衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)資源管理研究

賀 祥

（國家新聞出版廣電總局二九二臺(tái)，青島 266206）

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)資源管理研究

賀 祥

（國家新聞出版廣電總局二九二臺(tái)，青島 266206）

本文針對(duì)RCST終端，研究了基于區(qū)分服務(wù)QoS的容量請(qǐng)求排隊(duì)調(diào)度機(jī)制；針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制中心，研究了一種基于業(yè)務(wù)量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)資源管理方法，可用于IP化衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中終端與中心站之間交互式的業(yè)務(wù)請(qǐng)求與資源分配。

DVB-RCS；MF-TDMA；DAMA；QoS

1 DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信令

DVB-RCS是針對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求所制定的一套結(jié)合DVB廣播業(yè)務(wù)與多頻-時(shí)分多址（MF-TDMA）多點(diǎn)回傳的基于交互式應(yīng)用而定義的下一代衛(wèi)星通信網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[1][2]。DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)未指定統(tǒng)一的回傳鏈路的幀與時(shí)隙參數(shù)，一般在滿足其建議參數(shù)限的前提下根據(jù)應(yīng)用環(huán)境統(tǒng)一設(shè)計(jì)。RCST網(wǎng)絡(luò)信令流圖如圖1所示。

圖1 RCST網(wǎng)絡(luò)信令流圖

頻帶按需分配（BoD）的中心思想就是在盡量小的傳輸時(shí)延條件下，根據(jù)用戶帶寬需求分配衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源來高效率地支持各種應(yīng)用，尤其是基于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用。已有的BoD協(xié)議大多基于DAMA（Demand Assigned Multiple Access）或自由分配（Round Robin）原理，DAMA協(xié)議保證信道高利用率，自由分配協(xié)議減少傳輸時(shí)延。

2 容量請(qǐng)求與資源分配

終端通過登錄接入到網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)MAC隊(duì)列中的分組長(zhǎng)度和業(yè)務(wù)類型發(fā)出帶寬請(qǐng)求，以超幀為周期將容量請(qǐng)求字段寫入衛(wèi)星訪問控制字段（SAC），利用SYNC時(shí)隙發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制中心NCC的MAC層帶寬調(diào)度單元。調(diào)度單元依據(jù)帶寬分配模型：以超幀或幀周期作為動(dòng)態(tài)帶寬分配的周期，以幀為單位將其中的時(shí)隙分配給對(duì)應(yīng)的RCST。DVB-RCS對(duì)無線資源管理支持五類容量請(qǐng)求：連續(xù)速率分配（CRA）、基于速率的動(dòng)態(tài)容量（RBDC）、基于數(shù)量的動(dòng)態(tài)容量（VBDC）、基于絕對(duì)數(shù)量的動(dòng)態(tài)容量（AVBDC）、自由容量分配（FCA）。

2.1 區(qū)分服務(wù)QoS結(jié)構(gòu)

根據(jù)IETF定義，服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障有兩種模型：集成服務(wù)（Ini-Serve）和區(qū)分服務(wù)（Diff-Serve）。前者對(duì)每個(gè)流都通過RSVP（預(yù)留資源協(xié)議），因而可擴(kuò)展性差且代價(jià)高，不適合核心網(wǎng)絡(luò)。而后者則以較高的可擴(kuò)展性成為核心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)QoS的首選技術(shù)[3]。區(qū)分服務(wù)將IP分組頭中8位ToS字段更名為DS字段，其中，前8位稱為區(qū)分服務(wù)編碼點(diǎn)（DSCP），用以代表不同的類別，后兩位保留[4]。

DSCP相同的分組屬于同一個(gè)行為聚合體（BA），每種BA定義了路由器的處理方式，稱為每跳行為（PHB）。區(qū)分服務(wù)通過用PHB代替每流（per-flow）服務(wù)，應(yīng)用到業(yè)務(wù)聚合，從而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不再需要per-flow狀態(tài)。定義幾種PHB：①EF（加速轉(zhuǎn)發(fā)）：預(yù)留專門的帶寬和緩存；②AF（可靠轉(zhuǎn)發(fā)）：保證最小帶寬和緩存；③DF（默認(rèn)轉(zhuǎn)發(fā)）：等同于盡力而為（BE）業(yè)務(wù)。RC（請(qǐng)求類）代表一組BA聚合業(yè)務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，RC聚合為PHB組的主體（subject），BA為PHB的主體。RCST把每個(gè)BA關(guān)聯(lián)到1個(gè)RC聚合，因此幾個(gè)PHB關(guān)聯(lián)到相同的RC。

