宽带GEO卫星网络媒体接入控制协议

辛渊博， 周 熙， 李伟亮

(重庆通信学院，重庆 400035)

0 引言

宽带卫星通信作为卫星通信领域一个全新的应用, 其主要目标是为多媒体和高速因特网应用提供一种无所不在的通信方式，解决全球通信最后一公里的问题。与上一代卫星网络的最大区别是其承载的业务由低速数据业务及话音业务转变为高速数据业务、因特网业务和多媒体业务，以及其带宽速率的提升[1]。对于宽带GEO卫星通信系统，考虑到频率和功率受限、固有传播时延长等特点，在多业务类型及多用户环境下，选择哪一种媒体接入控制协议（MAC Protocol）将直接影响到系统的容量、网络结构、带宽和频谱的利用率、通信服务质量、控制策略、设备复杂度及成本等。

1 卫星网络中影响MAC协议性能的主要因素

在宽带 GEO卫星通信系统中，影响媒体接入控制协议性能的主要因素有：端到端时延、业务量模型、资源请求策略、资源分配方式的选择等。

（1）端到端时延

分组的端-端时延包括分组从源终端产生开始到目的终端成功收到分组为止的整个过程，是卫星通信中影响媒体接入控制协议性能的最主要因素。GEO卫星通信网络中一个分组的端到端延迟包括以下四个部分：接人延迟（分组到达时刻到该帧结束这段时间）、排队延迟（分组在排队中等待的时间）、分组传输时间和传播延迟（GEO中一个 RTD约为250 ms）。和传统地面无线网络相比，GEO卫星网络所特有的传播时延长的特点，使得带宽提升对总的端到端时延影响较小，提高分组接入概率和降低分组接入等待时间成为降低总的端到端时延的有效途径。

（2）业务量模型

数学分析或离散事件仿真分析中所选的业务量模型的特性很大程度决定了MAC协议性能的好坏，这些特性包括分组到达分布、分组长度分布以及业务的突发性。其中业务突发性反映了实际业务流的本质特征，直接影响到卫星网络多址接入协议的选择和设计。对于突发性强的业务要求足够大的存储器和高速处理能力，同时需要按需、动态地配置传输信道以实现系统资源利用率和用户QoS满意度之间的平衡。

（3）资源请求策略

对于请求策略的优化一方面将大量复杂计算交由地面终端来处理，可以有效降低星上处理器的设计复杂度。另一方面保障了卫星带宽资源的合理利用。特别是对于需要大量预约信息的高突发性业务，采用精确的预测机制可以有效减少用于预约请求的信令，从而降低业务端到端时延，提高卫星信道的资源利用率。

（4）资源分配方式的选择

卫星通信中资源分配方式可以分为：固定分配、按需分配、自由分配和随机接入。对于不同业务选择不同的资源分配方式来保障其服务质量是提高卫星信道资源利用率的有效途径[2]。例如，在卫星ATM网络中，对于CBR业务采用固定分配的方式保障其稳定可靠地传输，对 VBR业务采用可变速率按需分配方式以适应其速率可变的特征，对于UBR业务采用随机接入方式以适应其突发性的特征。

2 卫星通信网络中的媒体接入控制协议

考虑到资源请求策略与分配方式对协议性能的影响，宽带GEO卫星通信网络的MAC协议针对网络多业务的特点采取了两种有效的解决方案：一是将各种接入控制方式进行有效组合，根据不同业务的特点选择不同的接入方式，再由星上处理器根据资源使用状况自适应分配，从而最大限度地利用卫星信道资源。另一种方案是考虑到地面终端造价低、处理速度快和存储量大等特点，将大量工作交由地面请求终端来处理，变换资源请求方式以改善业务的突发强度，缓解星上处理的难度。

2.1 基于混合式自适应分配机制的媒体接入控制协议

混合式自适应分配机制主要是指针对不同业务选择不同的接入控制方式以实现系统资源的最大利用和用户QoS保障。典型的基于TDMA方案的混合接入控制方式有混合式按需/自由分配(CFDAMA)协议、随机预约自适应分配（RRAA）协议以及两者结合后产生的混合式自由／随机预约自适应分配 (CFRRAA)协议。

