基于差值分配的信道分配算法研究

馬亞薇，孫晨華，許 楠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

MF-TDMA是一種頻分多址(FDMA)和時(shí)分多址(TDMA)相結(jié)合的二維多址方式［1－3］。MF-TDMA將信道分割成頻率不同的若干個(gè)載波，按時(shí)間在每個(gè)載波上劃分不同的時(shí)隙。信道資源分配算法采取相應(yīng)的策略選擇合適的載波，并在載波上分配時(shí)隙資源給地球站發(fā)送數(shù)據(jù)。而高效的信道資源分配算法和用戶服務(wù)質(zhì)量的保證一直以來(lái)都是MF-TDMA資源管理技術(shù)的重點(diǎn)［4，5］。

MF-TDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中信道時(shí)隙資源分配一般采取較為高效的申請(qǐng)分配機(jī)制［6，7］，該機(jī)制是地球站根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求發(fā)送業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)，中心站接收業(yè)務(wù)申請(qǐng)并根據(jù)申請(qǐng)為其分配帶寬資源供地球站發(fā)送數(shù)據(jù)，在業(yè)務(wù)帶寬分配過(guò)程中主要考慮如何保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量［8］。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)按實(shí)時(shí)性可以劃分為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)主要包括傳真和IP數(shù)據(jù)等，對(duì)時(shí)延要求不高，時(shí)延對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸影響不大。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)主要包括話音和視頻等，而它對(duì)時(shí)延、抖動(dòng)等具有較高的要求，對(duì)時(shí)延非常敏感，它要求帶寬分配結(jié)果不存在時(shí)延或時(shí)延非常低，才可以確保實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的正常通信，保證其服務(wù)質(zhì)量。因此，如何消除實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)抖動(dòng)時(shí)延，降低呼叫掉線率，提高實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，是本文研究的重點(diǎn)。對(duì)此，在周期輪詢信道分配算法的基礎(chǔ)上提出了差值分配算法，將業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)分為固定部分和變化部分，對(duì)2部分采取不同的信道分配策略，以減少實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的掉線現(xiàn)象，提高用戶的業(yè)務(wù)滿意度。

1 分配約束條件

MF-TDMA系統(tǒng)的信道時(shí)隙資源分配問(wèn)題的本質(zhì)［9］是在一定的約束條件下，按照一定的原則，針對(duì)業(yè)務(wù)本身特性和所需時(shí)隙數(shù)量，在信道中尋找符合條件的空閑時(shí)隙進(jìn)行分配。

目前對(duì)于MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)，時(shí)隙資源分配問(wèn)題的約束條件［10－12］主要有:

①同一地球站分配的時(shí)隙數(shù)量不能超過(guò)一個(gè)載波的時(shí)隙容量;

②一個(gè)地球站在一次業(yè)務(wù)連接中使用的時(shí)隙可以是連續(xù)的也可以是分散的;

③同一地球站分配的時(shí)隙資源，在時(shí)間上不能重疊;

④為避免沖突，同一個(gè)時(shí)隙資源不能同時(shí)分配給2個(gè)業(yè)務(wù)申請(qǐng)。

時(shí)隙分配最基本原則為:某個(gè)站在某一時(shí)刻只能在一個(gè)載波上發(fā)送。這也是MF-TDMA體制的基本原理所決定的。

2 周期輪詢法

2．1 分配原理

周期輪詢［13］算法的分配原理是中心站接收到各地球站的時(shí)隙申請(qǐng)信息后，按照申請(qǐng)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，將其從高到低進(jìn)行排序;然后，按照一定的順序依次提取業(yè)務(wù)申請(qǐng)，找到適合的載波，從頭至尾進(jìn)行一次輪詢，檢測(cè)時(shí)隙是否空閑，如果空閑，檢測(cè)該時(shí)隙是否發(fā)生沖突，如果未發(fā)生沖突，直接將該申請(qǐng)分配，提取下一個(gè)申請(qǐng)，如果發(fā)生沖突，繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)時(shí)隙，直至整個(gè)載波全部輪詢完畢;該申請(qǐng)的帶寬沒(méi)有全部滿足則無(wú)法被分配，直接放棄，前面已分配的部分該申請(qǐng)釋放，提取下一個(gè)申請(qǐng)，從載波起始位置繼續(xù)重復(fù)輪詢過(guò)程。

