间来适应。一个实体分配后,然后下一个实体将分配不断。然后,可用资源可以定义如下:
方程(8)是用于查找可用的未来MF-TDMA终端位置,每天播发或者刊登在时频,继续开始第一次分配到最后时频块。然后,终端位置TBPT2可以表示为如下方程:
方程(9)是用来寻找的最佳位置,每天播发或者刊登MF-TDMA结构和可以分配请求的终端不断,每天播发或者刊登,然后分配时间,每天播发或者刊登一个终端不能重叠在时间和频率。这个方程将请求分配时隙内谁涨。每个时隙分配给终端可以被定义为 , ,知道的确切位置数据传输的载波频率和时间。
这种方法提供了更效率的时隙分配公平,分配的要求,每天播发或者刊登每个终端的需求。,每天播发或者刊登连续分配在时间和频率没有重叠块,禁食,可靠和稳定的系统作业能力。
4所示。仿真结果
4.1。仿真实现
系统配置,我们申请同步弯管卫星通信、三GEO卫星可以提供虚拟世界报道。每个波束覆盖都有自己的带宽与网关管理这个带宽和与终端的数量由多个vno覆盖服务。全球卫星通信系统中,我们提到三梁组成的覆盖不同vno 10000终端和服务5。每个独立VNO有2000个终端(见表2)。
每个VNO可以为一个或多个光束;例如,VNO1和VNO2所有光束具有不同数量的实体;但是,VNO3 VNO4, VNO5单独只一束,分别。如前一节中所述,“绿带运动”配置的最小和最大带宽限制条件在系统级别订阅,在每个VNO具有相同的背景和米尔带宽配置来决定多少带宽分配的背景和米尔的值。我们为最小带宽保证配置2 Gbps VNO (CIR)和4 Gbps最大带宽分配给冯(MIR),其中每个终端收到至少1 Mbps和3 Mbps。
4.2。带宽分配结果
使用的参数配置表2解决前面的方程,我们模拟带宽分配。最大的带宽分配 ,这取决于所有活动终端需求 。在此,每个终端请求一个随机选择的能力从0.5到4 Mbps。在上面的计算中,是一个静态的因素提供了配置之间的偏差最大和实际需求提供更多的重量,终端需求,例如,通过设置到0.3。然后,我们得到结果如表3。
表3是带宽分配的结果每个VNO在系统级别全球带宽有限的订阅。实际上,VNO需求高于总网络容量;这是因为每个终端要求根据其需求的能力。但是,分配带宽消耗分配给所有vno不超过网络的能力。在此,是prebandwidth必须分配给它的用户终端。根据CIR和米尔配置特定VNO最小和最大带宽分配实际VNO没有超过全球系统级有限带宽订阅。这些结果表明,该方法是非常有效的带宽分配和最大化利用卫星网络的能力。
4.3。公平的时隙分配结果
有三个步骤MF-TDMA资源分配算法。第一步是确定从活跃终端请求的带宽;第二步是确定的数量,每天播发或者刊登符合实际终端需求;第三步是定位作业每天播发或者刊登到整个带宽与特定的载波频率和时间。在DVB-RCS2标准,RCST NCC能力请求发送一条消息,每天播发或者刊登后安排如何请求。特别是,当一个RCST数据传输,它首先明确请求使用DAMA NCC技术的能力。然而,活跃终端的带宽请求可能随时间变化和不同终端可能要求不同的流量类型。在此,我们给每一个限制终端请求一次能力的随机选择范围0.5 Mbps 4 Mbps,如图7。
如图7,它描绘了之间的权衡能力要求(CR)和能力分配(CA)所有活跃终端与50 VNO终端。每个终端的能力要求在随机选择的范围从0.5到4 Mbps。但是,在现实中,一个终端可以请求更多的产能根据其需求。这个模拟显示的结果(6一些限制。即使一个终端请求的能力小于1 Mbps的例子中,它要求0.5 Mbps-then终端是1 Mbps的能力分配;当请求一个终端能力大于3 Mbps的示例,它要求4 Mbps-the容量分配给一个终端只是3 Mbps。这两种情况下取决于新闻调查中心和米尔带宽有限配置保证终端。因此,请求的带宽分配给所有终端不超过可用的网络容量。
