改进型GEO卫星BTDAMA MAC协议时延性能分析

辛渊博，周 熙，赵丽娜

（重庆通信学院，重庆 400035）

0 引言

在宽带GEO卫星网络中，媒体接入控制（MAC）协议在保障宽带业务服务质量的同时，对提高信道利用率起着关键的作用[1]。基于突发目标按需分配（Burst Targeted Demand Assignment Multiple Access，BTDAMA）协议，采用TDMA多址方式，对于由一系列突发和突发间隔定义的传输，提供了较好的时延性能，达到了1个RTD（Round Trip Delay）的时延下限。BTDAMA协议最显著的特点是请求机制和调度机制的分离，从而为处于突发阶段的终端分配连续的信道能量，避免了多次请求所带来的时间浪费。其调度算法有2种：采用纯按需分配（Pure Demand Assignment）的BTDAMA-PD协议和采用自由分配与按需分配相结合（Combined Free and Demand Assignment）的 BTDAMA-FD 协议[2]。笔者提出了将纯按需分配与预约按需分配相结合的混合式按需分配BTDAMA-HD协议。

1 信源模型

信源模型对MAC协议性能评估起着极其重要的作用。数据业务的突发特性通常由ON/OFF模型来描述。笔者采用Pareto ON/OFF信源模型来模拟自相似数据业务流。在该模型中，ON状态产生分组，OFF状态不产生分组，ON状态与OFF状态的持续时间服从Pareto分布，ON状态期间各分组以恒定的速率到达。Pareto分布中通过选择参数k与a来确定ON/OFF持续期的最小值和聚合业务的自相似度[3]。

2 BTDAMA协议的地面请求算法

如图1所示，在纯按需分配BTDAMA-PD协议中，请求时隙以轮询的方式分配给各地面终端，用于传输突发转换标志。地面终端在任意时刻只能处于2种状态中的1种：ON状态表明突发已经开始，需要时隙分配；OFF状态表明此时没有突发产生[4]。如果终端在OFF状态接收到突发的第1个分组，则在下1个请求时隙中将ON标志上传给调度器以获得时隙分配。这个过程一直持续到该突发中的最后1个分组进入队列，此时终端标志为OFF，并在下1个请求时隙中将OFF标志以及终端当前所得到的时隙数和终端队列中的分组数目上传给调度器以获取足够的时隙来传输排队分组。地面终端在其突发状态未发生改变时不发送请求信息。

在混合式按需分配BTDAMA-HD协议中，考虑到终端在得到时隙分配前产生了分组却没有得到时隙分配，从而采用预约请求的方式来为终端排队分组预约可用时隙。其地面请求算法与纯按需分配基本一致，只是在终端突发开始后到第1个时隙分配到达终端前这段时期内通过请求时隙预约必要的数据时隙资源。即一旦终端得到请求时隙分配且队列中有排队分组，则通过请求时隙为其预约可用的数据时隙。

3 协议的调度算法及改进

BTDAMA协议中调度器可位于星上，也可以位于地面控制中心站。笔者研究调度器位于星上的集中分配式网络。

3.1 预约按需分配策略

在TDMA卫星通信网络中，预约按需分配实质上就是根据地面站预约的时隙数目为其分配连续的时隙资源。按照预约采取方法的不同，可以分为随机预约、轮询预约和捎带预约[5]。其中轮询预约方式因实现简单、公平且利用率高成为普遍采用的预约方式。

由于卫星固有传播时延的限制，预约按需分配最大缺点是每一次请求得到时隙资源分配需要至少2个RTD的时间。对于具有高突发性的自相似业务，这种资源分配方式显然不能适应。

3.2 纯按需分配策略

文献[6]提出的纯按需分配策略将地面请求与星上调度分离，该策略中地面站一旦将突发开始的转换标志传送给卫星，则可以得到连续的时隙分配而不需要再次请求预约，从而节省了请求时隙开销，避免了每次请求分配过程的时间浪费。

在典型的BTDAMA-PD协议中，星上调度器包括2个分配表：1个表包含标志ON状态的终端，另1个表包含标志OFF状态的终端。调度器每次收到1个请求信号就说明终端状态发生变化，此时将该终端ID号从其所在表中移除，插入到另1个表的尾部。

调度器以TDMA方式逐帧分配信道资源，在1帧中调度器将其可用数据时隙以轮询方式分配给ON表中的终端，直到该帧中不存在可用数据时隙资源。ON表中的终端在分配到1个时隙后，便由表头移到表尾，从而实现公平轮询式分配。调度器在ON表中记录突发终端所得到的时隙分配数，当地面站从ON状态转变成OFF状态时，调度器根据请求时隙中上传的信息和ON表中的记录信息来确定终端是否需要连续时隙以清除排队分组。

