卫星通信系统中网管信令传输优化及仿真

班亚明，李斌成，乐 强

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.普华永道管理咨询有限公司，上海 200021)

卫星通信系统中网管信令传输优化及仿真

班亚明1，李斌成1，乐 强2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.普华永道管理咨询有限公司，上海 200021)

受限带宽下的网管信令突发碰撞是影响卫星通信系统网管信令传输效率的主要因素。针对窄带宽下信令突发引起的卫星网管信令传输效率低的问题，在综合分析卫通网管系统管理信息传输流程的基础上，对网管信令传输现状进行了仿真，提出了一种网管信令传输优化方案。该方案将QoS技术应用于卫通网管信息传输，并通过排队调度和流量控制实现信息高效传输。仿真验证及系统实测表明，优化后的网管信令传输能力和效率得到了较大提升，该优化方案在提高卫星系统管理性能方面具有科学性和有效性。

卫星通信；流量传输；排队调度；流量整形；频分多址

0 引言

由于卫星通信系统具有站型多样化、管理复杂化和应用多元化等特点，所以系统网管信令在传输过程中数据流量不稳定，特别是在卫通站集中入网或大规模网状通信时表现尤为明显。因此，如何在带宽受限的特定传输通道中实现网管信令的可靠传输，已成为卫通网管系统建设[1]的重要问题。

许多文献中对卫星通信网络传输[2]的研究都是基于理想的通信环境[3]，没有考虑到系统信道环节对信令传输质量的影响，主要表现为在受限带宽情况下业务申请、集中入网和批量参数上报[4]过程中因传输过载导致的信令丢失。目前大多数卫通系统采用信令重传机制保证信令可靠传输，该机制一定程度上解决了网管信令传输问题，但却导致网管信令传输通道更加拥挤，甚至重要信令无法实时到达。本文针对卫星通信网网管信令传输效率低的问题，在综合分析网管信令特性、信令传输通道特点等基础上，提出了网管信令传输优化技术，并设计了软件实现方案。

1 卫通网网管信令

1.1 卫通网网管系统

为模拟当前卫星网管系统集中化、统一化的管理特点[4]，仿真系统采用网管中心、网管代理的集中管理方式，由网管中心、网管代理和网管信道形成端到端的管理体系结构[5]。基于该管理体系结构，形成统一的运行、管理控制框架和平台，模拟实现卫通网信道设备的集中监控和业务资源的统一管理[6]。

模拟网管系统体系结构如图1所示。

图1 模拟网管系统体系结构

1.2 网管信令分析

在实际应用中，网管系统信令数据量主要集中在网管代理至网管中心的方向，故以代理至中心为重点对网管系统管理流程[7]进行分析，并梳理各类管理信息特征。网管信令发送特征如表1所示。

表1 信令特征统计

通过对国内外网管系统实例调研可知，表1中的管理信令主要集中体现在：① 网管中心定期发送广播通告；② 各远端站发送入网请求；③ 远端站上报设备监控信息；④ 其他随机突发信息上报。其中，随机突发信息上报过程发生频率较低，数据量较小，对仿真结果的影响可忽略不计。流量仿真主要在前向广播、入网请求及监控上报过程域进行流量仿真，研究各网管节点的流量特性。

1.3 网管信道

通过分析研究国内外卫通网管系统可知，网管信道体制主要有TDM/STDMA、TDM/TDMA、TDM/ALOHA、TDMA[8]和地面IP网[9]。调研的卫通网管系统信道体制[10]均具有同一特征：网管信道带宽固定且受限，大规模网管数据传输存在丢帧重传现象。为使仿真方案更具通用性，对使用固定受限带宽地面IP网作为网管信道的卫通系统展开模拟仿真[11]。

2 仿真方案

系统仿真方案中，使用模拟网管中心及网管代理作为网管信令源，针对卫星通信系统网管信息传输特性[12]展开系统仿真工作过程及场景设计。

卫通网管系统网管代理仿真模拟环境设置为：网管代理管理30个设备，设备参数变化间隔为1 s。

借鉴国内外卫通网管系统网管信道建设情况及系统管理规模[13]，模拟信道带宽及管理规模，设置如下：网管代理信道带宽设置为32 kbps；网管中心信道带宽设置为384 kbps；网管系统规模为100个地球站；网管中心查询地球站时间间隔为10 s[14]。