我们将为主要资源,每天播发或者刊登实际需要分配给每个终端根据其能力要求。终端计算后,每天播发或者刊登的数量然后发送一条消息到NCC, NCC负责返回通道带宽分配的时隙传输和通知给所有RCSTs允许生成TBTP2插槽。每个RCST读取TBTP2数据传送和分配期间,每天播发或者刊登。,TBTP2表示时间或破裂的允许每时隙发送数据,可以传输一个破裂率。每个破裂率可以发送599字节16 qam的编码速率3/4;见表1。
每天播发或者刊登分配单元决定了每天播发或者刊登的数量根据终端需求。如图8举例来说,当一个RCST要求1 Mbps的能力,那么它需要209年的时间,每天播发或者刊登要求2.5 Mbps,然后它需要522年的时间,每天播发或者刊登快速传输定义的频率、带宽、起始时间和持续时间。
正如上面提到的,活跃终端请求的带宽分配完全在一个固定MF-TDMA从一个超帧到另一个超帧,这仍然是输入问题。为了解决这个问题,我们提出一个公平的资源分配算法调用NCC生成TBTP2分配请求的能力,在该算法检查固定MF-TDMA搜索一组连续的未使用的每天播发或者刊登足够大来容纳请求的带宽。如果找到足够的资源,然后分配到MF-TDMA结构多样性的频率和时间块组织在超帧,帧,每天播发或者刊登。在这里,我们设计一个与多个频率固定MF-TDMA运营商 ,每个用于2 Mbps包含32超帧,每个超帧有48每天播发或者刊登。因此,网关使用总每天播发或者刊登在TBTP2定位所有终端需求。我们只显示10终端随机的分配请求的能力和分配不断在固定MF-TDMA,见图9。
图9描述了终端的位置在一个固定MF-TDMA结构基于当前的需求。例如,RCST1请求时隙数1 627,每天播发或者刊登在第一频率和时间直到槽627号;接下来RCST2要求209,然后分配不断从槽628号到槽836;第二RCST将不断分配没有重叠的频率和时间。因此,这意味着先和谁涨,分配在很短的时间内,快速、可靠,减少了数据传输延迟。
5。结论
卫星通信系统,传统的网络体系结构无法满足的需求无论从经济的角度来看,技术进步。因此,virtualization-based Sat-C-RAN架构提出了。C-RAN网络体系结构有效地实现之间共享基带资源网关通过基带资源的集中处理和分配,以提高基带资源的利用率。所需的基带资源数量减少,和系统建设成本和在操作有效地减少能量损失。卫星通信系统的资源是有限的。完全虚拟化技术应用到网关站可以大大提高卫星通信系统的综合调度和利用资源。
Sat-C-RAN架构基础上,提出了算法的带宽分配HNO有能力计算多少带宽分配到一个或多个vno跨多个光束,网关,对全球卫星带宽订阅。这个限制是确保分配给特定的带宽消耗VNO不会超过网络的能力,尽管他们的交通需求大于可用的资源。卫星网络,我们的方法是非常有效的资源管理最大化网络容量的利用率,特别是提供公平带宽分配,快速资源分配、可靠的数据传输和短时间延迟。然而,由于每个梁的局部带宽管理,一些VNO的要求可以接受梁拥堵,虽然有闲置产能也在另一个梁,VNO订阅。因此,局部动态带宽管理不能回应VNO整体的需要。这意味着卫星网络网关之间可以共享自己的能力属于同一个网络和控制相同的NCC,但不能对卫星间通信系统(网络容量13]。出于这个原因,本研究提出一个创新资源配置机制的实现基于vno需求,它支持动态带宽分配卫星间通信网络和资源分配,可以分配到一个动态MF-TDMA。更重要的是,动态带宽星际网络涉及很多系统之间的资源共享和技术方面。
5.1。未来的工作
这项工作可以进一步阐述了在大范围内;特别是,某种方法或算法可以实现降低拥堵在处理局部带宽管理。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。