卫星通信网络资源管理研究

贺 祥

（国家新闻出版广电总局二九二台，青岛 266206）

卫星通信网络资源管理研究

贺 祥

（国家新闻出版广电总局二九二台，青岛 266206）

本文针对RCST终端，研究了基于区分服务QoS的容量请求排队调度机制；针对网络控制中心，研究了一种基于业务量变化趋势预测的动态资源管理方法，可用于IP化卫星通信网络中终端与中心站之间交互式的业务请求与资源分配。

DVB-RCS；MF-TDMA；DAMA；QoS

1 DVB-RCS卫星通信系统网络信令

DVB-RCS是针对卫星数据业务的发展需求所制定的一套结合DVB广播业务与多频-时分多址（MF-TDMA）多点回传的基于交互式应用而定义的下一代卫星通信网标准[1][2]。DVB-RCS标准未指定统一的回传链路的帧与时隙参数，一般在满足其建议参数限的前提下根据应用环境统一设计。RCST网络信令流图如图1所示。

图1 RCST网络信令流图

频带按需分配（BoD）的中心思想就是在尽量小的传输时延条件下，根据用户带宽需求分配卫星转发器资源来高效率地支持各种应用，尤其是基于TCP/IP协议的应用。已有的BoD协议大多基于DAMA（Demand Assigned Multiple Access）或自由分配（Round Robin）原理，DAMA协议保证信道高利用率，自由分配协议减少传输时延。

2 容量请求与资源分配

终端通过登录接入到网络后，根据MAC队列中的分组长度和业务类型发出带宽请求，以超帧为周期将容量请求字段写入卫星访问控制字段（SAC），利用SYNC时隙发送至网络控制中心NCC的MAC层带宽调度单元。调度单元依据带宽分配模型：以超帧或帧周期作为动态带宽分配的周期，以帧为单位将其中的时隙分配给对应的RCST。DVB-RCS对无线资源管理支持五类容量请求：连续速率分配（CRA）、基于速率的动态容量（RBDC）、基于数量的动态容量（VBDC）、基于绝对数量的动态容量（AVBDC）、自由容量分配（FCA）。

2.1 区分服务QoS结构

根据IETF定义，服务质量（QoS）保障有两种模型：集成服务（Ini-Serve）和区分服务（Diff-Serve）。前者对每个流都通过RSVP（预留资源协议），因而可扩展性差且代价高，不适合核心网络。而后者则以较高的可扩展性成为核心网络实现QoS的首选技术[3]。区分服务将IP分组头中8位ToS字段更名为DS字段，其中，前8位称为区分服务编码点（DSCP），用以代表不同的类别，后两位保留[4]。

DSCP相同的分组属于同一个行为聚合体（BA），每种BA定义了路由器的处理方式，称为每跳行为（PHB）。区分服务通过用PHB代替每流（per-flow）服务，应用到业务聚合，从而网络节点不再需要per-flow状态。定义几种PHB：①EF（加速转发）：预留专门的带宽和缓存；②AF（可靠转发）：保证最小带宽和缓存；③DF（默认转发）：等同于尽力而为（BE）业务。RC（请求类）代表一组BA聚合业务的卫星网络，RC聚合为PHB组的主体（subject），BA为PHB的主体。RCST把每个BA关联到1个RC聚合，因此几个PHB关联到相同的RC。

考虑到DS模型主要针对IP数据包与卫星通信系统的特殊性，终端设计采用了两级排队调度机制：一级在IP层，主要针对IP数据包进行处理；另一级在MAC层，针对ATM信元进行处理，主要完成卫星上行链路时隙资源的申请、分配和调度。IP包队列调度处理器为两层之间提供了接口，负责完成IP数据包到ATM信元的转换。此结构基于2组队列：一组是IP域队列主要用于排队，支持共8个IP队列，即：BE队列、4个AF，EF，INM，LNM队列，INM，LNM队列保留给管理业务；另一组是MAC域队列用于缓存。此分类方法与上层IP数据流分类方法的映射关系如图2所示，

（1）实时数据流IP层被划分到EF流中，在MAC层则依据一定的算法分为CRA和RBDC两部分；例如EF=80%CRA+20%RBDC，RBDC速率要等于20%的EF队列和70%的AF队列新速率。

（2）非实时数据流在IP层被划分至AF和BE两类，在MAC层则被划分到RBDC/VBDC当中。AF=70%RBDC+30%VBDC，BE=100%VBDC。所有分配的容量中，没被使用的高优先级队列可用于低优先级BA。

图2 RCST的DS结构

2.2 资源动态分配算法分析

NCC资源调度算法主要包含两个关键算法：一是用户请求列表更新算法，用于更新各用户终端的资源请求；二是系统资源分配算法，用于为终端用户分配时隙资源。由于用户终端的请求可能在一帧的任意时刻到达，为此调度器设有资源请求缓存序列。到达的资源请求先进入缓存序列，在每帧起始先由请求列表更新算法进行处理。请求列表更新完毕之后，再启动资源动态分配算法。

