低轨卫星接入系统中基于位置信息的时隙分配协议*

栾　鹏，朱　江，高　凯

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，长沙 410073)



低轨卫星接入系统中基于位置信息的时隙分配协议*

栾鹏，朱江，高凯

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，长沙 410073)

针对浮标卫星通信系统中卫星覆盖范围广、接入链路传播时延差异大的场景结构引起的统一延迟分配协议中端到端时延长、吞吐率低的问题，提出了一种基于位置信息的时隙分配协议。协议中卫星通过获取浮标位置信息来控制时隙分配的起点，实现时隙离散分配，增大可用传输时隙长度，同时降低传输时延。OPNET仿真结果表明所提出的时隙分配协议可以显著提高单信道传输模式下的网络吞吐量，并有效降低单信道与双信道模式下浮标卫星通信系统接入时的端到端时延。

低轨卫星通信；海洋浮标卫星通信；接入链路；位置信息；时隙分配

1　引　言

随着海洋观察对数据传输实时性要求不断提高，低轨卫星在卫星通信中传播时延小、覆盖范围广的特性使得它在海洋浮标卫星通信系统中得到了广泛关注。在海量浮标的卫星接入中，为充分利用有限信道资源，提供可靠通信保障，介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议成为低轨卫星通信研究中的重点内容[1]。

在浮标卫星通信系统的时分多址接入(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)协议中，卫星在进行时隙分配时将会预留一定的保护时间，确保所有节点在接收到分配命令后都有时间发送数据包，保护时间的长度由卫星的最远通信距离所对应的传播时延来确定。本文称这种时隙分配算法为统一延迟分配算法。由于低轨卫星移动性强，浮标节点数目众多、分布范围很广，且各节点到卫星间的时延差距大，若卫星在未知浮标传播时延的情况下进行时隙分配，则需要设置较长的保护时间，进而加大了网络整体端到端时延。故需要设计一种新的时隙分配方案，能根据每个浮标节点的传播时延设置不同的保护时间，从而提高信道利用率并改善端到端时延。

在卫星通信时分多址接入系统中，为了减弱链路传播时延对端到端时延的影响，文献[2]提出允许一次握手发送多个数据包的解决方案，文献[3]使用上下行并行传输模式，文献[4]使用上行预约与传输双信道结构，文献[5]指出分配的时隙在多频时分多址接入(MultifrequencyTimeDivisionMultipleAccess，MF-TDMA)帧中的位置分布也是影响端到端时延的重要因素之一。除了卫星通信网络场景，PB-MAC[6](Position-BasedMAC)和C-MAC[7](CellularMAC)分别针对长时延在大区域移动自组织网络和水声传感器网络中引起的混叠问题，提出了借助位置信息来调整发包时间以达到降低冲突、减少端到端时延的效果。文献[8]改进了分组预约多址接入(PacketReservationMultipleAccess，PRMA)协议以提高长时延下的信道利用率，文献[9]借助长时延实现时空复用。以上所有改进方案都在不同程度上改善了网络的时延性能，但是都无法在分配时对各用户的传播时延进行区分，无法应对传播时延差距大引起的网络整体时延降低的问题。

本文针对传统延迟分配方案在低轨卫星传播时延长、时延差距大的场景结构下，保护时间过长、时隙浪费严重的问题，提出了基于位置信息的离散时隙分配方案。卫星根据浮标的位置信息控制时隙分配的时间起点，能有效提高单信道模式下的信道利用率，同时降低单信道与双信道模式下的端到端时延。

2　系统模型

本文采用如图1所示的覆盖场景模型，某低轨卫星高度h=480km，覆盖直径dt=3 000km，最大传播距离ds=1 633km，最大链路传播时延Tmax=5.44ms，最小链路传播时延Tmin=1.67ms，同一时刻覆盖区域下的浮标节点传播时延相差3.77ms。