针对前向广播、入网请求和监控上报流程，在模拟网管中心和网管代理节点内，仿真软件收集时间维度上的网管信令流量数据[15]。

3 系统网管数据传输仿真

3.1 代理网管数据传输仿真

网管代理收到广播通告入网后会集中上报设备参数状态信令，平时采用参数变化上报及查询上报机制发送信令。网管代理方向不采用流量控制策略时流量仿真结果如图2所示。

图2 网管代理无流控仿真结果

3.2 中心网管数据传输仿真

卫通网网管信令无流量控制情况下，网管中心方向网管信令流量仿真如图3所示。

图3 网管中心无流控仿真结果

3.3 仿真结果分析

网管代理方向：网管代理入网时因入网、设备参数集中上报信令导致大规模流量突发，瞬时信息速率可达200 kbps，超出信道承载量5倍左右。实测中有大规模丢包现象，丢包率高达80%，而入网阶段结束后数据流量突发不明显，信道利用率降至10%以下。

网管中心方向：网管代理批量入网时因地球站集中入网请求及设备参数上报导致大规模流量突发，瞬时信息速率达到7 500 kbps，超出信道承载量20倍左右。实测中由于碰撞及信道拥塞导致丢包现象尤其显著，丢包率高达90%，而入网阶段结束后数据流量突发不明显，信道利用率降至10%以下。

在网管系统实际应用中，对于初始阶段或信息传输高峰阶段，因系统信道带宽产生的碰撞丢帧现象多采用信令重发解决，但信令传输问题解决的同时也使得信道资源利用率偏低。因此，有必要提出一种可靠高效的网管信息传输方案来解决信道拥塞导致的网管数据丢失及信道资源利用率低的问题。

4 网管信令传输优化分析及设计

4.1 网管信令传输优化技术分析

网管信令传输优化技术旨在满足网管信令突发数据流对数据传输高可靠性的要求，为网管信令传输提供专门的服务质量保证。网管信令传输优化技术采用QoS机制[16]实现，QoS是通过为网络中传输的信令设定相应的流量管理策略，降低突发数据等对信令传输的影响。QoS机制不能创造带宽，只能根据用户需求合理划分其使用带宽，提供与特定应用需求相匹配的服务质量，最大限度地提高信道带宽利用率。

网管信令传输的QoS技术主要针对信令传输进行流量控制和队列调度。

4.1.1 排队调度

排队调度是将分类好的数据包按一定的策略排队，当拥塞发生时，按指定策略对数据包进行调度，决定哪些数据包可优先发送、哪些数据包可延迟发送。设计方案采用绝对优先队列(PQ)进行排队调度。

PQ首先对网管信令进行分类，在发生拥塞时较高优先级队列中的网管信令将会优先被发送，而低优先级的网管信令则延迟被发送。PQ可使关键网管信令(如资源分配)得到优先处理，非关键信令(如设备监控信息)在关键信令处理后发送，在保证重要信令优先处理的同时提高了网络资源利用率。

4.1.2 流量控制

流量控制是限制流出网络突发数据的网络技术，一般采用缓冲区和令牌桶[17]来完成。由于数据的突发速率远高于平均速率，而卫星网络中卫星资源十分宝贵且网管信道一般使用固定带宽，不能按照数据的突发速率分配网管信道资源。因此，为了提高网络资源利用率，需在网管信令进入网管信道之前进行流量整形[18]。

流量整形模块使用的关键技术主要体现为与队列调度相结合的流量整形机制和突发数据缓存机制。

与队列调度相结合的流量整形：为限制数据突发，流量整形过程中将网管信令放入队列。为降低时延对高优先级网管信令的影响，将流量整形机制和优先级队列调度结合，并采用缓存和高级队列优先发送[19]的方式来限制网管信令突发。

突发数据的缓存[20]：要合理选择缓存队列的长度，并在缓存长度超限时结合优先级策略临时提高队列优先级，以保证在控制突发速率的同时低优先级网管信令不会出现无限制等待的状态。

