面向差異化QoS保障的衛星返向鏈路資源分配策略

繆中宇 陳特 馮瑄 鄭寒雨 秦鵬飛 蒲明龍 陶瀅

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)

衛星網絡資源管控研究主要面向呼叫接入控制及各維度的資源管理問題。呼叫接入控制是指依據一定的網絡管理目標設計接入控制判斷準則，決定一個連接請求允許或拒絕接入。資源管理則對網絡中各類型的資源在各波束或用戶間的分配進行優化，相關研究主要從頻域[1-2]、時域[3]及功率域[4-5]角度討論星上資源優化方案，提升衛星系統的通信容量。目前，大部分研究工作都以前向鏈路的帶寬分配與功率控制為主，然而在返向鏈路，基于第2代數字視頻廣播-交互式衛星系統(DVB-RCS2)協議的衛星系統主要采用多頻時分復用(MF-TDMA)體制，具有與前向鏈路時分復用(TDM)體制截然不同的幀結構與頻率劃分機制。與此同時，由于終端突發時間計劃(TBTP)表中需要描述每個用戶在每超幀中的傳輸時隙，相比于前向鏈路的波束級資源調度，返向鏈路更關注于每個用戶的資源分配，因此目前針對前向鏈路的資源分配方案無法直接應用于返向鏈路。

未來寬帶衛星通信系統所服務的用戶種類與承載的業務類型更加多樣化，需要對不同用戶的終端能力、業務需求及用戶優先級進行區分，為不同優先級的用戶業務提供差異化的服務保障。文獻[6]中考慮高、中、低3種業務優先級，根據時延、公平性等需求設計了每種業務流的調度權重，通過調度權重影響為每種業務流最終分配的業務發送速率。文獻[7]中考慮了業務服務質量(QoS)水平，以滿足用戶的延遲要求，在此基礎上建立了聯合帶寬和功率分配機制。為了避免低優先級用戶的QoS過度惡化，文獻[8-9]中提出了QoS公平性問題，引入了延遲優先級的概念，從而在實時業務和非實時業務的性能之間取得平衡，避免實時業務無限搶占系統資源。對于返向鏈路，文獻[10]中關注視頻、網頁和文件傳輸業務，提出了一種MF-TDMA和單信道單載波(SCPC)模式的切換機制，該機制能夠區別對待3種業務，提供差異化的QoS服務。

上述文獻只在用戶或業務等單一維度上考慮某一用戶請求的優先級，而在實際寬帶衛星系統中，用戶具有不同的重要程度，而每個用戶又可能發起包括語音、視頻、網頁、電子郵件在內的多種業務，從單一維度上看，一般認為重要程度較高的用戶具有更高的優先級，或者語音、視頻等具有嚴格時延抖動要求的業務會被優先傳輸。然而，在實際系統中，既可能出現較為重要的用戶傳輸網頁、文本等低QoS要求業務，也可能出現普通用戶進行語音通話等高QoS需求的業務，此時，需要綜合考慮用戶優先級及不同類型的業務來保障每個具體業務請求的QoS需求。目前，在如何依據用戶優先級與業務類型的二維尺度對具體業務請求的QoS類型進行劃分與保障上還沒有統一的指標。因此，本文面向基于用戶優先級與業務類型的MF-TDMA返向鏈路時頻資源分配問題，提出符合DVB-TCS/RCS2標準的資源分配策略，基于該策略對資源分配問題進行建模并設計時頻資源聯合分配算法，為不同用戶不同類型的業務請求提供差異化的QoS保障。

1 資源分配問題建模

1.1 面向差異化QoS保障的資源分配策略

考慮寬帶衛星通信系統的返向通信過程，如圖1所示。在寬帶衛星通信系統中，用戶類型與終端能力多種多樣，如企業級用戶及普通個人用戶終端等，由于用戶的性質與傳輸業務的差別，網絡中的用戶具有不同的重要性，即用戶具有不同的優先級。與此同時，用戶所請求的業務類型與所要求的服務質量具有較高的差異性，既存在實時性要求較高的語音、視頻類業務，也有非實時的數據傳輸類業務，如網頁瀏覽、圖片傳輸等，以及電子郵件、后臺交互等QoS要求極低的業務。在同一類型的業務中，由于用戶的終端能力、網絡環境及用戶個人偏好等，其服務質量要求也千差萬別。以視頻業務為例，用戶能夠根據個人偏好傳送不同清晰程度的視頻資源，同時隨著子載波傳輸質量的變化，應用層也可以自適應地調整視頻流的碼率或視頻清晰度。

