基于差值分配的信道分配算法研究

马亚薇，孙晨华，许 楠

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

MF-TDMA是一种频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)相结合的二维多址方式［1－3］。MF-TDMA将信道分割成频率不同的若干个载波，按时间在每个载波上划分不同的时隙。信道资源分配算法采取相应的策略选择合适的载波，并在载波上分配时隙资源给地球站发送数据。而高效的信道资源分配算法和用户服务质量的保证一直以来都是MF-TDMA资源管理技术的重点［4，5］。

MF-TDMA卫星通信网络中信道时隙资源分配一般采取较为高效的申请分配机制［6，7］，该机制是地球站根据实际业务需求发送业务带宽申请，中心站接收业务申请并根据申请为其分配带宽资源供地球站发送数据，在业务带宽分配过程中主要考虑如何保证业务的服务质量［8］。卫星通信系统中传输的业务按实时性可以划分为实时业务和非实时业务。非实时业务主要包括传真和IP数据等，对时延要求不高，时延对非实时业务的传输影响不大。实时业务主要包括话音和视频等，而它对时延、抖动等具有较高的要求，对时延非常敏感，它要求带宽分配结果不存在时延或时延非常低，才可以确保实时业务的正常通信，保证其服务质量。因此，如何消除实时业务抖动时延，降低呼叫掉线率，提高实时业务的服务质量，是本文研究的重点。对此，在周期轮询信道分配算法的基础上提出了差值分配算法，将业务带宽申请分为固定部分和变化部分，对2部分采取不同的信道分配策略，以减少实时业务的掉线现象，提高用户的业务满意度。

1 分配约束条件

MF-TDMA系统的信道时隙资源分配问题的本质［9］是在一定的约束条件下，按照一定的原则，针对业务本身特性和所需时隙数量，在信道中寻找符合条件的空闲时隙进行分配。

目前对于MF-TDMA卫星通信系统，时隙资源分配问题的约束条件［10－12］主要有:

①同一地球站分配的时隙数量不能超过一个载波的时隙容量;

②一个地球站在一次业务连接中使用的时隙可以是连续的也可以是分散的;

③同一地球站分配的时隙资源，在时间上不能重叠;

④为避免冲突，同一个时隙资源不能同时分配给2个业务申请。

时隙分配最基本原则为:某个站在某一时刻只能在一个载波上发送。这也是MF-TDMA体制的基本原理所决定的。

2 周期轮询法

2．1 分配原理

周期轮询［13］算法的分配原理是中心站接收到各地球站的时隙申请信息后，按照申请业务的优先级，将其从高到低进行排序;然后，按照一定的顺序依次提取业务申请，找到适合的载波，从头至尾进行一次轮询，检测时隙是否空闲，如果空闲，检测该时隙是否发生冲突，如果未发生冲突，直接将该申请分配，提取下一个申请，如果发生冲突，继续检测下一个时隙，直至整个载波全部轮询完毕;该申请的带宽没有全部满足则无法被分配，直接放弃，前面已分配的部分该申请释放，提取下一个申请，从载波起始位置继续重复轮询过程。

2．2 算法性能分析

随着系统网络规模的扩大，每一个分配周期地球站的申请量远远超过信道的容量。每次分配信道时都要重新分配，这可能使得上一帧已分配的实时业务在当前不能分配，实时业务服务中断，增加了掉线率，降低了实时业务的服务质量。

因此，为了保障实时业务的服务质量，降低实时业务的掉线率，提出了差值分配算法。该算法对载波时隙表进行维护，对实时业务申请带宽变化的部分进行动态的分配调整，非实时业务进行周期轮询重新分配。

3 差值分配

3．1 分配原理

差值分配算法原理是:在地球站根据时隙分配表进行数据的发送后，不再将信道中的所有分配时隙收回，而是根据上一帧的实时信道分配情况和实时业务的时隙申请二者取差值，差值为零，说明实时业务申请带宽需求没有变化，最大限度地保持已经分配的实时业务申请时隙资源位置不变动;带宽需求减小的业务，将多余的时隙释放;带宽需求增大的业务，对已分配的时隙位置最大限度地保持不变，对增加的带宽需求进行轮询分配，在信道中搜索空闲时隙，如果无法满足全部带宽，将该实时业务的所有时隙全部释放，业务被拒绝。同时非实时业务，进行轮询，重新分配。

差值分配算法分配原则为:针对变化的实时业务申请部分做动态调整分配，尽量保持上一帧已分配实时业务申请在下一帧中存在且分配的时隙位置尽量保持不变，同时对非实时业务进行轮询重新分配，最大限度地降低了实时业务的掉线率。

3．2 分配流程分析

该算法的流程如图1所示。

图1 差值分配法的流程

具体的分配步骤如下:

①对上一帧的各个地球站信道分配结果进行统计;②接收当前帧的各地球站的业务时隙申请，由上一帧的统计结果和这一帧的时隙申请情况，得出每个地球站的实时业务申请分配差值;③对于分配差值为零、业务带宽需求无变化的地球站不做操作;如果时隙中分配的地球站的分配差值为负，将多余的时隙释放;如果分配差值为正，在信道中搜索空闲时隙进行分配，分配的时隙个数与分配差值相等;④非实时业务时隙申请采取轮询重新分配。

这一算法需要对上一帧的分配情况进行统计，在分配的过程中，业务持续时间结束会释放占用时隙为空闲时隙。对这些空闲时隙的位置等信息进行记录，在接下来的分配过程中可以直接对其进行占用，减少了系统对信道中空闲时隙的搜索操作，可以缩短信道分配时间。对业务对带宽需求变化的部分进行释放和分配，最大限度地保证了信道中实时业务时隙位置保持不变，以减少实时业务的时延降低掉线率。

