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)流的容量來實現(xiàn)對發(fā)送隊列中數(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)濟的衛(wèi)星地面終端實現(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基本規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)采用了MF-TDMA技術(shù)來實現(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)議的隊列信息(如IP層的傳輸隊列)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。
(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隊列長度的控制，而MAC隊列長度影響系統(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[4]首次考慮了對MAC隊列長度的控制問題，并提出了一個MAC隊列長度可控的帶寬請求算法，但該算法在隊列初始長度控制和隊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隊列長度進行合理控制，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[3]中提出的一種映射結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實時數(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)包進入MAC隊列的統(tǒng)計特征，可以對即將到來的一個時段內(nèi)到達(dá)MAC隊列的數(shù)據(jù)包的個數(shù)進行預(yù)測，通過該預(yù)測值進一步計算當(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[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，以水平方向為時間軸，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)隊列的數(shù)據(jù)包數(shù)的預(yù)測值，參數(shù)?茁用于控制隊列長度。
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隊列的統(tǒng)計特性來確定。
在參考文獻[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[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列長度、隊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列長度控制在預(yù)定的長度值，即200cells，與Alg-I相比，MCI-BRA在隊列長度上稍有抖動，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算法的平均隊列長度為237cells，而MCI-BRA算法的平均隊列長度為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，進而實現(xiàn)模式自適應(yīng)的改進算法，同時結(jié)合帶寬分配算法從BoD的整體角度來改進本文提出的算法也是一個重要的研究方向。
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