郭 爽,曹 寶,劉心迪

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)CFDAMA-PRI改進(jìn)協(xié)議性能分析*

郭 爽1,曹 寶2,劉心迪3

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

寬帶衛(wèi)星通信比一般的通信系統(tǒng)具有覆蓋面積大,性能穩(wěn)定等優(yōu)勢,能夠大幅度提升通信網(wǎng)絡(luò)的用戶容量和整體質(zhì)量,而其中的CFDAMA多址接入?yún)f(xié)議相對(duì)于傳統(tǒng)的接入方式能實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)性能,但并不能適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中具有突發(fā)性和多樣性的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流。在此基礎(chǔ)上通過對(duì)CFDAMA-PR協(xié)議的分析,提出了一種用戶優(yōu)先級(jí)排序的改進(jìn)接入?yún)f(xié)議CFDAMA-PRI,優(yōu)化了星上調(diào)度算法,降低了數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延,提高了鏈路的傳輸效率和用戶接入的公平性。

衛(wèi)星通信 CFDAMA 優(yōu)先級(jí) 公平性

0 引 言

寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和很多衛(wèi)星通信方式相比,最突出的優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器可以為大范圍內(nèi)的眾多用戶提供實(shí)時(shí)接入,進(jìn)行一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信[1]。那么多個(gè)用戶應(yīng)該如何共享有限的帶寬,合理的利用通信資源,這就是寬帶衛(wèi)星通信必須考慮的問題,其中的多址接入?yún)f(xié)議則成為了關(guān)鍵因素。目前單一接入控制方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展,CFDAMA協(xié)議相對(duì)于傳統(tǒng)的接入方式能實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)性能。在CFDAMA實(shí)際應(yīng)用中,參與用戶何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),如何分配請(qǐng)求數(shù)據(jù)保證其合理接入,以及在接入的過程中通過怎樣的方法減小用戶接入碰撞的概率和采取哪種的退避算法等,都是接入控制過程應(yīng)該考慮的問題。

1 用戶接入

1.1 CFDAMA接入?yún)f(xié)議概述

混合自由/按需分配多址接入?yún)f(xié)議CFDAMA (Combined Free Demand Assignment Multiple Access)在采用TDMA幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將按需分配方

式和自由分配方式相結(jié)合。其基本原理是首先對(duì)用戶的數(shù)據(jù)預(yù)約請(qǐng)求進(jìn)行按需分配,然后將系統(tǒng)內(nèi)剩余的時(shí)隙資源以自由分配方式逐個(gè)給處于衛(wèi)星波束內(nèi)的用戶終端進(jìn)行分配,這樣可以確保資源分配的合理性和公平性[2]。CFDAMA結(jié)合了按需分配方式和自由分配方式各自的優(yōu)點(diǎn),能夠在有限數(shù)量用戶終端組成的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中提供較好的系統(tǒng)性能。

1.2 上下行鏈路幀結(jié)構(gòu)

CFDAMA的上下行鏈路幀結(jié)構(gòu)如圖1所示,上行幀包括控制部分和數(shù)據(jù)部分,控制部分的時(shí)隙主要用來裝載用戶發(fā)出的預(yù)約請(qǐng)求;而數(shù)據(jù)部分的時(shí)隙主要用來裝載用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,衛(wèi)星通過按需或者自由分配為用戶分配數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目,而每個(gè)用戶都在由衛(wèi)星分配給自己的相應(yīng)時(shí)隙數(shù)目中發(fā)送數(shù)據(jù)信息。下行幀同樣包括控制部分和數(shù)據(jù)部分,控制部分用來裝載衛(wèi)星資源調(diào)度器給每個(gè)用戶分配的時(shí)隙響應(yīng)信息,該信息包含了用戶的預(yù)約時(shí)隙請(qǐng)求分配響應(yīng)信息和自由分配響應(yīng)信息,用戶在收到該信息之后能確定數(shù)據(jù)從哪一幀的哪一個(gè)時(shí)隙中發(fā)出以及應(yīng)該發(fā)出的數(shù)據(jù)量;而數(shù)據(jù)部分的時(shí)隙同樣用來承載用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。上下行鏈路幀之間有一個(gè)延遲,代表星上處理過程中的時(shí)延[3]。

