宽带卫星通信系统CFDAMA-PRI改进协议性能分析*

郭 爽,曹 宝,刘心迪

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

宽带卫星通信系统CFDAMA-PRI改进协议性能分析*

郭 爽1,曹 宝2,刘心迪3

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

宽带卫星通信比一般的通信系统具有覆盖面积大,性能稳定等优势,能够大幅度提升通信网络的用户容量和整体质量,而其中的CFDAMA多址接入协议相对于传统的接入方式能实现更好的网络性能,但并不能适应实际应用中具有突发性和多样性的网络业务流。在此基础上通过对CFDAMA-PR协议的分析,提出了一种用户优先级排序的改进接入协议CFDAMA-PRI,优化了星上调度算法,降低了数据分组的传输时延,提高了链路的传输效率和用户接入的公平性。

卫星通信 CFDAMA 优先级 公平性

0 引 言

宽带卫星网络系统和很多卫星通信方式相比,最突出的优点在于一个卫星转发器可以为大范围内的众多用户提供实时接入,进行一点对多点的通信[1]。那么多个用户应该如何共享有限的带宽,合理的利用通信资源,这就是宽带卫星通信必须考虑的问题,其中的多址接入协议则成为了关键因素。目前单一接入控制方式已经不能满足当前卫星通信系统的发展,CFDAMA协议相对于传统的接入方式能实现更好的网络性能。在CFDAMA实际应用中,参与用户何时发送数据,如何分配请求数据保证其合理接入,以及在接入的过程中通过怎样的方法减小用户接入碰撞的概率和采取哪种的退避算法等,都是接入控制过程应该考虑的问题。

1 用户接入

1.1 CFDAMA接入协议概述

混合自由/按需分配多址接入协议CFDAMA (Combined Free Demand Assignment Multiple Access)在采用TDMA帧结构的基础上,将按需分配方

式和自由分配方式相结合。其基本原理是首先对用户的数据预约请求进行按需分配,然后将系统内剩余的时隙资源以自由分配方式逐个给处于卫星波束内的用户终端进行分配,这样可以确保资源分配的合理性和公平性[2]。CFDAMA结合了按需分配方式和自由分配方式各自的优点,能够在有限数量用户终端组成的宽带卫星通信系统网络中提供较好的系统性能。

1.2 上下行链路帧结构

CFDAMA的上下行链路帧结构如图1所示,上行帧包括控制部分和数据部分,控制部分的时隙主要用来装载用户发出的预约请求;而数据部分的时隙主要用来装载用户发送的数据信息,卫星通过按需或者自由分配为用户分配数据时隙数目,而每个用户都在由卫星分配给自己的相应时隙数目中发送数据信息。下行帧同样包括控制部分和数据部分,控制部分用来装载卫星资源调度器给每个用户分配的时隙响应信息,该信息包含了用户的预约时隙请求分配响应信息和自由分配响应信息,用户在收到该信息之后能确定数据从哪一帧的哪一个时隙中发出以及应该发出的数据量;而数据部分的时隙同样用来承载用户发送的数据信息。上下行链路帧之间有一个延迟,代表星上处理过程中的时延[3]。

图1 CFDAMA-PRI按需分配表Fig.1 On-demand allocation table of CFDAMA-FP

1.3 协议基本类型

目前CFDAMA基本协议类型有CFDAMA-PA、CFDAMA-RA、CFDAMA-PB等几种。CFDAMA-PA的上下行链路帧结构和基本的CFDAMA相同,不同的是协议中的每一个用户在上行链路都有自己的预约请求时隙,系统将该时隙固定的分配给相应的用户,用户在这个固定的预约请求时隙中发出请求消息进行预约。CFDAMA-RA的上下行链路帧同样与CFDAMA-PA协议类似,不同的是其控制部分的预约时隙不再是固定分配给用户或者通过星上调度采用轮询的方式进行分配,而是用户终端通过竞争预约的方法来获取预约请求时隙的位置。CFDAMA -PB的上行链路帧结构不同于前面两种接入方式,如图2。上行链路帧不再划分为控制部分和数据部分,而是由一系列的数据信息时隙组成,数据信息时隙里面包含有按需分配时隙和自由分配时隙,它们随机的被安排在上行链路帧中,每一个数据信息时隙都对应一个业务分组,各用户的预约时隙请求信息附带在相应业务分组上以捎带的方式发送给星上集中调度器[4]。

