張荻

摘要：DVB-RCS系統(tǒng)的帶寬資源受限于衛(wèi)星載荷和星上環(huán)境，對(duì)星上帶寬資源的管理通常采用動(dòng)態(tài)帶寬分配的方式。本文設(shè)計(jì)了一種基于非線(xiàn)性規(guī)劃的跨層動(dòng)態(tài)帶寬分配算法，在帶寬分配算法中引入跨層設(shè)計(jì)思想，綜合考慮應(yīng)用層用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量和物理層編碼調(diào)制方式的影響，構(gòu)造新的效用函數(shù)，并利用非線(xiàn)性規(guī)劃進(jìn)行求解。仿真結(jié)果表明，與經(jīng)典分配算法相比，該算法在系統(tǒng)吞吐量、公平性和用戶(hù)滿(mǎn)意度上都有所提升，同時(shí)降低帶寬分配過(guò)程中的計(jì)算復(fù)雜度，適合用戶(hù)數(shù)量快速增加的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：通信與信息系統(tǒng)；跨層動(dòng)態(tài)帶寬分配；非線(xiàn)性規(guī)劃；衛(wèi)星通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN927+.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.09.023

0 引言

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展使得系統(tǒng)服務(wù)的用戶(hù)數(shù)量、數(shù)據(jù)流量大幅增加，系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)也更多樣化?；谶@一發(fā)展趨勢(shì)，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（EuropeanTelecommumcations Standards Institute. ETSI）制定了衛(wèi)星通信系統(tǒng)DVB-RCS（Digital Video Broadcasting-Retum Channel via Satellite）標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)范化設(shè)計(jì)。DVB-RCS協(xié)議規(guī)定了編碼調(diào)制方式、幀結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，但未對(duì)資源管理方式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，衛(wèi)星系統(tǒng)可以根據(jù)需要采取靈活的資源管理措施。因此，在星上帶寬資源有限、用戶(hù)對(duì)帶寬需求量大、需求多樣化、用戶(hù)鏈路傳輸速率不同的情況下，如何更加合理的分配帶寬資源成為衛(wèi)星通信中的研究熱點(diǎn)。

經(jīng)典的帶寬分配算法只考慮用戶(hù)請(qǐng)求的帶寬資源數(shù)量，不能綜合考慮用戶(hù)服務(wù)類(lèi)型和物理層信道特征，其分配結(jié)果往往很難達(dá)到較高的公平性和效用，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量較低?？鐚釉O(shè)計(jì)思想打破層間的信息阻礙，將用戶(hù)請(qǐng)求帶寬資源數(shù)量、用戶(hù)服務(wù)類(lèi)型和物理層編碼調(diào)制方式信息進(jìn)行綜合考慮，得到效用更高的分配結(jié)果，提升系統(tǒng)的吞吐量。跨層設(shè)計(jì)思想在地面無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用較為廣泛，而由于衛(wèi)星通信環(huán)境的特殊性，地面通信中的跨層帶寬分配算法不適用于衛(wèi)星通信，相關(guān)研究還未完善。早期研究引入效用函數(shù)的思想，根據(jù)通信環(huán)境的變化，對(duì)帶寬進(jìn)行實(shí)時(shí)的分配。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶寬分配模型可以應(yīng)用跨層公平注水算法求解。使用請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)量和最小保證時(shí)隙數(shù)量建立新的效用函數(shù)模型，也可以在一定程度上提升系統(tǒng)吞吐量。

本文在分析了多種動(dòng)態(tài)帶寬分配（dynamicbandwidth allocation，DBA）策略流程和性能的基礎(chǔ)上，對(duì)常用的跨層效用函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出新的跨層效用DBA模型，并設(shè)計(jì)其計(jì)算流程。本算法提升了DVB-RCS系統(tǒng)的吞吐量、絕對(duì)公平性和用戶(hù)滿(mǎn)意度，同時(shí)計(jì)算復(fù)雜度低，節(jié)約計(jì)算資源。

l DVB-RCS系統(tǒng)

