摘 要: DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,已有的帶寬請求算法多注重于隊(duì)列延遲以及帶寬利用率等性能的提高而未考慮衛(wèi)星終端的存儲優(yōu)化針對此問題,提出了一種應(yīng)用于DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)的存儲優(yōu)化帶寬請求算法,該算法通過預(yù)測到達(dá)數(shù)據(jù)流的容量來實(shí)現(xiàn)對發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)總量的控制,同時兼顧對傳輸時延以及傳輸效率的平衡。仿真表明,該算法能夠合理控制系統(tǒng)的存儲容量,并且在優(yōu)化帶寬利用率、控制時延抖動等方面與已有算法相比具有同樣的高性能。
關(guān)鍵詞: 帶寬請求算法; DVB-RCS; 存儲優(yōu)化
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衛(wèi)星通信具有內(nèi)在的覆蓋范圍廣、以廣播和組播多模式工作的特性,使其能夠提供高速因特網(wǎng)連接和多媒體數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。由于IP技術(shù)在因特網(wǎng)中起著不可替代的主導(dǎo)作用,基于衛(wèi)星通信的IP數(shù)據(jù)傳輸近年來得到了廣泛深入的研究。另一方面,歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)為數(shù)字電視廣播制訂的DVB-S和DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)使得采用經(jīng)濟(jì)的衛(wèi)星地面終端實(shí)現(xiàn)交互式衛(wèi)星通信成為可能。因此,基于IP網(wǎng)絡(luò)的多樣化、交互式業(yè)務(wù)傳輸是衛(wèi)星通信發(fā)展的重要方向之一。
在衛(wèi)星通信交互式應(yīng)用中,前向信道采用廣播模式,不存在媒體接入控制的問題,而回傳信道被大量用戶終端所共用,這必然要采用媒體接入控制技術(shù)。DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)即定義了回傳信道在物理層和媒體接入控制層的各項(xiàng)基本規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)采用了MF-TDMA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多址接入,將回傳信道的帶寬分配給多個用戶終端使用。但標(biāo)準(zhǔn)本身并未規(guī)定系統(tǒng)所采用的具體BoD(Bandwidth on Demand)技術(shù),即帶寬分配算法(BAA)和帶寬請求算法(BRA)。
本文研究了DVB-RCS系統(tǒng)中的帶寬請求算法。所謂帶寬請求是指衛(wèi)星終端根據(jù)本地待發(fā)送的數(shù)據(jù)量,向網(wǎng)絡(luò)控制中心(NCC)發(fā)起使用一定大小帶寬的請求,并在收到NCC的帶寬分配方案后,按照方案使用指定大小的帶寬傳輸本地數(shù)據(jù)。帶寬請求算法對于回傳信道的帶寬使用效率、數(shù)據(jù)傳輸延遲等系統(tǒng)性能都具有關(guān)鍵性作用。分析目前已有的帶寬請求算法,其思路大致可分為以下三類:
(1) 僅基于MAC隊(duì)列的長度以及當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)輸入速率來計算需要請求的帶寬大小[1-2]。
(2) 使用高層協(xié)議的隊(duì)列信息(如IP層的傳輸隊(duì)列)來指導(dǎo)帶寬申請。這種思想導(dǎo)致了一種跨層的帶寬請求,有望給系統(tǒng)帶來效率上的提高,但目前仍未有成熟可靠的算法見于公開文獻(xiàn)。
(3) 存儲過去時刻的帶寬請求和帶寬分配情況,再結(jié)合當(dāng)前隊(duì)列狀態(tài),預(yù)測在下一個時間段內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)量,基于此計算帶寬請求[3-4]。
已有的帶寬請求算法主要考慮提高回傳信道的帶寬效率和降低數(shù)據(jù)傳輸延遲,但大部分算法并未考慮對MAC隊(duì)列長度的控制,而MAC隊(duì)列長度影響系統(tǒng)存儲容量的大小,該參數(shù)在某些應(yīng)用場合具有十分重要的意義。參考文獻(xiàn)[4]首次考慮了對MAC隊(duì)列長度的控制問題,并提出了一個MAC隊(duì)列長度可控的帶寬請求算法,但該算法在隊(duì)列初始長度控制和隊(duì)列長度抖動控制方面仍有不足之處。本文提出了一種新的針對存儲容量優(yōu)化的帶寬請求算法(MCI-BRA),該算法在保證系統(tǒng)帶寬、使用效率和數(shù)據(jù)傳輸延遲要求的前提下,能夠?qū)AC隊(duì)列長度進(jìn)行合理控制,從而達(dá)到控制終端存儲容量的目的。
