改進型GEO衛星BTDAMA MAC協議時延性能分析

辛淵博，周 熙，趙麗娜

（重慶通信學院，重慶 400035）

0 引言

在寬帶GEO衛星網絡中，媒體接入控制（MAC）協議在保障寬帶業務服務質量的同時，對提高信道利用率起著關鍵的作用[1]。基于突發目標按需分配（Burst Targeted Demand Assignment Multiple Access，BTDAMA）協議，采用TDMA多址方式，對于由一系列突發和突發間隔定義的傳輸，提供了較好的時延性能，達到了1個RTD（Round Trip Delay）的時延下限。BTDAMA協議最顯著的特點是請求機制和調度機制的分離，從而為處于突發階段的終端分配連續的信道能量，避免了多次請求所帶來的時間浪費。其調度算法有2種：采用純按需分配（Pure Demand Assignment）的BTDAMA-PD協議和采用自由分配與按需分配相結合（Combined Free and Demand Assignment）的 BTDAMA-FD 協議[2]。筆者提出了將純按需分配與預約按需分配相結合的混合式按需分配BTDAMA-HD協議。

1 信源模型

信源模型對MAC協議性能評估起著極其重要的作用。數據業務的突發特性通常由ON/OFF模型來描述。筆者采用Pareto ON/OFF信源模型來模擬自相似數據業務流。在該模型中，ON狀態產生分組，OFF狀態不產生分組，ON狀態與OFF狀態的持續時間服從Pareto分布，ON狀態期間各分組以恒定的速率到達。Pareto分布中通過選擇參數k與a來確定ON/OFF持續期的最小值和聚合業務的自相似度[3]。

2 BTDAMA協議的地面請求算法

如圖1所示，在純按需分配BTDAMA-PD協議中，請求時隙以輪詢的方式分配給各地面終端，用于傳輸突發轉換標志。地面終端在任意時刻只能處于2種狀態中的1種：ON狀態表明突發已經開始，需要時隙分配；OFF狀態表明此時沒有突發產生[4]。如果終端在OFF狀態接收到突發的第1個分組，則在下1個請求時隙中將ON標志上傳給調度器以獲得時隙分配。這個過程一直持續到該突發中的最后1個分組進入隊列，此時終端標志為OFF，并在下1個請求時隙中將OFF標志以及終端當前所得到的時隙數和終端隊列中的分組數目上傳給調度器以獲取足夠的時隙來傳輸排隊分組。地面終端在其突發狀態未發生改變時不發送請求信息。

在混合式按需分配BTDAMA-HD協議中，考慮到終端在得到時隙分配前產生了分組卻沒有得到時隙分配，從而采用預約請求的方式來為終端排隊分組預約可用時隙。其地面請求算法與純按需分配基本一致，只是在終端突發開始后到第1個時隙分配到達終端前這段時期內通過請求時隙預約必要的數據時隙資源。即一旦終端得到請求時隙分配且隊列中有排隊分組，則通過請求時隙為其預約可用的數據時隙。

3 協議的調度算法及改進

BTDAMA協議中調度器可位于星上，也可以位于地面控制中心站。筆者研究調度器位于星上的集中分配式網絡。

3.1 預約按需分配策略

在TDMA衛星通信網絡中，預約按需分配實質上就是根據地面站預約的時隙數目為其分配連續的時隙資源。按照預約采取方法的不同，可以分為隨機預約、輪詢預約和捎帶預約[5]。其中輪詢預約方式因實現簡單、公平且利用率高成為普遍采用的預約方式。

由于衛星固有傳播時延的限制，預約按需分配最大缺點是每一次請求得到時隙資源分配需要至少2個RTD的時間。對于具有高突發性的自相似業務，這種資源分配方式顯然不能適應。

3.2 純按需分配策略

文獻[6]提出的純按需分配策略將地面請求與星上調度分離，該策略中地面站一旦將突發開始的轉換標志傳送給衛星，則可以得到連續的時隙分配而不需要再次請求預約，從而節省了請求時隙開銷，避免了每次請求分配過程的時間浪費。

在典型的BTDAMA-PD協議中，星上調度器包括2個分配表：1個表包含標志ON狀態的終端，另1個表包含標志OFF狀態的終端。調度器每次收到1個請求信號就說明終端狀態發生變化，此時將該終端ID號從其所在表中移除，插入到另1個表的尾部。

調度器以TDMA方式逐幀分配信道資源，在1幀中調度器將其可用數據時隙以輪詢方式分配給ON表中的終端，直到該幀中不存在可用數據時隙資源。ON表中的終端在分配到1個時隙后，便由表頭移到表尾，從而實現公平輪詢式分配。調度器在ON表中記錄突發終端所得到的時隙分配數，當地面站從ON狀態轉變成OFF狀態時，調度器根據請求時隙中上傳的信息和ON表中的記錄信息來確定終端是否需要連續時隙以清除排隊分組。

