基于業務預測的時隙分配算法

徐　達，張有志，郝學坤

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于業務預測的時隙分配算法

徐達，張有志，郝學坤

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要多頻-時分多址(MF-TDMA)衛星通信系統中信道資源十分寶貴，如何高效地分配和利用衛星通信系統信道資源，研究出一種可以降低衛星通信時延的算法很有必要。提出了一種MF-TDMA衛星通信系統中基于業務預測的時隙分配方法，通過終端緩存區域的隊列長度和業務到達率來進行下一時刻的業務預測，中心站根據業務預測值來提前進行下一時刻信道資源的分配。仿真結果表明，通過基于業務預測的時隙分配算法可以有效降低傳輸時延，提高信道資源的利用率。

關鍵詞MF-TDMA；業務預測；時隙分配；業務分布

Timeslot Assign Method Based on Business Predicts

XU Da,ZHANG You-zhi,HAO Xue-kun

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe resource of MF-TDMA satellite systems is very precious,how efficiently assign and make use of channel resources of satellite communication system,it is necessary to design an algoritm which can reduce satellite communication delay.This paper puts forward a timeslot assign method based on business predicts in MF-TDMA satellite communication system.This method performs the business predict of next moment based on the queue size and business arrival rate and the master station performs in advance channel resource allocation of next moment according to the business predict value.The simulation results show that the timeslot assign method can effectively reduce the transmission delay and improve the channel resource utilization.

Key wordsMF-TDMA;business predicts;timeslot assign;business distribution

0引言

隨著衛星通信的快速發展，MF-TDMA衛星通信系統承載的業務從單一的話音業務逐步發展成為綜合的多媒體業務，各類型業務的業務量也隨之不斷增加。在MF-TDMA衛星通信系統中[1]，信道資源是十分寶貴的，如何高效地分配和利用MF-TDMA衛星通信系統信道資源，通過何種方式來降低衛星通信時延，保障用戶的QoS需求，是非常值得探究的。

在MF-TDMA衛星通信系統中，最常見的接入方式是按需分配，各個終端根據實際需求向中心站申請信道資源，中心站根據不同終端的不同需求來分配信道資源[2]。由于按需分配能夠根據不同的業務需求有效地分配信道資源，從而使衛星信道資源得到了最大程度的利用。但是按需分配接入方式的一個明顯的缺點是需要終端先發送時隙申請，從時隙申請發出到終端接收確認，至少需要一個往返的時間，在MF-TDMA衛星通信系統中，往返時延約為250 ms，這便嚴重影響了業務的服務質量。同時，終端需要占用一部分信道資源發送申請，增加了系統的開銷。

本算法在傳統按需分配接入的基礎上進行改進，采用的不是終端先申請時隙，中心站再發送分配結果的方式，而是每個終端把當前的緩存區的隊列長度、業務到達率等預測的信息提前一幀(約100 ms)上報給中心站，然后中心站根據各個終端的信息和當前的信道資源狀況來給各個終端分配資源。中心站根據終端基于業務預測的時隙申請方法來分配信道資源，更公平有效地改善了按需分配的時延問題，避免了終端因申請沖突造成的申請失敗以及頻繁申請資源造成的系統開銷過大的問題，提高了衛星系統帶寬資源利用率[3]。

1算法主要流程

為了方便分析，定義上行鏈路是終端到衛星的鏈路，S是波束內終端的數目，i=1,2…S，i代表其中一個正與衛星建立連接的終端，U(i)代表第i個終端能夠建立連接的鏈路數目的最大值，j代表終端正與衛星連接的鏈路，鏈路數目為業務種類的數目，同一種業務只在一條鏈路、一個緩存區中排隊。從而可用(i,j)來表示終端的上行鏈路的連接狀態。j的取值范圍為[1,U(i)][4]。

1.1傳統的指數加權算法

指數加權法是根據上一時刻的歷史資料的實際數和預測值，用指數加權的方式對隊列進行預測，不需要儲存很多的歷史數據，但它考慮了各時期數據的重要性，對全部的歷史資料都有涉及到[5]。它是時間序列前期所有值的加權平均。首先設一組觀察序列：y1，y2，y3，…，yt，t表示觀察序列的長度，α為加權系數且0<α<1，在本文中，α=0.6，指數公式為：

因此預測值為：

1.2歸一化最小均方算法流程

1.2.1基本定義

定義1：用d來表示發送帶寬請求與接收資源確認的之間的往返時延，d值用與T的比值來表示，在本文中取d=256 ms。

定義2：用Tp表示終端周期性地上報終端信息的周期時間，即中心站動態地分配帶寬資源的周期時間，0同樣用與T的比值表示。為了便于分析，令終端均在同一時刻發送終端信息，時隙的申請周期性進行，Tp值越小，則表示終端越頻繁地發送資源申請請求，同時也越能反映業務實時的變化情況，計算的資源需求也越準確。但是Tp值越小，系統的開銷越大，同時計算也越復雜，在這里將Tp定為100 ms。

