寬帶GEO衛星網絡媒體接入控制協議

辛淵博， 周 熙， 李偉亮

(重慶通信學院，重慶 400035)

0 引言

寬帶衛星通信作為衛星通信領域一個全新的應用, 其主要目標是為多媒體和高速因特網應用提供一種無所不在的通信方式，解決全球通信最后一公里的問題。與上一代衛星網絡的最大區別是其承載的業務由低速數據業務及話音業務轉變為高速數據業務、因特網業務和多媒體業務，以及其帶寬速率的提升[1]。對于寬帶GEO衛星通信系統，考慮到頻率和功率受限、固有傳播時延長等特點，在多業務類型及多用戶環境下，選擇哪一種媒體接入控制協議（MAC Protocol）將直接影響到系統的容量、網絡結構、帶寬和頻譜的利用率、通信服務質量、控制策略、設備復雜度及成本等。

1 衛星網絡中影響MAC協議性能的主要因素

在寬帶 GEO衛星通信系統中，影響媒體接入控制協議性能的主要因素有：端到端時延、業務量模型、資源請求策略、資源分配方式的選擇等。

（1）端到端時延

分組的端-端時延包括分組從源終端產生開始到目的終端成功收到分組為止的整個過程，是衛星通信中影響媒體接入控制協議性能的最主要因素。GEO衛星通信網絡中一個分組的端到端延遲包括以下四個部分：接人延遲（分組到達時刻到該幀結束這段時間）、排隊延遲（分組在排隊中等待的時間）、分組傳輸時間和傳播延遲（GEO中一個 RTD約為250 ms）。和傳統地面無線網絡相比，GEO衛星網絡所特有的傳播時延長的特點，使得帶寬提升對總的端到端時延影響較小，提高分組接入概率和降低分組接入等待時間成為降低總的端到端時延的有效途徑。

（2）業務量模型

數學分析或離散事件仿真分析中所選的業務量模型的特性很大程度決定了MAC協議性能的好壞，這些特性包括分組到達分布、分組長度分布以及業務的突發性。其中業務突發性反映了實際業務流的本質特征，直接影響到衛星網絡多址接入協議的選擇和設計。對于突發性強的業務要求足夠大的存儲器和高速處理能力，同時需要按需、動態地配置傳輸信道以實現系統資源利用率和用戶QoS滿意度之間的平衡。

（3）資源請求策略

對于請求策略的優化一方面將大量復雜計算交由地面終端來處理，可以有效降低星上處理器的設計復雜度。另一方面保障了衛星帶寬資源的合理利用。特別是對于需要大量預約信息的高突發性業務，采用精確的預測機制可以有效減少用于預約請求的信令，從而降低業務端到端時延，提高衛星信道的資源利用率。

（4）資源分配方式的選擇

衛星通信中資源分配方式可以分為：固定分配、按需分配、自由分配和隨機接入。對于不同業務選擇不同的資源分配方式來保障其服務質量是提高衛星信道資源利用率的有效途徑[2]。例如，在衛星ATM網絡中，對于CBR業務采用固定分配的方式保障其穩定可靠地傳輸，對 VBR業務采用可變速率按需分配方式以適應其速率可變的特征，對于UBR業務采用隨機接入方式以適應其突發性的特征。

2 衛星通信網絡中的媒體接入控制協議

考慮到資源請求策略與分配方式對協議性能的影響，寬帶GEO衛星通信網絡的MAC協議針對網絡多業務的特點采取了兩種有效的解決方案：一是將各種接入控制方式進行有效組合，根據不同業務的特點選擇不同的接入方式，再由星上處理器根據資源使用狀況自適應分配，從而最大限度地利用衛星信道資源。另一種方案是考慮到地面終端造價低、處理速度快和存儲量大等特點，將大量工作交由地面請求終端來處理，變換資源請求方式以改善業務的突發強度，緩解星上處理的難度。

2.1 基于混合式自適應分配機制的媒體接入控制協議

混合式自適應分配機制主要是指針對不同業務選擇不同的接入控制方式以實現系統資源的最大利用和用戶QoS保障。典型的基于TDMA方案的混合接入控制方式有混合式按需/自由分配(CFDAMA)協議、隨機預約自適應分配（RRAA）協議以及兩者結合后產生的混合式自由／隨機預約自適應分配 (CFRRAA)協議。