图1低轨卫星覆盖场景

Fig.1CoveragescenarioofLEOsatellites

本文分别以单信道和双信道TDMA传输模式为例进行分析，在两种模式下卫星与浮标天线均使用全双工模式。其中单信道模式下的超帧结构如图2(a)所示，浮标节点在预约时隙内以时隙ALOHA(SlottedALOHA，S-ALOHA)方式随机竞争接入发送预约帧，卫星在预约时隙后进行时隙分配并集中广播分配命令，浮标节点接收到分配帧后，在分配到的时隙内无冲突地传送数据包。双信道下超帧采用联合自由/按需分配多址接入[10](RandomAccess-CombinedFree/DemandAssignedMultipleAccess，RA-CFDAMA)协议结构，如图2(b)所示，上行链路分为频率上互不干扰的控制信道和数据信道，保障预约与数据传输能够并行。下行链路为宽带广播信道。控制信道为随机接入信道，浮标以S-ALOHA方式竞争发送预约帧，数据信道为按需信道，无冲突传输数据包。

图2单信道、双信道包交互流程

Fig.2Packetswitchingprocessinsingle-channelanddual-channel

在卫星通信中长传播时延除了对端到端时延有影响外，也容易造成各业务站间的传输混叠，故要求各业务站具有子帧同步的功能。浮标卫星通信系统中各浮标节点使用“北斗”授时实现全网时钟同步。对于卫星通信中的时延保持问题，由于浮标节点数目众多，为避免大量同步信令的交互引起的时隙和功率浪费，本文采用基于开环同步保持的子帧同步方案,即浮标节点存储卫星轨道参数，通过本地实时计算与卫星间的传播时延，调整发包时间，避免节点间冲突。

3　基于位置的时隙分配方案

在目前按需分配的单信道TDMA接入协议中，常按照时间轴顺序进行时隙分配。如图3所示，若卫星在进行时隙分配时与节点间距离未知，为保证所有节点都能在接收到分配命令后有时间上传数据包，分配给节点的时间起点不早于(tr_i+2Tmax)时刻，其中tr_i为发送给第i个用户的分配帧下发结束的时间，Tmax为最大传播时延。这种统一延迟分配的算法会造成时隙浪费，降低信道利用率，增大网络端到端时延。

图3单信道统一延迟分配和基于位置时隙分配的对比

Fig.3Comparisonbetweenunifieddelayedallocationandposition-basedslotallocationinsingle-channel

本文针对这种情况，借鉴在时间轴上离散分配的想法[11-12]，提出基于位置信息的离散时隙分配方案。如图3所示，卫星在MAC模块维护一定时间范围内的时隙分配记录表，在执行时隙分配算法时，卫星根据当前浮标的位置，计算与该浮标间的传播时延Tdelay_i，确定可以分配给该浮标的最早传输时隙的起始时刻(tr_i+2Tdelay_i)，并根据时隙分配记录表中的分配情况，从(tr_i+2Tdelay_i)开始向后查询可用时隙，并将连续的满足用户i发送需求个数的时隙分配给该用户，随后更新分配记录表。这样就将分配时隙的起点提前了(2Tmax-2Tdelay_i)，进而增加了传输时隙中的可用时隙，提高了信道利用率，同时减少了端到端时延。

同样，在图4所示的在双信道结构中，卫星接收到预约命令后立即进行时隙分配，采用基于位置的时隙分配方案将分配给第i个用户的时隙的时间起点由(tr_i+2Tmax)提前到(tr_i+2Tdelay_i)，进而缩短端到端时延。当流量密度很大时，时间轴上已分配时隙的比例逐渐增大，时隙分配趋近于饱和，只能逐渐向后查找满足需求的可用时隙，寻找到的可用时隙终点将大于最大传播时延。此时，基于位置的时隙分配不再具有优势，逐渐等同于统一延迟分配。

图4双信道延迟分配和基于位置时隙分配的对比

Fig.4Comparisonbetweenunifieddelayedallocationandposition-basedslotallocationindual-channel

此外，由于卫星每次分配都需要依据与浮标节点间的距离，所以浮标需要在入网时或自身的位置发生明显变化时将位置信息共享给卫星节点进行管理，为避免每次浮标入网时都需要发送位置信息，浮标的位置共享采用由卫星间的信息交互来完成。

4　性能仿真与分析

4.1仿真设置

本文对基于位置信息的时隙分配方案使用OPNET进行建模仿真，测试了单信道模式与双信道模式下统一延迟分配和基于位置的时隙分配两种分配算法的吞吐量和端到端时延性能。数据包大小在100～1 000b均匀分布，其他主要参数设置见表1。单信道模式下，卫星在预约时隙后集中进行分配算法；双信道模式下卫星接收到预约帧后立即执行分配算法，广播分配命令。

