一種衛星信道的反饋優化接入機制

丁毅，曹昕宇，程子敬，李潔，鐘瓊慧，靳軍

1. 北京物資學院 信息學院，北京 101149 2. 航天恒星科技有限公司，北京 100094

當前，在以航天科技和衛星互聯網為代表的通信網絡基礎設施建設中，寬帶衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信業務服務種類多、不易受地形等環境因素影響的優勢，在數據通信方面應用前景廣闊，將成為未來重要的通信方式之一，是當前的研究熱點[1]。

隨著空間衛星網絡規模的不斷擴大，用戶對衛星通信資源的需求也日趨增加。各行業的不同終端用戶請求的業務類型呈現多樣化趨勢[2]，因此，終端用戶希望能夠滿足“隨遇接入”的應用需求。而當前典型衛星通信系統使用(digital video broadcasting interactive satellite system，DVB-RCS)標準和預先資源規劃的信道接入機制。而在衛星實際工程應用中，各衛星信道資源提供單位的端站接入方式略有不同，當出現信道資源不足時，主要存在以下3種解決方法：

1)先到先得的信道接入方式，就是將信道按照先后順序接入，直到有端站主動退出再進一步分配；

2)等級優先的信道接入方式，如果后加入的端站等級較高，則將先加入的低等級端站強制退網，保證業務級別高的端站接入；

3)反饋控制的信道接入方式，當有新端站請求接入，其余端站按照一定比例進行帶寬資源的削減，將部分帶寬讓渡給新接入端站使用。

當前衛星通信中使用的3種接入方式都存在一定問題[3]，具體表現如下：

1)第1種接入方式快速簡單，對每個端站保證最大程度的公平，僅在多個端站同時接入時才考慮端站優先級，沒有給予重要端站應用足夠的資源傾斜，可能會導致一些重要的任務無法得到及時支持；

2)第2種接入方式充分保障了高等級端站需求，但會導致低等級端站由于缺乏支持而長期等待；

3)第3種接入方式使所有端站均損失部分帶寬資源，用來提供后來端站的帶寬需求。這樣可能會造成有些應用因為帶寬的消減無法正常運轉。

可見，3種方式均具有強制性調整的特點，衛星在不同端站之間進行權衡，根據調整目標不同，選擇不同的接入方式。但會在公平性和可操作性兩方面都存在一定的局限性，端站缺乏根據自身情況自主參與的權利，無法充分理解端站的實際業務需求，會限制衛星通信的應用范圍和發展規模。

總結起來，就是當前DVB-RCS標準基于帶寬預先規劃的衛星通信系統接入機制與端站“隨遇接入”的需求矛盾凸顯，無法滿足終端用戶對于衛星資源高效應用的需求。如何從整體協商角度建立一個更加合理有效，能夠滿足絕大多數終端業務請求，并且符合當前衛星信道接入工程特點的帶寬資源分配機制成為一個亟待解決的重要問題。

本文針對這些問題，力圖使用最優化及博弈理論來解決終端之間的帶寬資源分配問題，以期達到最大化整體帶寬通信業務效益的目的。

1 帶寬分配理論研究

目前衛星通信中的DVB-RCS標準包括5種帶寬資源分配方式，分別是恒定速率分配(constant-rate assignment，CRA)、基于速率的動態容量(rate-based dynamic capacity，RBDC) 申請、基于容積的動態容量 (volume-based dynamic capacity，VBDC) 申請、絕對基于容積的動態容量 (absolutely volume based dynamic capacity，AVBDC) 申請和自由容量分配(free capacity assignment，FCA)[4]。其中CRA方式面向業務速率固定的應用，優先級最高，應用廣泛[5]。這是本文重點研究的基礎場景。而其他幾種方式會從不同角度對端站信道帶寬進行動態調整，可以等價于下一輪對信道帶寬的重新分配接入，因此，本研究的反饋優化接入機制融合了多種分配方法，具有較強的適用性。