CFDAMA协议[3]将按需分配与自由分配（对按需分配后剩余时隙的分配）相结合，首先由星上调度器或地面中心站针对各业务终端的请求进行按需分配，然后对按需分配后的剩余时隙按照特定的方式自由分配。仿真结果表明，CFDAMA协议在低信道负荷范围实现了低的端到端时延，在高的信道负荷范围实现了高的信道利用率。然而该方案不能扩展用于支持多业务以及提供QoS保证，而且对于混合类业务难以明确处理公平性问题。

RRAA协议[4]同时结合了随机接入和按需分配多址接入方式，适合于宽带GEO卫星ATM网络中处理多业务的情况。该协议将ATM业务种类按照优先级与各类多址接入方式作了关系映射，对于CBR业务按峰值信元速率以固定速率DAMA的方式分配资源，对于rt-VBR和nrt-VBR业务以可变速率DAMA的方式分配资源（优先保障rt-VBR业务），对于UBR业务按随机接入的方式通过竞争获取资源。同时，该协议提出了预约时隙数量自适应可变方案，允许系统根据信道争用情况自适应改变预约时隙与数据时隙的界限，以降低阻塞概率，减少时延。仿真结果表明，该协议在低到中等UBR业务负载时可以取得更高的吞吐量和较低的接入延迟。但对于UBR业务单纯地使用随机接入方式，当负载加大时会引发竞争加剧，造成系统吞吐量下降。

CFRRAA协议[5]成功地结合了CFDAMA协议与RRAA协议的特点，通过灵活动态的帧格式设计为各种不同类型、不同优先级别业务提供了最为合适的接入方式，其帧格式如图1所示。

图1 CFRRAA-CR(P)上行链路帧结构

如图1所示，该协议上行链路帧由请求时隙(RS)和信息时隙(IS)组成，RS与 IS之间的间隔可根据业务量大小适时调整。请求时隙被CBR、rt/nrt-VBR业务源以S-Aloha的竞争方式提出初始接入请求。信息时隙由数量可变的数据时隙(DS)和自由接入时隙(FAS)组成：数据时隙用于承载获得预约分配的CBR和rt/nrt-VBR业务源分组，以及经捎带预约获得时隙分配的 UBR业务分组。自由接入时隙包括两个部分，第一部分允许调度器采用基于信源预测的加权分配方式为UBR业务终端分配预测数据时隙。第二部分允许UBR业务终端以S-Aloha的方式直接发送数据到FAS，同时根据需要可以在发送的分组上捎带预约请求。

CFRRAA协议为卫星ATM网内不同类型业务规定了不同的优先级别，分别应用不同的接入方案。恒定比特率(CBR)业务拥有最高的优先级，采用固定速率 DAMA接入方式。预约成功后，每一帧中按CBR业务源峰值信元速率(PCR)为其分配固定数量时隙，直到呼叫结束。可变比特率（VBR）业务优先级次之，采用可变速率 DAMA接入方式以避免该类业务源在静默期间浪费系统资源。首次接入成功后，业务源下一帧的请求时隙将通过捎带预约实现。当系统资源短缺时，按照其优先级次序，首先为 rt-VBR业务源分配数据时隙，然后为nrt-VBR业务源分配。未定比特率(UBR)业务优先级最低，但突发性强，一般采用随机接入方式。CFRRAA协议中为了改进 UBR业务性能，在随机接入的同时，采取了捎带预约、流量预测的策略以保障UBR业务的有效接入。

CFRRAA协议的优势在于：对于 rt-VBR业务采用可变速率DAMA方案以避免资源浪费，对于UBR业务采用随机发送/捎带预约/流量预测相结合的接入方案以改善其性能；可变边界的帧格式便于系统资源的灵活配置；星上实行按优先级管理队列的策略，从而优先满足实时业务的需求。仿真结果表明，该协议实现了低到中等 UBR业务负荷下低的端到端时延和高的信道利用率，同时保障了 ATM 网中各类业务的公平有效接入。

