本發(fā)明涉及通信網(wǎng)絡(luò)，具體涉及基于鞅論的leo-sn多跳多業(yè)務(wù)端到端時(shí)延分析方法。

背景技術(shù)：

1、隨著地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的逐步融合，構(gòu)建統(tǒng)一的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)成為6g網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵目標(biāo)。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為6g的核心技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)廣域萬(wàn)物智聯(lián)和全球泛在無(wú)縫接入，提供隨時(shí)隨地安全可靠的“人機(jī)物”無(wú)限連接服務(wù)。其中，starlink、iridium等低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(leo-sn，low?earth?orbit-satellitenetwork)以其低傳輸時(shí)延、低鏈路損耗、發(fā)射靈活和整體制造成本低等優(yōu)勢(shì)，成為提供高可靠、低時(shí)延、大帶寬通信服務(wù)的理想選擇。

2、在6g的典型應(yīng)用場(chǎng)景中，極其可靠通信要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證多種服務(wù)質(zhì)量(qos，quality?of?service)，以確保通信的及時(shí)性和可靠性。leo-sn覆蓋范圍廣、服務(wù)類(lèi)型多樣，從廣域覆蓋、應(yīng)急通信擴(kuò)展至人工智能、智慧城市等新興業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出低時(shí)延、高可靠、高能效和超高密度連接等需求。在此背景下，數(shù)據(jù)的過(guò)時(shí)或不可靠可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此確保網(wǎng)絡(luò)qos的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。此外，leo-sn建設(shè)成本高，星上資源有限且不可擴(kuò)展，因此在設(shè)計(jì)初期亟需構(gòu)建緊致的時(shí)延可靠性分析框架，保障業(yè)務(wù)傳輸?shù)膓os性能，滿足6g網(wǎng)絡(luò)對(duì)衛(wèi)星極其可靠通信的嚴(yán)格要求。

3、隨著leo-sn大規(guī)模高密度發(fā)展，為滿足高差異性業(yè)務(wù)承載、一致性業(yè)務(wù)體驗(yàn)的需求，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要提供端到端(e2e，end-to-end)全局一致性時(shí)延和可靠性保障機(jī)制及指標(biāo)體系，以保證業(yè)務(wù)傳輸及用戶(hù)體驗(yàn)。然而，時(shí)變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高度動(dòng)態(tài)且資源受限的星基節(jié)點(diǎn)以及隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加了網(wǎng)絡(luò)的不規(guī)則性和不確定性，導(dǎo)致leo-sn業(yè)務(wù)qos難以保障、可靠性指標(biāo)體系難以建

4、立。此外，leo-sn還存在星間通信距離長(zhǎng)，鏈路傳播時(shí)延大等問(wèn)題，例如低軌衛(wèi)星間鏈路時(shí)延達(dá)毫秒級(jí)，遠(yuǎn)超地面有線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間時(shí)延，影響e2e的時(shí)延性能保障。在業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程中，涉及多個(gè)串聯(lián)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)相互交織和不同業(yè)務(wù)流干擾的問(wèn)題，這導(dǎo)致時(shí)延分析過(guò)程中多個(gè)隨機(jī)過(guò)程相互糾纏，難以進(jìn)行精確而系統(tǒng)的拆解分析，為leo-sn時(shí)延分析帶來(lái)挑戰(zhàn)。

5、現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析方法包括排隊(duì)論、有效帶寬、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算(snc，stochasticnetwork?calculus)和鞅論。排隊(duì)論通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析特定場(chǎng)景下的節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)積壓過(guò)程，是e2e時(shí)遲性能分析的基礎(chǔ)。但排隊(duì)理論對(duì)于服從一般分布或具有時(shí)間相關(guān)性的到達(dá)和服務(wù)過(guò)程難以得到閉式表達(dá)。有效帶寬源于大偏差理論，用于研究排隊(duì)系統(tǒng)中的時(shí)延違反概率、隊(duì)列長(zhǎng)度概率分布及數(shù)據(jù)緩沖容量溢出等關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