另外，在已有的研究中，帶寬資源的分配模式主要包括博弈論模型、最優化理論和拍賣機制設計。

博弈論是研究理性決策者在博弈中如何做出使自身或團隊利益最大化的方法，可從經濟學角度為衛星網絡資源分配的問題，依據不同應用場景，提供求解模型。在非合作博弈領域，文獻[6]考慮當衛星帶寬容量一定時，在保證用戶通信服務滿意度的前提下，構建了基于博弈理論的衛星通信網絡的速率分配模式，可實現帶寬資源的整體規劃再分配。文獻[7]將通信業務提供商與終端用戶看作是主從Stackelberg博弈模型，在此基礎上文獻[8]提出了基于改進Stackelberg博弈模型的衛星通信資源的多級業務分配方法，考慮將終端資源服務請求分為高低兩個不同的業務等級，當出現資源擁塞情況時考慮高等級業務的合理調整，從而建立動態業務優化模型以保證資源的合理分配，結果表明在帶寬利用率和通信業務處理效率方面取得了明顯改善。在合作博弈領域，文獻[9]建立了基于完全信息博弈的討價還價經濟學模型，文獻[10]將此理論運用于云環境下的任務資源調度模式中，將虛擬網絡中的各節點當成博弈中的參與雙方。在資源約束的條件下，網絡中各博弈參與方選擇適合自己的速率博弈策略，從而達到穩定狀態下的最佳任務調度模式。但是目前網絡通信資源分配模式更多的是合作與非合作博弈的結合問題，將其應用到衛星通信接入領域，因為交互復雜，各端站之間自成獨立個體參與博弈，對資源消耗較大。本文主要基于DVB-RCS標準的應用特點，考慮多方面因素，并根據端站的實際需求情況綜合確定端站的服務等級和分配的帶寬，過程較為簡單，開銷較小，且無需增加額外信令。在最優化理論帶寬分配模式研究中，文獻[11]認為在衛星通信中，面向用戶需求的優先級帶寬分配模式并未能較好地解決帶寬利用率問題。文獻[12]借鑒生物遺傳算法的相關理念，在信道資源有限的情況下，提出解決衛星信道的資源實時動態分配策略。文獻[13-14]則將經濟學中的定價機制融入到衛星資源分配模式中，在保證帶寬用戶體驗質量(quality of experience，QoE)的情況下，綜合考慮了用戶的業務消耗和價格等因素，通過約束條件建立分段用戶業務請求成本模型，最大限度提高資源利用率和降低用戶成本。但是該方法在定價的公平機制設計方面還沒有得到有效的改善。本文主要面向衛星通信的業務場景，在接入階段，端站通過建立謙虛度和業務損失函數，可以更全面地反映各端站的帶寬需求，量化讓渡帶寬的損失，并激勵端站主動出讓多余的帶寬，保證更多端站接入，提高資源利用效率。同時還需要考慮服務等級，尋求操作效率和公平之間的平衡。

當前有研究人員將拍賣機制設計原理運用于網絡資源分配中[15]。文獻[16-17]考慮在P2P網絡中帶寬資源稀缺且存在分配不合理的情況，為了避免網絡中出現自私節點“搭便車”的現象，引入經濟學中的拍賣機制設計方案。考慮各節點在請求帶寬服務的同時需要消耗一定的網絡帶寬支付成本，用于補償潛在帶寬需求節點。該機制將每個節點的帶寬資源需求與貢獻聯系起來，從而形成良性循環。文獻[18]則考慮在P2P網絡資源分配中，構建動態價格匹配模式，業務提供商根據合適的價格將資源分配給用戶。但是以上方案并沒有考慮激勵機制的設計，以此來激勵更多不在該網絡中的節點參與其中，沒有達到擴大網絡規模效應和提升整體網絡性能的目的。本文則是通過引入謙虛度的方法，鼓勵所有端站主動將閑置帶寬讓渡給新加入或有更多需求的端站使用，努力減少等待端站的平均排隊時長，同時為自己提供后續信道優先接入的量化積累。

基于以上研究和分析，本文在不改變傳統通信模式，不增加控制信令的前提下，提出一套面向衛星信道的反饋優化接入機制。該機制通過合作協商的方式滿足大多數終端用戶帶寬需求，激勵更多的端站接入，以期達到整體規模效益和資源利用最大化。

2 衛星信道反饋優化接入模型

如前文所述，目前衛星實際工程應用中信道接入采用的是DVB-RCS標準，信道的3種接入方式都存在公平和可操作的局限性，因此，本文在分析各種接入方式特點的基礎上，結合最優化、反饋控制機制、博弈論等技術理論，提出一套新型的衛星信道反饋優化接入模型，形成高效分配機制，以有效緩解當前衛星通信系統接入機制與端站“隨遇接入”需求的矛盾，提高衛星通信資源的利用率，滿足端站用戶的多樣化需求。