4 仿真结果分析

4．1 仿真模型

针对MF-TDMA系统，为了更好地验证实时业务的分配策略，网络规模较小时，业务总的时隙需求数量是小于信道容量的，随着网络内地球站数量的增加，最终时隙需求总数量大于信道容量。在此采用阻塞率与掉线率验证算法的性能。仿真条件设定如下:

① 网络中的地球站规模［100，600］;

②信道矩阵包含8个载波，每载波包含128个时隙;

③发出申请的地球站随机分布，业务申请满足泊松分布;

④每个业务要占用的时隙个数在［1，8］范围内随机取整数，业务持续期间不发生变化。

阻塞率:系统提供的信道数远比用户数要小得多，当用户要通信时，会发现所有信道可能全部处于繁忙状态，这种现象称为阻塞。业务带宽申请次数累加得到总申请数量ReqNum，系业务申请未成功分配的数量FailNum。阻塞率δ表示为未成功分配的申请数量与总的申请数量的比值，

掉线率:反映了系统业务的通讯保持能力，是用户直接感受的重要性能指标。每个终端产生的呼叫次数累加得到总呼叫次数CallNum，每发生一次掉线，则累计掉线次数DropNum。掉线率μ表示为掉线次数与总的呼叫次数的比值，

4．2 仿真结果分析

每次仿真在连续进行1 000次的信道分配，阻塞率与掉线率是这1 000次仿真统计的平均值。

实时业务的阻塞率如图2所示。图2中2条曲线分别表示周期轮询法和差值分配法阻塞率。

图2 实时业务的阻塞率

由图2可知，在网络规模较小的时候，业务数量较少，信道可以完全容纳，业务时隙申请不会受到拒绝，阻塞率为零。随着网络规模的增大，总的业务时隙申请数量超出了信道容量，出现了业务阻塞，并随着地球站数量增多呈上升趋势。周期轮询与差值法的阻塞率相似，2条曲线基本重合，二者拥有相似的阻塞率。

实时业务的掉线率如图3所示。图3中2条曲线分别表示周期轮询法和差值分配掉线率。

图3 实时业务的掉线率

随着网络规模的增大，业务的时隙申请数量超出了信道时隙的大小，周期轮询法对实时业务的申请直接进行分配，不考虑上一帧的分配结果，这样的分配造成其较高的掉线率，并且随着地球站的数量增多呈上升趋势。差值分配法中如果对地球站的实时业务时隙申请进行分了配，那么在接下来实时业务的整个持续期间，时隙的位置尽量保持不变，始终能够保证实时业务的正常通信，在这种非常理想的情况下实时业务的掉线率为零。

5 结束语

为了提高实时业务的服务质量，针对周期轮询信道分配算法实时业务掉线率较高的缺点，在该算法的基础上，提出了差值分配的算法。新算法对终端业务申请采取不同的分配策略，根据各终端连续2帧之间的实时业务申请的差值进行时隙资源的动态释放与分配，非实时业务进行重新分配，来减少实时业务的掉线现象。新算法进行仿真验证，仿真结果显示，差值分配和周期轮询算法具有相似的阻塞率，而新算法同时具有较低的掉线率，进而提高了实时业务的服务质量。

［1］ 郝学坤，孙晨华，李文铎．MF-TDMA卫星通信系统技术体制研究［J］．无线电通信技术，2006，32(5):224－228．

［2］ 郝学坤．MF-TDMA卫星通信多站型组网体制研究［J］．无线电通信技术，2012，38(1):5－6，20．

［3］ 李培林，张向文，翟立君，等．MF-TDMA时隙资源的一种动态优化控制算法［J］．无线电工程，2012，42(12):55－57．

［4］ PRISCOLI F D，DE S M，FAGGIANO A．Resource Management in a Broadband Satellite Network［C］∥First International Conference on 3G Mobile Communi cation Technologies，2000:292－400．

［5］ OLARIU S，TODOROUA P．Resource Management in LEO Satellite Networks［J］．IEEE Potentials，2003，22(2):6－12．

［6］ 秦 勇，张 军，张 涛．DVB-RCS卫星系统无线资源管理体系架构［J］．计算机工程与应用，2010，46(20):71－74．

［7］ 秦 勇，张 涛，张 军．基于DVB-RCS宽带卫星通信系统的BoD带宽请求算法［J］．遥测遥控，2009，30(3):22－28．

［8］ 郑培超，贾韶军，宋瀚涛．OFDMA系统保证服务质量的分组调度算法［J］．电子与信息学报，2008，30(8):1 778－1 782．

［9］ 孔维萍，韩 潇．多媒体卫星通信系统中的时隙分配方法［J］．信息通信，2011(1):8－12．

［10］许 楠，杨爱梅，张贵春．MF-TDMA卫星通信系统时隙申请选取方法［J］．无线电通信技术，2012，38(5):13－15，59．

［11］ PARK J M，SAVAGAONKAR U R，CHONG E K P，et al．Allocation of QoS Connections in MF-TDMA Satellite Systems:a Two-phase Approach ［J］．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2005，54(1):177－190．

［12］董启甲，张 军，张 涛．星上MF-TDMA系统信道管理方法［J］．电子与信息学报，2009(10):2 378－2 384．

［13］刘丽宏，孙晨华．MF-TDMA系统时隙分配算法的研究［C］∥第23届全国通信与信息技术发展研讨会，2006:313－316．