面向差异化QoS保障的卫星返向链路资源分配策略

缪中宇 陈特 冯瑄 郑寒雨 秦鹏飞 蒲明龙 陶滢

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

卫星网络资源管控研究主要面向呼叫接入控制及各维度的资源管理问题。呼叫接入控制是指依据一定的网络管理目标设计接入控制判断准则，决定一个连接请求允许或拒绝接入。资源管理则对网络中各类型的资源在各波束或用户间的分配进行优化，相关研究主要从频域[1-2]、时域[3]及功率域[4-5]角度讨论星上资源优化方案，提升卫星系统的通信容量。目前，大部分研究工作都以前向链路的带宽分配与功率控制为主，然而在返向链路，基于第2代数字视频广播-交互式卫星系统(DVB-RCS2)协议的卫星系统主要采用多频时分复用(MF-TDMA)体制，具有与前向链路时分复用(TDM)体制截然不同的帧结构与频率划分机制。与此同时，由于终端突发时间计划(TBTP)表中需要描述每个用户在每超帧中的传输时隙，相比于前向链路的波束级资源调度，返向链路更关注于每个用户的资源分配，因此目前针对前向链路的资源分配方案无法直接应用于返向链路。

未来宽带卫星通信系统所服务的用户种类与承载的业务类型更加多样化，需要对不同用户的终端能力、业务需求及用户优先级进行区分，为不同优先级的用户业务提供差异化的服务保障。文献[6]中考虑高、中、低3种业务优先级，根据时延、公平性等需求设计了每种业务流的调度权重，通过调度权重影响为每种业务流最终分配的业务发送速率。文献[7]中考虑了业务服务质量(QoS)水平，以满足用户的延迟要求，在此基础上建立了联合带宽和功率分配机制。为了避免低优先级用户的QoS过度恶化，文献[8-9]中提出了QoS公平性问题，引入了延迟优先级的概念，从而在实时业务和非实时业务的性能之间取得平衡，避免实时业务无限抢占系统资源。对于返向链路，文献[10]中关注视频、网页和文件传输业务，提出了一种MF-TDMA和单信道单载波(SCPC)模式的切换机制，该机制能够区别对待3种业务，提供差异化的QoS服务。

上述文献只在用户或业务等单一维度上考虑某一用户请求的优先级，而在实际宽带卫星系统中，用户具有不同的重要程度，而每个用户又可能发起包括语音、视频、网页、电子邮件在内的多种业务，从单一维度上看，一般认为重要程度较高的用户具有更高的优先级，或者语音、视频等具有严格时延抖动要求的业务会被优先传输。然而，在实际系统中，既可能出现较为重要的用户传输网页、文本等低QoS要求业务，也可能出现普通用户进行语音通话等高QoS需求的业务，此时，需要综合考虑用户优先级及不同类型的业务来保障每个具体业务请求的QoS需求。目前，在如何依据用户优先级与业务类型的二维尺度对具体业务请求的QoS类型进行划分与保障上还没有统一的指标。因此，本文面向基于用户优先级与业务类型的MF-TDMA返向链路时频资源分配问题，提出符合DVB-TCS/RCS2标准的资源分配策略，基于该策略对资源分配问题进行建模并设计时频资源联合分配算法，为不同用户不同类型的业务请求提供差异化的QoS保障。

1 资源分配问题建模

1.1 面向差异化QoS保障的资源分配策略

考虑宽带卫星通信系统的返向通信过程，如图1所示。在宽带卫星通信系统中，用户类型与终端能力多种多样，如企业级用户及普通个人用户终端等，由于用户的性质与传输业务的差别，网络中的用户具有不同的重要性，即用户具有不同的优先级。与此同时，用户所请求的业务类型与所要求的服务质量具有较高的差异性，既存在实时性要求较高的语音、视频类业务，也有非实时的数据传输类业务，如网页浏览、图片传输等，以及电子邮件、后台交互等QoS要求极低的业务。在同一类型的业务中，由于用户的终端能力、网络环境及用户个人偏好等，其服务质量要求也千差万别。以视频业务为例，用户能够根据个人偏好传送不同清晰程度的视频资源，同时随着子载波传输质量的变化，应用层也可以自适应地调整视频流的码率或视频清晰度。

