改進(jìn)型GEO衛(wèi)星BTDAMA MAC協(xié)議時(shí)延性能分析

辛淵博，周 熙，趙麗娜

（重慶通信學(xué)院，重慶 400035）

0 引言

在寬帶GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，媒體接入控制（MAC）協(xié)議在保障寬帶業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)提高信道利用率起著關(guān)鍵的作用[1]。基于突發(fā)目標(biāo)按需分配（Burst Targeted Demand Assignment Multiple Access，BTDAMA）協(xié)議，采用TDMA多址方式，對(duì)于由一系列突發(fā)和突發(fā)間隔定義的傳輸，提供了較好的時(shí)延性能，達(dá)到了1個(gè)RTD（Round Trip Delay）的時(shí)延下限。BTDAMA協(xié)議最顯著的特點(diǎn)是請(qǐng)求機(jī)制和調(diào)度機(jī)制的分離，從而為處于突發(fā)階段的終端分配連續(xù)的信道能量，避免了多次請(qǐng)求所帶來的時(shí)間浪費(fèi)。其調(diào)度算法有2種：采用純按需分配（Pure Demand Assignment）的BTDAMA-PD協(xié)議和采用自由分配與按需分配相結(jié)合（Combined Free and Demand Assignment）的 BTDAMA-FD 協(xié)議[2]。筆者提出了將純按需分配與預(yù)約按需分配相結(jié)合的混合式按需分配BTDAMA-HD協(xié)議。

1 信源模型

信源模型對(duì)MAC協(xié)議性能評(píng)估起著極其重要的作用。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)特性通常由ON/OFF模型來描述。筆者采用Pareto ON/OFF信源模型來模擬自相似數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流。在該模型中，ON狀態(tài)產(chǎn)生分組，OFF狀態(tài)不產(chǎn)生分組，ON狀態(tài)與OFF狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間服從Pareto分布，ON狀態(tài)期間各分組以恒定的速率到達(dá)。Pareto分布中通過選擇參數(shù)k與a來確定ON/OFF持續(xù)期的最小值和聚合業(yè)務(wù)的自相似度[3]。

2 BTDAMA協(xié)議的地面請(qǐng)求算法

如圖1所示，在純按需分配BTDAMA-PD協(xié)議中，請(qǐng)求時(shí)隙以輪詢的方式分配給各地面終端，用于傳輸突發(fā)轉(zhuǎn)換標(biāo)志。地面終端在任意時(shí)刻只能處于2種狀態(tài)中的1種：ON狀態(tài)表明突發(fā)已經(jīng)開始，需要時(shí)隙分配；OFF狀態(tài)表明此時(shí)沒有突發(fā)產(chǎn)生[4]。如果終端在OFF狀態(tài)接收到突發(fā)的第1個(gè)分組，則在下1個(gè)請(qǐng)求時(shí)隙中將ON標(biāo)志上傳給調(diào)度器以獲得時(shí)隙分配。這個(gè)過程一直持續(xù)到該突發(fā)中的最后1個(gè)分組進(jìn)入隊(duì)列，此時(shí)終端標(biāo)志為OFF，并在下1個(gè)請(qǐng)求時(shí)隙中將OFF標(biāo)志以及終端當(dāng)前所得到的時(shí)隙數(shù)和終端隊(duì)列中的分組數(shù)目上傳給調(diào)度器以獲取足夠的時(shí)隙來傳輸排隊(duì)分組。地面終端在其突發(fā)狀態(tài)未發(fā)生改變時(shí)不發(fā)送請(qǐng)求信息。

在混合式按需分配BTDAMA-HD協(xié)議中，考慮到終端在得到時(shí)隙分配前產(chǎn)生了分組卻沒有得到時(shí)隙分配，從而采用預(yù)約請(qǐng)求的方式來為終端排隊(duì)分組預(yù)約可用時(shí)隙。其地面請(qǐng)求算法與純按需分配基本一致，只是在終端突發(fā)開始后到第1個(gè)時(shí)隙分配到達(dá)終端前這段時(shí)期內(nèi)通過請(qǐng)求時(shí)隙預(yù)約必要的數(shù)據(jù)時(shí)隙資源。即一旦終端得到請(qǐng)求時(shí)隙分配且隊(duì)列中有排隊(duì)分組，則通過請(qǐng)求時(shí)隙為其預(yù)約可用的數(shù)據(jù)時(shí)隙。

3 協(xié)議的調(diào)度算法及改進(jìn)