考慮到DS模型主要針對(duì)IP數(shù)據(jù)包與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特殊性，終端設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)排隊(duì)調(diào)度機(jī)制：一級(jí)在IP層，主要針對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理；另一級(jí)在MAC層，針對(duì)ATM信元進(jìn)行處理，主要完成衛(wèi)星上行鏈路時(shí)隙資源的申請(qǐng)、分配和調(diào)度。IP包隊(duì)列調(diào)度處理器為兩層之間提供了接口，負(fù)責(zé)完成IP數(shù)據(jù)包到ATM信元的轉(zhuǎn)換。此結(jié)構(gòu)基于2組隊(duì)列：一組是IP域隊(duì)列主要用于排隊(duì)，支持共8個(gè)IP隊(duì)列，即：BE隊(duì)列、4個(gè)AF，EF，INM，LNM隊(duì)列，INM，LNM隊(duì)列保留給管理業(yè)務(wù)；另一組是MAC域隊(duì)列用于緩存。此分類方法與上層IP數(shù)據(jù)流分類方法的映射關(guān)系如圖2所示，

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流IP層被劃分到EF流中，在MAC層則依據(jù)一定的算法分為CRA和RBDC兩部分；例如EF=80%CRA+20%RBDC，RBDC速率要等于20%的EF隊(duì)列和70%的AF隊(duì)列新速率。

（2）非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流在IP層被劃分至AF和BE兩類，在MAC層則被劃分到RBDC/VBDC當(dāng)中。AF=70%RBDC+30%VBDC，BE=100%VBDC。所有分配的容量中，沒被使用的高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列可用于低優(yōu)先級(jí)BA。

圖2 RCST的DS結(jié)構(gòu)

2.2 資源動(dòng)態(tài)分配算法分析

NCC資源調(diào)度算法主要包含兩個(gè)關(guān)鍵算法：一是用戶請(qǐng)求列表更新算法，用于更新各用戶終端的資源請(qǐng)求；二是系統(tǒng)資源分配算法，用于為終端用戶分配時(shí)隙資源。由于用戶終端的請(qǐng)求可能在一幀的任意時(shí)刻到達(dá)，為此調(diào)度器設(shè)有資源請(qǐng)求緩存序列。到達(dá)的資源請(qǐng)求先進(jìn)入緩存序列，在每幀起始先由請(qǐng)求列表更新算法進(jìn)行處理。請(qǐng)求列表更新完畢之后，再啟動(dòng)資源動(dòng)態(tài)分配算法。

NCC可以每幀或多幀授權(quán)容量，鏈路分配結(jié)果在終端突發(fā)時(shí)間計(jì)劃（TBTP）表中用前向鏈路發(fā)給終端，終端使用所分配的業(yè)務(wù)時(shí)隙排隊(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)。定義調(diào)度周期為兩TBTP之間的時(shí)間，即調(diào)度周期為TBTP更新時(shí)間周期。DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)定義TBTP每超幀更新，而超幀周期很長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致過長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間，超幀內(nèi)不同幀號(hào)可以有幾個(gè)不同的TBTP，所以建議以幀為單位分配資源，即TBTP更新周期為幀。目前，接入控制方式主要有兩種：

（1）混合自由/按需分配（CF-DAMA），CF-DAMA結(jié)合了自由分配和按需分配方式的特點(diǎn)，可以靈活地根據(jù)終端業(yè)務(wù)量分配信道資源，從而提高信道利用率。隨著負(fù)載的增加，信道利用率較高，但是時(shí)延性能下降嚴(yán)重，這是由于多次請(qǐng)求再分配策略的影響和預(yù)約請(qǐng)求的沖突概率增大造成的。

（2）基于突發(fā)目標(biāo)按需分配（BT-DAMA）方式。BT-DAMA方式的特點(diǎn)是請(qǐng)求機(jī)制和調(diào)度機(jī)制的分離，為突發(fā)業(yè)務(wù)的終端分配連續(xù)的信道資源，避免了多次請(qǐng)求所帶來的時(shí)間浪費(fèi)，對(duì)于突發(fā)業(yè)務(wù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)了較好的時(shí)延性能。但分配信道資源時(shí)沒有考慮各終端的業(yè)務(wù)量不同，而采用絕對(duì)的平均分配方式，從而造成業(yè)務(wù)量大的終端業(yè)務(wù)等待時(shí)間更長(zhǎng)，端到端時(shí)延增大[5]。

