[发明专利]软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统

说明书

本发明提供了一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统，包括：计算中低轨卫星网络拓扑变化发生的时间；将卫星网络运行周期划分为一系列拓扑稳定期，计算下一拓扑稳定期中每对卫星间数据传输跳数；分别预测地面和卫星产生的负载，预测下一拓扑稳定期每个卫星的实际负载以及每条星间链路实际负载；构建初始管控域，量化管控开销和管控效率，计算下一拓扑稳定期的卫星控制器位置、数量、以及管控关系；将计算结果上传至卫星，根据计算结果开启或关闭控制器，卫星根据管控关系迁移至对应控制器。本发明联合考虑卫星负载和运动，实现了更准确的负载预测精度，可以保障完整网络运行周期内的总管控开销有界。

技术领域

本发明涉及卫星网络技术领域，具体地，涉及一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统。

背景技术

在软件定义中低轨(即非高轨NGEO：Non-geostationary)卫星网络中，数据均根据节点上的流表进行传输。由于每个节点的流表都是向控制器请求得到的，过长的管控时延将从根本上限制网络对于突发事件的响应能力。例如，当网络发生拥塞时，如果流表请求时间较长将导致发送策略调整的滞后，这将进一步加剧链路拥塞。因此，优化的控制器的部署策略是保障网络高效传输的基础，它需要能够在网络运行的过程中根据实时网络状态动态调整。

现有方法无法在动态的软件定义卫星网络达到全局优化的效果。具体地，针对地面网络中控制器部署的方法是将控制器放置在固定的位置，当卫星网络拓扑结构和负载分布发生变化时，这种部署策略将不再适用。同时，现有针对NGEO卫星网络控制器动态部署的研究沿用了地面网络类似的方法，即在每个时隙贪心地优化该时隙的控制开销，使得卫星不得不频繁地从一个控制器迁移到另一个控制器，引入了较高的迁移开销，进而导致了全局总开销较高。比如，相关学者(Sahand Torkamani-Azara，Mohsen Jahanshahib.A newGSO based method for SDN controller placement.Computer Communications,Vol.163,2020,pp.91-108)提出了一种高效的地面网络控制器部署方法，考虑控制器异构的计算能力，将地面控制器部署问题建模为0-1背包问题，并提出启发式方法进行求解最优控制器部署位置。此外，刘治国等(刘治国，卢美玲，李慧，刘庆利。基于SDN的卫星网络多控制器部署方法研究，计算机仿真，37(4)，第4期，2020，第62-66页)提出了一种基于遗传算法的卫星网络控制器动态部署方法，首先将卫星运动周期切分成一个个时间窗口，考虑时延和控制器负载均衡，贪心计算每个时间窗口的控制器部署策略。

在公开号为CN112817605A的中国专利文献中，公开了一种软件定义卫星网络控制器部署方法、装置及相关设备，该方法构建软件定义卫星网络架构，获取所述软件定义卫星网络架构在故障条件下的网络状态延迟，基于模拟退火算法计算获取所述网络状态延迟的最优解和对应的控制器部署方案，最后基于所述控制器部署方案对所述软件定义卫星网络架构中的控制器进行部署。

本发明针对现有方法不足，提出了高效的NGEO卫星网络控制器动态部署方法。该方法联合考虑卫星运动和负载动态性，自适应调整卫星控制器数量、位置以及管控关系，并利用正则化方法，避免了卫星的频繁迁移，在保障管控效率的同时实现了全局总管控开销的最小化。

专利文献CN113595613A(申请号：CN202110727381.3)公开了一种用于低轨软件定义卫星网络的控制器部署方法，该方法包括：在一个卫星星座运行周期内选择多个预设控制器位置，在多个预设控制器位置上分别部署SDN控制器；基于SDN控制器的静态部署方式，根据卫星网络拓扑变化计算SDN交换机与SDN控制器的动态分配关系，根据动态分配关系将SDN交换机分配给SDN控制器。但该发明不能够根据网络负载、实时拓扑自适应地动态调整控制器的数量、位置以及管控关系。总之，现有工作在中低轨卫星网络中带来了较大的网络管理开销。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种软件定义的中低轨卫星网络中控制器动态部署方法及系统。