BTDAMA協(xié)議中調(diào)度器可位于星上，也可以位于地面控制中心站。筆者研究調(diào)度器位于星上的集中分配式網(wǎng)絡(luò)。

3.1 預(yù)約按需分配策略

在TDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，預(yù)約按需分配實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)地面站預(yù)約的時(shí)隙數(shù)目為其分配連續(xù)的時(shí)隙資源。按照預(yù)約采取方法的不同，可以分為隨機(jī)預(yù)約、輪詢預(yù)約和捎帶預(yù)約[5]。其中輪詢預(yù)約方式因?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單、公平且利用率高成為普遍采用的預(yù)約方式。

由于衛(wèi)星固有傳播時(shí)延的限制，預(yù)約按需分配最大缺點(diǎn)是每一次請(qǐng)求得到時(shí)隙資源分配需要至少2個(gè)RTD的時(shí)間。對(duì)于具有高突發(fā)性的自相似業(yè)務(wù)，這種資源分配方式顯然不能適應(yīng)。

3.2 純按需分配策略

文獻(xiàn)[6]提出的純按需分配策略將地面請(qǐng)求與星上調(diào)度分離，該策略中地面站一旦將突發(fā)開始的轉(zhuǎn)換標(biāo)志傳送給衛(wèi)星，則可以得到連續(xù)的時(shí)隙分配而不需要再次請(qǐng)求預(yù)約，從而節(jié)省了請(qǐng)求時(shí)隙開銷，避免了每次請(qǐng)求分配過程的時(shí)間浪費(fèi)。

在典型的BTDAMA-PD協(xié)議中，星上調(diào)度器包括2個(gè)分配表：1個(gè)表包含標(biāo)志ON狀態(tài)的終端，另1個(gè)表包含標(biāo)志OFF狀態(tài)的終端。調(diào)度器每次收到1個(gè)請(qǐng)求信號(hào)就說明終端狀態(tài)發(fā)生變化，此時(shí)將該終端ID號(hào)從其所在表中移除，插入到另1個(gè)表的尾部。

調(diào)度器以TDMA方式逐幀分配信道資源，在1幀中調(diào)度器將其可用數(shù)據(jù)時(shí)隙以輪詢方式分配給ON表中的終端，直到該幀中不存在可用數(shù)據(jù)時(shí)隙資源。ON表中的終端在分配到1個(gè)時(shí)隙后，便由表頭移到表尾，從而實(shí)現(xiàn)公平輪詢式分配。調(diào)度器在ON表中記錄突發(fā)終端所得到的時(shí)隙分配數(shù)，當(dāng)?shù)孛嬲緩腛N狀態(tài)轉(zhuǎn)變成OFF狀態(tài)時(shí)，調(diào)度器根據(jù)請(qǐng)求時(shí)隙中上傳的信息和ON表中的記錄信息來確定終端是否需要連續(xù)時(shí)隙以清除排隊(duì)分組。

在純按需分配策略中，地面站一旦通知調(diào)度器突發(fā)開始，則被放入ON表中與其他突發(fā)終端一起以輪詢的方式共享信道資源。這樣，從突發(fā)開始到得到資源分配的第1個(gè)RTD時(shí)間內(nèi)，終端產(chǎn)生了分組卻沒有得到應(yīng)有的時(shí)隙分配，系統(tǒng)中可能的剩余資源被平均分配給了所有的突發(fā)終端，導(dǎo)致終端在突發(fā)剛開始階段就產(chǎn)生了排隊(duì)時(shí)延問題。

3.3 混合式按需分配策略

混合式按需分配BTDAMA-HD協(xié)議將預(yù)約按需分配與純按需分配相結(jié)合，在不改變純按需分配中基于突發(fā)目標(biāo)輪詢式公平分配策略的同時(shí)，采取在終端突發(fā)開始階段為其提供預(yù)約按需分配的方式來解決分組排隊(duì)時(shí)延問題。兩者的最大不同體現(xiàn)在混合式按需分配允許終端在沒有得到時(shí)隙分配之前，以預(yù)約的方式為之前產(chǎn)生的分組預(yù)約可用時(shí)隙。

