信道带宽分配技术在卫星通信系统的应用

蔡 青，陈福钢，高鹏飞

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014）

信道带宽分配技术在卫星通信系统的应用

蔡 青，陈福钢，高鹏飞

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014）

本文分析了基于业务预测的固定带宽分配模型和基于优先级的带宽分配模型在卫星通信系统的应用情况。

卫星通信；多业务；带宽分配。

Abstract:This paper analyzes the fi xed bandwidth allocation model based on traff i c prediction and bandwidth allocation model of the priority application in satellite communication system.

Keywords:satellite communication; multi service; bandwidth allocation

1 引言

近年来，航天技术、信息网络等技术有了很大的发展进步，一方面，通信速率越来越高，容量越来越大；另一方面，各种卫星应用、天地基础设施的融合，形成天地一体化的通信网络。卫星通信系统和通信技术的完善，能够更好服务消费者。同时，消费者的需求也在不断提升，卫星通信从传统的话音业务传输，逐渐发展到话音、视频、IP数据等综合业务的传输。消费者不断提升的业务需求和卫星通信系统的有限传输带宽仍然是一组日益突出的矛盾。由于各种业务对传输时延，传输带宽等有不同的要求，带宽分配技术成为卫星通信正在研究的重要问题之一。本文对卫星通信基于业务预测的固定带宽分配和基于优先级排队的模型做了简单介绍，结合笔者的研究，详细描述了提出了基于优先级和固定带宽分配相结合的动态带宽分配模型。

2 卫星通信数据传输模型

利用一对两点（点对点）卫星通信传输链路，使用2M的宽带信道实现卫星通信节点的互联互通，实现同时传输话音、视频、网络数据。两点互联互通的模型结构如图1所示。

图1 卫星通信数据传输模型

（1）卫星地球站1配置。卫星地球站由射频和天伺馈系统，L波段分合路器，宽带调制解调器，保密机，综合业务接入设备组成，外接话音设备、视频设备、网络设备。其中话音为多路VoIP网络电话数据，视频为同步数据，通过综合业务接入器允许话音、视频、网络数据的同时传输。

（2）卫星地球站2配置和卫星地球站1配置相同。

（3）各类数据业务的特点：

⊙ 话音业务：高优先级，对时延和时延抖动敏感，速率恒定，占用带宽小。

⊙ 视频业务：中优先级，对时延和时延抖动较话音要求稍低，速率恒定，占用带宽大。

⊙ 网络数据业务：低优先级，只需要尽力而为的传输，对时延和抖动要求低，要求误码率低，多数是突发性业务，占用带宽变化很大。

3 固定带宽分配模型

3.1 模型介绍

固定带宽分配基本思想是在传送数据之前，根据业务的QoS需求进行信道资源的预留，在业务传输过程中保证分配的带宽不发生变化，从而为该数据流提供端到端的QoS保证。常见的固定带宽分配模型入如图2所示。

图2 固定带宽分配模型

（1）数据分类器：按照业务类型，对输入的数据进行缓存，并把数据信息告知带宽分配控制模块。

（2）带宽分配控制：实现资源预留功能，根据业务的类型和QoS要求计算出不同业务对应的带宽，在业务数据传输过程中保持带宽不变，并且在相应时刻通知调度器获取相应的数据。

（3）调度器：根据带宽分配的结果从数据分类器获取相应的数据，并且把获取的数据输出给信道。

3.2 模型优缺点

基于业务预测的固定带宽分配的算法可以绝对保证各种业务的QoS要求，但是实现方面存在一些问题，主要体现在下面一些方面：

（1）不利于突发数据的处理。固定带宽分配算法需要不断刷新和保存状态信息，为各种业务预留固定带宽，适用于占用固定带宽并且长时间传输的业务，对于突发的业务数据，需要不断调整带宽分配策略，运算量大。

