一種改進(jìn)的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

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(shí)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(shí)延，并且提高了資源利用率。但它沒(méi)有區(qū)分業(yè)務(wù)類型，不能保證高優(yōu)先級(jí)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(fèi)。在BTDAMA的基礎(chǔ)上提出了一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的帶寬分配算法，針對(duì)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(shí)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(jí)；BTDAMA

中圖分類號(hào)：TN925-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-373X(2012)03-0071-03

引言

寬帶衛(wèi)星通信是當(dāng)前通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來(lái)越多的用戶開(kāi)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(duì)多點(diǎn)通信網(wǎng)，多個(gè)用戶通過(guò)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(diǎn)，如鏈路傳播時(shí)延長(zhǎng)(尤其對(duì)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(shí)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(diǎn)。

特別地，當(dāng)前多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展對(duì)衛(wèi)星接人控制協(xié)議提出了更高的要求。針對(duì)GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，文獻(xiàn)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(biāo)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(jìn)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(diǎn)。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(jí)的BTDAMA方案，改善了原本協(xié)議的性能。

1突發(fā)目標(biāo)按需分配BTDAMA

P.D.MitcheIl在文獻(xiàn)[3]中首次提出了BTDAMA思想。該方案的主要目標(biāo)是減少ON-OFF信源的按需分配請(qǐng)求時(shí)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(rèn)。因此，BTDAMA方式的思想和概念是通過(guò)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(qǐng)求時(shí)隙和業(yè)務(wù)時(shí)隙。請(qǐng)求時(shí)隙以輪詢方式分配給各個(gè)終

端，請(qǐng)求時(shí)隙是無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的且被用作突發(fā)性傳輸標(biāo)志。終端本質(zhì)上是請(qǐng)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(gè)表，一個(gè)表包含了所有標(biāo)記為ON的終端，另一個(gè)記錄了所有標(biāo)記為OFF的終端。ON表示終端有資源請(qǐng)求，OFF表示沒(méi)有資源請(qǐng)求。當(dāng)終端有業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)，則利用請(qǐng)求時(shí)隙發(fā)送ON標(biāo)志。資源管理中心收到請(qǐng)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(guò)合適的輪詢機(jī)制為ON表中所有終端分配自由時(shí)隙用于數(shù)據(jù)傳輸，從而降低了業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延。當(dāng)業(yè)務(wù)傳輸結(jié)束時(shí)，終端發(fā)送OFF標(biāo)志，表示終端不再需要業(yè)務(wù)時(shí)隙。資源管理中心收到該請(qǐng)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(shí)隙。

2基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的BTDAMA

BTDAMA可以顯著減少自相似業(yè)務(wù)的等待時(shí)延，并且提高了資源利用率。但它沒(méi)有區(qū)分業(yè)務(wù)類型，對(duì)所有業(yè)務(wù)都執(zhí)行統(tǒng)一的分配標(biāo)準(zhǔn)，不能保證高優(yōu)先級(jí)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(fèi)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多種不同類型的業(yè)務(wù)時(shí)(如傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)、視頻會(huì)議和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等)，需要對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的速率和時(shí)延要求。如何保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS要求，同時(shí)盡可能滿足低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)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(diǎn)。

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(duì)于調(diào)度器位于衛(wèi)星的情形，地面站發(fā)出預(yù)約請(qǐng)求到收到相應(yīng)時(shí)隙分配方案的時(shí)間間隔約為一個(gè)RTT，對(duì)于調(diào)度器位于地面站的情形，地面站發(fā)出預(yù)約請(qǐng)求到收到相應(yīng)時(shí)隙分配方案的時(shí)間間隔約為兩個(gè)RTT。本文考慮調(diào)度器位于衛(wèi)星的情況。

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

(1)主動(dòng)授權(quán)業(yè)務(wù)(UGS)：針對(duì)的是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、以固定速率傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，例如IP語(yǔ)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(shí)延抖動(dòng)。業(yè)務(wù)的峰值速率就是最大持續(xù)業(yè)務(wù)速率，又因?yàn)閁GS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(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)：針對(duì)的是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，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(shí)間。