在BTDAMA-HD協(xié)議中，星上調(diào)度器包括4個(gè)資源分配表：ON/OFF表結(jié)構(gòu)與純按需分配相同，預(yù)約表用于存放突發(fā)開始后到數(shù)據(jù)時(shí)隙分配到達(dá)前這段時(shí)間內(nèi)發(fā)起預(yù)約的終端ID和預(yù)約時(shí)隙數(shù)目，當(dāng)終端以請(qǐng)求時(shí)隙預(yù)約可用資源時(shí)，則將其ID號(hào)與預(yù)約時(shí)隙數(shù)目寫入預(yù)約表中。清空表用于存放突發(fā)已停止，但突發(fā)分組還未傳輸完成的終端ID和需要的時(shí)隙數(shù)目。當(dāng)終端上傳OFF標(biāo)志時(shí)，則將其ID號(hào)與清空隊(duì)列所需要的時(shí)隙數(shù)目寫入清空表中。調(diào)度器首先為預(yù)約表和清空表中的終端按預(yù)約時(shí)隙數(shù)目和未分配分組數(shù)目來分配連續(xù)時(shí)隙，之后以輪詢的方式為ON表中的終端分配時(shí)隙，直到一幀結(jié)束。

4 仿真性能比較分析

筆者采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)協(xié)議的時(shí)延性能進(jìn)行了仿真比較，主要仿真參數(shù)如表1所示。

圖2顯示了地面站數(shù)目分別為100和300時(shí)協(xié)議的時(shí)延/吞吐量性能，可以看出，當(dāng)在終端數(shù)為100，信道負(fù)荷為0.1～0.8時(shí)，以及終端數(shù)為300時(shí)的整個(gè)信道負(fù)荷范圍內(nèi)，BTDAMA-HD協(xié)議的平均端到端時(shí)延性能均優(yōu)于BTDAMA-PD協(xié)議。同時(shí)，隨著信道負(fù)荷的增長(zhǎng)，兩者之間的差距越來越明顯。其主要原因?yàn)椋涸谕话l(fā)開始階段，BTDAMA-HD協(xié)議采取了預(yù)約按需分配的策略來及時(shí)清除終端中的排隊(duì)分組，避免了分組在后續(xù)突發(fā)目標(biāo)按需分配過程中的堆積。同時(shí)，隨著信道負(fù)荷的增長(zhǎng)，在突發(fā)開始后到數(shù)據(jù)時(shí)隙分配到達(dá)前這段時(shí)間內(nèi)終端產(chǎn)生的分組數(shù)目增多，而終端所獲得的可用時(shí)隙資源相對(duì)減少。因此，純按需分配中終端需要更多的時(shí)間來消除初始階段排隊(duì)分組對(duì)后續(xù)分組的影響，從而使得預(yù)約按需分配的作用更加明顯。

表1 主要仿真參數(shù)

圖3顯示了信道負(fù)荷為0.8，地面終端數(shù)分別為100和300時(shí)分組端到端時(shí)延的概率密度分布。從圖中可以看出，在高信道負(fù)荷條件下，混合式按需分配協(xié)議與純按需分配協(xié)議相比，分組獲得低端到端時(shí)延的概率更大。這主要是由于BTDAMA-HD協(xié)議中采用預(yù)約請(qǐng)求調(diào)度機(jī)制及時(shí)清除了隊(duì)列中的排隊(duì)分組，使突發(fā)一開始就工作在較低的端到端時(shí)延下。

圖4顯示了信道負(fù)荷為0.8，地面終端數(shù)分別為100和300時(shí)分組端到端時(shí)延的累積概率分布。從圖中可以看出，隨著終端數(shù)的增加，時(shí)延的分布范圍展寬。同時(shí)，終端數(shù)為100時(shí)，BTDAMA-HD協(xié)議中端到端時(shí)延最高不超過0.56 s。而在BTDAMA-PD協(xié)議中分組端到端時(shí)延最高可到0.60。同樣當(dāng)終端數(shù)為300時(shí)，前者不超過0.60，后者最高可到0.62 s，即BTDAMA-HD協(xié)議能夠滿足更低的時(shí)延約束要求。

5 結(jié)論

筆者比較了采用純按需分配和混合式按需分配的BTDAMA協(xié)議。混合式按需分配BTDAMA-HD協(xié)議結(jié)合了純按需分配策略和預(yù)約按需分配策略的優(yōu)點(diǎn)，為開始突發(fā)終端提供了預(yù)約按需分配機(jī)制來清除隊(duì)列中的排隊(duì)分組。仿真結(jié)果表明，在整個(gè)信道負(fù)荷范圍內(nèi)，BTDAMA-HD協(xié)議體現(xiàn)了更好的時(shí)延性能。

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