CFDAMA協議[3]將按需分配與自由分配（對按需分配后剩余時隙的分配）相結合，首先由星上調度器或地面中心站針對各業務終端的請求進行按需分配，然后對按需分配后的剩余時隙按照特定的方式自由分配。仿真結果表明，CFDAMA協議在低信道負荷范圍實現了低的端到端時延，在高的信道負荷范圍實現了高的信道利用率。然而該方案不能擴展用于支持多業務以及提供QoS保證，而且對于混合類業務難以明確處理公平性問題。

RRAA協議[4]同時結合了隨機接入和按需分配多址接入方式，適合于寬帶GEO衛星ATM網絡中處理多業務的情況。該協議將ATM業務種類按照優先級與各類多址接入方式作了關系映射，對于CBR業務按峰值信元速率以固定速率DAMA的方式分配資源，對于rt-VBR和nrt-VBR業務以可變速率DAMA的方式分配資源（優先保障rt-VBR業務），對于UBR業務按隨機接入的方式通過競爭獲取資源。同時，該協議提出了預約時隙數量自適應可變方案，允許系統根據信道爭用情況自適應改變預約時隙與數據時隙的界限，以降低阻塞概率，減少時延。仿真結果表明，該協議在低到中等UBR業務負載時可以取得更高的吞吐量和較低的接入延遲。但對于UBR業務單純地使用隨機接入方式，當負載加大時會引發競爭加劇，造成系統吞吐量下降。

CFRRAA協議[5]成功地結合了CFDAMA協議與RRAA協議的特點，通過靈活動態的幀格式設計為各種不同類型、不同優先級別業務提供了最為合適的接入方式，其幀格式如圖1所示。

圖1 CFRRAA-CR(P)上行鏈路幀結構

如圖1所示，該協議上行鏈路幀由請求時隙(RS)和信息時隙(IS)組成，RS與 IS之間的間隔可根據業務量大小適時調整。請求時隙被CBR、rt/nrt-VBR業務源以S-Aloha的競爭方式提出初始接入請求。信息時隙由數量可變的數據時隙(DS)和自由接入時隙(FAS)組成：數據時隙用于承載獲得預約分配的CBR和rt/nrt-VBR業務源分組，以及經捎帶預約獲得時隙分配的 UBR業務分組。自由接入時隙包括兩個部分，第一部分允許調度器采用基于信源預測的加權分配方式為UBR業務終端分配預測數據時隙。第二部分允許UBR業務終端以S-Aloha的方式直接發送數據到FAS，同時根據需要可以在發送的分組上捎帶預約請求。

CFRRAA協議為衛星ATM網內不同類型業務規定了不同的優先級別，分別應用不同的接入方案。恒定比特率(CBR)業務擁有最高的優先級，采用固定速率 DAMA接入方式。預約成功后，每一幀中按CBR業務源峰值信元速率(PCR)為其分配固定數量時隙，直到呼叫結束。可變比特率（VBR）業務優先級次之，采用可變速率 DAMA接入方式以避免該類業務源在靜默期間浪費系統資源。首次接入成功后，業務源下一幀的請求時隙將通過捎帶預約實現。當系統資源短缺時，按照其優先級次序，首先為 rt-VBR業務源分配數據時隙，然后為nrt-VBR業務源分配。未定比特率(UBR)業務優先級最低，但突發性強，一般采用隨機接入方式。CFRRAA協議中為了改進 UBR業務性能，在隨機接入的同時，采取了捎帶預約、流量預測的策略以保障UBR業務的有效接入。

CFRRAA協議的優勢在于：對于 rt-VBR業務采用可變速率DAMA方案以避免資源浪費，對于UBR業務采用隨機發送/捎帶預約/流量預測相結合的接入方案以改善其性能；可變邊界的幀格式便于系統資源的靈活配置；星上實行按優先級管理隊列的策略，從而優先滿足實時業務的需求。仿真結果表明，該協議實現了低到中等 UBR業務負荷下低的端到端時延和高的信道利用率，同時保障了 ATM 網中各類業務的公平有效接入。