2.1 模型假設與定義

衛星通信中，信關站信道資源的分配目標是在綜合考慮端站不同服務等級的前提下，讓盡可能多的端站接入。假設一旦有新的端站請求加入，或者需要調增帶寬，致使總帶寬需求超過了衛星信道可提供的總帶寬B，則啟動新一輪分配過程。同時，整個模型要求不能增加使用協議的信令長度，充分利用原有信令的擴展字部分來完成控制邏輯。

假設此模型中存在N個端站參與帶寬分配，信關站對端站建議帶寬為bi(i=1,2,…,N)，端站提供帶寬需求為qi(i=1,2,…,N)。

假設:認為所有端站不存在惡意欺騙，可以根據自己的真實業務需求請求帶寬資源。

定義1:謙虛度，是端站的基礎屬性，用來激勵端站讓渡多余帶寬，并為后續信道優先接入提供量化積累。初始值設為0，使用mi來表示(i表示第i個請求端站)。當端站帶寬需求量高于信關站上一輪帶寬分配量的情況下，則可消耗謙虛度換取帶寬。當端站新一輪分配帶寬量少于上一輪時，則端站讓渡的帶寬量可轉換為謙虛度。設本輪的初始謙虛度為mi(i=1,2,…,N)。

假定業務質量是與帶寬密切相關的，存在上下兩個門限。當獲取帶寬等于或大于業務服務上限時，業務持續保持最高質量服務水平，帶寬繼續增加也無法進一步提高業務服務質量；當獲取帶寬小于業務服務下限時，該業務終止，損失最大，當帶寬繼續減少也不會再增加損失。當獲取帶寬在上下兩個門限之間，業務服務質量同帶寬成正比，同損失成反比，進而可推出損失與帶寬成反比。

定義2:業務損失函數，量化表示業務的損失程度，其含義見下式：

(1)

式中：對于i端站，Qi為業務服務帶寬上限；Qmin,i為業務服務帶寬下限；qi為端站提供的帶寬需求。當qi≤Qmin ,i時，業務損失最大，損失值為Lmax ,i；當qi≥Qi時，損失值為0；當實際分配到的帶寬qi介于兩者之間時，業務損失隨qi的增加逐漸減小，減小的速度與業務模式相關，各端站可能不盡相同，另外，該函數是連續函數，如圖1所示。

圖1 業務損失函數Fig.1 The graph of business loss function

2.2 服務等級協議設計

在信關站寬帶業務服務模型中，需要設計帶寬業務服務等級協議(service-level agreement，SLA)，信關站根據此標準為端站提供差異化帶寬服務。在衛星通信業務中，根據衛星通信的特點，協議內容設計如表1所示。

表1 服務等級協議內容示例

這一協議反映了通信業務中的需求與服務，可以約束信關站和端站雙方的行為，根據不同端站的實際情況，進行有針對性的分類和策略傾斜，并促進信關站提高通信服務質量，使資源能夠合理分配、充分利用。根據該協議內容對端站進行評分，評分結果可分為不同等級，通過服務等級系數βs來反映端站服務不同等級之間的差別，βs(s表示不同的等級，假定分為A個等級，s∈[1,A]，1為最高級別，A為最低級別，0<βs≤1)也是信關站信道資源分配的重要影響因素。這樣，服務等級作為輸入端站的一個屬性，與端站資源請求相結合，比如，(qi.s)=1(i∈[1,N])表示端站i的業務服務等級為1。

2.3 模型建立與求解

信關站和眾端站要完成信道帶寬接入，達成一致資源分配共識，需要經過以下協商過程：

1)第1回合將帶寬需求qi,1(表示第i個端站的第1次上報請求)和業務服務帶寬下限Qmin ,i報給信關站。由損失函數可知，如果帶寬qi,1超過業務服務帶寬上限Qi，端站不會得到額外的收益，反而在實際場景中，可能因此支付更多的寬帶費用。如果qi,1低于Qi，則端站會產生業務損失，在初次提交帶寬需求時通常也不會發生這種情況。因此，可認為qi,1=Qi。