在純按需分配策略中，地面站一旦通知調度器突發開始，則被放入ON表中與其他突發終端一起以輪詢的方式共享信道資源。這樣，從突發開始到得到資源分配的第1個RTD時間內，終端產生了分組卻沒有得到應有的時隙分配，系統中可能的剩余資源被平均分配給了所有的突發終端，導致終端在突發剛開始階段就產生了排隊時延問題。

3.3 混合式按需分配策略

混合式按需分配BTDAMA-HD協議將預約按需分配與純按需分配相結合，在不改變純按需分配中基于突發目標輪詢式公平分配策略的同時，采取在終端突發開始階段為其提供預約按需分配的方式來解決分組排隊時延問題。兩者的最大不同體現在混合式按需分配允許終端在沒有得到時隙分配之前，以預約的方式為之前產生的分組預約可用時隙。

在BTDAMA-HD協議中，星上調度器包括4個資源分配表：ON/OFF表結構與純按需分配相同，預約表用于存放突發開始后到數據時隙分配到達前這段時間內發起預約的終端ID和預約時隙數目，當終端以請求時隙預約可用資源時，則將其ID號與預約時隙數目寫入預約表中。清空表用于存放突發已停止，但突發分組還未傳輸完成的終端ID和需要的時隙數目。當終端上傳OFF標志時，則將其ID號與清空隊列所需要的時隙數目寫入清空表中。調度器首先為預約表和清空表中的終端按預約時隙數目和未分配分組數目來分配連續時隙，之后以輪詢的方式為ON表中的終端分配時隙，直到一幀結束。

4 仿真性能比較分析

筆者采用OPNET網絡仿真軟件對協議的時延性能進行了仿真比較，主要仿真參數如表1所示。

圖2顯示了地面站數目分別為100和300時協議的時延/吞吐量性能，可以看出，當在終端數為100，信道負荷為0.1～0.8時，以及終端數為300時的整個信道負荷范圍內，BTDAMA-HD協議的平均端到端時延性能均優于BTDAMA-PD協議。同時，隨著信道負荷的增長，兩者之間的差距越來越明顯。其主要原因為：在突發開始階段，BTDAMA-HD協議采取了預約按需分配的策略來及時清除終端中的排隊分組，避免了分組在后續突發目標按需分配過程中的堆積。同時，隨著信道負荷的增長，在突發開始后到數據時隙分配到達前這段時間內終端產生的分組數目增多，而終端所獲得的可用時隙資源相對減少。因此，純按需分配中終端需要更多的時間來消除初始階段排隊分組對后續分組的影響，從而使得預約按需分配的作用更加明顯。

表1 主要仿真參數

圖3顯示了信道負荷為0.8，地面終端數分別為100和300時分組端到端時延的概率密度分布。從圖中可以看出，在高信道負荷條件下，混合式按需分配協議與純按需分配協議相比，分組獲得低端到端時延的概率更大。這主要是由于BTDAMA-HD協議中采用預約請求調度機制及時清除了隊列中的排隊分組，使突發一開始就工作在較低的端到端時延下。

圖4顯示了信道負荷為0.8，地面終端數分別為100和300時分組端到端時延的累積概率分布。從圖中可以看出，隨著終端數的增加，時延的分布范圍展寬。同時，終端數為100時，BTDAMA-HD協議中端到端時延最高不超過0.56 s。而在BTDAMA-PD協議中分組端到端時延最高可到0.60。同樣當終端數為300時，前者不超過0.60，后者最高可到0.62 s，即BTDAMA-HD協議能夠滿足更低的時延約束要求。

5 結論

筆者比較了采用純按需分配和混合式按需分配的BTDAMA協議。混合式按需分配BTDAMA-HD協議結合了純按需分配策略和預約按需分配策略的優點，為開始突發終端提供了預約按需分配機制來清除隊列中的排隊分組。仿真結果表明，在整個信道負荷范圍內，BTDAMA-HD協議體現了更好的時延性能。

[1]劉凱，劉衛忠，馮卓明.基于Ka波段DVB-S2衛星直播系統淺析[J].電視技術，2006，30（9）：71-73.

[2]MITCHELL P D.Effective medium access control for geostationary satellite systems[D].UK：University of York，2003.

[3]PARK K，WILLINGER W.Self-similar network traffic and performance evaluation[M].New York：John Wiley&Sons，2000.

[4]MITCHELL P D，TOZER T C，GRACE D.Bandwidth assignment scheme for ON-OFF type date traffic via satellite[J].IEEE Trans.Electronics Letters，2001，37（19）：1191-1193.

[5]LE-NGOC T，KRISHNAMURTHY S V.Performance of combined free/demand assignment multiple-access schemes in satellite communications[J].International Journal of Satellite Communications，1996，14（1）：11-21.

[6]MITCHELL P D，GRACE D，TOZER T C.Burst targeted demand assignment multiple access for broadband Internet service delivery over geostationary satellite[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2004，22（3）：546-558.