基于业务预测的时隙分配算法

徐　达，张有志，郝学坤

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



基于业务预测的时隙分配算法

徐达，张有志，郝学坤

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要多频-时分多址(MF-TDMA)卫星通信系统中信道资源十分宝贵，如何高效地分配和利用卫星通信系统信道资源，研究出一种可以降低卫星通信时延的算法很有必要。提出了一种MF-TDMA卫星通信系统中基于业务预测的时隙分配方法，通过终端缓存区域的队列长度和业务到达率来进行下一时刻的业务预测，中心站根据业务预测值来提前进行下一时刻信道资源的分配。仿真结果表明，通过基于业务预测的时隙分配算法可以有效降低传输时延，提高信道资源的利用率。

关键词MF-TDMA；业务预测；时隙分配；业务分布

Timeslot Assign Method Based on Business Predicts

XU Da,ZHANG You-zhi,HAO Xue-kun

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe resource of MF-TDMA satellite systems is very precious,how efficiently assign and make use of channel resources of satellite communication system,it is necessary to design an algoritm which can reduce satellite communication delay.This paper puts forward a timeslot assign method based on business predicts in MF-TDMA satellite communication system.This method performs the business predict of next moment based on the queue size and business arrival rate and the master station performs in advance channel resource allocation of next moment according to the business predict value.The simulation results show that the timeslot assign method can effectively reduce the transmission delay and improve the channel resource utilization.

Key wordsMF-TDMA;business predicts;timeslot assign;business distribution

0引言

随着卫星通信的快速发展，MF-TDMA卫星通信系统承载的业务从单一的话音业务逐步发展成为综合的多媒体业务，各类型业务的业务量也随之不断增加。在MF-TDMA卫星通信系统中[1]，信道资源是十分宝贵的，如何高效地分配和利用MF-TDMA卫星通信系统信道资源，通过何种方式来降低卫星通信时延，保障用户的QoS需求，是非常值得探究的。

在MF-TDMA卫星通信系统中，最常见的接入方式是按需分配，各个终端根据实际需求向中心站申请信道资源，中心站根据不同终端的不同需求来分配信道资源[2]。由于按需分配能够根据不同的业务需求有效地分配信道资源，从而使卫星信道资源得到了最大程度的利用。但是按需分配接入方式的一个明显的缺点是需要终端先发送时隙申请，从时隙申请发出到终端接收确认，至少需要一个往返的时间，在MF-TDMA卫星通信系统中，往返时延约为250 ms，这便严重影响了业务的服务质量。同时，终端需要占用一部分信道资源发送申请，增加了系统的开销。

本算法在传统按需分配接入的基础上进行改进，采用的不是终端先申请时隙，中心站再发送分配结果的方式，而是每个终端把当前的缓存区的队列长度、业务到达率等预测的信息提前一帧(约100 ms)上报给中心站，然后中心站根据各个终端的信息和当前的信道资源状况来给各个终端分配资源。中心站根据终端基于业务预测的时隙申请方法来分配信道资源，更公平有效地改善了按需分配的时延问题，避免了终端因申请冲突造成的申请失败以及频繁申请资源造成的系统开销过大的问题，提高了卫星系统带宽资源利用率[3]。

1算法主要流程

为了方便分析，定义上行链路是终端到卫星的链路，S是波束内终端的数目，i=1,2…S，i代表其中一个正与卫星建立连接的终端，U(i)代表第i个终端能够建立连接的链路数目的最大值，j代表终端正与卫星连接的链路，链路数目为业务种类的数目，同一种业务只在一条链路、一个缓存区中排队。从而可用(i,j)来表示终端的上行链路的连接状态。j的取值范围为[1,U(i)][4]。

1.1传统的指数加权算法

指数加权法是根据上一时刻的历史资料的实际数和预测值，用指数加权的方式对队列进行预测，不需要储存很多的历史数据，但它考虑了各时期数据的重要性，对全部的历史资料都有涉及到[5]。它是时间序列前期所有值的加权平均。首先设一组观察序列：y1，y2，y3，…，yt，t表示观察序列的长度，α为加权系数且0<α<1，在本文中，α=0.6，指数公式为：

因此预测值为：

1.2归一化最小均方算法流程

1.2.1基本定义

定义1：用d来表示发送带宽请求与接收资源确认的之间的往返时延，d值用与T的比值来表示，在本文中取d=256 ms。

定义2：用Tp表示终端周期性地上报终端信息的周期时间，即中心站动态地分配带宽资源的周期时间，0同样用与T的比值表示。为了便于分析，令终端均在同一时刻发送终端信息，时隙的申请周期性进行，Tp值越小，则表示终端越频繁地发送资源申请请求，同时也越能反映业务实时的变化情况，计算的资源需求也越准确。但是Tp值越小，系统的开销越大，同时计算也越复杂，在这里将Tp定为100 ms。