如圖1所示，DVB-RCS系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)控制中心（Network Control Center，NCC）、轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星和用戶(hù)終端組成。在帶寬請(qǐng)求的過(guò)程中，用戶(hù)終端根據(jù)需求向衛(wèi)星發(fā)送帶寬請(qǐng)求，該請(qǐng)求通過(guò)反向鏈路由衛(wèi)星和信關(guān)站傳遞給NCC，由NCC根據(jù)系統(tǒng)帶寬資源分配算法執(zhí)行分配功能，分配結(jié)果通過(guò)前向鏈路回傳給用戶(hù)終端，用戶(hù)終端根據(jù)收到的分配結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)定義了以下五種帶寬請(qǐng)求類(lèi)型。

恒定速率分配（Constant Rate Assignment，CRA）：用戶(hù)終端與NCC進(jìn)行協(xié)商，確定一個(gè)固定速率，用戶(hù)終端以此速率進(jìn)行傳輸。

基于速率的動(dòng)態(tài)容量（Rate Based DynamicCapacity，RBDC）：根據(jù)業(yè)務(wù)速率進(jìn)行帶寬請(qǐng)求，可以在傳輸過(guò)程中進(jìn)行協(xié)商調(diào)整，有最大速率限制。

基于容量的動(dòng)態(tài)容量（Volume Based DynamicCapacity，VBDC）：根據(jù)節(jié)點(diǎn)的緩存數(shù)量進(jìn)行帶寬請(qǐng)求，數(shù)量是積累性的。

絕對(duì)基于容量的動(dòng)態(tài)容量（Absolutely VolumeBased Dynamic Capacity，AVDBC）：請(qǐng)求數(shù)量是絕對(duì)的，每次發(fā)送請(qǐng)求代替上一次的帶寬請(qǐng)求。

自由容量分配（Free Capacity Assignment，F(xiàn)CA）：系統(tǒng)將剩余未使用的帶寬非配給用戶(hù)終端。

上述五種帶寬請(qǐng)求類(lèi)型中，CRA屬于固定帶寬分配（Fixed Bandwidth Assignment，F(xiàn)BA），其他四種屬于動(dòng)態(tài)帶寬分配。由于FBA的帶寬不能根據(jù)業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)改變，會(huì)引起資源浪費(fèi)，而衛(wèi)星系統(tǒng)用戶(hù)多，帶寬資源有限，因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)中適合采用DBA的分配方式。

DBA根據(jù)業(yè)務(wù)狀態(tài)對(duì)帶寬資源進(jìn)行實(shí)時(shí)分配，保證每一時(shí)刻帶寬資源都能得到高效利用，從而大幅提高信道利用率，保證更多用戶(hù)的通信需求，提升系統(tǒng)的吞吐量。但是經(jīng)典的DBA算法計(jì)算復(fù)雜度較高，尤其在用戶(hù)較多的情況下，會(huì)占用大量的計(jì)算資源，因此需要在保證分配性能的同時(shí)對(duì)經(jīng)典算法進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其更加適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

DVB-RCS系統(tǒng)采用時(shí)分多址的接入方式，有研究論證了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中時(shí)分多址接入的優(yōu)越性，因此本文的帶寬分配算法針對(duì)時(shí)分多址方式建立模型，即把帶寬的分配看作時(shí)隙數(shù)量的分配。

