辛淵博， 周 熙， 李偉亮

(重慶通信學(xué)院，重慶 400035)

0 引言

寬帶衛(wèi)星通信作為衛(wèi)星通信領(lǐng)域一個(gè)全新的應(yīng)用, 其主要目標(biāo)是為多媒體和高速因特網(wǎng)應(yīng)用提供一種無所不在的通信方式，解決全球通信最后一公里的問題。與上一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別是其承載的業(yè)務(wù)由低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及話音業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贁?shù)據(jù)業(yè)務(wù)、因特網(wǎng)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)，以及其帶寬速率的提升[1]。對(duì)于寬帶GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，考慮到頻率和功率受限、固有傳播時(shí)延長等特點(diǎn)，在多業(yè)務(wù)類型及多用戶環(huán)境下，選擇哪一種媒體接入控制協(xié)議（MAC Protocol）將直接影響到系統(tǒng)的容量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、帶寬和頻譜的利用率、通信服務(wù)質(zhì)量、控制策略、設(shè)備復(fù)雜度及成本等。

1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中影響MAC協(xié)議性能的主要因素

在寬帶 GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，影響媒體接入控制協(xié)議性能的主要因素有：端到端時(shí)延、業(yè)務(wù)量模型、資源請(qǐng)求策略、資源分配方式的選擇等。

（1）端到端時(shí)延

分組的端-端時(shí)延包括分組從源終端產(chǎn)生開始到目的終端成功收到分組為止的整個(gè)過程，是衛(wèi)星通信中影響媒體接入控制協(xié)議性能的最主要因素。GEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)分組的端到端延遲包括以下四個(gè)部分：接人延遲（分組到達(dá)時(shí)刻到該幀結(jié)束這段時(shí)間）、排隊(duì)延遲（分組在排隊(duì)中等待的時(shí)間）、分組傳輸時(shí)間和傳播延遲（GEO中一個(gè) RTD約為250 ms）。和傳統(tǒng)地面無線網(wǎng)絡(luò)相比，GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所特有的傳播時(shí)延長的特點(diǎn)，使得帶寬提升對(duì)總的端到端時(shí)延影響較小，提高分組接入概率和降低分組接入等待時(shí)間成為降低總的端到端時(shí)延的有效途徑。

（2）業(yè)務(wù)量模型

數(shù)學(xué)分析或離散事件仿真分析中所選的業(yè)務(wù)量模型的特性很大程度決定了MAC協(xié)議性能的好壞，這些特性包括分組到達(dá)分布、分組長度分布以及業(yè)務(wù)的突發(fā)性。其中業(yè)務(wù)突發(fā)性反映了實(shí)際業(yè)務(wù)流的本質(zhì)特征，直接影響到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)多址接入?yún)f(xié)議的選擇和設(shè)計(jì)。對(duì)于突發(fā)性強(qiáng)的業(yè)務(wù)要求足夠大的存儲(chǔ)器和高速處理能力，同時(shí)需要按需、動(dòng)態(tài)地配置傳輸信道以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源利用率和用戶QoS滿意度之間的平衡。

（3）資源請(qǐng)求策略

對(duì)于請(qǐng)求策略的優(yōu)化一方面將大量復(fù)雜計(jì)算交由地面終端來處理，可以有效降低星上處理器的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。另一方面保障了衛(wèi)星帶寬資源的合理利用。特別是對(duì)于需要大量預(yù)約信息的高突發(fā)性業(yè)務(wù)，采用精確的預(yù)測機(jī)制可以有效減少用于預(yù)約請(qǐng)求的信令，從而降低業(yè)務(wù)端到端時(shí)延，提高衛(wèi)星信道的資源利用率。

（4）資源分配方式的選擇

衛(wèi)星通信中資源分配方式可以分為：固定分配、按需分配、自由分配和隨機(jī)接入。對(duì)于不同業(yè)務(wù)選擇不同的資源分配方式來保障其服務(wù)質(zhì)量是提高衛(wèi)星信道資源利用率的有效途徑[2]。例如，在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于CBR業(yè)務(wù)采用固定分配的方式保障其穩(wěn)定可靠地傳輸，對(duì) VBR業(yè)務(wù)采用可變速率按需分配方式以適應(yīng)其速率可變的特征，對(duì)于UBR業(yè)務(wù)采用隨機(jī)接入方式以適應(yīng)其突發(fā)性的特征。

2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的媒體接入控制協(xié)議

考慮到資源請(qǐng)求策略與分配方式對(duì)協(xié)議性能的影響，寬帶GEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議針對(duì)網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)的特點(diǎn)采取了兩種有效的解決方案：一是將各種接入控制方式進(jìn)行有效組合，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)選擇不同的接入方式，再由星上處理器根據(jù)資源使用狀況自適應(yīng)分配，從而最大限度地利用衛(wèi)星信道資源。另一種方案是考慮到地面終端造價(jià)低、處理速度快和存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，將大量工作交由地面請(qǐng)求終端來處理，變換資源請(qǐng)求方式以改善業(yè)務(wù)的突發(fā)強(qiáng)度，緩解星上處理的難度。