2．2 算法性能分析

隨著系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，每一個(gè)分配周期地球站的申請(qǐng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)信道的容量。每次分配信道時(shí)都要重新分配，這可能使得上一幀已分配的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在當(dāng)前不能分配，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)中斷，增加了掉線率，降低了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

因此，為了保障實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，降低實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的掉線率，提出了差值分配算法。該算法對(duì)載波時(shí)隙表進(jìn)行維護(hù)，對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)申請(qǐng)帶寬變化的部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配調(diào)整，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)進(jìn)行周期輪詢重新分配。

3 差值分配

3．1 分配原理

差值分配算法原理是:在地球站根據(jù)時(shí)隙分配表進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送后，不再將信道中的所有分配時(shí)隙收回，而是根據(jù)上一幀的實(shí)時(shí)信道分配情況和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)隙申請(qǐng)二者取差值，差值為零，說(shuō)明實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)申請(qǐng)帶寬需求沒(méi)有變化，最大限度地保持已經(jīng)分配的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)申請(qǐng)時(shí)隙資源位置不變動(dòng);帶寬需求減小的業(yè)務(wù)，將多余的時(shí)隙釋放;帶寬需求增大的業(yè)務(wù)，對(duì)已分配的時(shí)隙位置最大限度地保持不變，對(duì)增加的帶寬需求進(jìn)行輪詢分配，在信道中搜索空閑時(shí)隙，如果無(wú)法滿足全部帶寬，將該實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的所有時(shí)隙全部釋放，業(yè)務(wù)被拒絕。同時(shí)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，進(jìn)行輪詢，重新分配。

差值分配算法分配原則為:針對(duì)變化的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)申請(qǐng)部分做動(dòng)態(tài)調(diào)整分配，盡量保持上一幀已分配實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)申請(qǐng)?jiān)谙乱粠写嬖谇曳峙涞臅r(shí)隙位置盡量保持不變，同時(shí)對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)進(jìn)行輪詢重新分配，最大限度地降低了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的掉線率。

3．2 分配流程分析

該算法的流程如圖1所示。

圖1 差值分配法的流程

具體的分配步驟如下:

①對(duì)上一幀的各個(gè)地球站信道分配結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì);②接收當(dāng)前幀的各地球站的業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)，由上一幀的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和這一幀的時(shí)隙申請(qǐng)情況，得出每個(gè)地球站的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)申請(qǐng)分配差值;③對(duì)于分配差值為零、業(yè)務(wù)帶寬需求無(wú)變化的地球站不做操作;如果時(shí)隙中分配的地球站的分配差值為負(fù)，將多余的時(shí)隙釋放;如果分配差值為正，在信道中搜索空閑時(shí)隙進(jìn)行分配，分配的時(shí)隙個(gè)數(shù)與分配差值相等;④非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)采取輪詢重新分配。

這一算法需要對(duì)上一幀的分配情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在分配的過(guò)程中，業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間結(jié)束會(huì)釋放占用時(shí)隙為空閑時(shí)隙。對(duì)這些空閑時(shí)隙的位置等信息進(jìn)行記錄，在接下來(lái)的分配過(guò)程中可以直接對(duì)其進(jìn)行占用，減少了系統(tǒng)對(duì)信道中空閑時(shí)隙的搜索操作，可以縮短信道分配時(shí)間。對(duì)業(yè)務(wù)對(duì)帶寬需求變化的部分進(jìn)行釋放和分配，最大限度地保證了信道中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)隙位置保持不變，以減少實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延降低掉線率。

4 仿真結(jié)果分析

4．1 仿真模型

針對(duì)MF-TDMA系統(tǒng)，為了更好地驗(yàn)證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的分配策略，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)，業(yè)務(wù)總的時(shí)隙需求數(shù)量是小于信道容量的，隨著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)地球站數(shù)量的增加，最終時(shí)隙需求總數(shù)量大于信道容量。在此采用阻塞率與掉線率驗(yàn)證算法的性能。仿真條件設(shè)定如下:

