摘要：為了提高寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上行信道資源的利用率，同時保障多媒體業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量要求，需要采用合適的媒體接八控制協(xié)議。BTDAMA可以顯著減少自相似業(yè)務(wù)的等待時延，并且提高了資源利用率。但它沒有區(qū)分業(yè)務(wù)類型，不能保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，也造成了一定程度上資源的浪費。在BTDAMA的基礎(chǔ)上提出了一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的帶寬分配算法，針對不同的業(yè)務(wù)類型采用不同的分配方案，不僅保證了各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，同時提高了資源利用率。

關(guān)鍵詞：寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；MAC協(xié)議；業(yè)務(wù)優(yōu)先級；BTDAMA

中圖分類號：TN925-34 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2012)03-0071-03

引言

寬帶衛(wèi)星通信是當前通信技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隨著寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的用戶開始使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸各種業(yè)務(wù)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是典型的一對多點通信網(wǎng)，多個用戶通過共享有限的上行信道資源接入網(wǎng)絡(luò)。但是由于衛(wèi)星自身的特點，如鏈路傳播時延長(尤其對于同步軌道衛(wèi)星)，信道帶寬受限以及高的鏈路誤碼率等，大大影響了媒體接人控制協(xié)議(MediumAccess Control，MAC)的使用效率。有效的衛(wèi)星MAC協(xié)議不僅可以提高信道資源的利用率，還能保障不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求，是實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是目前的研究熱點。

特別地，當前多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展對衛(wèi)星接人控制協(xié)議提出了更高的要求。針對GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點，文獻已經(jīng)提出了多種衛(wèi)星MAC協(xié)議，如固定和按需分配相結(jié)合的分配協(xié)議(Combined Fixed/Demand Assign-ment Multiple Access)[J]，昆合自由按需分配的多址接人協(xié)議CFDAMA(Combined Free/8Demand Assign-ment Multiple Access)，突發(fā)目標按需分配協(xié)議BT-DAMA(Burst Targeted Demand Asslgnment MultipieAccess)13]，以及各種協(xié)議的改進版本。根據(jù)業(yè)務(wù)背景的不同，每種協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點。本文在多媒體業(yè)務(wù)背景下，提出一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的BTDAMA方案，改善了原本協(xié)議的性能。

1突發(fā)目標按需分配BTDAMA

P.D.MitcheIl在文獻[3]中首次提出了BTDAMA思想。該方案的主要目標是減少ON-OFF信源的按需分配請求時延，從而提高帶寬使用率。在本質(zhì)上現(xiàn)代的數(shù)據(jù)傳輸是ON/OFF模型而不是傳統(tǒng)假設(shè)的泊松模型，這已得到廣泛的支持和公認。因此，BTDAMA方式的思想和概念是通過考慮如何有效地支持ON/OFF類型數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨傅玫綉?yīng)用的。

BTDAMA算法的上行鏈路幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為請求時隙和業(yè)務(wù)時隙。請求時隙以輪詢方式分配給各個終

端，請求時隙是無競爭的且被用作突發(fā)性傳輸標志。終端本質(zhì)上是請求衛(wèi)星信道的接人權(quán)，并且隨后接收所需分配的連續(xù)信道能量。分配方式的主要思想如下：調(diào)度中心維持兩個表，一個表包含了所有標記為ON的終端，另一個記錄了所有標記為OFF的終端。ON表示終端有資源請求，OFF表示沒有資源請求。當終端有業(yè)務(wù)到達時，則利用請求時隙發(fā)送ON標志。資源管理中心收到請求分組后，將相應(yīng)終端從OFF表移到ON表的末端。調(diào)度中心通過合適的輪詢機制為ON表中所有終端分配自由時隙用于數(shù)據(jù)傳輸，從而降低了業(yè)務(wù)的傳輸時延。當業(yè)務(wù)傳輸結(jié)束時，終端發(fā)送OFF標志，表示終端不再需要業(yè)務(wù)時隙。資源管理中心收到該請求后，將終端從ON表移到OFF表的終端，不在為其分配業(yè)務(wù)時隙。