图1 返向链路用户请求示意

从业务类型来看，可将系统中的业务请求分为：实时恒速率业务，如话音、视频等流媒体业务；非实时业务，如图像、文本、网页等；无QoS要求的文件传输或后台类业务，如文件传输、电子邮件等。DVB-RCS2协议中支持为用户的业务请求提供4种资源分配方式[11]。

(1)恒速率分配(CRA)：非请求式资源分配，用户在入网时即与网管中心协商好获得的资源数量，业务到来时可不必申请资源直接传输。

(2)速率保障(RBDC)：要求在超帧的每个子帧中都要为业务分配一定的时隙资源，以保证实时业务的传输质量，减小时延抖动。

(3)容量保障(VBDC)：只需要保证在一个调度周期中提供足够的时隙资源，适用于非实时业务。

(4)自由容量分配(FCA)：若系统有剩余资源，则分配给用户，适用于后台类业务。

从用户优先级来看，将系统中的用户按优先级分为3类，令a∈{1,2,3}表示用户的优先级，a的值越小表示优先级越高。对于最高优先级的用户(a=1)，一方面，针对它提出的需求不论业务类别均使用CRA方式，保证其数据能够优先迅速传输。对于a=2的用户，对其传输的非后台类业务按用户所提出的QoS要求进行资源分配。对于最低优先级的用户(a=3)，在系统业务量较少时，保障其所提出的QoS需求，当系统业务量较多、资源紧缺时，对具有自适应特性的业务进行服务降级，如传输清晰度更低的视频，降低用户对系统的资源需求，使系统资源有望满足用户的要求，所有业务均可被调度。综上所述，从用户优先级与业务类型对用户的业务请求进行拆解，结合DVB-RCS2支持的4种资源分配方式，可对用户某一业务请求提供6类服务质量保障，如表1所示。

表1 面向差异化QoS的资源分配原则

1.2 问题模型

在实际的卫星通信系统中，系统的子载波带宽及超帧时隙配置已由网络管控中心(NCC)配置决定，并通过各广播表项通知用户终端。卫星或NCC需在当前子载波与时隙的系统配置下，以超帧为单位根据当前收到的用户业务请求，对1个超帧内的资源进行规划，用户根据卫星的指示，在其传输机中进行业务发送。假设系统的整个频段被网管配置为固定的带宽划分，如10 Mbit/s带宽系统被划分为4个512 kbit/s、2个1 Mbit/s、1个2 Mbit/s、1个4 Mbit/s，共8个子载波。由于网络配置的更新周期远大于资源调度周期，资源调度需要在上述固定配置下进行，明确1个超帧中的各个时频资源块与网络中的业务请求的分配占用关系，如图2所示。

图2 以超帧为单位的资源分配

由于网络中存在异构的用户终端(大站、小站)，不同处理能力的终端可支持的最大带宽不同，假设将用户按其最大处理能力分为4个用户组U=U1∪U2∪U3∪U4，Ui表示第i组用户，i=1,2,3,4，同一组用户将被分配相同宽度的子载波进行业务传输。同时，假设每个用户终端都采用其能够使用的最大宽度的子载波，当更窄的子载波有富余的时隙时，可在一定情况下将大带宽用户的业务调整到窄子载波上。

(1)

式中：k为波尔兹曼常数；λ为波长；G/T为用户天线品质因数；Bu为用户u所占用的子载波带宽；Au为用户u所经历的雨衰值。

用户的信干噪比为

(2)

式中：gu为用户u的载干比。

依据DVB-RCS2协议，用户根据链路质量采取自适应编码调制技术，可依据用户的信干噪比Su查表得到用户频谱效率γu。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：wu，d为用户u的业务d的权重；约束条件C1表示每个子载波上承载的用户业务总量不能超过其传输能力；约束条件C2则对应于用户不跨子载波的限制；约束条件C3为资源分配变量的值域限制。