2.1 基于混合式自適應(yīng)分配機(jī)制的媒體接入控制協(xié)議

混合式自適應(yīng)分配機(jī)制主要是指針對(duì)不同業(yè)務(wù)選擇不同的接入控制方式以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的最大利用和用戶QoS保障。典型的基于TDMA方案的混合接入控制方式有混合式按需/自由分配(CFDAMA)協(xié)議、隨機(jī)預(yù)約自適應(yīng)分配（RRAA）協(xié)議以及兩者結(jié)合后產(chǎn)生的混合式自由／隨機(jī)預(yù)約自適應(yīng)分配 (CFRRAA)協(xié)議。

CFDAMA協(xié)議[3]將按需分配與自由分配（對(duì)按需分配后剩余時(shí)隙的分配）相結(jié)合，首先由星上調(diào)度器或地面中心站針對(duì)各業(yè)務(wù)終端的請(qǐng)求進(jìn)行按需分配，然后對(duì)按需分配后的剩余時(shí)隙按照特定的方式自由分配。仿真結(jié)果表明，CFDAMA協(xié)議在低信道負(fù)荷范圍實(shí)現(xiàn)了低的端到端時(shí)延，在高的信道負(fù)荷范圍實(shí)現(xiàn)了高的信道利用率。然而該方案不能擴(kuò)展用于支持多業(yè)務(wù)以及提供QoS保證，而且對(duì)于混合類業(yè)務(wù)難以明確處理公平性問題。

RRAA協(xié)議[4]同時(shí)結(jié)合了隨機(jī)接入和按需分配多址接入方式，適合于寬帶GEO衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)中處理多業(yè)務(wù)的情況。該協(xié)議將ATM業(yè)務(wù)種類按照優(yōu)先級(jí)與各類多址接入方式作了關(guān)系映射，對(duì)于CBR業(yè)務(wù)按峰值信元速率以固定速率DAMA的方式分配資源，對(duì)于rt-VBR和nrt-VBR業(yè)務(wù)以可變速率DAMA的方式分配資源（優(yōu)先保障rt-VBR業(yè)務(wù)），對(duì)于UBR業(yè)務(wù)按隨機(jī)接入的方式通過競爭獲取資源。同時(shí)，該協(xié)議提出了預(yù)約時(shí)隙數(shù)量自適應(yīng)可變方案，允許系統(tǒng)根據(jù)信道爭用情況自適應(yīng)改變預(yù)約時(shí)隙與數(shù)據(jù)時(shí)隙的界限，以降低阻塞概率，減少時(shí)延。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議在低到中等UBR業(yè)務(wù)負(fù)載時(shí)可以取得更高的吞吐量和較低的接入延遲。但對(duì)于UBR業(yè)務(wù)單純地使用隨機(jī)接入方式，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)會(huì)引發(fā)競爭加劇，造成系統(tǒng)吞吐量下降。

CFRRAA協(xié)議[5]成功地結(jié)合了CFDAMA協(xié)議與RRAA協(xié)議的特點(diǎn)，通過靈活動(dòng)態(tài)的幀格式設(shè)計(jì)為各種不同類型、不同優(yōu)先級(jí)別業(yè)務(wù)提供了最為合適的接入方式，其幀格式如圖1所示。

圖1 CFRRAA-CR(P)上行鏈路幀結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該協(xié)議上行鏈路幀由請(qǐng)求時(shí)隙(RS)和信息時(shí)隙(IS)組成，RS與 IS之間的間隔可根據(jù)業(yè)務(wù)量大小適時(shí)調(diào)整。請(qǐng)求時(shí)隙被CBR、rt/nrt-VBR業(yè)務(wù)源以S-Aloha的競爭方式提出初始接入請(qǐng)求。信息時(shí)隙由數(shù)量可變的數(shù)據(jù)時(shí)隙(DS)和自由接入時(shí)隙(FAS)組成：數(shù)據(jù)時(shí)隙用于承載獲得預(yù)約分配的CBR和rt/nrt-VBR業(yè)務(wù)源分組，以及經(jīng)捎帶預(yù)約獲得時(shí)隙分配的 UBR業(yè)務(wù)分組。自由接入時(shí)隙包括兩個(gè)部分，第一部分允許調(diào)度器采用基于信源預(yù)測的加權(quán)分配方式為UBR業(yè)務(wù)終端分配預(yù)測數(shù)據(jù)時(shí)隙。第二部分允許UBR業(yè)務(wù)終端以S-Aloha的方式直接發(fā)送數(shù)據(jù)到FAS，同時(shí)根據(jù)需要可以在發(fā)送的分組上捎帶預(yù)約請(qǐng)求。