2基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的BTDAMA

BTDAMA可以顯著減少自相似業(yè)務(wù)的等待時延，并且提高了資源利用率。但它沒有區(qū)分業(yè)務(wù)類型，對所有業(yè)務(wù)都執(zhí)行統(tǒng)一的分配標準，不能保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求，也造成了一定程度上資源的浪費。當網(wǎng)絡(luò)中存在多種不同類型的業(yè)務(wù)時(如傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)、視頻會議和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等)，需要對該算法進行改進以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的速率和時延要求。如何保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS要求，同時盡可能滿足低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的時延性能，并且能有效地利用緊缺的衛(wèi)星帶寬資源是本文研究的出發(fā)點。

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的接人控制算法的衛(wèi)星系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示，采用MF-TDMA多址方式。調(diào)度器工作在集中控制方式，其既可位于衛(wèi)星，也可位于地面站。對于調(diào)度器位于衛(wèi)星的情形，地面站發(fā)出預(yù)約請求到收到相應(yīng)時隙分配方案的時間間隔約為一個RTT，對于調(diào)度器位于地面站的情形，地面站發(fā)出預(yù)約請求到收到相應(yīng)時隙分配方案的時間間隔約為兩個RTT。本文考慮調(diào)度器位于衛(wèi)星的情況。

借鑒IEEE 802.16標準，在本文中定義了四種不同業(yè)務(wù)優(yōu)先級：

(1)主動授權(quán)業(yè)務(wù)(UGS)：針對的是實時性強、以固定速率傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，例如IP語音業(yè)務(wù)(VoIP)。UGS的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)主要是最大持續(xù)流量速率和時延抖動。業(yè)務(wù)的峰值速率就是最大持續(xù)業(yè)務(wù)速率，又因為UGS是固定速率業(yè)務(wù)，所以其最大持續(xù)業(yè)務(wù)速率與其最小保留業(yè)務(wù)速率相等。

(2)實時輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)：針對的是實時性強，傳輸速率可變的業(yè)務(wù)，例如MPEG格式的視頻業(yè)務(wù)。就rtPS業(yè)務(wù)而言，其最大持續(xù)業(yè)務(wù)速率大于其最小保留業(yè)務(wù)速率。除此之外，rtPS業(yè)務(wù)的重要QoS參數(shù)是最大延遲時間。

(3)非實時輪詢業(yè)務(wù)(nrtPS)：針對非實時性的數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)，能容忍時延、有最小傳輸速率要求的變長分組業(yè)務(wù)流，如FTP下載業(yè)務(wù)。為nrtPS業(yè)務(wù)分配帶寬時，要考慮傳輸要求的最小帶寬。

(4)盡力而為業(yè)務(wù)(BE)：針對盡力提供服務(wù)但不需要提供服務(wù)質(zhì)量保證的非實時性業(yè)務(wù)，如E-mail，網(wǎng)頁瀏覽等業(yè)務(wù)。

2.2帶寬分配算法

該算法的上行鏈路幀格式如圖3所示，包括請求時隙和業(yè)務(wù)傳輸時隙。請求時隙以單播或組播輪詢方式分

配給終端。星上維持5個表：UGS表，rtPS表，nrtPS表，BE表和OFF表。請求時隙以單播輪詢或多播輪詢的方式分配給OFF表中的各個終端。終端有業(yè)務(wù)到達時，首先按預(yù)先定義的分類標準將數(shù)據(jù)分組歸類；然后利用以輪詢方式分配的請求時隙發(fā)送帶寬請求，該請求包含了終端ID號以及業(yè)務(wù)類型等信息。當星上調(diào)度器收到請求后，根據(jù)請求信息中的業(yè)務(wù)類型將相應(yīng)的終端放入對應(yīng)的表中。例如，終端A發(fā)送了UGS業(yè)務(wù)的帶寬請求信息，衛(wèi)星在收到該請求后，將A終端從OFF表移到UGS表的末端。

在每幀開始時，調(diào)度器首先統(tǒng)計OFF表中的終端數(shù)量，然后根據(jù)終端數(shù)量的大小決定使用哪種輪詢方式。如果終端數(shù)量不大于請求時隙數(shù)目的2倍，則使用單播輪詢方式，反之則使用多播輪詢方式(即幾個終端競爭同一個請求時隙，沒有帶寬請求的終端不允許發(fā)送請求信息，這種方式減少了產(chǎn)生沖突的概率)。