2 时频资源分配算法

本文所提算法主要分为5个步骤，流程如图3所示。①最高优先级用户资源分配：首先对最高优先级用户使用CRA分配方法，保证其资源的优先分配，满足对特殊用户的重点保障。②带宽调整：当某个子载波组带宽资源不足时，为待分配资源的用户在其他宽度的子载波中寻找可用资源，尽量在不进行服务降级的情况下满足所有用户的需求。③服务降级：若系统资源仍不足以满足用户的需求，对低优先级用户进行服务降级，以容纳更多的用户。④用户调度与子载波分配：对所有待分配用户确定是否为该用户服务，以及为其分配相应的子载波。⑤TBTP表生成：根据用户调度与子载波分配结果，依据用户业务类型，为其进行满足RBDC，VBDC或FCA的时隙分配，建立用户与具体时隙间的映射关系。算法从最窄的子载波组开始，对组内的用户的时隙需求进行计算后依次进行上述5个步骤，完成本载波组的资源分配。重复上述操作，直至完成对最后1个子载波组的资源分配。

图3 算法流程

依据各用户的初始速率需求，计算用户在每个调度周期，即每个超帧内的时隙需求tu。

2.1 最高优先级用户资源分配

对于最高优先级用户，对其所有业务请求采用CRA分配，即在用户入网时便与NCC协定好占用的资源数量，网络在每个超帧中为其固定预留资源。令V(n)表示第n个子载波中剩余的时隙数，具体分配流程如图4所示。

图4 最高优先级用户资源分配流程

2.2 带宽调整

图5 带宽调整流程

2.3 服务降级

经过带宽调整，若本组子载波剩余的时隙仍不够满足待调度用户的QoS需求，则对最低优先级的自适应业务进行服务降级，即降低其服务质量等级，如传输更为不清晰或音质更低的音视频流，以应对可用时隙不足的情况。假设用户根据其终端能力或个人偏好请求不同质量的音视频资源，而不同质量的音视频资源则对应不同的平均传输速率需求。为了不过分降低用户体验，规定网络对每个用户的服务请求至多降M级，即当某个用户请求已经使用最低档的速率传输，或该用户已经过M次降级，则不再对该用户进行服务降级。

当资源不足时，对部分用户的业务请求，选择更低一级的服务档次(即更低一级的传输速率保障)，直至所有最低优先级的用户业务都已不能再降级，或当前业务传输所需的时隙之和小于子载波组中的剩余时隙数时，服务降级过程终止。

2.4 用户调度与子载波分配

对于当前子载波组i的用户，令Ui′表示待分配的用户请求集合，Ni′表示剩余时隙，tn′为进行服务降级后用户u的时隙需求，则用户调度与子载波分配问题等价为以下线性整数规划问题，见式(8)～(11)。该问题可通过分支定界法等方法求解。

(8)

(9)

(10)

(11)

2.5 TBTP表生成

时隙分配分为非后台类业务的时隙分配与后台类业务时隙分配。根据用户调度与子载波分配的结果进行非后台类业务的时隙分配，确定每个时隙应分配给哪一个用户。需要按照业务的实时或非实时特性提供速率或容量保证的分配方案。当被选择承载的非后台类用户业务已经分配完毕，可将剩余时隙资源分配给请求后台类业务的用户。最后，为剩余的后台类业务分配剩余的子载波，尽量使其占满剩余的时隙即可，提高资源利用率。图6为非后台类业务时隙分配流程。

图6 非后台类业务时隙分配流程

3 仿真分析

本文在Matlab软件环境中对所研究时频资源分配问题进行建模，设星下点位置为(120°E，0°N)，用户终瑞G/T值为34.29 dB/K，信干噪比为20 dB，系统被分为500 kbit/s，1 Mbit/s，2 Mbit/s，4 Mbit/s共4种宽度的子载波，每种子载波数量分别为8,8,7,6。每超帧包含8个子帧，每子帧包含25个时隙，时隙长度为1 ms。用户总数为120，4组用户数的概率为0.21,0.25,0.24,0.33，用户3个优先级的概率为0.3,0.3,0.4，服务最大降级次数M为2。DVB-RCS2同样支持自适应编码调制，但未给出明确的自适应编码调制方案，为了验证本文策略的性能，参考DVB-S2规定的自适应编码调制方案，如表2所示。