2)信關站收到各端站的需求信息，將所有帶寬需求進行加和，如果總帶寬需求沒有超過實際信關站可分配的帶寬容量，即∑qi,1≤B(i=1,2,…,N)，則直接按此分配策略執行(若有端站退出，騰出的帶寬容量也計算到可分配容量中)。當端站群所報的帶寬總需求高于信關站所能提供的總帶寬時(∑qi,1>B，i=1,2,…,N)，信關站會根據端站申報的帶寬需求量并與服務等級系數βs加權后，再乘以縮減系數α(0<α<1)， 保證帶寬總和不大于B。由于業務正常運行要求帶寬不能低于最小可接受帶寬Qmin,i，如果低于Qmin,i，則按照Qmin,i值分配資源。因此，帶寬請求可表示為αβsqi,1和Qmin,i中的較大值。信關站的分配規則列式如下，其中bi,1表示端站i第1回合擬分配的帶寬容量：

bi,1=max(αβsqi,1,Qmin,i)

(0<α<1,0<βs≤1)

(2)

式(2)受下式約束：

(3)

約束條件是第1回合所有端站擬分配帶寬之和要小于B。進而，將bi,1通過廣播的形式發送給端站i，其他端站也會完成同樣的流程。

3)當端站收到信關站的建議需求bi,1(bi,1∈[Qmin,i,qi])時，構建效用函數方程描述如下：

ui=Ui+mi-li(i=1,2,…,N)

(4)

在本模型中，與效用函數相關的因素有：謙虛度、業務收益以及業務損失。其中Ui為端站利用帶寬完成業務而獲取的收益，僅與端站的實際業務相關，與帶寬量無關。效用函數中的mi為謙虛度，其表達式設為：

(5)

當qi

將式(5)中當qi≥bi時的表達式進一步整理，推導得到：

進一步合并，得：

(6)

將式(2)代入式(6)，另外由于qi∈[Qmin,i,Qi]，且由Mi定義和式(2)可知，bi+Mi>Qmin,i, 可以進一步展開分析，則：

若bi+Mi∈(Qmin ,i,Qi]，有：

(7)

若bi+Mi>Qi則有：

mi=max(αβsqi,1,Qmin,i)-qi，

Qmin,i≤qi≤Qi

(8)

可以將qi,1=Qi,以及qi,2、bi,1帶入式(7)(8)，可得：

若bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]，有：

(9)

若bi+Mi>Qi，則有：

mi=max(αβsQi,Qmin,i)-qi,2，

Qmin,i≤qi,2≤Qi

(10)

綜上所述，由式(1)(7)～(10)可知，在定義域qi∈[Qmin,i,Qi]內，mi、li都是qi的函數，式(4)中的ui達到最大值點時的qi即為端站應選擇的最佳帶寬需求，記為qi,2,tmp。在實際衛星通信中，最終分配的帶寬容量通常表現為幾個類別，代表不同的數值范圍。比如128 kbit/s, 256 kbit/s, 512 kbit/s, 1 Mbit/s, 1.5 Mbit/s, 2 Mbit/s, 2.5 Mbit/s, 3 Mbit/s, 4 Mbit/s, 8 Mbit/s等按照容量向上取類的方式進行分配，即取a=[128 k,256 k,512 k,1 M,1.5 M,2 M,2.5 M,3 M,4 M,6 M,8 M](其中，1 M=1 024 k≈1 000 k)。按照以上分配方式計算得到的帶寬qi,2,tmp,依次與數組a中的數據進行比對，確定所屬帶寬類別，即qi,2=uper(qi,2,tmp,a)。

4)信關站根據端站的帶寬需求qi,2，在優先保證高等級端站帶寬的前提下，盡可能讓更多的端站接入。

信關站依據服務等級將端站進行排序，在同一等級中，使用背包算法進行分配。

步驟1：首先將端站按照業務服務等級分成不同類別，組成服務端站集合S1，S2，S3,…,SA。比如如果(qi,2.s)=1(i∈[1,N]),則該端站屬于集合S1。

步驟4：如果當前服務等級不為A，信關站減去之前分配的帶寬總和Qp，如果剩余量等于零，則跳轉到步驟5；如果剩余量大于零，則跳轉到步驟3繼續執行。如果當前服務等級為A，則跳轉到步驟5。