為了便于協(xié)議算法描述，定義以下系統(tǒng)參數(shù)：que_numi：在當(dāng)前預(yù)約時(shí)刻，第i個(gè)地面站緩存隊(duì)列中的分組數(shù)目；pre_que_mumi：在上一預(yù)約時(shí)刻，第i個(gè)地面站緩存隊(duì)列中的分組數(shù)目；req_numi：第i個(gè)地面站當(dāng)前預(yù)約的時(shí)隙數(shù)目；data_num：一幀中業(yè)務(wù)時(shí)隙的數(shù)目；left_slots：按需分配后一幀中剩余的業(yè)務(wù)時(shí)隙數(shù)目；ass_slotsi：第i個(gè)地面站獲得的業(yè)務(wù)時(shí)隙分配數(shù)目；m：發(fā)出預(yù)約請(qǐng)求的地面站數(shù)目。

下面分析一種對(duì)業(yè)務(wù)量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的CFDAMAPR協(xié)議：終端站發(fā)出資源請(qǐng)求之前首先計(jì)算que_ numi與pre_que_numi的差值：Δ=que_numi- pre_ que_numi。若Δ>0，終端將按下式向調(diào)度器發(fā)送預(yù)約請(qǐng)求的時(shí)隙數(shù)目：req_numi= que_numi+ kΔ，式中，k為預(yù)測(cè)因子，預(yù)測(cè)因子的選取應(yīng)隨信源突發(fā)強(qiáng)度的增加而增加。否則，終端將按下式向調(diào)度器發(fā)出預(yù)約請(qǐng)求的時(shí)隙數(shù)目：req_numi=que_numi。

中心站調(diào)度器存放了一個(gè)資源預(yù)約表和一個(gè)輪詢自由分配表，資源預(yù)約表用于按需分配，輪詢自由分配表用于輪詢自由分配。當(dāng)調(diào)度器收到預(yù)約請(qǐng)求后，在資源預(yù)約表的尾端存放一個(gè)記錄，該記錄由終端ID號(hào)及其對(duì)應(yīng)的預(yù)約時(shí)隙數(shù)目組成。輪詢自由分配表中存放了系統(tǒng)中所有活動(dòng)的終端ID號(hào)。在時(shí)隙分配的開始，調(diào)度器按公式（1）計(jì)算剩余時(shí)隙的數(shù)目

若left_slots≤0，沒有剩余時(shí)隙可供自由分配，發(fā)出預(yù)約請(qǐng)求的地面站將按下式加權(quán)公平地分配一幀內(nèi)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)隙

若left_slots >0，一幀內(nèi)有剩余時(shí)隙可供自由分配。在按需分配完畢后，調(diào)度器將采用輪詢自由分配方式將剩余時(shí)隙公平地分配給系統(tǒng)中所有的活動(dòng)地面站，直到一幀內(nèi)的業(yè)務(wù)時(shí)隙被分配完畢。

3 結(jié)束語

本文首先介紹了基于DVB-RCS的終端網(wǎng)絡(luò)信令流程，隨后研究了基于區(qū)分服務(wù)QoS的終端容量請(qǐng)求排隊(duì)調(diào)度機(jī)制，最后研究了網(wǎng)絡(luò)控制中心的一種基于終端業(yè)務(wù)量變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)的按需分配的動(dòng)態(tài)資源管理方法。所研究的網(wǎng)絡(luò)管理方法可用于指導(dǎo)DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)控制中心的軟件設(shè)計(jì)。■

[1] ETSI EN 301 790: "Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction channel for Satellite Distribution Systems", 2009.

[2] ETSI TR 101 790: "Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction channel for Satellite Distribution Systems; Guidelines for the use of EN 301 790", 2009.

[3] H. Skinnemoen, A. Vermesan, A. Luoras, etc., VoIP over DVB-RCS with QoS and bandwidth on demand, IEEE Wireless Communications, pp.46-55, Oct. 2005.

[4] 馮少棟，邊東明，張更新，李廣俠．寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)QoS架構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證仿真．計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010.37.6, pp.60-69

[5] 王艷良，王毓晗，馬正新．一種基于預(yù)測(cè)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)BTDAMA協(xié)議性能分析．傳感器與為系統(tǒng)，2012.31.11, pp.74-76

Study on Dynamic Resource Management about the Satellite Communication Network

He Xiang (State Administration of Press, Publication, Radion, Film and Television 292 station, Tsingdao, 266206)

In this paper we study the capacity request queue scheduling mechanism based on the distinct service QoS in view of RCST terminals; In view of the network control center, we study a dynamic resource management based on volume change trend prediction method. The concolusions of this paper can be used in the satellite communication network between terminal and centre station in interactive business requests and resource allocation.

DVB-RCS; MF-TDMA; DAMA; QoS

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.01.004

TN927+.2

A

1672-7274（2016）01-0017-03