摘 要： DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，已有的帶寬請(qǐng)求算法多注重于隊(duì)列延遲以及帶寬利用率等性能的提高而未考慮衛(wèi)星終端的存儲(chǔ)優(yōu)化針對(duì)此問題，提出了一種應(yīng)用于DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)的存儲(chǔ)優(yōu)化帶寬請(qǐng)求算法，該算法通過預(yù)測(cè)到達(dá)數(shù)據(jù)流的容量來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)總量的控制，同時(shí)兼顧對(duì)傳輸時(shí)延以及傳輸效率的平衡。仿真表明，該算法能夠合理控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量，并且在優(yōu)化帶寬利用率、控制時(shí)延抖動(dòng)等方面與已有算法相比具有同樣的高性能。
關(guān)鍵詞： 帶寬請(qǐng)求算法; DVB-RCS； 存儲(chǔ)優(yōu)化
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衛(wèi)星通信具有內(nèi)在的覆蓋范圍廣、以廣播和組播多模式工作的特性，使其能夠提供高速因特網(wǎng)連接和多媒體數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。由于IP技術(shù)在因特網(wǎng)中起著不可替代的主導(dǎo)作用，基于衛(wèi)星通信的IP數(shù)據(jù)傳輸近年來得到了廣泛深入的研究。另一方面，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）為數(shù)字電視廣播制訂的DVB-S和DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)使得采用經(jīng)濟(jì)的衛(wèi)星地面終端實(shí)現(xiàn)交互式衛(wèi)星通信成為可能。因此，基于IP網(wǎng)絡(luò)的多樣化、交互式業(yè)務(wù)傳輸是衛(wèi)星通信發(fā)展的重要方向之一。
在衛(wèi)星通信交互式應(yīng)用中，前向信道采用廣播模式，不存在媒體接入控制的問題，而回傳信道被大量用戶終端所共用，這必然要采用媒體接入控制技術(shù)。DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)即定義了回傳信道在物理層和媒體接入控制層的各項(xiàng)基本規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)采用了MF-TDMA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多址接入，將回傳信道的帶寬分配給多個(gè)用戶終端使用。但標(biāo)準(zhǔn)本身并未規(guī)定系統(tǒng)所采用的具體BoD（Bandwidth on Demand）技術(shù)，即帶寬分配算法（BAA）和帶寬請(qǐng)求算法（BRA）。
本文研究了DVB-RCS系統(tǒng)中的帶寬請(qǐng)求算法。所謂帶寬請(qǐng)求是指衛(wèi)星終端根據(jù)本地待發(fā)送的數(shù)據(jù)量，向網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）發(fā)起使用一定大小帶寬的請(qǐng)求，并在收到NCC的帶寬分配方案后，按照方案使用指定大小的帶寬傳輸本地?cái)?shù)據(jù)。帶寬請(qǐng)求算法對(duì)于回傳信道的帶寬使用效率、數(shù)據(jù)傳輸延遲等系統(tǒng)性能都具有關(guān)鍵性作用。分析目前已有的帶寬請(qǐng)求算法，其思路大致可分為以下三類：
(1) 僅基于MAC隊(duì)列的長(zhǎng)度以及當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)輸入速率來計(jì)算需要請(qǐng)求的帶寬大小[1-2]。
(2) 使用高層協(xié)議的隊(duì)列信息(如IP層的傳輸隊(duì)列)來指導(dǎo)帶寬申請(qǐng)。這種思想導(dǎo)致了一種跨層的帶寬請(qǐng)求，有望給系統(tǒng)帶來效率上的提高，但目前仍未有成熟可靠的算法見于公開文獻(xiàn)。
(3) 存儲(chǔ)過去時(shí)刻的帶寬請(qǐng)求和帶寬分配情況，再結(jié)合當(dāng)前隊(duì)列狀態(tài)，預(yù)測(cè)在下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)量，基于此計(jì)算帶寬請(qǐng)求[3-4]。
已有的帶寬請(qǐng)求算法主要考慮提高回傳信道的帶寬效率和降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，但大部分算法并未考慮對(duì)MAC隊(duì)列長(zhǎng)度的控制，而MAC隊(duì)列長(zhǎng)度影響系統(tǒng)存儲(chǔ)容量的大小，該參數(shù)在某些應(yīng)用場(chǎng)合具有十分重要的意義。參考文獻(xiàn)[4]首次考慮了對(duì)MAC隊(duì)列長(zhǎng)度的控制問題，并提出了一個(gè)MAC隊(duì)列長(zhǎng)度可控的帶寬請(qǐng)求算法，但該算法在隊(duì)列初始長(zhǎng)度控制和隊(duì)列長(zhǎng)度抖動(dòng)控制方面仍有不足之處。本文提出了一種新的針對(duì)存儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化的帶寬請(qǐng)求算法(MCI-BRA)，該算法在保證系統(tǒng)帶寬、使用效率和數(shù)據(jù)傳輸延遲要求的前提下，能夠?qū)AC隊(duì)列長(zhǎng)度進(jìn)行合理控制，從而達(dá)到控制終端存儲(chǔ)容量的目的。