步驟5：系統分配算法結束，信關站將端站的分配結果bi,2(i∈(0,n])發給相應的端站，端站數量假定為n, 則n∈(0,N]。端站收到信號后陸續接入衛星信道。

這一分配方法的目標就是可以在等級相同的條件下，盡量滿足更多的端站帶寬接入服務，該過程描述如圖2所示。

圖2 信道反饋優化接入方法流程Fig.2 The flow chart of feedback optimization channel access mechanism

2.4 信道實現流程分析

在實際衛星通信DVB-RCS標準中實現信道反饋優化接入模型，將信關站和端站的反饋交互信息填充到信令保留字中，不額外增加信令。信道接入分為初始同步、登錄、粗同步、精同步、同步保持5個階段，其中前兩個階段使用隨機時分多址方式(Aloha)進行數據通信，后3個階段使用按需分配多路尋址(demand assigned multiple access，DAMA)方式通信。具體步驟如下：

1)初始同步：端站定位前向鏈路，并獲取網絡時鐘參考(NCR)、衛星位置表(SPT)、超幀組成表(SCT)、幀組成表(FCT)、時隙組成表(TCT)等信號。

2)登錄：端站在通用信號通道(CSC)時隙發送登錄請求和Qmin,i,qi,1(i=1→N)信息。網絡控制中心NCC工程中是和信關站集成在一起的。此步驟中，NCC接收該請求，并向端站發送單播終端信息消息(TIM)作為回復，該TIM信息除了需要包含端站的專用信令時隙和端站配置信息(如捕獲ACQ分配描述符、SYNC分配描述符等)，還需額外加入bi,1(i=1→N)。

3)粗同步：端站根據收到的信息，計算收益最優時的qi,2(i=1→N)，并發送粗同步請求(ACQ突發)的時間和qi,2給NCC。信關站計算分配的bi,2(i=1→n)，連同該端站關于時間、頻率和概率上的修正值信息放入校正信息表CMT中反饋給端站，允許接入的端站繼續進行后續精同步及同步保持請求。

4)精同步：端站在精確同步信令SYNC時隙上發送精確同步請求，并根據NCC的反饋信息進行調整，進入精確同步狀態。

5)同步保持：端站周期性地通過信道發送同步保持請求。

通過以上步驟，符合條件的端站可以完成衛星信道接入任務，具體交互流程如圖3所示。

圖3 DVB-RCS標準信道反饋優化接入實現流程Fig.3 The flow chart of feedback optimization channel access mechanism for DVB-RCS standard implementation

另外，在實際系統中，由于各個端站通信服務時間不同，端站可能會動態接入或退出系統。一旦端站退出系統，騰出的帶寬可為其他端站所用。這種情況依然可以使用本文的反饋優化接入機制完成其他端站的接入。依據具體通信需求，可以將剩余帶寬進行分配，也可以等一定周期統一完成該接入過程。本文重點研究一種新的端站接入機制，為工程實現提供解決思路。

3 信道分配計算模型分析

在上述分析的基礎上，本節展開詳細描述，使用信道反饋優化接入機制完成衛星通信資源的自動優化分配，在合理范圍內，求解端站效用函數的最優解。

3.1 業務損失函數設計

由第2.1小節分析可知，當端站的帶寬qi低于Qmin,i時，業務無法開展，損失最大；當帶寬超過Qi時，業務損失為0，無需進一步擴大，即有qi∈[Qmin,i,Qi]，函數表現形式如圖1所示，為連續函數，函數隨qi的增加遞減，減少速率通常隨著請求帶寬的數量增加而減緩，為簡化計算過程，假定其表現形式如下：

li=ci+logdiqi(0

(11)

式中：ci和di為與端站業務相關的損失系數，ci表示當qi=1(單位可以是Mbps)時的業務損失值，di可反映業務損失函數的斜率變化情況。將[Qmin ,i,Lmax ,i]、[Qi,0]兩點代入方程(11)，求解方程組得到：

(12)

將式(12)代回式(11)得到損失函數為：

(13)

3.2 服務等級設計

根據第2.2小節分析，在衛星通信場景中，端站的服務等級與可接入端站數量、通信業務范圍、用戶業務等級、業務服務評價指標、突發情況等因素相關，為簡化計算過程，重點考慮用戶業務的優先級，并綜合其他因素，分為以下幾個級別：

(14)

