班亞明，李斌成，樂 強

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.普華永道管理咨詢有限公司，上海 200021)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中網管信令傳輸優(yōu)化及仿真

班亞明1，李斌成1，樂 強2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.普華永道管理咨詢有限公司，上海 200021)

受限帶寬下的網管信令突發(fā)碰撞是影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)網管信令傳輸效率的主要因素。針對窄帶寬下信令突發(fā)引起的衛(wèi)星網管信令傳輸效率低的問題，在綜合分析衛(wèi)通網管系統(tǒng)管理信息傳輸流程的基礎上，對網管信令傳輸現狀進行了仿真，提出了一種網管信令傳輸優(yōu)化方案。該方案將QoS技術應用于衛(wèi)通網管信息傳輸，并通過排隊調度和流量控制實現信息高效傳輸。仿真驗證及系統(tǒng)實測表明，優(yōu)化后的網管信令傳輸能力和效率得到了較大提升，該優(yōu)化方案在提高衛(wèi)星系統(tǒng)管理性能方面具有科學性和有效性。

衛(wèi)星通信；流量傳輸；排隊調度；流量整形；頻分多址

0 引言

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有站型多樣化、管理復雜化和應用多元化等特點，所以系統(tǒng)網管信令在傳輸過程中數據流量不穩(wěn)定，特別是在衛(wèi)通站集中入網或大規(guī)模網狀通信時表現尤為明顯。因此，如何在帶寬受限的特定傳輸通道中實現網管信令的可靠傳輸，已成為衛(wèi)通網管系統(tǒng)建設[1]的重要問題。

許多文獻中對衛(wèi)星通信網絡傳輸[2]的研究都是基于理想的通信環(huán)境[3]，沒有考慮到系統(tǒng)信道環(huán)節(jié)對信令傳輸質量的影響，主要表現為在受限帶寬情況下業(yè)務申請、集中入網和批量參數上報[4]過程中因傳輸過載導致的信令丟失。目前大多數衛(wèi)通系統(tǒng)采用信令重傳機制保證信令可靠傳輸，該機制一定程度上解決了網管信令傳輸問題，但卻導致網管信令傳輸通道更加擁擠，甚至重要信令無法實時到達。本文針對衛(wèi)星通信網網管信令傳輸效率低的問題，在綜合分析網管信令特性、信令傳輸通道特點等基礎上，提出了網管信令傳輸優(yōu)化技術，并設計了軟件實現方案。

1 衛(wèi)通網網管信令

1.1 衛(wèi)通網網管系統(tǒng)

為模擬當前衛(wèi)星網管系統(tǒng)集中化、統(tǒng)一化的管理特點[4]，仿真系統(tǒng)采用網管中心、網管代理的集中管理方式，由網管中心、網管代理和網管信道形成端到端的管理體系結構[5]?；谠摴芾眢w系結構，形成統(tǒng)一的運行、管理控制框架和平臺，模擬實現衛(wèi)通網信道設備的集中監(jiān)控和業(yè)務資源的統(tǒng)一管理[6]。

模擬網管系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

圖1 模擬網管系統(tǒng)體系結構

1.2 網管信令分析

在實際應用中，網管系統(tǒng)信令數據量主要集中在網管代理至網管中心的方向，故以代理至中心為重點對網管系統(tǒng)管理流程[7]進行分析，并梳理各類管理信息特征。網管信令發(fā)送特征如表1所示。

表1 信令特征統(tǒng)計

通過對國內外網管系統(tǒng)實例調研可知，表1中的管理信令主要集中體現在：① 網管中心定期發(fā)送廣播通告；② 各遠端站發(fā)送入網請求；③ 遠端站上報設備監(jiān)控信息；④ 其他隨機突發(fā)信息上報。其中，隨機突發(fā)信息上報過程發(fā)生頻率較低，數據量較小，對仿真結果的影響可忽略不計。流量仿真主要在前向廣播、入網請求及監(jiān)控上報過程域進行流量仿真，研究各網管節(jié)點的流量特性。