1 系統(tǒng)模型
本文考慮如圖1所示的DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，地面終端(RCST 1, 2, … , n)通過一顆GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)因特網(wǎng)的訪問。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)接入因特網(wǎng)，NCC與網(wǎng)關(guān)駐留在同一個(gè)地面站。每個(gè)RCST不一定只為一個(gè)用戶提供因特網(wǎng)連接，也可以對(duì)本地的一個(gè)或多個(gè)局域網(wǎng)提供因特網(wǎng)連接。帶寬請(qǐng)求即發(fā)生在每個(gè)RCST當(dāng)中。
DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)提供了5種帶寬請(qǐng)求：
(1) CRA（Continuous Rate Allocation）對(duì)該類請(qǐng)求必須在每個(gè)超幀滿足其所有帶寬需要；
(2) RBDC（Rate Based Dynamic Capacity）該類請(qǐng)求以指定碼率的方式提出帶寬需求；
(3) VBDC （Volume Based Dynamic Capacity）該類請(qǐng)求以指定容量的方式提出帶寬需求；
(4) AVBDC （Absolute Volume Based Dynamic Capacity）該類請(qǐng)求以指定容量的方式提出帶寬需求，與VBDC不同之處在于AVBDC提出的請(qǐng)求將覆蓋前一次的請(qǐng)求，而VBDC請(qǐng)求為累加性質(zhì)；
(5) FCA （Free Capacity Assignment）該類請(qǐng)求沒有碼率以及容量方面的要求，NCC直接將空閑帶寬以某種方式分配給各個(gè)RCST，而不需要RCST再提出該類請(qǐng)求。
在上述5種帶寬請(qǐng)求方式中，CRA屬于一種靜態(tài)的請(qǐng)求方式，而FCA并不要求保證一定的碼率或者容量，AVBDC則屬于VBDC的一種特殊情況，因此真正需要考慮動(dòng)態(tài)分配帶寬的類型為RBDC和VBDC兩種。實(shí)際上，在傳輸速率、編碼方式等一定的情況下，RBDC與VBDC請(qǐng)求是可以互換的。
DVB-RCS的這種分類方法與上層IP數(shù)據(jù)流的分類方法必須要有一個(gè)映射關(guān)系，本文采用了參考文獻(xiàn)[3]中提出的一種映射結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流在IP層被劃分到EF流中，在MAC層則依據(jù)一定的算法分為CRA和RBDC兩部分；非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流在IP層被劃分至AF和BE兩類，在MAC層則被劃分到RBDC和VBDC當(dāng)中。本文主要針對(duì)RBDC/VBDC兩類請(qǐng)求研究合理的帶寬請(qǐng)求算法，在DVB-RCS中也就是在每個(gè)超幀中申請(qǐng)一定數(shù)量的業(yè)務(wù)時(shí)隙。
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2 帶寬請(qǐng)求算法
本文提出的帶寬請(qǐng)求算法的基本思想是：通過提取數(shù)據(jù)包進(jìn)入MAC隊(duì)列的統(tǒng)計(jì)特征，可以對(duì)即將到來的一個(gè)時(shí)段內(nèi)到達(dá)MAC隊(duì)列的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過該預(yù)測(cè)值進(jìn)一步計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)申請(qǐng)的時(shí)隙數(shù)，該時(shí)隙數(shù)的計(jì)算應(yīng)盡可能保證MAC隊(duì)列中緩存的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)維持在某個(gè)事先設(shè)定的值。
本算法以下列假設(shè)為前提：
(1) 每個(gè)數(shù)據(jù)包為一個(gè)ATM cell，即53B，每個(gè)時(shí)隙傳輸一個(gè)ATM cell。本條假設(shè)在多個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中均成立。
(2) 數(shù)據(jù)包的到達(dá)具有一定的概率模式，即數(shù)據(jù)包到達(dá)的量是可以被預(yù)測(cè)的。對(duì)于目前因特網(wǎng)中出現(xiàn)的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，其概率模型已逐步被人們所認(rèn)識(shí)，參考文獻(xiàn)[5]中給出了多種類型數(shù)據(jù)流的概率模型。因此，本條假設(shè)在因特網(wǎng)傳輸?shù)拇罅繕I(yè)務(wù)類型中均成立。
(3) NCC對(duì)于接收到的帶寬請(qǐng)求全部給予分配，實(shí)際上這種情況僅當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生阻塞時(shí)才成立，但對(duì)于阻塞的處理需要考慮一定的阻塞算法，而這不在本文涉及內(nèi)容之內(nèi)。此外，本文提出的算法在系統(tǒng)發(fā)生阻塞時(shí)，仍能對(duì)MAC隊(duì)列長(zhǎng)度起到控制作用。
系統(tǒng)的帶寬請(qǐng)求與分配過程如圖3所示。
