一種改進的寬帶衛星網絡MAC協議

摘要：為了提高寬帶衛星網絡上行信道資源的利用率，同時保障多媒體業務的不同服務質量要求，需要采用合適的媒體接八控制協議。BTDAMA可以顯著減少自相似業務的等待時延，并且提高了資源利用率。但它沒有區分業務類型，不能保證高優先級業務的服務質量，也造成了一定程度上資源的浪費。在BTDAMA的基礎上提出了一種基于業務優先級的帶寬分配算法，針對不同的業務類型采用不同的分配方案，不僅保證了各類業務的服務質量，同時提高了資源利用率。

關鍵詞：寬帶衛星網絡；MAC協議；業務優先級；BTDAMA

中圖分類號：TN925-34 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2012)03-0071-03

引言

寬帶衛星通信是當前通信技術發展的一個重要方向。隨著寬帶衛星通信網絡的發展，越來越多的用戶開始使用衛星網絡傳輸各種業務。衛星網絡是典型的一對多點通信網，多個用戶通過共享有限的上行信道資源接入網絡。但是由于衛星自身的特點，如鏈路傳播時延長(尤其對于同步軌道衛星)，信道帶寬受限以及高的鏈路誤碼率等，大大影響了媒體接人控制協議(MediumAccess Control，MAC)的使用效率。有效的衛星MAC協議不僅可以提高信道資源的利用率，還能保障不同業務的服務質量要求，是實現寬帶衛星通信的關鍵技術之一，也是目前的研究熱點。

特別地，當前多媒體業務的發展對衛星接人控制協議提出了更高的要求。針對GEO衛星網絡的特點，文獻已經提出了多種衛星MAC協議，如固定和按需分配相結合的分配協議(Combined Fixed/Demand Assign-ment Multiple Access)[J]，昆合自由按需分配的多址接人協議CFDAMA(Combined Free/8Demand Assign-ment Multiple Access)，突發目標按需分配協議BT-DAMA(Burst Targeted Demand Asslgnment MultipieAccess)13]，以及各種協議的改進版本。根據業務背景的不同，每種協議都有各自的優缺點。本文在多媒體業務背景下，提出一種基于業務優先級的BTDAMA方案，改善了原本協議的性能。

1突發目標按需分配BTDAMA

P.D.MitcheIl在文獻[3]中首次提出了BTDAMA思想。該方案的主要目標是減少ON-OFF信源的按需分配請求時延，從而提高帶寬使用率。在本質上現代的數據傳輸是ON/OFF模型而不是傳統假設的泊松模型，這已得到廣泛的支持和公認。因此，BTDAMA方式的思想和概念是通過考慮如何有效地支持ON/OFF類型數據傳輸的方案得到應用的。

BTDAMA算法的上行鏈路幀結構如圖1所示，分為請求時隙和業務時隙。請求時隙以輪詢方式分配給各個終

端，請求時隙是無競爭的且被用作突發性傳輸標志。終端本質上是請求衛星信道的接人權，并且隨后接收所需分配的連續信道能量。分配方式的主要思想如下：調度中心維持兩個表，一個表包含了所有標記為ON的終端，另一個記錄了所有標記為OFF的終端。ON表示終端有資源請求，OFF表示沒有資源請求。當終端有業務到達時，則利用請求時隙發送ON標志。資源管理中心收到請求分組后，將相應終端從OFF表移到ON表的末端。調度中心通過合適的輪詢機制為ON表中所有終端分配自由時隙用于數據傳輸，從而降低了業務的傳輸時延。當業務傳輸結束時，終端發送OFF標志，表示終端不再需要業務時隙。資源管理中心收到該請求后，將終端從ON表移到OFF表的終端，不在為其分配業務時隙。

2基于業務優先級的BTDAMA

BTDAMA可以顯著減少自相似業務的等待時延，并且提高了資源利用率。但它沒有區分業務類型，對所有業務都執行統一的分配標準，不能保證高優先級業務的服務質量要求，也造成了一定程度上資源的浪費。當網絡中存在多種不同類型的業務時(如傳統話音業務、視頻會議和高速數據業務等)，需要對該算法進行改進以適應不同業務的速率和時延要求。如何保證高優先級業務的QoS要求，同時盡可能滿足低優先級業務的時延性能，并且能有效地利用緊缺的衛星帶寬資源是本文研究的出發點。

2.1系統架構

本文提出的接人控制算法的衛星系統組成示意圖如圖2所示，采用MF-TDMA多址方式。調度器工作在集中控制方式，其既可位于衛星，也可位于地面站。對于調度器位于衛星的情形，地面站發出預約請求到收到相應時隙分配方案的時間間隔約為一個RTT，對于調度器位于地面站的情形，地面站發出預約請求到收到相應時隙分配方案的時間間隔約為兩個RTT。本文考慮調度器位于衛星的情況。

借鑒IEEE 802.16標準，在本文中定義了四種不同業務優先級：

(1)主動授權業務(UGS)：針對的是實時性強、以固定速率傳輸的業務，例如IP語音業務(VoIP)。UGS的服務質量參數主要是最大持續流量速率和時延抖動。業務的峰值速率就是最大持續業務速率，又因為UGS是固定速率業務，所以其最大持續業務速率與其最小保留業務速率相等。