4.2 网管信令传输优化实现

网管信令传输QoS技术在网管系统中的应用主要集中体现在安装了QoS软件的信令传输模块上。网管信令传输优化方案如图4所示。

图4 资源动态分配软件模块组成

信令传输QoS软件设计完成以下功能流程：

① 按信令重要度对网管信令进行分级处理。其中，资源分配、入网管理等为关键信令；参数上报、状态查询为非关键信令。

② 网管信令逐级缓存，缓存长度可依据信道使用率变化。

③ 实时计算信道利用率，根据信道使用情况决定缓冲发送策略。

5 网管信令传输优化技术应用仿真

5.1 代理网管信令传输优化技术应用

代理应用网管信令传输优化技术，处理网管信令的流量与突发，对于超出信道带宽的网管信令做延迟发送处理，在提高信道利用率的同时保证网管信令在固定信道带宽下的可靠传输。

由图5和图6可知，在应用网管信令传输优化技术后网管代理的数据突发毛刺已完全消除，初始入网阶段集中发送数据速率≤32 kbps,无信道溢出丢包产生。数据延迟发送造成的发送延时控制在3.5 s以内，远低于采用丢失信令重发的时间间隔(均值5 s重发)。

图5 网管代理信令传输优化数据流量仿真结果

图6 网管代理信令传输优化数据时延结果

5.2 中心网管信令传输优化技术应用

系统采用网管信令传输优化技术后网管中心数据接口仿真结果如图7和图8所示。

图7 网管中心信令传输优化数据流量仿真结果

图8 网管中心信令传输优化数据时延仿真

由图7和图8可知，在应用网管信令传输优化技术后网管中心接收数据突发毛刺已完全消除，初始入网阶段集中发送的数据速率≤384 kbps,无信道溢出丢包产生。数据延迟发送造成的发送延时控制在12 s以内，而系统无流量控制时初始入网丢帧率为90%，网管信令重传3次就已超过12 s(均值为5 s重发)，故网管信令传输优化技术远远优于信令重传技术，能显著提高系统信令传输效率。

6 系统测试验证

某FDMA/DAMA体制卫星通信系统，为各网管代理分配384 kbps地面网络信道进行管理信息传输，使用错时发送与碰撞重发的方式实现网管信息发送。按本文网管信令传输优化进行改造，并对改造前后系统网管代理管理数据出口进行测试统计，统计数据如表2所示。

表2 技术优化效果对比

测试统计数据显示，网管信令传输优化应用能够有效解决网管集中突发问题，管理数据流量实现了可靠缓冲与传输，对于入网请求、资源管理等重要信令延时有了明显减少。测试结果验证了本文网管信令传输优化方案的有效性和科学性，在保证系统可靠运行的前提下，提高了传输率和信道利用率。

7 结束语

网管信令传输是卫通网管系统高效管理的一个重要前提，本文以仿真的方式综合分析了有限带宽卫星信道下的网管信令传输现状，研究设计了网管信令传输优化方案，并在实际卫星通信网管理中应用，运行稳定可靠。测试结果表明，以排队控制(绝对队列)和流量控制(缓冲区和令牌桶结合)为核心的网管信令传输优化技术，可以有效解决大规模网管系统建设中所面临的网管信令传输问题，在其他体制的网管系统中，也值得进行针对性的策略研究。

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Optimization and Simulation of Network Management Signaling Transmission in Satellite Communication System

BAN Ya-ming1,LI Bin-cheng1,YUE Qiang2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.PricewaterhouseCoopersConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200021,China)

Network management signaling burst collision in limited bandwidth is the major factor that affects the efficiency of the signaling transmission of network management system.To solve the problem of low transmission efficiency caused by signaling bursts in narrow bandwidth,the network signaling transmission status is simulated and an optimization scheme for network management signaling transmission is proposed based on a comprehensive analysis of satellite communication network management information transmission process.In the scheme,the QoS technology is applied to the information transmission of satellite communication network management,and efficient transmission of information is achieved through queue scheduling and flow control.Simulation and system test show that the optimized network management signaling transmission capacity and efficiency are greatly improved and the optimization scheme is scientific and effective in improving the performance of satellite system management.

satellite communication;flow transmission;queue scheduling;flow shaping;FDMA

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.02

班亚明,李斌成,乐强.卫星通信系统中网管信令传输优化及仿真[J].无线电工程,2017,47(7):5-9.[BAN Yaming,LI Bincheng,YUE Qiang.Optimization and Simulation of Network Management Signaling Transmission in Satellite Communication System[J].Radio Engineering,2017,47(7):5-9.]

2016-12-12

国家部委基金资助项目。

TN927

A

1003-3106(2017)07-0005-05

班亚明 男，(1984—)，工程师。主要研究方向：卫星通信与信息传输技术。

李斌成 男，(1974—)，高级工程师。主要研究方向：卫星通信与信息传输技术。