圖1 CFDAMA-PRI按需分配表Fig.1 On-demand allocation table of CFDAMA-FP

1.3 協(xié)議基本類型

目前CFDAMA基本協(xié)議類型有CFDAMA-PA、CFDAMA-RA、CFDAMA-PB等幾種。CFDAMA-PA的上下行鏈路幀結(jié)構(gòu)和基本的CFDAMA相同,不同的是協(xié)議中的每一個(gè)用戶在上行鏈路都有自己的預(yù)約請(qǐng)求時(shí)隙,系統(tǒng)將該時(shí)隙固定的分配給相應(yīng)的用戶,用戶在這個(gè)固定的預(yù)約請(qǐng)求時(shí)隙中發(fā)出請(qǐng)求消息進(jìn)行預(yù)約。CFDAMA-RA的上下行鏈路幀同樣與CFDAMA-PA協(xié)議類似,不同的是其控制部分的預(yù)約時(shí)隙不再是固定分配給用戶或者通過星上調(diào)度采用輪詢的方式進(jìn)行分配,而是用戶終端通過競爭預(yù)約的方法來獲取預(yù)約請(qǐng)求時(shí)隙的位置。CFDAMA -PB的上行鏈路幀結(jié)構(gòu)不同于前面兩種接入方式,如圖2。上行鏈路幀不再劃分為控制部分和數(shù)據(jù)部分,而是由一系列的數(shù)據(jù)信息時(shí)隙組成,數(shù)據(jù)信息時(shí)隙里面包含有按需分配時(shí)隙和自由分配時(shí)隙,它們隨機(jī)的被安排在上行鏈路幀中,每一個(gè)數(shù)據(jù)信息時(shí)隙都對(duì)應(yīng)一個(gè)業(yè)務(wù)分組,各用戶的預(yù)約時(shí)隙請(qǐng)求信息附帶在相應(yīng)業(yè)務(wù)分組上以捎帶的方式發(fā)送給星上集中調(diào)度器[4]。

圖2 CFDAMA-PB上行鏈路幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Up-link frame structure of CFDAMA-PB

1.4 性能分析

CFDAMA基本接入方式能夠?qū)崿F(xiàn)較好的時(shí)延/吞吐量性能。CFDAMA-PA成功的將按需分配和自由分配結(jié)合在一起,采用固定預(yù)約時(shí)隙分配的形式來保證用戶接入的公平性和實(shí)際業(yè)務(wù)需求量,在信道負(fù)荷較低的時(shí)候,其平均時(shí)延和固定分配方式保持一致,在信道負(fù)荷逐漸增大和接入用戶數(shù)變化較大時(shí),存在資源利用率下降的問題。CFDAMA-RA在低信道負(fù)荷時(shí)由于采用的競爭方式進(jìn)行接入,對(duì)信道利用率更高,但對(duì)于用戶接入的公平性卻不能保證,并且存在接入過程中的碰撞,在高信道負(fù)荷時(shí)碰撞概率逐漸增大,平均時(shí)延性能也急劇下降。CFDAMA-PB通過對(duì)上行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的改進(jìn),減小了用戶發(fā)送預(yù)約時(shí)隙請(qǐng)求的間隔時(shí)間,但隨著信道負(fù)荷的增大,某些用戶會(huì)因?yàn)槠渌脩纛A(yù)約請(qǐng)求的資源占用導(dǎo)致無法發(fā)出預(yù)約時(shí)隙請(qǐng)求,同樣不能保證接入的公平性。因此,如何保證用戶的接入時(shí)延和接入過程中的公平性,成為本文的一個(gè)研究重點(diǎn)。

2 CFDAMA-PRI

2.1 CFDAMA-PR

由于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)大多突發(fā)性較強(qiáng)并且業(yè)務(wù)類型呈現(xiàn)多樣性,抽象出來這類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流通常

用ON-OFF信源模型來表示[5]。而在此信源模型的情況下,數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的突發(fā)特性,用戶的預(yù)約時(shí)隙請(qǐng)求也帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性和不確定性?；镜腃FDAMA接入方式此時(shí)由于多次請(qǐng)求造成的再分配策略和預(yù)約請(qǐng)求的沖突概率增大,在信道負(fù)荷較高和接入用戶數(shù)逐漸增大時(shí),其性能受到明顯的影響。CFDAMA-PR協(xié)議在用戶時(shí)隙申請(qǐng)階段對(duì)發(fā)送隊(duì)列的堆積狀況進(jìn)行判斷,比較當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)分組的差值Δ,如果Δ＞0表示當(dāng)前發(fā)送隊(duì)列有數(shù)據(jù)包的堆積,則通過加權(quán)的方式向星上調(diào)度器發(fā)送更多的預(yù)約時(shí)隙請(qǐng)求[6]。該協(xié)議的好處在于實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)用戶發(fā)送隊(duì)列的堆積情況獲得更多的分配時(shí)隙,能在突發(fā)數(shù)據(jù)分組到來情況下實(shí)時(shí)的將新的數(shù)據(jù)分組發(fā)送出去。因此,本文在CFDAMA-PR的基礎(chǔ)上提出了基于用戶優(yōu)先級(jí)排序的改進(jìn)協(xié)議CFDAMA-PRI,優(yōu)化星上調(diào)度算法,進(jìn)一步保證接入的時(shí)延性能和接入的公平性。