6、然而，有效帶寬方法難以用于實(shí)際多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)性能統(tǒng)計(jì)分析，且計(jì)算結(jié)果松散。snc將網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)到達(dá)和節(jié)點(diǎn)服務(wù)分別用上包絡(luò)和下包絡(luò)來(lái)描述，通過(guò)最小加卷積運(yùn)算和最小加代數(shù)理論，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)時(shí)延和隊(duì)列積壓表達(dá)式，從而獲取網(wǎng)絡(luò)性能信息。然而，采用snc理論分析網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)性能所得的隊(duì)列性能邊界一直被質(zhì)疑不夠緊密。

7、鞅論是qos分析與保障問(wèn)題中備受關(guān)注的新興理論，將排隊(duì)論和snc相結(jié)合，為量化系統(tǒng)時(shí)延提供有效的數(shù)學(xué)框架。然而衛(wèi)星通信由于長(zhǎng)距離傳輸產(chǎn)生固有的傳播時(shí)延，且多跳傳輸會(huì)導(dǎo)致傳播時(shí)延的累積，進(jìn)而影響時(shí)延敏感信息的傳輸。因此，需要建立新的緊湊leo-sn時(shí)延分析模型，以準(zhǔn)確評(píng)估和優(yōu)化時(shí)延性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了針對(duì)leo-sn中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度動(dòng)態(tài)、傳播時(shí)延顯著以及資源競(jìng)爭(zhēng)日益突出等問(wèn)題，本文提出了一種基于鞅論的leo-sn多跳多業(yè)務(wù)e2e時(shí)延分析模型。通過(guò)構(gòu)建時(shí)變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)高度動(dòng)態(tài)的leo-sn傳輸特性進(jìn)行表征，并在考慮傳播時(shí)延和資源競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)上，研究了多業(yè)務(wù)在多跳衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中繼傳輸?shù)膃2e積壓和延遲過(guò)程，提供了一種面向業(yè)務(wù)的時(shí)延可靠性分析框架。

2、本發(fā)明提出一種基于鞅論的leo-sn多跳多業(yè)務(wù)端到端時(shí)延分析方法，該方法步驟如下

3、(1)利用leo-sn的可預(yù)測(cè)性建立了基于i?sl效用的傳輸模型，以表征leo-sn的傳輸特性；

4、(2)通過(guò)最小加卷積和剩余服務(wù)的定義，將多跳中繼鏈路表征為一個(gè)等效的排隊(duì)模型。

5、(3)將衛(wèi)星內(nèi)部信息處理系統(tǒng)拆分為接收子系統(tǒng)、計(jì)算子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)，以分析業(yè)務(wù)在衛(wèi)星內(nèi)部的服務(wù)過(guò)程；

6、(4)在考慮傳播時(shí)延和資源競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略下的多跳多業(yè)務(wù)超鞅e2e積壓和時(shí)延邊界分析模型。

7、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(1)結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測(cè)性提出了一個(gè)基于離散圖的時(shí)變拓?fù)淠Ｐ?，該模型能夠描述衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诓煌瑫r(shí)刻的狀態(tài)，模擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

8、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(1)綜合考慮了leo-sn的時(shí)變特性引起信噪比和傳輸速率的動(dòng)態(tài)變化，建立基于i?sl效用的傳輸模型，對(duì)leo-sn的傳輸特性進(jìn)行表征。

9、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(2)考慮了服務(wù)鏈路同時(shí)傳輸多種業(yè)務(wù)和非服務(wù)鏈路占用匯聚節(jié)點(diǎn)的部分存儲(chǔ)、計(jì)算和傳輸資源，對(duì)服務(wù)鏈路的服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響的問(wèn)題。結(jié)合最小加卷積方法，推導(dǎo)出h個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的多跳排隊(duì)系統(tǒng)中，服務(wù)鏈路i業(yè)務(wù)k的等效擴(kuò)展