圖1 返向鏈路用戶請求示意

從業務類型來看，可將系統中的業務請求分為：實時恒速率業務，如話音、視頻等流媒體業務；非實時業務，如圖像、文本、網頁等；無QoS要求的文件傳輸或后臺類業務，如文件傳輸、電子郵件等。DVB-RCS2協議中支持為用戶的業務請求提供4種資源分配方式[11]。

(1)恒速率分配(CRA)：非請求式資源分配，用戶在入網時即與網管中心協商好獲得的資源數量，業務到來時可不必申請資源直接傳輸。

(2)速率保障(RBDC)：要求在超幀的每個子幀中都要為業務分配一定的時隙資源，以保證實時業務的傳輸質量，減小時延抖動。

(3)容量保障(VBDC)：只需要保證在一個調度周期中提供足夠的時隙資源，適用于非實時業務。

(4)自由容量分配(FCA)：若系統有剩余資源，則分配給用戶，適用于后臺類業務。

從用戶優先級來看，將系統中的用戶按優先級分為3類，令a∈{1,2,3}表示用戶的優先級，a的值越小表示優先級越高。對于最高優先級的用戶(a=1)，一方面，針對它提出的需求不論業務類別均使用CRA方式，保證其數據能夠優先迅速傳輸。對于a=2的用戶，對其傳輸的非后臺類業務按用戶所提出的QoS要求進行資源分配。對于最低優先級的用戶(a=3)，在系統業務量較少時，保障其所提出的QoS需求，當系統業務量較多、資源緊缺時，對具有自適應特性的業務進行服務降級，如傳輸清晰度更低的視頻，降低用戶對系統的資源需求，使系統資源有望滿足用戶的要求，所有業務均可被調度。綜上所述，從用戶優先級與業務類型對用戶的業務請求進行拆解，結合DVB-RCS2支持的4種資源分配方式，可對用戶某一業務請求提供6類服務質量保障，如表1所示。

表1 面向差異化QoS的資源分配原則

1.2 問題模型

在實際的衛星通信系統中，系統的子載波帶寬及超幀時隙配置已由網絡管控中心(NCC)配置決定，并通過各廣播表項通知用戶終端。衛星或NCC需在當前子載波與時隙的系統配置下，以超幀為單位根據當前收到的用戶業務請求，對1個超幀內的資源進行規劃，用戶根據衛星的指示，在其傳輸機中進行業務發送。假設系統的整個頻段被網管配置為固定的帶寬劃分，如10 Mbit/s帶寬系統被劃分為4個512 kbit/s、2個1 Mbit/s、1個2 Mbit/s、1個4 Mbit/s，共8個子載波。由于網絡配置的更新周期遠大于資源調度周期，資源調度需要在上述固定配置下進行，明確1個超幀中的各個時頻資源塊與網絡中的業務請求的分配占用關系，如圖2所示。

圖2 以超幀為單位的資源分配

由于網絡中存在異構的用戶終端(大站、小站)，不同處理能力的終端可支持的最大帶寬不同，假設將用戶按其最大處理能力分為4個用戶組U=U1∪U2∪U3∪U4，Ui表示第i組用戶，i=1,2,3,4，同一組用戶將被分配相同寬度的子載波進行業務傳輸。同時，假設每個用戶終端都采用其能夠使用的最大寬度的子載波，當更窄的子載波有富余的時隙時，可在一定情況下將大帶寬用戶的業務調整到窄子載波上。

(1)

式中：k為波爾茲曼常數；λ為波長；G/T為用戶天線品質因數；Bu為用戶u所占用的子載波帶寬；Au為用戶u所經歷的雨衰值。

用戶的信干噪比為

(2)

式中：gu為用戶u的載干比。

依據DVB-RCS2協議，用戶根據鏈路質量采取自適應編碼調制技術，可依據用戶的信干噪比Su查表得到用戶頻譜效率γu。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：wu，d為用戶u的業務d的權重；約束條件C1表示每個子載波上承載的用戶業務總量不能超過其傳輸能力；約束條件C2則對應于用戶不跨子載波的限制；約束條件C3為資源分配變量的值域限制。