表1主要仿真参数

Tab.1Mainsimulationparameters

仿真参数参数取值卫星高度/km480浮标数目100卫星覆盖直径/km3000上行速率/(Mb·s-1)1下行速率/(Mb·s-1)10单信道预约时隙时长/s0.01单信道传输时隙时长/s0.02数据包大小/b100～1000

4.2仿真分析

图5为单信道模式下统一延迟分配和基于位置分配两种时隙分配方案的端到端时延对比。从图5可以看出:在包密度低时，两种分配方案都能及时进行时隙分配，整体端到端时延较低;基于位置的分配方案由于提前了时隙分配的起点，相较于统一延迟分配的方案端到端时延更低，但是差别不明显;在包密度大时，吞吐率达到峰值，端到端时延主要受排队等待分配时间的影响，此时基于位置的时隙分配算法逐渐显现出性能优势。

图5单信道下两种分配方案端到端时延

Fig.5End-enddelayoftwoallocationschemesinsingle-channel

图6为单信道结构下两种分配方案的吞吐量对比。从图6可以看出:在流量密度低时，两种分配方案吞吐量性能差异不大;在流量密度逐渐增大时，统一延迟分配的方案吞吐率优先达到峰值;流量密度继续增大时，基于位置的时隙分配方案相较于统一延迟分配的吞吐量具有明显提升;两种分配方案在吞吐量达到峰值后，包排队等待分配的时间开始增大，进而开始影响端到端时延，即呈现出图5所示的变化趋势。

图6单信道下两种分配方案吞吐率

Fig.6Throughputoftwoallocationschemesinsingle-channel

图7为双信道结构下不同分配方案的端到端时延性能对比。测试得到浮标节点到卫星的平均传播时延为3.4ms，又已知覆盖范围下最大通信距离1 633km对应的最大传播时延为5.4ms，可知基于位置的时隙分配方案相较于统一延迟分配方案端到端时延缩小(2Tmax-2Tdelay=4.0ms)，仿真结果与理论相符。在包密度增大后，两种分配方案的时隙分配区域饱和，时延性能逐渐相同。

图7双信道两种分配方案的时延测试

Fig.7Delayoftwoallocationschemesindual-channel

双信道结构下由于时隙分配总是可以向后推迟，分配帧也能及时下发，基于位置的时隙分配方案在双信道结构下只是提前了数据包的传输时间，并没有改变信道利用率，因此对吞吐量性能没有影响。

5　结　论

在低轨卫星时延长、时延差距大的特殊场景结构中，采用基于位置的离散时隙分配方案，改变常规的具有较长保护时间的统一延迟分配方案，通过卫星节点计算与浮标间的距离来确定分配给浮标的时隙在时间轴上所处的位置，有效提高了单信道模式下的吞吐量，同时减少了单信道与双信道模式下的端到端时延。关于时隙长度、数据包大小以及分配算法中用户的排序方式对基于位置的时隙分配方案性能的影响具有进一步研究价值。

[1]GUANMX,WANGRC.PerformanceanalysisofmacprotocolforLEOsatellitenetworks[J].InternationalJournalonCommunications,NetworkandSystemSciences,2009,2(8):786-791.

[2]LIAND-SENGK,LIUMT.Awirelessmultipleaccesscontrolproctolforvoice-dataintegration[C]//Proceedingsof1996IEEEInternationConferenceonParallelandDistributedSystems.Tokyo:IEEE,1996:206-213.

[3]XUFR,LIUK,LIUF,etal.Apropagation-delay-tolerantMACprotocolwithadaptivereservationforlongpropagationdelaynetworks[C]//Proceedingsof2014 9thInternationalConferenceonCommunicationsandNetworkinginChina.Beijing:IEEE,2014:387-392.

[4]MARKHASINA.Performanceanalysisofthedelay-tolerantsatellitedistributedMACreservationprotocols[C]//Proceedingsof2009InternationalWorkshoponSatelliteandSpaceCommunications.Tuscany,Italy:IEEE,2009:376-380.

[5]QINY,ZHANGJ,ZHANGT,etal.ApracticalmethodforimprovingdelayperformanceoftimeslotallocationinDVB-RCS[J].ChineseJournalofAeronautics,2009(22):174-183.

[6]YANS,MAZ,SHIR.Apositionbasedmediaaccesscontrolprotocolinlargescalemobileadhocnetworks[C]//ProceedingsofWseasInternationalConferenceonTelecommunicationsandinformatics.Wisconsin,USA:ACM,2010:103-106.