1 系統(tǒng)模型
本文考慮如圖1所示的DVB-RCS衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,地面終端(RCST 1, 2, … , n)通過一顆GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對因特網(wǎng)的訪問。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)接入因特網(wǎng),NCC與網(wǎng)關(guān)駐留在同一個地面站。每個RCST不一定只為一個用戶提供因特網(wǎng)連接,也可以對本地的一個或多個局域網(wǎng)提供因特網(wǎng)連接。帶寬請求即發(fā)生在每個RCST當(dāng)中。
DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)提供了5種帶寬請求:
(1) CRA(Continuous Rate Allocation)對該類請求必須在每個超幀滿足其所有帶寬需要;
(2) RBDC(Rate Based Dynamic Capacity)該類請求以指定碼率的方式提出帶寬需求;
(3) VBDC (Volume Based Dynamic Capacity)該類請求以指定容量的方式提出帶寬需求;
(4) AVBDC (Absolute Volume Based Dynamic Capacity)該類請求以指定容量的方式提出帶寬需求,與VBDC不同之處在于AVBDC提出的請求將覆蓋前一次的請求,而VBDC請求為累加性質(zhì);
(5) FCA (Free Capacity Assignment)該類請求沒有碼率以及容量方面的要求,NCC直接將空閑帶寬以某種方式分配給各個RCST,而不需要RCST再提出該類請求。
在上述5種帶寬請求方式中,CRA屬于一種靜態(tài)的請求方式,而FCA并不要求保證一定的碼率或者容量,AVBDC則屬于VBDC的一種特殊情況,因此真正需要考慮動態(tài)分配帶寬的類型為RBDC和VBDC兩種。實(shí)際上,在傳輸速率、編碼方式等一定的情況下,RBDC與VBDC請求是可以互換的。
DVB-RCS的這種分類方法與上層IP數(shù)據(jù)流的分類方法必須要有一個映射關(guān)系,本文采用了參考文獻(xiàn)[3]中提出的一種映射結(jié)構(gòu),如圖2所示。實(shí)時數(shù)據(jù)流在IP層被劃分到EF流中,在MAC層則依據(jù)一定的算法分為CRA和RBDC兩部分;非實(shí)時數(shù)據(jù)流在IP層被劃分至AF和BE兩類,在MAC層則被劃分到RBDC和VBDC當(dāng)中。本文主要針對RBDC/VBDC兩類請求研究合理的帶寬請求算法,在DVB-RCS中也就是在每個超幀中申請一定數(shù)量的業(yè)務(wù)時隙。
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2 帶寬請求算法
本文提出的帶寬請求算法的基本思想是:通過提取數(shù)據(jù)包進(jìn)入MAC隊(duì)列的統(tǒng)計特征,可以對即將到來的一個時段內(nèi)到達(dá)MAC隊(duì)列的數(shù)據(jù)包的個數(shù)進(jìn)行預(yù)測,通過該預(yù)測值進(jìn)一步計算當(dāng)前時刻應(yīng)申請的時隙數(shù),該時隙數(shù)的計算應(yīng)盡可能保證MAC隊(duì)列中緩存的數(shù)據(jù)包的個數(shù)維持在某個事先設(shè)定的值。
本算法以下列假設(shè)為前提:
(1) 每個數(shù)據(jù)包為一個ATM cell,即53B,每個時隙傳輸一個ATM cell。本條假設(shè)在多個實(shí)際系統(tǒng)中均成立。
(2) 數(shù)據(jù)包的到達(dá)具有一定的概率模式,即數(shù)據(jù)包到達(dá)的量是可以被預(yù)測的。對于目前因特網(wǎng)中出現(xiàn)的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流,其概率模型已逐步被人們所認(rèn)識,參考文獻(xiàn)[5]中給出了多種類型數(shù)據(jù)流的概率模型。因此,本條假設(shè)在因特網(wǎng)傳輸?shù)拇罅繕I(yè)務(wù)類型中均成立。
(3) NCC對于接收到的帶寬請求全部給予分配,實(shí)際上這種情況僅當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生阻塞時才成立,但對于阻塞的處理需要考慮一定的阻塞算法,而這不在本文涉及內(nèi)容之內(nèi)。此外,本文提出的算法在系統(tǒng)發(fā)生阻塞時,仍能對MAC隊(duì)列長度起到控制作用。
系統(tǒng)的帶寬請求與分配過程如圖3所示。
圖3中,以水平方向?yàn)闀r間軸,RCST以恒定時間間隔發(fā)出帶寬請求。在t0時刻,RCST發(fā)出請求rr[k],該次請求經(jīng)過時間δ到達(dá)NCC,故δ即為一個RTD(Round-Trip Delay),典型值為500ms。在t1時刻,RCST發(fā)出請求rr[k+1],因此,RCST的請求發(fā)送間隔為:
在t2時刻,NCC發(fā)回對rr[k]的分配結(jié)果al[k],RCST在t3時刻收到該次分配,并在下一個超幀內(nèi)使用該次分配指定的時隙。定義調(diào)度延遲μ為RCST發(fā)出某次請求到收到該次請求的分配結(jié)果之間的時間間隔,即:
基于此,本文提出帶寬請求算法如(3)式所示:
(3)式中,rr[k]為第k次申請的時隙數(shù),q[k]為當(dāng)前MAC隊(duì)列長度,s[k]為下一個超幀將要占用的時隙數(shù),p[k]為第k次到第k+1次申請之間到達(dá)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包數(shù)的預(yù)測值,參數(shù)?茁用于控制隊(duì)列長度。
在(3)中,q[k]、rr[k-i]、s[k]均可以直接得到,對于p[k]的計算需要考慮數(shù)據(jù)包到達(dá)MAC隊(duì)列的統(tǒng)計特性來確定。
在參考文獻(xiàn)[5]中給出了視頻流、Web請求數(shù)據(jù)流等因特網(wǎng)上典型數(shù)據(jù)模式的分析。分析表明,大量的數(shù)據(jù)流在到達(dá)時間間隔上服從負(fù)指數(shù)分布,即數(shù)據(jù)包到達(dá)過程服從泊松分布。因此本文考慮數(shù)據(jù)包到達(dá)過程為泊松過程的情況,即時間間隔?子內(nèi)到達(dá)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包數(shù)滿足:
其概率分布如圖4所示,由此可知在時間間隔τ之內(nèi),到達(dá)λ個數(shù)據(jù)包的概率最大,因此對于泊松分布而言,在(3)式中:
對于其他模式的到達(dá)過程,可以用類似的方法預(yù)測固定時間間隔內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)。
參考文獻(xiàn)[4]中提出的帶寬請求算法記為Alg-I,如式(8)、(9)、(10)所示。
其中,L[k]表示k到k+1這段時間間隔內(nèi)實(shí)際到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)。
3 仿真結(jié)果
記本文提出的算法為MCI-BRA(Memory Cost Improved Bandwidth Request Algorithm),使用Matlab對Alg-I和MCI-BRA兩種算法進(jìn)行了仿真比較,仿真參數(shù)如表1所示,則在(3)式中,令N=3,可將(3)式重寫為:
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圖5、圖6、圖7所示分別為不同數(shù)據(jù)包到達(dá)率情況下兩種算法的平均隊(duì)列長度、隊(duì)列長度絕對偏差以及帶寬利用率。從圖中可以看出,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷低于75%(即600 cells/s)時,兩種算法均能很好地將隊(duì)列長度控制在預(yù)定的長度值,即200cells,與Alg-I相比,MCI-BRA在隊(duì)列長度上稍有抖動,兩種算法的帶寬利用率均達(dá)到了100%;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過75%后,MCI-BRA算法在三項(xiàng)指標(biāo)上均開始明顯優(yōu)于Alg-I算法??紤]最壞情況,即系統(tǒng)滿負(fù)荷時,Alg-I算法的平均隊(duì)列長度為237cells,而MCI-BRA算法的平均隊(duì)列長度為221cells,即前者的控制偏差為18.5%,后者的控制偏差為10.5%;此時MCI-BRA算法的帶寬利用率為97.935%,而Alg-I算法的帶寬利用率為97.440%。兩種算法的詳細(xì)比較結(jié)果如表2所示。
本文給出了一種新的帶寬請求算法,該算法能夠?qū)崿F(xiàn)對MAC隊(duì)列長度的控制,同時保證了帶寬使用效率。仿真結(jié)果表明,在系統(tǒng)負(fù)荷低于75%時,該算法與已有算法具有同樣優(yōu)異的性能,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過75%后,該算法與已有算法相比能夠達(dá)到更為理想的系統(tǒng)性能。在輸入數(shù)據(jù)包的到達(dá)模式一定時,該算法均能達(dá)到理想的控制效果。
在未來的工作中,需要進(jìn)一步考慮對數(shù)據(jù)流的不同到達(dá)模式的合理預(yù)測,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模式自適應(yīng)的改進(jìn)算法,同時結(jié)合帶寬分配算法從BoD的整體角度來改進(jìn)本文提出的算法也是一個重要的研究方向。
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