其中軍用應急業務包括抗震救災、國際應急合作等；軍用訓練業務包括日常訓練和演習的日常戰備任務等；民用商業業務包括商業音頻業務和數據傳輸業務等；民用普通業務包括娛樂、網上沖浪等需求。服務等級系數βs(βs∈(0,1])越大，服務等級越重要。具體等級分類需根據實際需求提前設置，例如可以假設：

(15)

3.3 收益函數最大化計算求解過程

謙虛度mi與損失函數li兩者對于式(4)結果的影響程度相同，但在計算中可能存在不同的取值范圍和量綱，式(4)中mi與li相減，量綱不同可能會對結果的計算增加難度。而在實際工作中，也建議數據范圍盡量保持同等范圍或者量綱差距不大。為了增加通用性，本節的處理方法是分別對2個變量進行歸一化處理。

由式(9)(10)(13)分析可知，模型中mi、li均是qi的函數。收益值Ui是與端站請求帶寬qi無關的值，對qi求導為零，因此僅對式(4)中mi和li進行歸一化處理，以統一量綱和數量級。則有：

(16)

將式(9)(10)(13)代入式(16)，將ui轉化為qi的公式。下面根據不同情形進行分析：

1)當bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]，且qi∈[Qmin,i,bi+Mi)時，可得：

(17)

將式(17)對qi求導，令導數等于0，即：

(18)

解得：

(19)

將式(17)對qi求二次導，即：

(20)

因此在qi∈[Qmin,i,bi+Mi)且bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]時，ui是向上凸函數，當滿足式(19)時具有極大值。在這一情況下，端站i的收益函數ui的函數曲線如圖4所示。

2)當bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]且qi∈[bi+Mi,Qi]時，有：

(21)

對式(21)進行求導，得到：

(22)

由此可知，當qi∈[bi+Mi,Qi]時，bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]，ui為單調遞增函數，極大值在自變量的最右端取得，此時有：

qi=Qi

(23)

3)當bi+Mi>Qi時, 則qi不受限制，在區間[Qmin,i,Qi]取值，可以得到：

(24)

將式(24)對qi求導，令導數等于0，即：

(25)

解得：

(26)

將式(24)對qi求二次導，即：

(27)

經過計算可知，式(27)與式(20)結果相等，因此，在這種情況下，ui的圖形也是向上凸函數，與圖4的示意圖類似，滿足式(25)可求得qi的極大值。

綜上所述，在實際應用中，因為只存在以上三種情況，當端站的需求和信息已知，可以直接計算qi滿足式(19)(23)(25)時收益函數的取值，并進行比較，較大者即為給定條件下收益函數的最大值，記為qi,2,tmp。設計a表示不同帶寬類別，通過qi,2=uper(qi,2,tmp,a)計算得到第2.3小節中的qi,2，進而繼續報給信關站，并利用背包算法和服務等級進行信道資源分配工作。

4 試驗驗證

本節針對衛星信道DVB-RCS標準反饋優化接入方法與常見的信道接入方法進行對比驗證。其中等級優先方法依賴于優先級的設置，通信過程具有較強的先天確定性，這里不做量化對比。因此主要完成反饋優化方法與先到先得、反饋控制的實驗量化分析。

實驗環境為Intel Core i7-10710U處理器，16 Gbyte內存的測試計算機。假設衛星信道中信關站總帶寬B為500 Mbit/s，分別隨機生成N=100，200，…,1000個端站。端站的初始帶寬需求從數據集{0.128,0.256,0.512,1,1.5,2,2.5,3,4,6,8}中隨機取值，服務等級隨機歸屬為4類，假設其服務等級系數βs分別為0.7，0.8，0.9以及1.0。

試驗首先針對3種方法從最終信道端站接入數量和接入比例展開對比分析工作，進而比較不同服務等級下，3種方法的端站接入比例。

(1)端站接入數量對比試驗

比較3種方法最終加入端站的數量，如圖5所示。橫坐標表示申請接入衛星信道的總端站數，而縱坐標則表示接入信道的端站數目。

圖5 使用3種方法端站接入數量對比圖Fig.5 The comparison graph of satellite terminals connected ratios by the three methods