1.3 網管信道

通過分析研究國內外衛(wèi)通網管系統(tǒng)可知，網管信道體制主要有TDM/STDMA、TDM/TDMA、TDM/ALOHA、TDMA[8]和地面IP網[9]。調研的衛(wèi)通網管系統(tǒng)信道體制[10]均具有同一特征：網管信道帶寬固定且受限，大規(guī)模網管數據傳輸存在丟幀重傳現象。為使仿真方案更具通用性，對使用固定受限帶寬地面IP網作為網管信道的衛(wèi)通系統(tǒng)展開模擬仿真[11]。

2 仿真方案

系統(tǒng)仿真方案中，使用模擬網管中心及網管代理作為網管信令源，針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)網管信息傳輸特性[12]展開系統(tǒng)仿真工作過程及場景設計。

衛(wèi)通網管系統(tǒng)網管代理仿真模擬環(huán)境設置為：網管代理管理30個設備，設備參數變化間隔為1 s。

借鑒國內外衛(wèi)通網管系統(tǒng)網管信道建設情況及系統(tǒng)管理規(guī)模[13]，模擬信道帶寬及管理規(guī)模，設置如下：網管代理信道帶寬設置為32 kbps；網管中心信道帶寬設置為384 kbps；網管系統(tǒng)規(guī)模為100個地球站；網管中心查詢地球站時間間隔為10 s[14]。

針對前向廣播、入網請求和監(jiān)控上報流程，在模擬網管中心和網管代理節(jié)點內，仿真軟件收集時間維度上的網管信令流量數據[15]。

3 系統(tǒng)網管數據傳輸仿真

3.1 代理網管數據傳輸仿真

網管代理收到廣播通告入網后會集中上報設備參數狀態(tài)信令，平時采用參數變化上報及查詢上報機制發(fā)送信令。網管代理方向不采用流量控制策略時流量仿真結果如圖2所示。

圖2 網管代理無流控仿真結果

3.2 中心網管數據傳輸仿真

衛(wèi)通網網管信令無流量控制情況下，網管中心方向網管信令流量仿真如圖3所示。

圖3 網管中心無流控仿真結果

3.3 仿真結果分析

網管代理方向：網管代理入網時因入網、設備參數集中上報信令導致大規(guī)模流量突發(fā)，瞬時信息速率可達200 kbps，超出信道承載量5倍左右。實測中有大規(guī)模丟包現象，丟包率高達80%，而入網階段結束后數據流量突發(fā)不明顯，信道利用率降至10%以下。

網管中心方向：網管代理批量入網時因地球站集中入網請求及設備參數上報導致大規(guī)模流量突發(fā)，瞬時信息速率達到7 500 kbps，超出信道承載量20倍左右。實測中由于碰撞及信道擁塞導致丟包現象尤其顯著，丟包率高達90%，而入網階段結束后數據流量突發(fā)不明顯，信道利用率降至10%以下。

在網管系統(tǒng)實際應用中，對于初始階段或信息傳輸高峰階段，因系統(tǒng)信道帶寬產生的碰撞丟幀現象多采用信令重發(fā)解決，但信令傳輸問題解決的同時也使得信道資源利用率偏低。因此，有必要提出一種可靠高效的網管信息傳輸方案來解決信道擁塞導致的網管數據丟失及信道資源利用率低的問題。

4 網管信令傳輸優(yōu)化分析及設計

4.1 網管信令傳輸優(yōu)化技術分析

網管信令傳輸優(yōu)化技術旨在滿足網管信令突發(fā)數據流對數據傳輸高可靠性的要求，為網管信令傳輸提供專門的服務質量保證。網管信令傳輸優(yōu)化技術采用QoS機制[16]實現，QoS是通過為網絡中傳輸的信令設定相應的流量管理策略，降低突發(fā)數據等對信令傳輸的影響。QoS機制不能創(chuàng)造帶寬，只能根據用戶需求合理劃分其使用帶寬，提供與特定應用需求相匹配的服務質量，最大限度地提高信道帶寬利用率。