图2 CFDAMA-PB上行链路帧结构Fig.2 Up-link frame structure of CFDAMA-PB

1.4 性能分析

CFDAMA基本接入方式能够实现较好的时延/吞吐量性能。CFDAMA-PA成功的将按需分配和自由分配结合在一起,采用固定预约时隙分配的形式来保证用户接入的公平性和实际业务需求量,在信道负荷较低的时候,其平均时延和固定分配方式保持一致,在信道负荷逐渐增大和接入用户数变化较大时,存在资源利用率下降的问题。CFDAMA-RA在低信道负荷时由于采用的竞争方式进行接入,对信道利用率更高,但对于用户接入的公平性却不能保证,并且存在接入过程中的碰撞,在高信道负荷时碰撞概率逐渐增大,平均时延性能也急剧下降。CFDAMA-PB通过对上行数据帧结构的改进,减小了用户发送预约时隙请求的间隔时间,但随着信道负荷的增大,某些用户会因为其他用户预约请求的资源占用导致无法发出预约时隙请求,同样不能保证接入的公平性。因此,如何保证用户的接入时延和接入过程中的公平性,成为本文的一个研究重点。

2 CFDAMA-PRI

2.1 CFDAMA-PR

由于当前网络数据业务大多突发性较强并且业务类型呈现多样性,抽象出来这类数据业务流通常

用ON-OFF信源模型来表示[5]。而在此信源模型的情况下,数据业务具有很强的突发特性,用户的预约时隙请求也带有很强的随机性和不确定性。基本的CFDAMA接入方式此时由于多次请求造成的再分配策略和预约请求的冲突概率增大,在信道负荷较高和接入用户数逐渐增大时,其性能受到明显的影响。CFDAMA-PR协议在用户时隙申请阶段对发送队列的堆积状况进行判断,比较当前时刻和上一时刻发送队列中数据分组的差值Δ,如果Δ＞0表示当前发送队列有数据包的堆积,则通过加权的方式向星上调度器发送更多的预约时隙请求[6]。该协议的好处在于实际应用中可以根据用户发送队列的堆积情况获得更多的分配时隙,能在突发数据分组到来情况下实时的将新的数据分组发送出去。因此,本文在CFDAMA-PR的基础上提出了基于用户优先级排序的改进协议CFDAMA-PRI,优化星上调度算法,进一步保证接入的时延性能和接入的公平性。

2.2 用户优先级排序

在对CFDAMA-PRI优先级排序的详细描述过程中,设置如下的参数:

系统中的总用户数:K;

有预约时隙申请的用户数:k;

第i个用户当前需要的预约时隙数:reqslots_i;

第i个用户下一时刻加权计算出的预约时隙数:foreslots_i;

有预约时隙申请且foreslots_i＞0的用户数:a;

第i个用户实际获得的时隙分配数目:allocslots_i;

第i个用户的优先级编号:prinumber_i;

一帧的数据时隙总数:frame_slotssum;

按需分配后的剩余数据时隙数目:frame_slotsre-main。

在卫星收到上行链路帧之后,进入星上处理的优先级排序阶段。资源调度器的按需分配表如表1所示,每个预约用户都含有优先级条目,卫星在收到上行帧之后,首先获取每个用户的预约时隙数,按照从高到低的顺序对用户进行排序并设置优先级号prinumber_i,优先级号越小代表当前用户申请的预约时隙数越多,然后根据优先级号从小到大的顺序依次将用户ID填入按需分配表中,因为有预约时隙申请并且foreslots_i＞0的用户排在按需分配表的前端,所以由表1可以看出,a≤k。

表1 CFDAMA-PRI按需分配表Table 1 On-demand allocation table of CFDAMA-FP

然后,资源调度器通过式(1)计算按需分配后的剩余数据时隙数目:

如果frame_slotsremain≤0,代表当前没有剩余的时隙可供自由分配,则资源调度器按照式(2.2)为有预约时隙申请的用户分配时隙:

如果frame_slotsremain＞0,代表当前还有剩余时隙可供自由分配,此时资源调度器实施按需分配方式,将已经分配过的用户从按需分配表中删除,同时在自由分配表中将该用户移到表的尾端,按需分配完成之后,资源调度器为自由分配表中的用户轮询分配剩余时隙,直到将剩余时隙分配完。由于按需分配中用户的优先级设置,有预约时隙申请的用户在自由分配表的尾端仍然是按照优先级号从小到大的顺序进行排列,这样可以保证在轮询的过程中时隙需求量大的用户仍然可以得到更高的时隙分配权。