圖3中，以水平方向?yàn)闀r(shí)間軸，RCST以恒定時(shí)間間隔發(fā)出帶寬請(qǐng)求。在t0時(shí)刻，RCST發(fā)出請(qǐng)求rr[k]，該次請(qǐng)求經(jīng)過時(shí)間δ到達(dá)NCC，故δ即為一個(gè)RTD(Round-Trip Delay)，典型值為500ms。在t1時(shí)刻，RCST發(fā)出請(qǐng)求rr[k+1]，因此，RCST的請(qǐng)求發(fā)送間隔為：
在t2時(shí)刻，NCC發(fā)回對(duì)rr[k]的分配結(jié)果al[k]，RCST在t3時(shí)刻收到該次分配，并在下一個(gè)超幀內(nèi)使用該次分配指定的時(shí)隙。定義調(diào)度延遲μ為RCST發(fā)出某次請(qǐng)求到收到該次請(qǐng)求的分配結(jié)果之間的時(shí)間間隔，即：
基于此，本文提出帶寬請(qǐng)求算法如(3)式所示：
(3)式中，rr[k]為第k次申請(qǐng)的時(shí)隙數(shù)，q[k]為當(dāng)前MAC隊(duì)列長(zhǎng)度，s[k]為下一個(gè)超幀將要占用的時(shí)隙數(shù)，p[k]為第k次到第k+1次申請(qǐng)之間到達(dá)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包數(shù)的預(yù)測(cè)值，參數(shù)?茁用于控制隊(duì)列長(zhǎng)度。
在(3)中，q[k]、rr[k-i]、s[k]均可以直接得到，對(duì)于p[k]的計(jì)算需要考慮數(shù)據(jù)包到達(dá)MAC隊(duì)列的統(tǒng)計(jì)特性來確定。
在參考文獻(xiàn)[5]中給出了視頻流、Web請(qǐng)求數(shù)據(jù)流等因特網(wǎng)上典型數(shù)據(jù)模式的分析。分析表明，大量的數(shù)據(jù)流在到達(dá)時(shí)間間隔上服從負(fù)指數(shù)分布，即數(shù)據(jù)包到達(dá)過程服從泊松分布。因此本文考慮數(shù)據(jù)包到達(dá)過程為泊松過程的情況，即時(shí)間間隔?子內(nèi)到達(dá)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包數(shù)滿足：
其概率分布如圖4所示，由此可知在時(shí)間間隔τ之內(nèi)，到達(dá)λ個(gè)數(shù)據(jù)包的概率最大，因此對(duì)于泊松分布而言，在(3)式中：
對(duì)于其他模式的到達(dá)過程，可以用類似的方法預(yù)測(cè)固定時(shí)間間隔內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)。
參考文獻(xiàn)[4]中提出的帶寬請(qǐng)求算法記為Alg-I，如式(8)、(9)、(10)所示。
其中,L[k]表示k到k+1這段時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)際到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)。
3 仿真結(jié)果
記本文提出的算法為MCI-BRA(Memory Cost Improved Bandwidth Request Algorithm)，使用Matlab對(duì)Alg-I和MCI-BRA兩種算法進(jìn)行了仿真比較，仿真參數(shù)如表1所示，則在(3)式中，令N=3，可將(3)式重寫為：
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圖5、圖6、圖7所示分別為不同數(shù)據(jù)包到達(dá)率情況下兩種算法的平均隊(duì)列長(zhǎng)度、隊(duì)列長(zhǎng)度絕對(duì)偏差以及帶寬利用率。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷低于75%(即600 cells/s)時(shí)，兩種算法均能很好地將隊(duì)列長(zhǎng)度控制在預(yù)定的長(zhǎng)度值，即200cells，與Alg-I相比，MCI-BRA在隊(duì)列長(zhǎng)度上稍有抖動(dòng)，兩種算法的帶寬利用率均達(dá)到了100％；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過75%后，MCI-BRA算法在三項(xiàng)指標(biāo)上均開始明顯優(yōu)于Alg-I算法。考慮最壞情況，即系統(tǒng)滿負(fù)荷時(shí)，Alg-I算法的平均隊(duì)列長(zhǎng)度為237cells，而MCI-BRA算法的平均隊(duì)列長(zhǎng)度為221cells，即前者的控制偏差為18.5%，后者的控制偏差為10.5%；此時(shí)MCI-BRA算法的帶寬利用率為97.935%，而Alg-I算法的帶寬利用率為97.440%。兩種算法的詳細(xì)比較結(jié)果如表2所示。
本文給出了一種新的帶寬請(qǐng)求算法，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)MAC隊(duì)列長(zhǎng)度的控制，同時(shí)保證了帶寬使用效率。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)負(fù)荷低于75％時(shí)，該算法與已有算法具有同樣優(yōu)異的性能，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過75％后，該算法與已有算法相比能夠達(dá)到更為理想的系統(tǒng)性能。在輸入數(shù)據(jù)包的到達(dá)模式一定時(shí)，該算法均能達(dá)到理想的控制效果。
在未來的工作中，需要進(jìn)一步考慮對(duì)數(shù)據(jù)流的不同到達(dá)模式的合理預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模式自適應(yīng)的改進(jìn)算法，同時(shí)結(jié)合帶寬分配算法從BoD的整體角度來改進(jìn)本文提出的算法也是一個(gè)重要的研究方向。
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