10、

11、其中代表h跳中繼傳輸過(guò)程產(chǎn)生的傳播時(shí)延。

12、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(3)考慮到未來(lái)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需實(shí)現(xiàn)星間組網(wǎng)和在軌計(jì)算，部署星載存算一體化交換，以降低通信開(kāi)銷(xiāo)、提升服務(wù)質(zhì)量。為此，建立接受、計(jì)算和傳輸子系統(tǒng)，以分析業(yè)務(wù)流在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的服務(wù)過(guò)程。

13、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(3)中考慮了接入時(shí)延、計(jì)算時(shí)延和傳輸時(shí)延的影響。由于接受子系統(tǒng)造成的時(shí)延主要表現(xiàn)在鞅參數(shù)上，因此首先關(guān)注計(jì)算子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)產(chǎn)生的時(shí)延。計(jì)算子系統(tǒng)的到達(dá)過(guò)程為aa(n)，每個(gè)成功接入的數(shù)據(jù)包都需要經(jīng)過(guò)計(jì)算服務(wù)，其服務(wù)曲線表示為sa(n)。假設(shè)計(jì)算服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布，平均服務(wù)時(shí)間為1/μcom，相應(yīng)的概率密度函數(shù)為在考慮isl時(shí)變特性的基礎(chǔ)上，將傳輸子系統(tǒng)建模為步驟1中建立的基于i?sl效用的系統(tǒng)傳輸模型，其到達(dá)過(guò)程表示為ab(n)，服務(wù)過(guò)程為sb(n)。

14、利用最小加卷積的關(guān)聯(lián)性質(zhì)，衛(wèi)星內(nèi)部信息處理系統(tǒng)的離去過(guò)程為

15、

16、因此，衛(wèi)星內(nèi)部信息處理系統(tǒng)等效的服務(wù)曲線為

17、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(4)將根據(jù)鞅定義構(gòu)造多跳衛(wèi)星中繼排隊(duì)系統(tǒng)的到達(dá)鞅和服務(wù)鞅，分析各子系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星e2e時(shí)延產(chǎn)生的影響。由于衛(wèi)星內(nèi)部信息處理系統(tǒng)包括接受子系統(tǒng)、計(jì)算子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)，其中計(jì)算子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)的服務(wù)能力存在差異，服務(wù)能力較弱的子系統(tǒng)成為限制e2e時(shí)延的關(guān)鍵。因此，選取服務(wù)能力較弱的子系統(tǒng)的鞅參數(shù)代表衛(wèi)星信息處理系統(tǒng)的服務(wù)能力。

18、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(4)中服務(wù)鏈路i中業(yè)務(wù)k的到達(dá)過(guò)程服務(wù)鏈路i中除業(yè)務(wù)k外其余業(yè)務(wù)到達(dá)過(guò)程為非服務(wù)鏈路j在節(jié)點(diǎn)h的到達(dá)過(guò)程為節(jié)點(diǎn)h的計(jì)算服務(wù)過(guò)程和傳輸服務(wù)過(guò)程分別為和對(duì)應(yīng)的上鞅為在多跳中繼系統(tǒng)中，服務(wù)鏈路i業(yè)務(wù)k的e2e積壓不可靠性上界為

19、

20、其中

21、

22、

23、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟4中推導(dǎo)出不同優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略下服務(wù)鏈路i中業(yè)務(wù)k的多跳e2e時(shí)延不可靠性上界為

24、

25、其中代表h跳中繼傳輸過(guò)程產(chǎn)生的傳播時(shí)延。

26、本發(fā)明的有益效果：

27、本發(fā)明提出的一種適用于leo-sn的時(shí)延分析方法，提供了一種面向業(yè)務(wù)的時(shí)延可靠性分析框架。因?yàn)榫C合考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中不可忽略的傳播時(shí)延和資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，并將衛(wèi)星內(nèi)部信息處理系統(tǒng)建模為接收子系統(tǒng)、計(jì)算子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)，綜合分析各部分時(shí)延，將會(huì)更加貼近于未來(lái)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。通過(guò)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，本發(fā)明的分析方法考慮影響因素更為全面，分析結(jié)果更加符合網(wǎng)絡(luò)特性。