2 時頻資源分配算法

本文所提算法主要分為5個步驟，流程如圖3所示。①最高優先級用戶資源分配：首先對最高優先級用戶使用CRA分配方法，保證其資源的優先分配，滿足對特殊用戶的重點保障。②帶寬調整：當某個子載波組帶寬資源不足時，為待分配資源的用戶在其他寬度的子載波中尋找可用資源，盡量在不進行服務降級的情況下滿足所有用戶的需求。③服務降級：若系統資源仍不足以滿足用戶的需求，對低優先級用戶進行服務降級，以容納更多的用戶。④用戶調度與子載波分配：對所有待分配用戶確定是否為該用戶服務，以及為其分配相應的子載波。⑤TBTP表生成：根據用戶調度與子載波分配結果，依據用戶業務類型，為其進行滿足RBDC，VBDC或FCA的時隙分配，建立用戶與具體時隙間的映射關系。算法從最窄的子載波組開始，對組內的用戶的時隙需求進行計算后依次進行上述5個步驟，完成本載波組的資源分配。重復上述操作，直至完成對最后1個子載波組的資源分配。

圖3 算法流程

依據各用戶的初始速率需求，計算用戶在每個調度周期，即每個超幀內的時隙需求tu。

2.1 最高優先級用戶資源分配

對于最高優先級用戶，對其所有業務請求采用CRA分配，即在用戶入網時便與NCC協定好占用的資源數量，網絡在每個超幀中為其固定預留資源。令V(n)表示第n個子載波中剩余的時隙數，具體分配流程如圖4所示。

圖4 最高優先級用戶資源分配流程

2.2 帶寬調整

圖5 帶寬調整流程

2.3 服務降級

經過帶寬調整，若本組子載波剩余的時隙仍不夠滿足待調度用戶的QoS需求，則對最低優先級的自適應業務進行服務降級，即降低其服務質量等級，如傳輸更為不清晰或音質更低的音視頻流，以應對可用時隙不足的情況。假設用戶根據其終端能力或個人偏好請求不同質量的音視頻資源，而不同質量的音視頻資源則對應不同的平均傳輸速率需求。為了不過分降低用戶體驗，規定網絡對每個用戶的服務請求至多降M級，即當某個用戶請求已經使用最低檔的速率傳輸，或該用戶已經過M次降級，則不再對該用戶進行服務降級。

當資源不足時，對部分用戶的業務請求，選擇更低一級的服務檔次(即更低一級的傳輸速率保障)，直至所有最低優先級的用戶業務都已不能再降級，或當前業務傳輸所需的時隙之和小于子載波組中的剩余時隙數時，服務降級過程終止。

2.4 用戶調度與子載波分配

對于當前子載波組i的用戶，令Ui′表示待分配的用戶請求集合，Ni′表示剩余時隙，tn′為進行服務降級后用戶u的時隙需求，則用戶調度與子載波分配問題等價為以下線性整數規劃問題，見式(8)～(11)。該問題可通過分支定界法等方法求解。

(8)

(9)

(10)

(11)

2.5 TBTP表生成

時隙分配分為非后臺類業務的時隙分配與后臺類業務時隙分配。根據用戶調度與子載波分配的結果進行非后臺類業務的時隙分配，確定每個時隙應分配給哪一個用戶。需要按照業務的實時或非實時特性提供速率或容量保證的分配方案。當被選擇承載的非后臺類用戶業務已經分配完畢，可將剩余時隙資源分配給請求后臺類業務的用戶。最后，為剩余的后臺類業務分配剩余的子載波，盡量使其占滿剩余的時隙即可，提高資源利用率。圖6為非后臺類業務時隙分配流程。

圖6 非后臺類業務時隙分配流程

3 仿真分析

本文在Matlab軟件環境中對所研究時頻資源分配問題進行建模，設星下點位置為(120°E，0°N)，用戶終瑞G/T值為34.29 dB/K，信干噪比為20 dB，系統被分為500 kbit/s，1 Mbit/s，2 Mbit/s，4 Mbit/s共4種寬度的子載波，每種子載波數量分別為8,8,7,6。每超幀包含8個子幀，每子幀包含25個時隙，時隙長度為1 ms。用戶總數為120，4組用戶數的概率為0.21,0.25,0.24,0.33，用戶3個優先級的概率為0.3,0.3,0.4，服務最大降級次數M為2。DVB-RCS2同樣支持自適應編碼調制，但未給出明確的自適應編碼調制方案，為了驗證本文策略的性能，參考DVB-S2規定的自適應編碼調制方案，如表2所示。