下面具體介紹不同類型業(yè)務(wù)所對應(yīng)的帶寬請求和分配算法。

(1)UGS業(yè)務(wù)：前面已經(jīng)提到過，UGS業(yè)務(wù)為具有實時性的固定速率業(yè)務(wù)，因此當終端發(fā)送對該類業(yè)務(wù)的請求時，需要標注需要的業(yè)務(wù)速率。衛(wèi)星收到請求后將該終端從OFF表移到UGS表的末端，同時按請求信息中標明的業(yè)務(wù)速率為該終端分配時隙。這類業(yè)務(wù)主要使用輪詢方式發(fā)送帶寬申請，但當終端已有一個UGS業(yè)務(wù)時，其他UGS業(yè)務(wù)使用捎帶方式發(fā)送帶寬申請。

(2)rtPS業(yè)務(wù)：終端在發(fā)送對該類業(yè)務(wù)的帶寬申請時需要標注終端業(yè)務(wù)隊列長度和業(yè)務(wù)到達速率的參考信息(若無此類信息時，則按統(tǒng)計的一般情形對待)。衛(wèi)星收到請求后將該終端添加到RtPS表末端(注意該終端并不從OFF表中移出)，并參考業(yè)務(wù)隊列和達到速率信息決定分配的時隙數(shù)量。獲得帶寬資源的終端移到rtPS表的末尾。當終端已有一個正在傳輸?shù)腢GS業(yè)務(wù)時，rtPS業(yè)務(wù)使用捎帶方式發(fā)送帶寬申請。

(3)nrtPS業(yè)務(wù)：根據(jù)前面的介紹，已經(jīng)知道nrtPS業(yè)務(wù)對時延沒有要求，但有最小傳輸速率要求，因此終端在發(fā)送該類業(yè)務(wù)請求時需要標明最小傳輸速率、終端隊列長度和業(yè)務(wù)到達速率信息，以便調(diào)度器為該類業(yè)務(wù)分配合理的帶寬。衛(wèi)星收到請求后，將終端放人nrtPS表末端，但并不將終端從OFF表中移出。之后按請求時隙中的信息，為其分配相應(yīng)帶寬。同rtPS業(yè)務(wù)一樣，獲得帶寬資源的終端移到nrtPS表的末尾。當終端已有一個正在傳輸?shù)腢GS業(yè)務(wù)時，nrtPS業(yè)務(wù)使用捎帶方式發(fā)送帶寬申請。

(4)BE業(yè)務(wù)：此類業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量沒有任何要求，可使用最簡單的帶寬請求和分配方式。請求時隙中除了業(yè)務(wù)類型和終端ID外，不再需要標注其他信息。衛(wèi)星在收到該類請求后，將終端放人BE表的末端，同時保留終端仍在OFF表。調(diào)度器完成前面幾種業(yè)務(wù)的分配后，若有剩余時隙則將其分配給BE表前面的終端，并將獲得帶寬的終端移到BE表的末尾。當終端已有一個正在傳輸?shù)腢GS業(yè)務(wù)時，BE業(yè)務(wù)使用捎帶方式發(fā)送帶寬申請。

對于上面的每種業(yè)務(wù)，當業(yè)務(wù)連接終止時，需要向星上調(diào)度中心發(fā)送OFF標志，以終止其對信道資源的占用。有UGS業(yè)務(wù)連接的終端使用捎帶方式發(fā)送某個業(yè)務(wù)的傳輸結(jié)束，否則，利用分配的請求時隙發(fā)送OFF標志。同時將終端從響應(yīng)的業(yè)務(wù)類型表中清除，并將其置于OFF表的末端。

3結(jié)語

隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持的用戶數(shù)量及業(yè)務(wù)種類的增加，本來就有限的衛(wèi)星信道資源變得更加緊缺。解決不同用戶和不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)對信道的共享問題是目前研究的熱點。本文在BTDAMA接入控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對其分配算法的不足，提出了一種改進方案。采用IEEE 802.16的分類標準，將用戶業(yè)務(wù)分為UGS，rtPS，nrtPS和BE業(yè)務(wù)，并在星上根據(jù)業(yè)務(wù)類型采用不同分配算法。既保證了不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，同時提高了信道資源的利用率。為了實現(xiàn)更高的信道資源利用率，對請求時隙的數(shù)量和幀長的設(shè)計仍是未來需要研究的問題。

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