(3)非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(nrtPS)：針對(duì)非實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)，能容忍時(shí)延、有最小傳輸速率要求的變長(zhǎng)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(shí)，要考慮傳輸要求的最小帶寬。

(4)盡力而為業(yè)務(wù)(BE)：針對(duì)盡力提供服務(wù)但不需要提供服務(wù)質(zhì)量保證的非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，如E-mail，網(wǎng)頁(yè)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(qǐng)求時(shí)隙和業(yè)務(wù)傳輸時(shí)隙。請(qǐng)求時(shí)隙以單播或組播輪詢方式分

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

在每幀開(kāi)始時(shí)，調(diào)度器首先統(tǒng)計(jì)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(qǐng)求時(shí)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(gè)終端競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)請(qǐng)求時(shí)隙，沒(méi)有帶寬請(qǐng)求的終端不允許發(fā)送請(qǐng)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(duì)應(yīng)的帶寬請(qǐng)求和分配算法。

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

(2)rtPS業(yè)務(wù)：終端在發(fā)送對(duì)該類業(yè)務(wù)的帶寬申請(qǐng)時(shí)需要標(biāo)注終端業(yè)務(wù)隊(duì)列長(zhǎng)度和業(yè)務(wù)到達(dá)速率的參考信息(若無(wú)此類信息時(shí)，則按統(tǒng)計(jì)的一般情形對(duì)待)。衛(wèi)星收到請(qǐng)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(duì)列和達(dá)到速率信息決定分配的時(shí)隙數(shù)量。獲得帶寬資源的終端移到rtPS表的末尾。當(dāng)終端已有一個(gè)正在傳輸?shù)腢GS業(yè)務(wù)時(shí)，rtPS業(yè)務(wù)使用捎帶方式發(fā)送帶寬申請(qǐng)。

(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(duì)時(shí)延沒(méi)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(qǐng)求時(shí)需要標(biāo)明最小傳輸速率、終端隊(duì)列長(zhǎng)度和業(yè)務(wù)到達(dá)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(qǐng)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(qǐng)求時(shí)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(dāng)終端已有一個(gè)正在傳輸?shù)腢GS業(yè)務(wù)時(shí)，nrtPS業(yè)務(wù)使用捎帶方式發(fā)送帶寬申請(qǐng)。

(4)BE業(yè)務(wù)：此類業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量沒(méi)有任何要求，可使用最簡(jiǎn)單的帶寬請(qǐng)求和分配方式。請(qǐng)求時(shí)隙中除了業(yè)務(wù)類型和終端ID外，不再需要標(biāo)注其他信息。衛(wèi)星在收到該類請(qǐng)求后，將終端放人BE表的末端，同時(shí)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(shí)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(dāng)終端已有一個(gè)正在傳輸?shù)腢GS業(yè)務(wù)時(shí)，BE業(yè)務(wù)使用捎帶方式發(fā)送帶寬申請(qǐng)。

對(duì)于上面的每種業(yè)務(wù)，當(dāng)業(yè)務(wù)連接終止時(shí)，需要向星上調(diào)度中心發(fā)送OFF標(biāo)志，以終止其對(duì)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(gè)業(yè)務(wù)的傳輸結(jié)束，否則，利用分配的請(qǐng)求時(shí)隙發(fā)送OFF標(biāo)志。同時(shí)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(yǔ)

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(lái)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(jí)業(yè)務(wù)對(duì)信道的共享問(wèn)題是目前研究的熱點(diǎn)。本文在BTDAMA接入控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)其分配算法的不足，提出了一種改進(jìn)方案。采用IEEE 802.16的分類標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)提高了信道資源的利用率。為了實(shí)現(xiàn)更高的信道資源利用率，對(duì)請(qǐng)求時(shí)隙的數(shù)量和幀長(zhǎng)的設(shè)計(jì)仍是未來(lái)需要研究的問(wèn)題。

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