[7]MAYT,GUOZW,FENGY.C-MAC:aTDMA-basedMACprotocolforunderwateracousticsensornetworks[C]//Proceedingsof2009IEEEInternationalConferenceonNetworksSecurity,WirelessCommunicationsandTrustedComputing(NSWCTC2009).Wuhan:IEEE,2009:728-731.

[8]ZHOUH,LIYB.MACprotocolwirelessadhocnetworkforlongdelaychannel[C]//Proceedingsof2011InternationalConferenceonComputerEngineeringandManagementSciences.Beijing:IEEE,2011:201-205.

[9]DIAMANTR,SHIWB,SOHWS,etal.Jointtimeandspatialreusehandshakeprotocolforunderwateracousticcommunicationnetworks[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2013,38(3):470-483.

[10]FENGS,WANGF,BIAND,etal.MACprotocoldesignforbroadbandmultimediasatellitesystem[C]//Proceedingsof2009 5thInternationalConferenceonWirelessCommunications,NetworkingandMobileComputing.Beijing:IEEE,2009:1-4.

[11]LESSMANNJ.GMAC:aposition-basedenergy-efficientQoSTDMAMACforadhocnetworks[C]//Proceedingsof2007IEEEInternationalConferenceonNetworks.Adelaide,SA:IEEE,2007:499-454.

[12]SUNGJS,LEEH,KANGTG,etal.AQoSguarantedslotallocationalgorithmforefficientmediumaccessinHR-WPAN[J].ETRIJournal,2015,37(6):1242-1250.

栾鹏(1991—)，男，山东滕州人，2014年于电子科技大学获工学学士学位，现为国防科技大学硕士研究生，主要研究方向为卫星接入协议；

LUANPengwasborninTengzhou,ShandongProvince,in1991.HereceivedtheB.S.degreefromUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinain2014.Heisnowagraduatestudent.Hisresearchconcernssatelliteaccessprotocols.

Email:luanpenguestc@sina.com

朱江(1973—)，男，陕西渭南人，教授、博士生导师，主要研究方向为无线通信技术；

ZHUJiangwasborninWeinan,ShaanxiProvince,in1973.HeisnowaprofessorandalsothePh.D.supervisor.Hisresearchconcernswirelesscommunicationtechnology.

高凯(1978—),男，江苏连云港人，副教授，主要研究方向为无线通信技术。

GAOKaiwasborninLianyungang,JiangsuProvince,in1978.Heisnowanassociateprofessor.Hisresearchconcernswirelesscommunicationtechnology.

APosition-basedSlotAssignmentProtocolforLEOSatellitesNetwork

LUANPeng,ZHUJiang,GAOKai

(CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Tosolvethelongend-to-enddelayandlowthroughputprobleminunifieddelayedallocationprotocolwithwidecoverageandlongpropagationdelayofaccesslinkinbuoysatellitecommunicationsystem,thispaperproposesaposition-basedslotassignmentprotocol.Satellitesusepositioninformationofbuoytocontrolthestartpositionofslotallocationintheprotocol,achievingdiscreteslotsallocationtoincreasetheavailabletransmissionslotlengthandreducetransmissiondelay.TheOPNETsimulationresultsshowthattheproposedslotallocationprotocolcansignificantlyimprovenetworkthroughputundersingle-channeltransmissionmode,andeffectivelyreducebuoysatellitecommunicationsystem′saccessdelayundereitherthesingle-channelmodeorthedual-channelmode.

lowearthorbitcommunication;seabuoysatellitecommunication;accesslink;positioninformation;slotassignmentprotocol

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.007

2016-01-22；

2016-03-21Receiveddate:2016-01-22；Reviseddate：2016-03-21

国家自然科学基金资助项目(61201166)FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61201166)

TN927

A

1001-893X(2016)09-0990-05

引用格式：栾鹏，朱江，高凯.低轨卫星接入系统中基于位置信息的时隙分配协议[J].电讯技术，2016,56(9):990-994.[LUANPeng,ZHUJiang,GAOKai.Aposition-basedslotassignmentprotocolforLEOsatellitesnetwork[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):990-994.]

**通信作者：luanpenguestc@sina.comCorrespondingauthor：luanpenguestc@sina.com