網管信令傳輸的QoS技術主要針對信令傳輸進行流量控制和隊列調度。

4.1.1 排隊調度

排隊調度是將分類好的數據包按一定的策略排隊，當擁塞發(fā)生時，按指定策略對數據包進行調度，決定哪些數據包可優(yōu)先發(fā)送、哪些數據包可延遲發(fā)送。設計方案采用絕對優(yōu)先隊列(PQ)進行排隊調度。

PQ首先對網管信令進行分類，在發(fā)生擁塞時較高優(yōu)先級隊列中的網管信令將會優(yōu)先被發(fā)送，而低優(yōu)先級的網管信令則延遲被發(fā)送。PQ可使關鍵網管信令(如資源分配)得到優(yōu)先處理，非關鍵信令(如設備監(jiān)控信息)在關鍵信令處理后發(fā)送，在保證重要信令優(yōu)先處理的同時提高了網絡資源利用率。

4.1.2 流量控制

流量控制是限制流出網絡突發(fā)數據的網絡技術，一般采用緩沖區(qū)和令牌桶[17]來完成。由于數據的突發(fā)速率遠高于平均速率，而衛(wèi)星網絡中衛(wèi)星資源十分寶貴且網管信道一般使用固定帶寬，不能按照數據的突發(fā)速率分配網管信道資源。因此，為了提高網絡資源利用率，需在網管信令進入網管信道之前進行流量整形[18]。

流量整形模塊使用的關鍵技術主要體現為與隊列調度相結合的流量整形機制和突發(fā)數據緩存機制。

與隊列調度相結合的流量整形：為限制數據突發(fā)，流量整形過程中將網管信令放入隊列。為降低時延對高優(yōu)先級網管信令的影響，將流量整形機制和優(yōu)先級隊列調度結合，并采用緩存和高級隊列優(yōu)先發(fā)送[19]的方式來限制網管信令突發(fā)。

突發(fā)數據的緩存[20]：要合理選擇緩存隊列的長度，并在緩存長度超限時結合優(yōu)先級策略臨時提高隊列優(yōu)先級，以保證在控制突發(fā)速率的同時低優(yōu)先級網管信令不會出現無限制等待的狀態(tài)。

4.2 網管信令傳輸優(yōu)化實現

網管信令傳輸QoS技術在網管系統(tǒng)中的應用主要集中體現在安裝了QoS軟件的信令傳輸模塊上。網管信令傳輸優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 資源動態(tài)分配軟件模塊組成

信令傳輸QoS軟件設計完成以下功能流程：

① 按信令重要度對網管信令進行分級處理。其中，資源分配、入網管理等為關鍵信令；參數上報、狀態(tài)查詢?yōu)榉顷P鍵信令。

② 網管信令逐級緩存，緩存長度可依據信道使用率變化。

③ 實時計算信道利用率，根據信道使用情況決定緩沖發(fā)送策略。

5 網管信令傳輸優(yōu)化技術應用仿真

5.1 代理網管信令傳輸優(yōu)化技術應用

代理應用網管信令傳輸優(yōu)化技術，處理網管信令的流量與突發(fā)，對于超出信道帶寬的網管信令做延遲發(fā)送處理，在提高信道利用率的同時保證網管信令在固定信道帶寬下的可靠傳輸。

由圖5和圖6可知，在應用網管信令傳輸優(yōu)化技術后網管代理的數據突發(fā)毛刺已完全消除，初始入網階段集中發(fā)送數據速率≤32 kbps,無信道溢出丟包產生。數據延遲發(fā)送造成的發(fā)送延時控制在3.5 s以內，遠低于采用丟失信令重發(fā)的時間間隔(均值5 s重發(fā))。