表2 自適應調制編碼方案

當網絡中用戶數較多時，系統中的資源將不足以滿足所有用戶的需求，圖7(a)所示為系統中具有120個用戶時第5個子幀時頻資源分配結果。其中：每種顏色表示不同的用戶組，組內的用戶以顏色深淺區分。可以看到：不同尺寸、能力的終端初始時按其能夠處理的最大帶寬被分配在相應寬度的子載波上，這些原本被分配在同一子載波組中的用戶終端為1個組，因此與4種子載波相對應，將用戶分成了4個用戶組，不同組用戶通過不同的顏色來區分。當某個寬度的子載波資源不夠承載當前用戶組中的全部業務請求時，會發生帶寬調整，即在用戶能夠處理的最大帶寬內，若其他寬度的子載波中具有剩余的時隙資源，則將當前用戶組中部分用戶的業務請求轉移到該子載波組中承載。以用戶優先級視圖表示分配結果，如圖7(b)所示。可以發現，被轉移的用戶為優先級為2的用戶。這是由于帶寬調整步驟發生在QoS降級之前，被調整的用戶QoS不受影響，只是使用更窄的子載波傳輸。本文認為優先級為2的用戶的業務應該得到更高的保障，因此在進行帶寬調整時優先選擇優先級為2的用戶進行調整。進行帶寬調整后，若子載波組中的時隙資源仍不夠用，則對剩余的最低優先級的業務進行降級。

圖7 第5個子幀時隙分配結果

定義被服務的用戶請求數量與系統中用戶提出的請求總數之比為用戶請求服務率，圖8為隨用戶數增加，各優先級用戶的服務率。隨著用戶數增加，系統資源越來越難以為全部用戶提供服務，由于系統為最高優先級用戶優先分配資源，總能保證重要用戶的通信，因此除最高優先級用戶外，其他用戶的服務率都有不同程度的降低，低優先級用戶的服務率明顯低于中優先級用戶，說明所提算法能夠有效區分各用戶的優先級。可以看出：經過服務降級，系統所能容納的用戶數具有明顯的增長，收益最明顯的為低優先級用戶，隨著用戶數由100增加至140，低優先級用戶服務率有5.53%～15.90%的提升，中優先級用戶也具有2.50%的提升。

定義某一類型業務被服務的請求數量與該類型業務請求總數量之比為業務請求服務率，圖9對比了語音、視頻、網頁與后臺類業務在不同用戶數的場景下業務請求服務率變化趨勢。可以看到：隨著用戶數的增加，用戶對系統資源的需求量越來越大，各類型業務的服務率都呈下降的趨勢。從非后臺業務來看，語音與視頻業務作為實時流業務，具有較高的優先級，其服務率明顯高于網頁等非實時類業務。同時，隨著用戶數的增加，實時業務對應的曲線下降趨勢也更為緩慢，說明在資源緊缺時，實時業務能夠得到更好的資源保障。另外，后臺類業務具有相當高的服務率，在用戶數不超過110時能夠被全部服務，這是由于：后臺類業務沒有任何QoS約束，即使系統中只剩余1個時隙，也可支持后臺類業務的接入；而對于非后臺類業務，則需要某個子載波剩余的時隙數達到其QoS要求時才能夠接入，否則將被拒絕服務。因此，后臺類業務的服務率遠高于非后臺類業務，只有當用戶數非常多，后臺類業務的數量大于剩余時隙數時，拒絕服務的情況才會發生。由圖8和圖9可知：本文所提的資源分配算法能夠同時區分用戶的優先級與業務類型，為不同優先級用戶、不同類型的業務提供差異化的QoS保障能力。

圖8 不同用戶數下的用戶請求服務率

圖9 不同用戶數下的業務請求服務率

圖10 本文所提算法與理論最優值對比

4 結束語

本文面向返向鏈路采用MF-TDMA體制的寬帶衛星通信系統，綜合考慮用戶優先級與不同業務類型的QoS需求，提出了一種面向差異化QoS保障的衛星返向鏈路資源分配策略，能夠根據不同優先級用戶的不同類型業務請求，提供6類QoS保障。基于所提資源分配策略，本文將MF-TDMA體制下衛星返向鏈路中面向差異化QoS保障的資源分配問題建模為非線性整數規劃問題，并設計了時頻資源分配算法進行求解。仿真結果表明：所提資源分配策略在用戶優先級、業務類型上都具備差異化服務能力，同時通過對系統中低優先級用戶的服務降級，系統在資源不充足時能夠容納更多的用戶，實現寬帶衛星通信系統資源高效利用。