2 基于非線(xiàn)性規(guī)劃的跨層DBA

衛(wèi)星通信的DBA模型通?？紤]系統(tǒng)吞吐量、絕對(duì)公平性和用戶(hù)滿(mǎn)意度這三個(gè)指標(biāo)。提升系統(tǒng)吞吐量可以增加帶寬資源的利用率，提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能，為更多的用戶(hù)提供通信服務(wù)；從用戶(hù)角度來(lái)看，每個(gè)用戶(hù)分配到的帶寬與用戶(hù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、對(duì)帶寬數(shù)量需求的符合程度是衡量系統(tǒng)通信服務(wù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)在數(shù)值上就是絕對(duì)公平性和用戶(hù)滿(mǎn)意度。由于系統(tǒng)帶寬資源有限，保證系統(tǒng)性能的同時(shí)必然會(huì)降低單個(gè)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量，因此吞吐量與公平性、滿(mǎn)意度之間存在著根本矛盾。DBA的主要工作就是在這三個(gè)指標(biāo)之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，兼顧系統(tǒng)性能與用戶(hù)QoS。

本文在經(jīng)典帶寬分配思路中引入跨層設(shè)計(jì)思想，建立簡(jiǎn)化的跨層DBA模型，設(shè)計(jì)了非線(xiàn)性規(guī)劃和貪婪算法相結(jié)合的求解算法，并通過(guò)仿真證明其性能。

2.1 基于非線(xiàn)性規(guī)劃的跨層DBA模型

衛(wèi)星通信中的DBA模型通常使用效用函數(shù)的形式。綜合考慮多放面因素建立效用函數(shù)，求其最優(yōu)解，即可得到帶寬分配結(jié)果。

由于衛(wèi)星通信中用戶(hù)請(qǐng)求業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)、請(qǐng)求帶寬大小、保證服務(wù)的最小帶寬大小、終端的鏈路狀態(tài)都會(huì)對(duì)分配結(jié)果的性能產(chǎn)生影響，因此引入跨層設(shè)計(jì)的思想，將應(yīng)用層的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)信息和物理層的信道狀態(tài)信息傳輸?shù)芥溌穼?，建立統(tǒng)一的效用函數(shù)。假設(shè)有N個(gè)用戶(hù)參與時(shí)隙分配，常用跨層效用函數(shù)形式如式（1）。

上述效用函數(shù)有需要完善的地方，本文考慮如下四點(diǎn)對(duì)效用函數(shù)進(jìn)行了修改。

（l）由于效用函數(shù)中包含兩個(gè)不同的對(duì)數(shù)項(xiàng)且代表鏈路狀態(tài)的系數(shù)是隨機(jī)的，其求解過(guò)程通常需要使用復(fù)雜的非線(xiàn)性整數(shù)規(guī)劃或迭代算法（如貪婪算法等），計(jì)算復(fù)雜度很高且與用戶(hù)數(shù)的平方正相關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)容納用戶(hù)較多時(shí)，很難保證實(shí)時(shí)的帶寬分配。本文對(duì)DBA模型進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，以減少計(jì)算量。

（2）由于衛(wèi)星通信環(huán)境較差，通常采用BPSK或QPSK的固定調(diào)制方式，因此經(jīng)典跨層效用函數(shù)中只考慮低階調(diào)制方式的影響。隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的增強(qiáng)和對(duì)星地信道研究的深入，現(xiàn)有的傳輸技術(shù)已經(jīng)能夠在保證誤碼性能的同時(shí)提升調(diào)制階數(shù)，因此本文將調(diào)制階數(shù)M，引入效用函數(shù)。

（3）在用戶(hù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)普遍較高時(shí)，優(yōu)先級(jí)絕對(duì)值高并不會(huì)使用戶(hù)獲得更多的時(shí)隙，因此使用優(yōu)先級(jí)相對(duì)值代替優(yōu)先級(jí)絕對(duì)值。同樣的，為了平衡優(yōu)先級(jí)和鏈路狀態(tài)之間的關(guān)系，對(duì)鏈路狀態(tài)也采用相對(duì)值系數(shù)進(jìn)行處理。

（4）為了保證用戶(hù)的基本通信服務(wù)，優(yōu)先為每位用戶(hù)分配最小保證時(shí)隙，剩余時(shí)隙按效用函數(shù)最大化原則講行分配。