CFRRAA協(xié)議為衛(wèi)星ATM網(wǎng)內(nèi)不同類型業(yè)務(wù)規(guī)定了不同的優(yōu)先級(jí)別，分別應(yīng)用不同的接入方案。恒定比特率(CBR)業(yè)務(wù)擁有最高的優(yōu)先級(jí)，采用固定速率 DAMA接入方式。預(yù)約成功后，每一幀中按CBR業(yè)務(wù)源峰值信元速率(PCR)為其分配固定數(shù)量時(shí)隙，直到呼叫結(jié)束?？勺儽忍芈剩╒BR）業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)次之，采用可變速率 DAMA接入方式以避免該類業(yè)務(wù)源在靜默期間浪費(fèi)系統(tǒng)資源。首次接入成功后，業(yè)務(wù)源下一幀的請(qǐng)求時(shí)隙將通過捎帶預(yù)約實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)資源短缺時(shí)，按照其優(yōu)先級(jí)次序，首先為 rt-VBR業(yè)務(wù)源分配數(shù)據(jù)時(shí)隙，然后為nrt-VBR業(yè)務(wù)源分配。未定比特率(UBR)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最低，但突發(fā)性強(qiáng)，一般采用隨機(jī)接入方式。CFRRAA協(xié)議中為了改進(jìn) UBR業(yè)務(wù)性能，在隨機(jī)接入的同時(shí)，采取了捎帶預(yù)約、流量預(yù)測的策略以保障UBR業(yè)務(wù)的有效接入。

CFRRAA協(xié)議的優(yōu)勢在于：對(duì)于 rt-VBR業(yè)務(wù)采用可變速率DAMA方案以避免資源浪費(fèi)，對(duì)于UBR業(yè)務(wù)采用隨機(jī)發(fā)送/捎帶預(yù)約/流量預(yù)測相結(jié)合的接入方案以改善其性能；可變邊界的幀格式便于系統(tǒng)資源的靈活配置；星上實(shí)行按優(yōu)先級(jí)管理隊(duì)列的策略，從而優(yōu)先滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議實(shí)現(xiàn)了低到中等 UBR業(yè)務(wù)負(fù)荷下低的端到端時(shí)延和高的信道利用率，同時(shí)保障了 ATM 網(wǎng)中各類業(yè)務(wù)的公平有效接入。

2.2 基于地面請(qǐng)求策略的動(dòng)態(tài)分配多址接入?yún)f(xié)議

地面請(qǐng)求策略是寬帶GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的基礎(chǔ)，直接影響到系統(tǒng)端到端時(shí)延和資源利用率。地面請(qǐng)求策略優(yōu)化的目的就是在保證業(yè)務(wù)QoS與提高系統(tǒng)資源利用率之間進(jìn)行折中。因此，設(shè)計(jì)穩(wěn)定、有效以及具有預(yù)見性的地面請(qǐng)求策略可以在滿足業(yè)務(wù)OoS要求的同時(shí)，最大限度提高資源利用率。目前有以下兩種可行策略：

2.2 .1 基于預(yù)測機(jī)制的地面請(qǐng)求策略

針對(duì)Internet自相似業(yè)務(wù)流，文獻(xiàn)[6]提出了PRDAMA協(xié)議，該協(xié)議基于線性預(yù)測的方法，將剩余帶寬根據(jù)各終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率的一階和二階動(dòng)態(tài)變化趨勢來進(jìn)行分配，從而有效地管理了地面站的緩存，改善了系統(tǒng)的時(shí)延性能。但這里的預(yù)測算法是在星上完成，增加了星上處理的復(fù)雜度和處理時(shí)間。文獻(xiàn)[7]提出基于統(tǒng)計(jì)預(yù)測的方法，將自相似業(yè)務(wù)流建模為N個(gè)ON-OFF業(yè)務(wù)的聚合流，并將業(yè)務(wù)流量分為多個(gè)級(jí)別。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算下一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率最大的業(yè)務(wù)流量級(jí)別。文獻(xiàn)[8]提出基于混沌預(yù)測的動(dòng)態(tài)混合MAC協(xié)議，該協(xié)議在CFDAMA協(xié)議基礎(chǔ)上，將混沌預(yù)測算法應(yīng)用于各地面終端，通過預(yù)測模塊記錄前N個(gè)請(qǐng)求周期內(nèi)的業(yè)務(wù)流量，然后通過混沌算法預(yù)測出第N+1個(gè)周期用戶的接入數(shù)據(jù)速率，并將預(yù)測結(jié)果放到申請(qǐng)信息當(dāng)中。該協(xié)議成功地將混沌算法應(yīng)用于地面站的預(yù)測請(qǐng)求策略當(dāng)中，將預(yù)測的時(shí)間參考維度從線性預(yù)測的二階增加到了m維N階，提高了業(yè)務(wù)預(yù)測的精確度和可信度。仿真結(jié)果表明，在高負(fù)荷以及具有高突發(fā)性Pareto分布ON-OFF信源的情況下，該協(xié)議優(yōu)于采用輪詢預(yù)約和線性預(yù)測方案。

