徐　達(dá)，張有志，郝學(xué)坤

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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基于業(yè)務(wù)預(yù)測的時隙分配算法

徐達(dá)，張有志，郝學(xué)坤

(中國電子科技集團(tuán)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(wèi)星通信系統(tǒng)中信道資源十分寶貴，如何高效地分配和利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道資源，研究出一種可以降低衛(wèi)星通信時延的算法很有必要。提出了一種MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于業(yè)務(wù)預(yù)測的時隙分配方法，通過終端緩存區(qū)域的隊列長度和業(yè)務(wù)到達(dá)率來進(jìn)行下一時刻的業(yè)務(wù)預(yù)測，中心站根據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)測值來提前進(jìn)行下一時刻信道資源的分配。仿真結(jié)果表明，通過基于業(yè)務(wù)預(yù)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(guān)鍵詞MF-TDMA；業(yè)務(wù)預(yù)測；時隙分配；業(yè)務(wù)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(wèi)星通信的快速發(fā)展，MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)從單一的話音業(yè)務(wù)逐步發(fā)展成為綜合的多媒體業(yè)務(wù)，各類型業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量也隨之不斷增加。在MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wèi)星通信系統(tǒng)信道資源，通過何種方式來降低衛(wèi)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(wèi)星通信系統(tǒng)中，最常見的接入方式是按需分配，各個終端根據(jù)實際需求向中心站申請信道資源，中心站根據(jù)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(jù)不同的業(yè)務(wù)需求有效地分配信道資源，從而使衛(wèi)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(fā)送時隙申請，從時隙申請發(fā)出到終端接收確認(rèn)，至少需要一個往返的時間，在MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，往返時延約為250 ms，這便嚴(yán)重影響了業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。同時，終端需要占用一部分信道資源發(fā)送申請，增加了系統(tǒng)的開銷。

本算法在傳統(tǒng)按需分配接入的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用的不是終端先申請時隙，中心站再發(fā)送分配結(jié)果的方式，而是每個終端把當(dāng)前的緩存區(qū)的隊列長度、業(yè)務(wù)到達(dá)率等預(yù)測的信息提前一幀(約100 ms)上報給中心站，然后中心站根據(jù)各個終端的信息和當(dāng)前的信道資源狀況來給各個終端分配資源。中心站根據(jù)終端基于業(yè)務(wù)預(yù)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(tǒng)開銷過大的問題，提高了衛(wèi)星系統(tǒng)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(wèi)星的鏈路，S是波束內(nèi)終端的數(shù)目，i=1,2…S，i代表其中一個正與衛(wèi)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(shù)目的最大值，j代表終端正與衛(wèi)星連接的鏈路，鏈路數(shù)目為業(yè)務(wù)種類的數(shù)目，同一種業(yè)務(wù)只在一條鏈路、一個緩存區(qū)中排隊。從而可用(i,j)來表示終端的上行鏈路的連接狀態(tài)。j的取值范圍為[1,U(i)][4]。

1.1傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法

指數(shù)加權(quán)法是根據(jù)上一時刻的歷史資料的實際數(shù)和預(yù)測值，用指數(shù)加權(quán)的方式對隊列進(jìn)行預(yù)測，不需要儲存很多的歷史數(shù)據(jù)，但它考慮了各時期數(shù)據(jù)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(quán)平均。首先設(shè)一組觀察序列：y1，y2，y3，…，yt，t表示觀察序列的長度，α為加權(quán)系數(shù)且0<α<1，在本文中，α=0.6，指數(shù)公式為：

因此預(yù)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(fā)送帶寬請求與接收資源確認(rèn)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(tài)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(fā)送終端信息，時隙的申請周期性進(jìn)行，Tp值越小，則表示終端越頻繁地發(fā)送資源申請請求，同時也越能反映業(yè)務(wù)實時的變化情況，計算的資源需求也越準(zhǔn)確。但是Tp值越小，系統(tǒng)的開銷越大，同時計算也越復(fù)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(yè)務(wù)預(yù)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(fā)送站，而是將一些參數(shù)傳給中心站，由中心站來統(tǒng)一計算終端所需資源并且結(jié)合當(dāng)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(dāng)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(yù)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(wèi)星的總資源。

② 在[η+Tp,η+Tp+d]時間之內(nèi)的到達(dá)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(jù)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(yù)測的業(yè)務(wù)到達(dá)量和業(yè)務(wù)到達(dá)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(jù)終端i上報的參數(shù)，根據(jù)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(fā)送給終端[8]。

1.3業(yè)務(wù)預(yù)測

Ri(v)為v時刻終端i的業(yè)務(wù)到達(dá)率的真實值，令業(yè)務(wù)到達(dá)率的取值間隔為T，根據(jù)v時刻之前F個已經(jīng)得到的真實業(yè)務(wù)到達(dá)率值來預(yù)測v+1時刻的業(yè)務(wù)到達(dá)率R*(v+1)。令Ri(v)為實業(yè)務(wù)到達(dá)率值組成的矢量，根據(jù)Ri(v)值，計算出v+1時刻業(yè)務(wù)的到達(dá)率為：

權(quán)值更新公式如下：

WR(v+1)=WR(v)+μ(v)*Ri(v)*ε(v)。

各類型業(yè)務(wù)參數(shù)分布如表1所示。

2仿真結(jié)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(yè)務(wù)(包含話音、視頻會議、FTP文件傳輸和網(wǎng)頁瀏覽)設(shè)置衛(wèi)星終端的數(shù)目為100，每個終端均有4種業(yè)務(wù)的連接，對實時業(yè)務(wù)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(yù)測建模中，預(yù)測方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(yù)測效果越好，即與實際值越接近。對傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法和本文的歸一化最小均方算法預(yù)測方法的均方差進(jìn)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(chǎn)生的均方差會比傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法產(chǎn)生的均方值小很多，所以本文的算法是在傳統(tǒng)預(yù)測算法的基礎(chǔ)上明顯改進(jìn)的。

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

圖2　業(yè)務(wù)預(yù)測值與真實值的比較

由圖2可以得出表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

表2　仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表2中的數(shù)據(jù)分析得出，在50 s的預(yù)測時間內(nèi)，對于包的到達(dá)率的預(yù)測誤差大約為4%。

隨Tp變化預(yù)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(dāng)Tp=100 ms時，預(yù)測誤差在8%左右，是符合預(yù)期的。

圖3　預(yù)測誤差分析

3結(jié)束語

本文提出了基于業(yè)務(wù)預(yù)測的時隙分配算法，將歸一化最小均方算法與傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法進(jìn)行對比，有效地提高了預(yù)測的準(zhǔn)確度，并將不同的申請周期對應(yīng)的預(yù)測誤差進(jìn)行仿真驗證，證明本文算法在Tp=100 ms的情況下在準(zhǔn)許的誤差范圍內(nèi)。本算法將業(yè)務(wù)預(yù)測作為時隙分配的依據(jù)，中心站通過提前一幀來預(yù)測業(yè)務(wù)量并分配信道資源，充分利用了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道資源，同時有效降低了通信時延，大大提高了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

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徐達(dá)男，(1989—)，在讀研究生。主要研究方向：MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量保障。

郝學(xué)坤男，(1979—)，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

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(xiàn)標(biāo)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(dá),張有志,郝學(xué)坤.基于業(yè)務(wù)預(yù)測的時隙分配算法[J].無線電工程,2016,46(3):30-32，57.