對(duì)效用增量進(jìn)行由大到小排序。

為效用增量最大的用戶(hù)分配一個(gè)時(shí)隙并更新此用戶(hù)的效用增量值。每分配一次都計(jì)算該用戶(hù)的已分配時(shí)隙數(shù)是否等于其請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)，若相等，則下次分配不再考慮該用戶(hù)，以此來(lái)保證式（4）的約束條件成立。重復(fù)此分配過(guò)程，每一次只為效用增量值最大的用戶(hù)分配，直至將所有剩余時(shí)隙分配完畢，算法結(jié)束。

算法完整流程圖如下。

3 算法仿真與性能分析

3.1 仿真場(chǎng)景

本文通過(guò)仿真驗(yàn)證基于非線(xiàn)性規(guī)劃的跨層DBA算法性能。論文選取傳統(tǒng)跨層效用函數(shù)DBA算法和跨層公平注水算法作為對(duì)比，分析本文算法的改進(jìn)。

仿真場(chǎng)景中使用的調(diào)制階數(shù)根據(jù)DVB-RCS2協(xié)議規(guī)定的四種調(diào)制方式進(jìn)行映射，如表l。

3.2 仿真結(jié)果及分析

在上述的仿真場(chǎng)景中，當(dāng)可分配時(shí)隙數(shù)為100時(shí)，對(duì)三種算法進(jìn)行仿真，得到的時(shí)隙分配結(jié)果如圖3。

如表4所示，本文提出的跨層非線(xiàn)性規(guī)劃DBA算法與跨層效用函數(shù)DBA算法和跨層公平注水算法相比，吞吐量分別提升了17.80和20.87個(gè)等效時(shí)隙，公平性提升了0.2696和0.0450；用戶(hù)滿(mǎn)意度提升了0.0259和0.0118。

通常系統(tǒng)的總時(shí)隙數(shù)是變化的，因此本文對(duì)不同時(shí)隙數(shù)的情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖4、圖5、圖6。

由圖4可以看出，本文提出的基于非線(xiàn)性規(guī)劃的跨層DBA算法在帶寬資源很少的情況下效用值較低，這是由于在保證用戶(hù)最小保證時(shí)隙的情況下，每個(gè)用戶(hù)平均只能分到1-2個(gè)時(shí)隙，而算法中需要對(duì)非線(xiàn)性規(guī)劃的小數(shù)進(jìn)行省略，因此對(duì)效用值產(chǎn)生了較大影響，但在大部分情況下，本算法的效用值明顯高于另外兩種算法。

從圖5上看，由于跨層非線(xiàn)性規(guī)劃算法在系統(tǒng)模型上增加了調(diào)制階數(shù)這一參數(shù)，并且使用現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的多種調(diào)制編碼方式進(jìn)行仿真，更加接近現(xiàn)階段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的真實(shí)情況，因此與跨層效用函數(shù)算法和跨層公平注水算法相比，其系統(tǒng)吞吐量有較大提升。

由圖6可以看出，本文所提算法綜合考慮業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)、物理層信道狀態(tài)和用戶(hù)需求量，平衡各用戶(hù)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，使用戶(hù)滿(mǎn)意度得到較高的保證。

另外，在計(jì)算方法上使用非線(xiàn)性規(guī)劃與貪婪算法相結(jié)合的方式，與常用的基于整數(shù)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等計(jì)算方法的DBA算法相比，可以在保證求得最優(yōu)解的同時(shí)有效減少計(jì)算量，降低對(duì)系統(tǒng)計(jì)算資源的消耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)DVB-RCS系統(tǒng)建立了跨層分配模型，并提出了基于非線(xiàn)性規(guī)劃和貪婪算法的計(jì)算方法。仿真結(jié)果表明，由于綜合考慮了QoS優(yōu)先級(jí)和物理層信道狀態(tài)，跨層非線(xiàn)性規(guī)劃算法在帶寬資源基本充足時(shí)表現(xiàn)出較高的效用，其吞吐量、絕對(duì)公平性和滿(mǎn)意度較經(jīng)典算法均有所提升。