（2）需要端到端进行资源预留。固定带宽分配可以保证信道方面绝对满足QoS需求，通常卫星信道连接外部系统，需要各个节点为每个业务流进行资源预留才能达到整体的效果。

（3）部分信道资源的浪费。在对固定业务进行带宽估计是通常需要多预留部分带宽以满足传输要求，多预留的资源会减少信道的利用率。

4 优先级排队模型

4.1 模型介绍

优先级队列模型如图3所示。

图3 优先级队列模型

（1）数据分类器：把输入的数据根据优先级进行缓存，具有最高优先级的非空队列最先被选择服务，如果最高优先级队列为空，则选择具有次优先级的队列进行服务，以此类推。

（2）带宽分配控制：根据总的带宽和优先级队列的数据情况，产生获取数据信号。

（3）调度器：根据带宽分配控制模块产生的信号，从数据分类器获取相应优先级的数据，把获取数据输出给信道。

4.2 模型优缺点

基于优先级算法的模型简单有效，扩展性强，只需把业务按优先级区分，然而基于优先级队列的模型也存在一些问题。

（1）不适合需要连续数据流的传输。例如，同步数据要求具有连续的数据流，在多种业务传输时，其他优先级的数据流量突然变大或变小会造成连续数据流的中断，影响传输质量。

（2）不能满足所有业务的QoS要求。基于优先级的算法会最先传输高优先级的任务，对于最高优先级的任务可以同时满足时延和时延抖动的要求；当数据量大时，低优先级的的任务长时间得不到服务。另外，对于静态配置的优先级，不能适应业务的扩展要求。

5 基于优先级和固定带宽分配的模型

综合考虑固定带宽分配模型和优先级排队模型的优缺点，提出一种基于优先级和固定带宽分配的模型。该模型根据信道传输的业务类型进行分类，在满足各业务的QoS要求下，尽可能提高信道的利用率。

5.1 模型介绍

基于优先级和固定带宽分配的模型如图4所示。

图4 基于优先级和固定带宽分配的模型

（1）数据分类器：对业务进行划分，有特殊要求的业务缓存在特殊业务队列，其余业务按优先级进行缓存，并把数据信息告知带宽分配控制模块。

（2）带宽分配控制：实现资源预留功能，根据特殊业务信息划分出固定的业务传输带宽，在业务通信过程中保持传输带宽不变；其余业务根据剩余的带宽，按照业务的优先级通知调度器获取相应数据。

（3）调度器：模块根据带宽分配控制模块的结果从数据分类器获取相应的数据，并且把获取的数据输出给信道

5.2 模型的特点

基于优先级和固定带宽分配的模型，利用了固定带宽分配和基于优先级传输的优点，可以在保证数据传输的基础上，最大程度提高信道利用率。

根据不同业务的特点进行划分，把需要连续传输的视频数据流单独进行预留带宽，可以保证同步视频流的连续性，其他业务的带宽变化不会对视频传输造成影响；话音数据和网络数据按照优先级队列进行传输，话音的优先级高，可以保证时延和时延抖动要求；最后，对于突发的网络数据，可以有限带宽内进行传输，也不会影响其他数据的传输。

6 结束语

本文提出了基于优先级和固定带宽分配的信道分配模型，该模型在卫星通信系统下能较好的满足话音、视频、IP数据等的综合业务数据的传输。随着卫星通信网络和地面通信网络的不断融合，本文提出的流量控制模型将在卫星通信领域得到越来越广泛的应用，具有较强的应用性和推广性。

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[3] 杨世恩．多业务网络动态带宽分配算法研究，2011

[4] 刘治国，史二鑫，马悦．基于动态令牌桶的卫星网络带宽分配方法，2016

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Application of the Channel Bandwidth Allocation Technology in Satellite Communication System

Cai Qing, Chen Fugang, Gao Pengfei
(Nanjing Panda Handa Technology Co., Ltd., Nanjing, 210014)

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.09.001

N927文献标示码：B

1672-7274（2017）09-0001-03