(2)實時輪詢業務(rtPS)：針對的是實時性強，傳輸速率可變的業務，例如MPEG格式的視頻業務。就rtPS業務而言，其最大持續業務速率大于其最小保留業務速率。除此之外，rtPS業務的重要QoS參數是最大延遲時間。

(3)非實時輪詢業務(nrtPS)：針對非實時性的數據類業務，能容忍時延、有最小傳輸速率要求的變長分組業務流，如FTP下載業務。為nrtPS業務分配帶寬時，要考慮傳輸要求的最小帶寬。

(4)盡力而為業務(BE)：針對盡力提供服務但不需要提供服務質量保證的非實時性業務，如E-mail，網頁瀏覽等業務。

2.2帶寬分配算法

該算法的上行鏈路幀格式如圖3所示，包括請求時隙和業務傳輸時隙。請求時隙以單播或組播輪詢方式分

配給終端。星上維持5個表：UGS表，rtPS表，nrtPS表，BE表和OFF表。請求時隙以單播輪詢或多播輪詢的方式分配給OFF表中的各個終端。終端有業務到達時，首先按預先定義的分類標準將數據分組歸類；然后利用以輪詢方式分配的請求時隙發送帶寬請求，該請求包含了終端ID號以及業務類型等信息。當星上調度器收到請求后，根據請求信息中的業務類型將相應的終端放入對應的表中。例如，終端A發送了UGS業務的帶寬請求信息，衛星在收到該請求后，將A終端從OFF表移到UGS表的末端。

在每幀開始時，調度器首先統計OFF表中的終端數量，然后根據終端數量的大小決定使用哪種輪詢方式。如果終端數量不大于請求時隙數目的2倍，則使用單播輪詢方式，反之則使用多播輪詢方式(即幾個終端競爭同一個請求時隙，沒有帶寬請求的終端不允許發送請求信息，這種方式減少了產生沖突的概率)。

下面具體介紹不同類型業務所對應的帶寬請求和分配算法。

(1)UGS業務：前面已經提到過，UGS業務為具有實時性的固定速率業務，因此當終端發送對該類業務的請求時，需要標注需要的業務速率。衛星收到請求后將該終端從OFF表移到UGS表的末端，同時按請求信息中標明的業務速率為該終端分配時隙。這類業務主要使用輪詢方式發送帶寬申請，但當終端已有一個UGS業務時，其他UGS業務使用捎帶方式發送帶寬申請。

(2)rtPS業務：終端在發送對該類業務的帶寬申請時需要標注終端業務隊列長度和業務到達速率的參考信息(若無此類信息時，則按統計的一般情形對待)。衛星收到請求后將該終端添加到RtPS表末端(注意該終端并不從OFF表中移出)，并參考業務隊列和達到速率信息決定分配的時隙數量。獲得帶寬資源的終端移到rtPS表的末尾。當終端已有一個正在傳輸的UGS業務時，rtPS業務使用捎帶方式發送帶寬申請。

(3)nrtPS業務：根據前面的介紹，已經知道nrtPS業務對時延沒有要求，但有最小傳輸速率要求，因此終端在發送該類業務請求時需要標明最小傳輸速率、終端隊列長度和業務到達速率信息，以便調度器為該類業務分配合理的帶寬。衛星收到請求后，將終端放人nrtPS表末端，但并不將終端從OFF表中移出。之后按請求時隙中的信息，為其分配相應帶寬。同rtPS業務一樣，獲得帶寬資源的終端移到nrtPS表的末尾。當終端已有一個正在傳輸的UGS業務時，nrtPS業務使用捎帶方式發送帶寬申請。

(4)BE業務：此類業務對服務質量沒有任何要求，可使用最簡單的帶寬請求和分配方式。請求時隙中除了業務類型和終端ID外，不再需要標注其他信息。衛星在收到該類請求后，將終端放人BE表的末端，同時保留終端仍在OFF表。調度器完成前面幾種業務的分配后，若有剩余時隙則將其分配給BE表前面的終端，并將獲得帶寬的終端移到BE表的末尾。當終端已有一個正在傳輸的UGS業務時，BE業務使用捎帶方式發送帶寬申請。

對于上面的每種業務，當業務連接終止時，需要向星上調度中心發送OFF標志，以終止其對信道資源的占用。有UGS業務連接的終端使用捎帶方式發送某個業務的傳輸結束，否則，利用分配的請求時隙發送OFF標志。同時將終端從響應的業務類型表中清除，并將其置于OFF表的末端。

3結語

隨著衛星網絡支持的用戶數量及業務種類的增加，本來就有限的衛星信道資源變得更加緊缺。解決不同用戶和不同優先級業務對信道的共享問題是目前研究的熱點。本文在BTDAMA接入控制協議的基礎上，針對其分配算法的不足，提出了一種改進方案。采用IEEE 802.16的分類標準，將用戶業務分為UGS，rtPS，nrtPS和BE業務，并在星上根據業務類型采用不同分配算法。既保證了不同業務的服務質量，同時提高了信道資源的利用率。為了實現更高的信道資源利用率，對請求時隙的數量和幀長的設計仍是未來需要研究的問題。

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