在纯按需分配策略中，地面站一旦通知调度器突发开始，则被放入ON表中与其他突发终端一起以轮询的方式共享信道资源。这样，从突发开始到得到资源分配的第1个RTD时间内，终端产生了分组却没有得到应有的时隙分配，系统中可能的剩余资源被平均分配给了所有的突发终端，导致终端在突发刚开始阶段就产生了排队时延问题。

3.3 混合式按需分配策略

混合式按需分配BTDAMA-HD协议将预约按需分配与纯按需分配相结合，在不改变纯按需分配中基于突发目标轮询式公平分配策略的同时，采取在终端突发开始阶段为其提供预约按需分配的方式来解决分组排队时延问题。两者的最大不同体现在混合式按需分配允许终端在没有得到时隙分配之前，以预约的方式为之前产生的分组预约可用时隙。

在BTDAMA-HD协议中，星上调度器包括4个资源分配表：ON/OFF表结构与纯按需分配相同，预约表用于存放突发开始后到数据时隙分配到达前这段时间内发起预约的终端ID和预约时隙数目，当终端以请求时隙预约可用资源时，则将其ID号与预约时隙数目写入预约表中。清空表用于存放突发已停止，但突发分组还未传输完成的终端ID和需要的时隙数目。当终端上传OFF标志时，则将其ID号与清空队列所需要的时隙数目写入清空表中。调度器首先为预约表和清空表中的终端按预约时隙数目和未分配分组数目来分配连续时隙，之后以轮询的方式为ON表中的终端分配时隙，直到一帧结束。

4 仿真性能比较分析

笔者采用OPNET网络仿真软件对协议的时延性能进行了仿真比较，主要仿真参数如表1所示。

图2显示了地面站数目分别为100和300时协议的时延/吞吐量性能，可以看出，当在终端数为100，信道负荷为0.1～0.8时，以及终端数为300时的整个信道负荷范围内，BTDAMA-HD协议的平均端到端时延性能均优于BTDAMA-PD协议。同时，随着信道负荷的增长，两者之间的差距越来越明显。其主要原因为：在突发开始阶段，BTDAMA-HD协议采取了预约按需分配的策略来及时清除终端中的排队分组，避免了分组在后续突发目标按需分配过程中的堆积。同时，随着信道负荷的增长，在突发开始后到数据时隙分配到达前这段时间内终端产生的分组数目增多，而终端所获得的可用时隙资源相对减少。因此，纯按需分配中终端需要更多的时间来消除初始阶段排队分组对后续分组的影响，从而使得预约按需分配的作用更加明显。

表1 主要仿真参数

图3显示了信道负荷为0.8，地面终端数分别为100和300时分组端到端时延的概率密度分布。从图中可以看出，在高信道负荷条件下，混合式按需分配协议与纯按需分配协议相比，分组获得低端到端时延的概率更大。这主要是由于BTDAMA-HD协议中采用预约请求调度机制及时清除了队列中的排队分组，使突发一开始就工作在较低的端到端时延下。

图4显示了信道负荷为0.8，地面终端数分别为100和300时分组端到端时延的累积概率分布。从图中可以看出，随着终端数的增加，时延的分布范围展宽。同时，终端数为100时，BTDAMA-HD协议中端到端时延最高不超过0.56 s。而在BTDAMA-PD协议中分组端到端时延最高可到0.60。同样当终端数为300时，前者不超过0.60，后者最高可到0.62 s，即BTDAMA-HD协议能够满足更低的时延约束要求。

5 结论

笔者比较了采用纯按需分配和混合式按需分配的BTDAMA协议。混合式按需分配BTDAMA-HD协议结合了纯按需分配策略和预约按需分配策略的优点，为开始突发终端提供了预约按需分配机制来清除队列中的排队分组。仿真结果表明，在整个信道负荷范围内，BTDAMA-HD协议体现了更好的时延性能。

[1]刘凯，刘卫忠，冯卓明.基于Ka波段DVB-S2卫星直播系统浅析[J].电视技术，2006，30（9）：71-73.

[2]MITCHELL P D.Effective medium access control for geostationary satellite systems[D].UK：University of York，2003.

[3]PARK K，WILLINGER W.Self-similar network traffic and performance evaluation[M].New York：John Wiley&Sons，2000.

[4]MITCHELL P D，TOZER T C，GRACE D.Bandwidth assignment scheme for ON-OFF type date traffic via satellite[J].IEEE Trans.Electronics Letters，2001，37（19）：1191-1193.

[5]LE-NGOC T，KRISHNAMURTHY S V.Performance of combined free/demand assignment multiple-access schemes in satellite communications[J].International Journal of Satellite Communications，1996，14（1）：11-21.

[6]MITCHELL P D，GRACE D，TOZER T C.Burst targeted demand assignment multiple access for broadband Internet service delivery over geostationary satellite[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2004，22（3）：546-558.