表2 自适应调制编码方案

当网络中用户数较多时，系统中的资源将不足以满足所有用户的需求，图7(a)所示为系统中具有120个用户时第5个子帧时频资源分配结果。其中：每种颜色表示不同的用户组，组内的用户以颜色深浅区分。可以看到：不同尺寸、能力的终端初始时按其能够处理的最大带宽被分配在相应宽度的子载波上，这些原本被分配在同一子载波组中的用户终端为1个组，因此与4种子载波相对应，将用户分成了4个用户组，不同组用户通过不同的颜色来区分。当某个宽度的子载波资源不够承载当前用户组中的全部业务请求时，会发生带宽调整，即在用户能够处理的最大带宽内，若其他宽度的子载波中具有剩余的时隙资源，则将当前用户组中部分用户的业务请求转移到该子载波组中承载。以用户优先级视图表示分配结果，如图7(b)所示。可以发现，被转移的用户为优先级为2的用户。这是由于带宽调整步骤发生在QoS降级之前，被调整的用户QoS不受影响，只是使用更窄的子载波传输。本文认为优先级为2的用户的业务应该得到更高的保障，因此在进行带宽调整时优先选择优先级为2的用户进行调整。进行带宽调整后，若子载波组中的时隙资源仍不够用，则对剩余的最低优先级的业务进行降级。

图7 第5个子帧时隙分配结果

定义被服务的用户请求数量与系统中用户提出的请求总数之比为用户请求服务率，图8为随用户数增加，各优先级用户的服务率。随着用户数增加，系统资源越来越难以为全部用户提供服务，由于系统为最高优先级用户优先分配资源，总能保证重要用户的通信，因此除最高优先级用户外，其他用户的服务率都有不同程度的降低，低优先级用户的服务率明显低于中优先级用户，说明所提算法能够有效区分各用户的优先级。可以看出：经过服务降级，系统所能容纳的用户数具有明显的增长，收益最明显的为低优先级用户，随着用户数由100增加至140，低优先级用户服务率有5.53%～15.90%的提升，中优先级用户也具有2.50%的提升。

定义某一类型业务被服务的请求数量与该类型业务请求总数量之比为业务请求服务率，图9对比了语音、视频、网页与后台类业务在不同用户数的场景下业务请求服务率变化趋势。可以看到：随着用户数的增加，用户对系统资源的需求量越来越大，各类型业务的服务率都呈下降的趋势。从非后台业务来看，语音与视频业务作为实时流业务，具有较高的优先级，其服务率明显高于网页等非实时类业务。同时，随着用户数的增加，实时业务对应的曲线下降趋势也更为缓慢，说明在资源紧缺时，实时业务能够得到更好的资源保障。另外，后台类业务具有相当高的服务率，在用户数不超过110时能够被全部服务，这是由于：后台类业务没有任何QoS约束，即使系统中只剩余1个时隙，也可支持后台类业务的接入；而对于非后台类业务，则需要某个子载波剩余的时隙数达到其QoS要求时才能够接入，否则将被拒绝服务。因此，后台类业务的服务率远高于非后台类业务，只有当用户数非常多，后台类业务的数量大于剩余时隙数时，拒绝服务的情况才会发生。由图8和图9可知：本文所提的资源分配算法能够同时区分用户的优先级与业务类型，为不同优先级用户、不同类型的业务提供差异化的QoS保障能力。

图8 不同用户数下的用户请求服务率

图9 不同用户数下的业务请求服务率

图10 本文所提算法与理论最优值对比

4 结束语

本文面向返向链路采用MF-TDMA体制的宽带卫星通信系统，综合考虑用户优先级与不同业务类型的QoS需求，提出了一种面向差异化QoS保障的卫星返向链路资源分配策略，能够根据不同优先级用户的不同类型业务请求，提供6类QoS保障。基于所提资源分配策略，本文将MF-TDMA体制下卫星返向链路中面向差异化QoS保障的资源分配问题建模为非线性整数规划问题，并设计了时频资源分配算法进行求解。仿真结果表明：所提资源分配策略在用户优先级、业务类型上都具备差异化服务能力，同时通过对系统中低优先级用户的服务降级，系统在资源不充足时能够容纳更多的用户，实现宽带卫星通信系统资源高效利用。