2.2 基于地面請求策略的動態分配多址接入協議

地面請求策略是寬帶GEO衛星網絡MAC協議的基礎，直接影響到系統端到端時延和資源利用率。地面請求策略優化的目的就是在保證業務QoS與提高系統資源利用率之間進行折中。因此，設計穩定、有效以及具有預見性的地面請求策略可以在滿足業務OoS要求的同時，最大限度提高資源利用率。目前有以下兩種可行策略：

2.2 .1 基于預測機制的地面請求策略

針對Internet自相似業務流，文獻[6]提出了PRDAMA協議，該協議基于線性預測的方法，將剩余帶寬根據各終端業務數據速率的一階和二階動態變化趨勢來進行分配，從而有效地管理了地面站的緩存，改善了系統的時延性能。但這里的預測算法是在星上完成，增加了星上處理的復雜度和處理時間。文獻[7]提出基于統計預測的方法，將自相似業務流建模為N個ON-OFF業務的聚合流，并將業務流量分為多個級別。通過狀態轉移矩陣計算下一個狀態轉移概率最大的業務流量級別。文獻[8]提出基于混沌預測的動態混合MAC協議，該協議在CFDAMA協議基礎上，將混沌預測算法應用于各地面終端，通過預測模塊記錄前N個請求周期內的業務流量，然后通過混沌算法預測出第N+1個周期用戶的接入數據速率，并將預測結果放到申請信息當中。該協議成功地將混沌算法應用于地面站的預測請求策略當中，將預測的時間參考維度從線性預測的二階增加到了m維N階，提高了業務預測的精確度和可信度。仿真結果表明，在高負荷以及具有高突發性Pareto分布ON-OFF信源的情況下，該協議優于采用輪詢預約和線性預測方案。

基于預測機制的地面請求策略準確地判斷了業務流量的變化趨勢，提供了剩余時隙分配的可靠參考，改善了系統的端到端時延性能。但目前的預測機制主要是針對單一業務，并不適用于具有多業務特性的寬帶GEO衛星網絡。

2.2 .2 基于控制理論的地面請求策略

寬帶 GEO衛星通信中的長延時使得終端隊列長度在帶寬請求分配過程中產生累計效應，引起終端隊列長度的劇烈波動，導致按需分配過程的不穩定性。基于控制理論的地面請求策略將帶寬請求分配過程建模為具有時延(時延等于按需請求分配周期)的反饋系統，從而保證了終端隊列長度的穩定，消除了因為長時延導致的資源分配的盲目性，充分合理地利用了帶寬。

文獻[9]作者基于控制理論對GEO衛星ATM網的終端請求策略進行改進。在地面請求算法中引用Smith預測器和反饋控制。地面終端當前申請時隙數目 rreq(t)由緩存中的隊列長度 qTT(t)以及上一個請求分配周期內總的申請時隙數目共同決定，如式（1）所示：

比例因子K決定著系統的穩定性，K越小系統越穩定，但穩態隊列長度越長。但該策略沒有考慮終端業務特點和衛星鏈路上行負載狀況，所分配的時隙資源始終被完全利用，整體時延性能較差。文獻[10]在此基礎上根據系統負載對地面請求策略進行了改進，規定終端參考隊列長度隨系統負載的大小實時調整，從而降低了終端隊列長度，減小了數據業務的排隊等待時間，改善了業務時延性能。

基于控制理論的地面請求策略以經典的控制論為基礎，不依賴于業務模型，適合任何業務源，同時以終端隊列長度為控制目標，使得隊列長度能夠始終跟蹤設定的參考值，避免累計效應帶來的系統不穩定性問題。但這種基于反饋控制的策略只是根據已到達業務情況計算帶寬請求數量，屬于純反應式，業務排隊時延較長。

3 結語

這里總結了寬帶GEO衛星通信網絡中影響MAC協議性能的主要因素，考慮到地面請求策略和資源分配方式對協議性能的影響，重點分析兩種多址接入方案：基于混合式自適應分配機制的媒體接入控制協議結合了各種接入控制方式的優點，針對不同業務實現了系統性能的優化；基于地面請求策略的動態分配多址接入協議將地面請求策略應用于協議設計當中，簡化了星上設計的復雜度，實現了對突發性業務流量的有效控制。

在接下來的研究中可以考慮將預測機制與控制理論相結合，在反饋過程中加入預測算法以改善其純反應式工作時的時延性能。同時可以考慮將適合于多業務的地面請求策略應于混合式自適應分配多址協議當中。

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