由圖5分析可知，隨著申請帶寬總端站數的增加，使用先到先得方法，信道在收到200個端站的帶寬請求后，已超出其承載能力，最多僅能容納160～170個端站。反饋控制方法，接入的端站數量略有上升，在180～200個端站之間。而本文提出的反饋優化方法中，同一信道的承載能力增長到約能處理300個左右的端站請求。若存在更多的端站請求，端站接入數量依然會出現小幅上升的現象。試驗表明，反饋優化方法可以接入更多的端站，滿足更多需求。

(2)端站接入比例對比試驗

比較使用3種方法中衛星信道最終接入的端站數量與申請帶寬的端站總數的比例，如圖6所示。橫坐標表示申請接入衛星信道的總端站數，而縱坐標則表示接入信道的端站占總申請端站數的比例。

圖6 使用3種方法端站接入比例對比圖Fig.6 The comparison graph of satellite terminals connected ratios by the three methods

從圖6中可以看出，當申請帶寬的總端站數量不大時，3種機制均有較高的端站接入比例，此時信道總帶寬是相對充足的。在帶寬申請總端站數不斷增大的情形下，信道端站接入數量比例不斷減少，減少速度呈現減緩趨勢。總體來看，反饋控制方法略優于先到先得方法，下降更慢。而反饋優化方法可促使信道接入更多端站，尤其在端站數量越大時，差距越明顯。當曲線趨于平緩后，反饋優化方法可接入端站比例接近另外兩種方法的2倍。

(3)不同服務等級接入端站比例對比試驗

選擇總帶寬B為500 Mbit/s，申請帶寬資源的總端站數取N為500和1000兩種情況，比較使用三種方法，不同服務等級的端站接入比例，如圖7所示。橫坐標表示不同的服務等級系數，縱坐標表示接入信道的端站占總申請端站數的比例。圖7(a)表示N為500的情況，而圖7(b)則表示N為1000的情況。

圖7 使用3種方法在不同等級下 接入端站比例對比圖Fig.7 The comparison graph of satellite terminals connected ratios with different SLA by the three methods

在該試驗中，先到先得方法假設N個端站依次加入，不考慮中間有端站退出的情形(如果實際中有端站退出，則優先分配等待的端站，在退出處理方式上，3種方法設計思路相同)。從圖7中可以看出，反饋優化方法和反饋控制方法均可為服務等級高的端站提供更高優先級，從而保證重要的業務能夠較為及時給予響應，提供帶寬資源，這具有重要的實際意義。反饋優化方法為高等級端站的優先服務更為明顯。

從以上試驗可知，從反饋優化與先到先得、反饋控制3種方法端站接入情況來看，反饋控制方法比先到先得方法的端站接入數量、比例略高，并考慮了服務等級的差異，對高優先級端站提供更多接入服務。反饋優化方法則比另兩種方法具有更高的端站接入數量和比例，并優先考慮高等級端站需求，可滿足工程實踐需求。此外，隨著N從100～1 000逐步增加，反饋優化方法耗時從0.20 s提高到1.55 s。當N處在最多可接入端站數左右時(N=300)，耗時0.67 s，所需時間合理可控。

5 結束語

本文提出一種面向衛星通信DVB-RCS標準的反饋優化接入機制，綜合應用了最優化、反饋控制、博弈論等理論思想進行設計，具有以下特點：

1)相對于傳統信關站向端站分配帶寬資源預先規劃模式，反饋優化機制通過信關站與端站之間的多回合協商，利用謙虛度、業務損失等因素建立業務收益損失模型，激勵端站資源申請更具合理性，從而改善個別端站低效占用資源的問題，促使更多端站受益。

2)通過建立服務等級協議，將服務等級量化并參與分配計算，保障傳統重要業務的優先級，維持公平競爭和統籌管理的平衡，加強衛星信道應用的可操作性。

3)利用已有信令的保留字完成信關站與端站的消息通信，無需使用額外信令，系統資源開銷低，不會為信道增加額外負擔。

4)信關站利用背包算法綜合考量端站申請和服務等級的基礎上完成信道資源分配，有效改進信道的利用效率，加大端站的接入數量，避免信道資源浪費。

總而言之，本研究有助于推動衛星信道“隨遇接入”模式和差異化應用需求的發展，并致力于加大衛星通信的應用范圍和發展規模。該機制目前尚處于理論推導、試驗和驗證階段，還需要進一步完善、測試，并與實際衛星環境相結合，以期發揮出更加實際的應用價值。