基于預(yù)測機(jī)制的地面請(qǐng)求策略準(zhǔn)確地判斷了業(yè)務(wù)流量的變化趨勢，提供了剩余時(shí)隙分配的可靠參考，改善了系統(tǒng)的端到端時(shí)延性能。但目前的預(yù)測機(jī)制主要是針對(duì)單一業(yè)務(wù)，并不適用于具有多業(yè)務(wù)特性的寬帶GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

2.2 .2 基于控制理論的地面請(qǐng)求策略

寬帶 GEO衛(wèi)星通信中的長延時(shí)使得終端隊(duì)列長度在帶寬請(qǐng)求分配過程中產(chǎn)生累計(jì)效應(yīng)，引起終端隊(duì)列長度的劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致按需分配過程的不穩(wěn)定性?；诳刂评碚摰牡孛嬲?qǐng)求策略將帶寬請(qǐng)求分配過程建模為具有時(shí)延(時(shí)延等于按需請(qǐng)求分配周期)的反饋系統(tǒng)，從而保證了終端隊(duì)列長度的穩(wěn)定，消除了因?yàn)殚L時(shí)延導(dǎo)致的資源分配的盲目性，充分合理地利用了帶寬。

文獻(xiàn)[9]作者基于控制理論對(duì)GEO衛(wèi)星ATM網(wǎng)的終端請(qǐng)求策略進(jìn)行改進(jìn)。在地面請(qǐng)求算法中引用Smith預(yù)測器和反饋控制。地面終端當(dāng)前申請(qǐng)時(shí)隙數(shù)目 rreq(t)由緩存中的隊(duì)列長度 qTT(t)以及上一個(gè)請(qǐng)求分配周期內(nèi)總的申請(qǐng)時(shí)隙數(shù)目共同決定，如式（1）所示：

比例因子K決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，K越小系統(tǒng)越穩(wěn)定，但穩(wěn)態(tài)隊(duì)列長度越長。但該策略沒有考慮終端業(yè)務(wù)特點(diǎn)和衛(wèi)星鏈路上行負(fù)載狀況，所分配的時(shí)隙資源始終被完全利用，整體時(shí)延性能較差。文獻(xiàn)[10]在此基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載對(duì)地面請(qǐng)求策略進(jìn)行了改進(jìn)，規(guī)定終端參考隊(duì)列長度隨系統(tǒng)負(fù)載的大小實(shí)時(shí)調(diào)整，從而降低了終端隊(duì)列長度，減小了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的排隊(duì)等待時(shí)間，改善了業(yè)務(wù)時(shí)延性能。

基于控制理論的地面請(qǐng)求策略以經(jīng)典的控制論為基礎(chǔ)，不依賴于業(yè)務(wù)模型，適合任何業(yè)務(wù)源，同時(shí)以終端隊(duì)列長度為控制目標(biāo)，使得隊(duì)列長度能夠始終跟蹤設(shè)定的參考值，避免累計(jì)效應(yīng)帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性問題。但這種基于反饋控制的策略只是根據(jù)已到達(dá)業(yè)務(wù)情況計(jì)算帶寬請(qǐng)求數(shù)量，屬于純反應(yīng)式，業(yè)務(wù)排隊(duì)時(shí)延較長。

3 結(jié)語

這里總結(jié)了寬帶GEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中影響MAC協(xié)議性能的主要因素，考慮到地面請(qǐng)求策略和資源分配方式對(duì)協(xié)議性能的影響，重點(diǎn)分析兩種多址接入方案：基于混合式自適應(yīng)分配機(jī)制的媒體接入控制協(xié)議結(jié)合了各種接入控制方式的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)不同業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的優(yōu)化；基于地面請(qǐng)求策略的動(dòng)態(tài)分配多址接入?yún)f(xié)議將地面請(qǐng)求策略應(yīng)用于協(xié)議設(shè)計(jì)當(dāng)中，簡化了星上設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)突發(fā)性業(yè)務(wù)流量的有效控制。

在接下來的研究中可以考慮將預(yù)測機(jī)制與控制理論相結(jié)合，在反饋過程中加入預(yù)測算法以改善其純反應(yīng)式工作時(shí)的時(shí)延性能。同時(shí)可以考慮將適合于多業(yè)務(wù)的地面請(qǐng)求策略應(yīng)于混合式自適應(yīng)分配多址協(xié)議當(dāng)中。

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