CFDAMA-PRI的下行帧同样分为控制部分和数据部分,如图3所示,资源调度器根据按需分配表中各个用户优先级号从小到大的顺序将响应信息填入相应的时隙中。当用户收到下行链路帧时,时隙

请求量越大的用户就能越快的获取卫星的分配时隙。

图3 CFDAMA-PRI下行链路帧结构Fig.3 Down-link frame structure of CFDAMA-PRI

整个CFDAMA-PRI流程如图4所示。

图4 CFDAMA-PRI处理流程Fig.4 Processing flow of CFDAMA-PRI

3 仿真分析

本文采用OPNET仿真平台[7],将基本的CFDAMA-PA、CFDAMA-PR和改进的CFDAMA-PRI进行对比仿真。具体的仿真参数设置如表2所示。

对信道负荷固定但用户数目变化条件下的仿真结果进行分析,目的是为了得出CFDAMA-PRI的时延性能和在用户接入公平性方面的优越性。选取信道负荷为0.8,用户数目依次为5、10、20、40、80,CFDAMA-PA的预约时隙数为20,得到的仿真结果如图5、图6所示。

表2 仿真参数设置Table 1 Simulation parameter settings

图5 平均端到端时延/接入用户性能Fig.5 Mean end-to-end delay/users performance

图6 队列分组平均累积数/接入用户性能Fig.6 Mean accumulate/users performance of queue packets

由仿真结果可以看出,当系统中用户数不断增大时,由于CFDAMA-PA在一个链路帧中仅使用了一部分时隙用作预约请求时隙点,那么更多有请求的用户就无法通过预约时隙点接入链路帧,加之信道负荷较大,突发数据强,用户申请时隙的不确定性也大。如果增大预约请求时隙数的比例也会以牺牲

数据时隙为代价,平均时延和队列的分组累积同样会增加。CFDAMA-PRI则采用CFDAMA-PR对信源突发数据分组的计算方法,并使用优先级排序的方法对时隙需求量大的用户给予更高的时隙分配权,确保了用户的可接入次数,降低了时延,提高了接入公平性。

4 结 语

本文分析了宽带卫星通信系统中的CFDAMA接入协议,阐述其原理,分析了CFDAMA相关协议的优缺点,在CFDAMA-PR协议的基础上提出了用户优先级排序的改进协议CFDAMA-PRI,以适应当前突发性较强的数据业务流。该协议通过优先级排序的算法,在星上调度的过程中让时隙需求量越大的用户获得更高的时隙分配优先权和更快的接入过程,优化了整个处理流程。最后,在OPNET仿真平台下选择突发信源模型下进行对比仿真测试,测试结果表明CFDAMA-PRI协议在突发增强、信道负荷加大的情况下能很好的控制平均时延和队列分组累计数,具有更好的性能表现,在今后的实际应用中也具备良好的可操作性。

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ZHAO Ling,LIU Jian-hua.OPNET Simulation Technology and Its Application[J].Microcomputer Information, 2010(13):186-188.

郭 爽(1981—),男,硕士,工程师,主要研究方向为网络与通信设备研发;

GUO Shuang(1981-),male,M.Sci.,engineer,majoring in development of network and communication device.

曹 宝(1981—),男,学士,工程师,主要研究方向为网络与通信设备研发;

CAO Bao(1981-),male,B.Sci.,engineer,majoring in development of network and communication device.

刘心迪(1988—),男,硕士,助理工程师,主要研究方向为网络与通信设备研发。

LIU Xin-di(1988-),male,M.Sci.,assistant engineer, majoring in research and development of network and communication device.

Performance Analysis of M odified CFDAMA-PRIProtocol in Broadband Satellite Communication System

GUO Shuang1,CAO Bao2,LIU Xin-di3
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Compared with other communication systems,broadband satellite communication enjoys the supriorites of covering a largerarea and stable performance,and could greatly enhance user capacity and overallquality of the communication network.Meanwhile,in terms ofmultiple access protocol in broadband satellite communication,CFDAMA could achieve a better network performance in comparison with traditional access protocol,but could not adapt bursting and variant network data.In light of this and based on the analysis of CFDAMA-PR,a modified protocol named CFDAMA-PRI is propsed.With user priority ranking to optimize satellite resource scheduling algorithm,it could reduce the time-delay of data packets, and improve the transmission efficiency of channel and the fairness of user access.

satellite communication;CFDAMA;priority level;fairness

TN927

A

1002-0802(2014)12-1375-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.006

2014-07-15;

2014-10-21 Received date：2014-07-15;Revised date：2014-10-21