定义4：δi(v)∈[0,1]表示在第v个时间间隔里中心站分配给终端i的资源占可用的总资源C(v)的比例。在任何时间里，分配给终端i的资源必须满足以下限制条件：

1.2.2算法流程

在基于业务预测的时隙申请算法中，终端不是直接将所需要的信道资源发送站，而是将一些参数传给中心站，由中心站来统一计算终端所需资源并且结合当前信道资源池的情况来分配信道资源[6]。这种分配方式能够更高效地分配信道资源。当终端每次向中心站上报时隙申请的时侯，主要提供3种信息，如下：

① 在η时刻预测η+Tp时刻终端i的队列长度，计算公式如下：

式中，qi(η)为η时刻的队列长度；δi[η]为在η时刻中心站分配给终端i的资源比例；C(η)为η时刻卫星的总资源。

② 在[η+Tp,η+Tp+d]时间之内的到达终端的队列的平均比特速率：

③ 终端i在η+Tp+d时刻的队列长度：

{δi[η+Tp]+δi[η+d]}×C[η+d]×d。

令qi(η+d+Tp)=0，则可得

根据上述分析，信道资源分配管理的过程可以分为以下几个阶段：

阶段1：在η时刻，终端i把预测的业务到达量和业务到达速率这2个终端信息上报给中心站；

阶段2：在η+d时刻，中心站根据终端i上报的参数，根据公式算出η+d时刻分配的资源比例δi[η+d]。然后中心站把计算得到的信道资源发送给终端[8]。

1.3业务预测

Ri(v)为v时刻终端i的业务到达率的真实值，令业务到达率的取值间隔为T，根据v时刻之前F个已经得到的真实业务到达率值来预测v+1时刻的业务到达率R*(v+1)。令Ri(v)为实业务到达率值组成的矢量，根据Ri(v)值，计算出v+1时刻业务的到达率为：

权值更新公式如下：

WR(v+1)=WR(v)+μ(v)*Ri(v)*ε(v)。

各类型业务参数分布如表1所示。

2仿真结果分析

本文的仿真模型是在Matlab软件中建立的。Matlab中这4种典型业务(包含话音、视频会议、FTP文件传输和网页浏览)设置卫星终端的数目为100，每个终端均有4种业务的连接，对实时业务话音和视频会议来说，最大忍受时延为100 ms和200 ms，波束总带宽为10 Mbps。

在实际的预测建模中，预测方法产生的数据与实际值间总会有差别。通常常用估计值与实际值间的均方误差比较。均方误差值越小预测效果越好，即与实际值越接近。对传统的指数加权算法和本文的归一化最小均方算法预测方法的均方差进行比较，如图1所示。

图1　算法均方值对比

从图1中明显可以看出，通过本文提出的归一化最小均方算法与真实值产生的均方差会比传统的指数加权算法产生的均方值小很多，所以本文的算法是在传统预测算法的基础上明显改进的。

在Tp=60 ms情况下随预测时间变化，包到达率的预测值与真实值的比较，如图2所示。

图2　业务预测值与真实值的比较

由图2可以得出表2统计数据。

表2　仿真数据统计

从表2中的数据分析得出，在50 s的预测时间内，对于包的到达率的预测误差大约为4%。

随Tp变化预测误差值的变化如图3所示。从图3中可以看出，终端向中心站申请信道资源的时间越长，则误差越大，当Tp=100 ms时，预测误差在8%左右，是符合预期的。

图3　预测误差分析

3结束语

本文提出了基于业务预测的时隙分配算法，将归一化最小均方算法与传统的指数加权算法进行对比，有效地提高了预测的准确度，并将不同的申请周期对应的预测误差进行仿真验证，证明本文算法在Tp=100 ms的情况下在准许的误差范围内。本算法将业务预测作为时隙分配的依据，中心站通过提前一帧来预测业务量并分配信道资源，充分利用了MF-TDMA卫星通信系统的信道资源，同时有效降低了通信时延，大大提高了MF-TDMA卫星通信系统的服务质量。

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徐达男，(1989—)，在读研究生。主要研究方向：MF-TDMA卫星通信系统服务质量保障。

郝学坤男，(1979—)，研究员。主要研究方向：卫星通信系统。

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-12-07

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0030-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.09

引用格式：徐达,张有志,郝学坤.基于业务预测的时隙分配算法[J].无线电工程,2016,46(3):30-32，57.