NCC可以每帧或多帧授权容量，链路分配结果在终端突发时间计划（TBTP）表中用前向链路发给终端，终端使用所分配的业务时隙排队发送数据。定义调度周期为两TBTP之间的时间，即调度周期为TBTP更新时间周期。DVB-RCS标准定义TBTP每超帧更新，而超帧周期很长时会导致过长的响应时间，超帧内不同帧号可以有几个不同的TBTP，所以建议以帧为单位分配资源，即TBTP更新周期为帧。目前，接入控制方式主要有两种：

（1）混合自由/按需分配（CF-DAMA），CF-DAMA结合了自由分配和按需分配方式的特点，可以灵活地根据终端业务量分配信道资源，从而提高信道利用率。随着负载的增加，信道利用率较高，但是时延性能下降严重，这是由于多次请求再分配策略的影响和预约请求的冲突概率增大造成的。

（2）基于突发目标按需分配（BT-DAMA）方式。BT-DAMA方式的特点是请求机制和调度机制的分离，为突发业务的终端分配连续的信道资源，避免了多次请求所带来的时间浪费，对于突发业务的传输，实现了较好的时延性能。但分配信道资源时没有考虑各终端的业务量不同，而采用绝对的平均分配方式，从而造成业务量大的终端业务等待时间更长，端到端时延增大[5]。

为了便于协议算法描述，定义以下系统参数：que_numi：在当前预约时刻，第i个地面站缓存队列中的分组数目；pre_que_mumi：在上一预约时刻，第i个地面站缓存队列中的分组数目；req_numi：第i个地面站当前预约的时隙数目；data_num：一帧中业务时隙的数目；left_slots：按需分配后一帧中剩余的业务时隙数目；ass_slotsi：第i个地面站获得的业务时隙分配数目；m：发出预约请求的地面站数目。

下面分析一种对业务量变化趋势预测的CFDAMAPR协议：终端站发出资源请求之前首先计算que_ numi与pre_que_numi的差值：Δ=que_numi- pre_ que_numi。若Δ>0，终端将按下式向调度器发送预约请求的时隙数目：req_numi= que_numi+ kΔ，式中，k为预测因子，预测因子的选取应随信源突发强度的增加而增加。否则，终端将按下式向调度器发出预约请求的时隙数目：req_numi=que_numi。

中心站调度器存放了一个资源预约表和一个轮询自由分配表，资源预约表用于按需分配，轮询自由分配表用于轮询自由分配。当调度器收到预约请求后，在资源预约表的尾端存放一个记录，该记录由终端ID号及其对应的预约时隙数目组成。轮询自由分配表中存放了系统中所有活动的终端ID号。在时隙分配的开始，调度器按公式（1）计算剩余时隙的数目

若left_slots≤0，没有剩余时隙可供自由分配，发出预约请求的地面站将按下式加权公平地分配一帧内的数据业务时隙

若left_slots >0，一帧内有剩余时隙可供自由分配。在按需分配完毕后，调度器将采用轮询自由分配方式将剩余时隙公平地分配给系统中所有的活动地面站，直到一帧内的业务时隙被分配完毕。

3 结束语

本文首先介绍了基于DVB-RCS的终端网络信令流程，随后研究了基于区分服务QoS的终端容量请求排队调度机制，最后研究了网络控制中心的一种基于终端业务量变化趋势预测的按需分配的动态资源管理方法。所研究的网络管理方法可用于指导DVB-RCS网络控制中心的软件设计。■

[1] ETSI EN 301 790: "Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction channel for Satellite Distribution Systems", 2009.

[2] ETSI TR 101 790: "Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction channel for Satellite Distribution Systems; Guidelines for the use of EN 301 790", 2009.

[3] H. Skinnemoen, A. Vermesan, A. Luoras, etc., VoIP over DVB-RCS with QoS and bandwidth on demand, IEEE Wireless Communications, pp.46-55, Oct. 2005.

[4] 冯少栋，边东明，张更新，李广侠．宽带多媒体卫星通信系统QoS架构设计与验证仿真．计算机科学，2010.37.6, pp.60-69

[5] 王艳良，王毓晗，马正新．一种基于预测的卫星网络BTDAMA协议性能分析．传感器与为系统，2012.31.11, pp.74-76

Study on Dynamic Resource Management about the Satellite Communication Network

He Xiang (State Administration of Press, Publication, Radion, Film and Television 292 station, Tsingdao, 266206)

In this paper we study the capacity request queue scheduling mechanism based on the distinct service QoS in view of RCST terminals; In view of the network control center, we study a dynamic resource management based on volume change trend prediction method. The concolusions of this paper can be used in the satellite communication network between terminal and centre station in interactive business requests and resource allocation.

DVB-RCS; MF-TDMA; DAMA; QoS

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.01.004

TN927+.2

A

1672-7274（2016）01-0017-03