2.2 基于地面请求策略的动态分配多址接入协议

地面请求策略是宽带GEO卫星网络MAC协议的基础，直接影响到系统端到端时延和资源利用率。地面请求策略优化的目的就是在保证业务QoS与提高系统资源利用率之间进行折中。因此，设计稳定、有效以及具有预见性的地面请求策略可以在满足业务OoS要求的同时，最大限度提高资源利用率。目前有以下两种可行策略：

2.2 .1 基于预测机制的地面请求策略

针对Internet自相似业务流，文献[6]提出了PRDAMA协议，该协议基于线性预测的方法，将剩余带宽根据各终端业务数据速率的一阶和二阶动态变化趋势来进行分配，从而有效地管理了地面站的缓存，改善了系统的时延性能。但这里的预测算法是在星上完成，增加了星上处理的复杂度和处理时间。文献[7]提出基于统计预测的方法，将自相似业务流建模为N个ON-OFF业务的聚合流，并将业务流量分为多个级别。通过状态转移矩阵计算下一个状态转移概率最大的业务流量级别。文献[8]提出基于混沌预测的动态混合MAC协议，该协议在CFDAMA协议基础上，将混沌预测算法应用于各地面终端，通过预测模块记录前N个请求周期内的业务流量，然后通过混沌算法预测出第N+1个周期用户的接入数据速率，并将预测结果放到申请信息当中。该协议成功地将混沌算法应用于地面站的预测请求策略当中，将预测的时间参考维度从线性预测的二阶增加到了m维N阶，提高了业务预测的精确度和可信度。仿真结果表明，在高负荷以及具有高突发性Pareto分布ON-OFF信源的情况下，该协议优于采用轮询预约和线性预测方案。

基于预测机制的地面请求策略准确地判断了业务流量的变化趋势，提供了剩余时隙分配的可靠参考，改善了系统的端到端时延性能。但目前的预测机制主要是针对单一业务，并不适用于具有多业务特性的宽带GEO卫星网络。

2.2 .2 基于控制理论的地面请求策略

宽带 GEO卫星通信中的长延时使得终端队列长度在带宽请求分配过程中产生累计效应，引起终端队列长度的剧烈波动，导致按需分配过程的不稳定性。基于控制理论的地面请求策略将带宽请求分配过程建模为具有时延(时延等于按需请求分配周期)的反馈系统，从而保证了终端队列长度的稳定，消除了因为长时延导致的资源分配的盲目性，充分合理地利用了带宽。

文献[9]作者基于控制理论对GEO卫星ATM网的终端请求策略进行改进。在地面请求算法中引用Smith预测器和反馈控制。地面终端当前申请时隙数目 rreq(t)由缓存中的队列长度 qTT(t)以及上一个请求分配周期内总的申请时隙数目共同决定，如式（1）所示：

比例因子K决定着系统的稳定性，K越小系统越稳定，但稳态队列长度越长。但该策略没有考虑终端业务特点和卫星链路上行负载状况，所分配的时隙资源始终被完全利用，整体时延性能较差。文献[10]在此基础上根据系统负载对地面请求策略进行了改进，规定终端参考队列长度随系统负载的大小实时调整，从而降低了终端队列长度，减小了数据业务的排队等待时间，改善了业务时延性能。

基于控制理论的地面请求策略以经典的控制论为基础，不依赖于业务模型，适合任何业务源，同时以终端队列长度为控制目标，使得队列长度能够始终跟踪设定的参考值，避免累计效应带来的系统不稳定性问题。但这种基于反馈控制的策略只是根据已到达业务情况计算带宽请求数量，属于纯反应式，业务排队时延较长。

3 结语

这里总结了宽带GEO卫星通信网络中影响MAC协议性能的主要因素，考虑到地面请求策略和资源分配方式对协议性能的影响，重点分析两种多址接入方案：基于混合式自适应分配机制的媒体接入控制协议结合了各种接入控制方式的优点，针对不同业务实现了系统性能的优化；基于地面请求策略的动态分配多址接入协议将地面请求策略应用于协议设计当中，简化了星上设计的复杂度，实现了对突发性业务流量的有效控制。

在接下来的研究中可以考虑将预测机制与控制理论相结合，在反馈过程中加入预测算法以改善其纯反应式工作时的时延性能。同时可以考虑将适合于多业务的地面请求策略应于混合式自适应分配多址协议当中。

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