定義4：δi(v)∈[0,1]表示在第v個時間間隔里中心站分配給終端i的資源占可用的總資源C(v)的比例。在任何時間里，分配給終端i的資源必須滿足以下限制條件：

1.2.2算法流程

在基于業務預測的時隙申請算法中，終端不是直接將所需要的信道資源發送站，而是將一些參數傳給中心站，由中心站來統一計算終端所需資源并且結合當前信道資源池的情況來分配信道資源[6]。這種分配方式能夠更高效地分配信道資源。當終端每次向中心站上報時隙申請的時侯，主要提供3種信息，如下：

① 在η時刻預測η+Tp時刻終端i的隊列長度，計算公式如下：

式中，qi(η)為η時刻的隊列長度；δi[η]為在η時刻中心站分配給終端i的資源比例；C(η)為η時刻衛星的總資源。

② 在[η+Tp,η+Tp+d]時間之內的到達終端的隊列的平均比特速率：

③ 終端i在η+Tp+d時刻的隊列長度：

{δi[η+Tp]+δi[η+d]}×C[η+d]×d。

令qi(η+d+Tp)=0，則可得

根據上述分析，信道資源分配管理的過程可以分為以下幾個階段：

階段1：在η時刻，終端i把預測的業務到達量和業務到達速率這2個終端信息上報給中心站；

階段2：在η+d時刻，中心站根據終端i上報的參數，根據公式算出η+d時刻分配的資源比例δi[η+d]。然后中心站把計算得到的信道資源發送給終端[8]。

1.3業務預測

Ri(v)為v時刻終端i的業務到達率的真實值，令業務到達率的取值間隔為T，根據v時刻之前F個已經得到的真實業務到達率值來預測v+1時刻的業務到達率R*(v+1)。令Ri(v)為實業務到達率值組成的矢量，根據Ri(v)值，計算出v+1時刻業務的到達率為：

權值更新公式如下：

WR(v+1)=WR(v)+μ(v)*Ri(v)*ε(v)。

各類型業務參數分布如表1所示。

2仿真結果分析

本文的仿真模型是在Matlab軟件中建立的。Matlab中這4種典型業務(包含話音、視頻會議、FTP文件傳輸和網頁瀏覽)設置衛星終端的數目為100，每個終端均有4種業務的連接，對實時業務話音和視頻會議來說，最大忍受時延為100 ms和200 ms，波束總帶寬為10 Mbps。

在實際的預測建模中，預測方法產生的數據與實際值間總會有差別。通常常用估計值與實際值間的均方誤差比較。均方誤差值越小預測效果越好，即與實際值越接近。對傳統的指數加權算法和本文的歸一化最小均方算法預測方法的均方差進行比較，如圖1所示。

圖1　算法均方值對比

從圖1中明顯可以看出，通過本文提出的歸一化最小均方算法與真實值產生的均方差會比傳統的指數加權算法產生的均方值小很多，所以本文的算法是在傳統預測算法的基礎上明顯改進的。

在Tp=60 ms情況下隨預測時間變化，包到達率的預測值與真實值的比較，如圖2所示。

圖2　業務預測值與真實值的比較

由圖2可以得出表2統計數據。

表2　仿真數據統計

從表2中的數據分析得出，在50 s的預測時間內，對于包的到達率的預測誤差大約為4%。

隨Tp變化預測誤差值的變化如圖3所示。從圖3中可以看出，終端向中心站申請信道資源的時間越長，則誤差越大，當Tp=100 ms時，預測誤差在8%左右，是符合預期的。

圖3　預測誤差分析

3結束語

本文提出了基于業務預測的時隙分配算法，將歸一化最小均方算法與傳統的指數加權算法進行對比，有效地提高了預測的準確度，并將不同的申請周期對應的預測誤差進行仿真驗證，證明本文算法在Tp=100 ms的情況下在準許的誤差范圍內。本算法將業務預測作為時隙分配的依據，中心站通過提前一幀來預測業務量并分配信道資源，充分利用了MF-TDMA衛星通信系統的信道資源，同時有效降低了通信時延，大大提高了MF-TDMA衛星通信系統的服務質量。

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徐達男，(1989—)，在讀研究生。主要研究方向：MF-TDMA衛星通信系統服務質量保障。

郝學坤男，(1979—)，研究員。主要研究方向：衛星通信系統。

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-12-07

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0030-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.09

引用格式：徐達,張有志,郝學坤.基于業務預測的時隙分配算法[J].無線電工程,2016,46(3):30-32，57.