2.2 用戶優(yōu)先級(jí)排序

在對(duì)CFDAMA-PRI優(yōu)先級(jí)排序的詳細(xì)描述過程中,設(shè)置如下的參數(shù):

系統(tǒng)中的總用戶數(shù):K;

有預(yù)約時(shí)隙申請(qǐng)的用戶數(shù):k;

第i個(gè)用戶當(dāng)前需要的預(yù)約時(shí)隙數(shù):reqslots_i;

第i個(gè)用戶下一時(shí)刻加權(quán)計(jì)算出的預(yù)約時(shí)隙數(shù):foreslots_i;

有預(yù)約時(shí)隙申請(qǐng)且foreslots_i＞0的用戶數(shù):a;

第i個(gè)用戶實(shí)際獲得的時(shí)隙分配數(shù)目:allocslots_i;

第i個(gè)用戶的優(yōu)先級(jí)編號(hào):prinumber_i;

一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù):frame_slotssum;

按需分配后的剩余數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目:frame_slotsre-main。

在衛(wèi)星收到上行鏈路幀之后,進(jìn)入星上處理的優(yōu)先級(jí)排序階段。資源調(diào)度器的按需分配表如表1所示,每個(gè)預(yù)約用戶都含有優(yōu)先級(jí)條目,衛(wèi)星在收到上行幀之后,首先獲取每個(gè)用戶的預(yù)約時(shí)隙數(shù),按照從高到低的順序?qū)τ脩暨M(jìn)行排序并設(shè)置優(yōu)先級(jí)號(hào)prinumber_i,優(yōu)先級(jí)號(hào)越小代表當(dāng)前用戶申請(qǐng)的預(yù)約時(shí)隙數(shù)越多,然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)號(hào)從小到大的順序依次將用戶ID填入按需分配表中,因?yàn)橛蓄A(yù)約時(shí)隙申請(qǐng)并且foreslots_i＞0的用戶排在按需分配表的前端,所以由表1可以看出,a≤k。

表1 CFDAMA-PRI按需分配表Table 1 On-demand allocation table of CFDAMA-FP

然后,資源調(diào)度器通過式(1)計(jì)算按需分配后的剩余數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目:

如果frame_slotsremain≤0,代表當(dāng)前沒有剩余的時(shí)隙可供自由分配,則資源調(diào)度器按照式(2.2)為有預(yù)約時(shí)隙申請(qǐng)的用戶分配時(shí)隙:

如果frame_slotsremain＞0,代表當(dāng)前還有剩余時(shí)隙可供自由分配,此時(shí)資源調(diào)度器實(shí)施按需分配方式,將已經(jīng)分配過的用戶從按需分配表中刪除,同時(shí)在自由分配表中將該用戶移到表的尾端,按需分配完成之后,資源調(diào)度器為自由分配表中的用戶輪詢分配剩余時(shí)隙,直到將剩余時(shí)隙分配完。由于按需分配中用戶的優(yōu)先級(jí)設(shè)置,有預(yù)約時(shí)隙申請(qǐng)的用戶在自由分配表的尾端仍然是按照優(yōu)先級(jí)號(hào)從小到大的順序進(jìn)行排列,這樣可以保證在輪詢的過程中時(shí)隙需求量大的用戶仍然可以得到更高的時(shí)隙分配權(quán)。

CFDAMA-PRI的下行幀同樣分為控制部分和數(shù)據(jù)部分,如圖3所示,資源調(diào)度器根據(jù)按需分配表中各個(gè)用戶優(yōu)先級(jí)號(hào)從小到大的順序?qū)㈨憫?yīng)信息填入相應(yīng)的時(shí)隙中。當(dāng)用戶收到下行鏈路幀時(shí),時(shí)隙

請(qǐng)求量越大的用戶就能越快的獲取衛(wèi)星的分配時(shí)隙。

圖3 CFDAMA-PRI下行鏈路幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Down-link frame structure of CFDAMA-PRI