① 網(wǎng)絡(luò)中的地球站規(guī)模［100，600］;

②信道矩陣包含8個(gè)載波，每載波包含128個(gè)時(shí)隙;

③發(fā)出申請(qǐng)的地球站隨機(jī)分布，業(yè)務(wù)申請(qǐng)滿足泊松分布;

④每個(gè)業(yè)務(wù)要占用的時(shí)隙個(gè)數(shù)在［1，8］范圍內(nèi)隨機(jī)取整數(shù)，業(yè)務(wù)持續(xù)期間不發(fā)生變化。

阻塞率:系統(tǒng)提供的信道數(shù)遠(yuǎn)比用戶數(shù)要小得多，當(dāng)用戶要通信時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)所有信道可能全部處于繁忙狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為阻塞。業(yè)務(wù)帶寬申請(qǐng)次數(shù)累加得到總申請(qǐng)數(shù)量ReqNum，系業(yè)務(wù)申請(qǐng)未成功分配的數(shù)量FailNum。阻塞率δ表示為未成功分配的申請(qǐng)數(shù)量與總的申請(qǐng)數(shù)量的比值，

掉線率:反映了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的通訊保持能力，是用戶直接感受的重要性能指標(biāo)。每個(gè)終端產(chǎn)生的呼叫次數(shù)累加得到總呼叫次數(shù)CallNum，每發(fā)生一次掉線，則累計(jì)掉線次數(shù)DropNum。掉線率μ表示為掉線次數(shù)與總的呼叫次數(shù)的比值，

4．2 仿真結(jié)果分析

每次仿真在連續(xù)進(jìn)行1 000次的信道分配，阻塞率與掉線率是這1 000次仿真統(tǒng)計(jì)的平均值。

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的阻塞率如圖2所示。圖2中2條曲線分別表示周期輪詢法和差值分配法阻塞率。

圖2 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的阻塞率

由圖2可知，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的時(shí)候，業(yè)務(wù)數(shù)量較少，信道可以完全容納，業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)不會(huì)受到拒絕，阻塞率為零。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，總的業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)數(shù)量超出了信道容量，出現(xiàn)了業(yè)務(wù)阻塞，并隨著地球站數(shù)量增多呈上升趨勢(shì)。周期輪詢與差值法的阻塞率相似，2條曲線基本重合，二者擁有相似的阻塞率。

實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的掉線率如圖3所示。圖3中2條曲線分別表示周期輪詢法和差值分配掉線率。

圖3 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的掉線率

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，業(yè)務(wù)的時(shí)隙申請(qǐng)數(shù)量超出了信道時(shí)隙的大小，周期輪詢法對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的申請(qǐng)直接進(jìn)行分配，不考慮上一幀的分配結(jié)果，這樣的分配造成其較高的掉線率，并且隨著地球站的數(shù)量增多呈上升趨勢(shì)。差值分配法中如果對(duì)地球站的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)隙申請(qǐng)進(jìn)行分了配，那么在接下來(lái)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的整個(gè)持續(xù)期間，時(shí)隙的位置盡量保持不變，始終能夠保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的正常通信，在這種非常理想的情況下實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的掉線率為零。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了提高實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，針對(duì)周期輪詢信道分配算法實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)掉線率較高的缺點(diǎn)，在該算法的基礎(chǔ)上，提出了差值分配的算法。新算法對(duì)終端業(yè)務(wù)申請(qǐng)采取不同的分配策略，根據(jù)各終端連續(xù)2幀之間的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)申請(qǐng)的差值進(jìn)行時(shí)隙資源的動(dòng)態(tài)釋放與分配，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)進(jìn)行重新分配，來(lái)減少實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的掉線現(xiàn)象。新算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果顯示，差值分配和周期輪詢算法具有相似的阻塞率，而新算法同時(shí)具有較低的掉線率，進(jìn)而提高了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

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