圖5 網管代理信令傳輸優(yōu)化數據流量仿真結果

圖6 網管代理信令傳輸優(yōu)化數據時延結果

5.2 中心網管信令傳輸優(yōu)化技術應用

系統(tǒng)采用網管信令傳輸優(yōu)化技術后網管中心數據接口仿真結果如圖7和圖8所示。

圖7 網管中心信令傳輸優(yōu)化數據流量仿真結果

圖8 網管中心信令傳輸優(yōu)化數據時延仿真

由圖7和圖8可知，在應用網管信令傳輸優(yōu)化技術后網管中心接收數據突發(fā)毛刺已完全消除，初始入網階段集中發(fā)送的數據速率≤384 kbps,無信道溢出丟包產生。數據延遲發(fā)送造成的發(fā)送延時控制在12 s以內，而系統(tǒng)無流量控制時初始入網丟幀率為90%，網管信令重傳3次就已超過12 s(均值為5 s重發(fā))，故網管信令傳輸優(yōu)化技術遠遠優(yōu)于信令重傳技術，能顯著提高系統(tǒng)信令傳輸效率。

6 系統(tǒng)測試驗證

某FDMA/DAMA體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為各網管代理分配384 kbps地面網絡信道進行管理信息傳輸，使用錯時發(fā)送與碰撞重發(fā)的方式實現網管信息發(fā)送。按本文網管信令傳輸優(yōu)化進行改造，并對改造前后系統(tǒng)網管代理管理數據出口進行測試統(tǒng)計，統(tǒng)計數據如表2所示。

表2 技術優(yōu)化效果對比

測試統(tǒng)計數據顯示，網管信令傳輸優(yōu)化應用能夠有效解決網管集中突發(fā)問題，管理數據流量實現了可靠緩沖與傳輸，對于入網請求、資源管理等重要信令延時有了明顯減少。測試結果驗證了本文網管信令傳輸優(yōu)化方案的有效性和科學性，在保證系統(tǒng)可靠運行的前提下，提高了傳輸率和信道利用率。

7 結束語

網管信令傳輸是衛(wèi)通網管系統(tǒng)高效管理的一個重要前提，本文以仿真的方式綜合分析了有限帶寬衛(wèi)星信道下的網管信令傳輸現狀，研究設計了網管信令傳輸優(yōu)化方案，并在實際衛(wèi)星通信網管理中應用，運行穩(wěn)定可靠。測試結果表明，以排隊控制(絕對隊列)和流量控制(緩沖區(qū)和令牌桶結合)為核心的網管信令傳輸優(yōu)化技術，可以有效解決大規(guī)模網管系統(tǒng)建設中所面臨的網管信令傳輸問題，在其他體制的網管系統(tǒng)中，也值得進行針對性的策略研究。

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Optimization and Simulation of Network Management Signaling Transmission in Satellite Communication System

BAN Ya-ming1,LI Bin-cheng1,YUE Qiang2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.PricewaterhouseCoopersConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200021,China)

Network management signaling burst collision in limited bandwidth is the major factor that affects the efficiency of the signaling transmission of network management system.To solve the problem of low transmission efficiency caused by signaling bursts in narrow bandwidth,the network signaling transmission status is simulated and an optimization scheme for network management signaling transmission is proposed based on a comprehensive analysis of satellite communication network management information transmission process.In the scheme,the QoS technology is applied to the information transmission of satellite communication network management,and efficient transmission of information is achieved through queue scheduling and flow control.Simulation and system test show that the optimized network management signaling transmission capacity and efficiency are greatly improved and the optimization scheme is scientific and effective in improving the performance of satellite system management.

satellite communication;flow transmission;queue scheduling;flow shaping;FDMA

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.02

班亞明,李斌成,樂強.衛(wèi)星通信系統(tǒng)中網管信令傳輸優(yōu)化及仿真[J].無線電工程,2017,47(7):5-9.[BAN Yaming,LI Bincheng,YUE Qiang.Optimization and Simulation of Network Management Signaling Transmission in Satellite Communication System[J].Radio Engineering,2017,47(7):5-9.]

2016-12-12

國家部委基金資助項目。

TN927

A

1003-3106(2017)07-0005-05

班亞明 男，(1984—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信與信息傳輸技術。

李斌成 男，(1974—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信與信息傳輸技術。