整個(gè)CFDAMA-PRI流程如圖4所示。

圖4 CFDAMA-PRI處理流程Fig.4 Processing flow of CFDAMA-PRI

3 仿真分析

本文采用OPNET仿真平臺(tái)[7],將基本的CFDAMA-PA、CFDAMA-PR和改進(jìn)的CFDAMA-PRI進(jìn)行對(duì)比仿真。具體的仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

對(duì)信道負(fù)荷固定但用戶數(shù)目變化條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行分析,目的是為了得出CFDAMA-PRI的時(shí)延性能和在用戶接入公平性方面的優(yōu)越性。選取信道負(fù)荷為0.8,用戶數(shù)目依次為5、10、20、40、80,CFDAMA-PA的預(yù)約時(shí)隙數(shù)為20,得到的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameter settings

圖5 平均端到端時(shí)延/接入用戶性能Fig.5 Mean end-to-end delay/users performance

圖6 隊(duì)列分組平均累積數(shù)/接入用戶性能Fig.6 Mean accumulate/users performance of queue packets

由仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)系統(tǒng)中用戶數(shù)不斷增大時(shí),由于CFDAMA-PA在一個(gè)鏈路幀中僅使用了一部分時(shí)隙用作預(yù)約請(qǐng)求時(shí)隙點(diǎn),那么更多有請(qǐng)求的用戶就無法通過預(yù)約時(shí)隙點(diǎn)接入鏈路幀,加之信道負(fù)荷較大,突發(fā)數(shù)據(jù)強(qiáng),用戶申請(qǐng)時(shí)隙的不確定性也大。如果增大預(yù)約請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)的比例也會(huì)以犧牲

數(shù)據(jù)時(shí)隙為代價(jià),平均時(shí)延和隊(duì)列的分組累積同樣會(huì)增加。CFDAMA-PRI則采用CFDAMA-PR對(duì)信源突發(fā)數(shù)據(jù)分組的計(jì)算方法,并使用優(yōu)先級(jí)排序的方法對(duì)時(shí)隙需求量大的用戶給予更高的時(shí)隙分配權(quán),確保了用戶的可接入次數(shù),降低了時(shí)延,提高了接入公平性。

4 結(jié) 語

本文分析了寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的CFDAMA接入?yún)f(xié)議,闡述其原理,分析了CFDAMA相關(guān)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn),在CFDAMA-PR協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了用戶優(yōu)先級(jí)排序的改進(jìn)協(xié)議CFDAMA-PRI,以適應(yīng)當(dāng)前突發(fā)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流。該協(xié)議通過優(yōu)先級(jí)排序的算法,在星上調(diào)度的過程中讓時(shí)隙需求量越大的用戶獲得更高的時(shí)隙分配優(yōu)先權(quán)和更快的接入過程,優(yōu)化了整個(gè)處理流程。最后,在OPNET仿真平臺(tái)下選擇突發(fā)信源模型下進(jìn)行對(duì)比仿真測試,測試結(jié)果表明CFDAMA-PRI協(xié)議在突發(fā)增強(qiáng)、信道負(fù)荷加大的情況下能很好的控制平均時(shí)延和隊(duì)列分組累計(jì)數(shù),具有更好的性能表現(xiàn),在今后的實(shí)際應(yīng)用中也具備良好的可操作性。

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郭 爽(1981—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備研發(fā);

GUO Shuang(1981-),male,M.Sci.,engineer,majoring in development of network and communication device.

曹 寶(1981—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備研發(fā);

CAO Bao(1981-),male,B.Sci.,engineer,majoring in development of network and communication device.

劉心迪(1988—),男,碩士,助理工程師,主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備研發(fā)。

LIU Xin-di(1988-),male,M.Sci.,assistant engineer, majoring in research and development of network and communication device.

Performance Analysis of M odified CFDAMA-PRIProtocol in Broadband Satellite Communication System

GUO Shuang1,CAO Bao2,LIU Xin-di3
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Compared with other communication systems,broadband satellite communication enjoys the supriorites of covering a largerarea and stable performance,and could greatly enhance user capacity and overallquality of the communication network.Meanwhile,in terms ofmultiple access protocol in broadband satellite communication,CFDAMA could achieve a better network performance in comparison with traditional access protocol,but could not adapt bursting and variant network data.In light of this and based on the analysis of CFDAMA-PR,a modified protocol named CFDAMA-PRI is propsed.With user priority ranking to optimize satellite resource scheduling algorithm,it could reduce the time-delay of data packets, and improve the transmission efficiency of channel and the fairness of user access.

satellite communication;CFDAMA;priority level;fairness

TN927

A

1002-0802(2014)12-1375-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.006

2014-07-15;

2014-10-21 Received date：2014-07-15;Revised date：2014-10-21