信道帶寬分配技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用

蔡 青，陳福鋼，高鵬飛

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210014）

信道帶寬分配技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用

蔡 青，陳福鋼，高鵬飛

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，南京 210014）

本文分析了基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的固定帶寬分配模型和基于優(yōu)先級(jí)的帶寬分配模型在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

衛(wèi)星通信；多業(yè)務(wù)；帶寬分配。

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

近年來(lái)，航天技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)有了很大的發(fā)展進(jìn)步，一方面，通信速率越來(lái)越高，容量越來(lái)越大；另一方面，各種衛(wèi)星應(yīng)用、天地基礎(chǔ)設(shè)施的融合，形成天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)和通信技術(shù)的完善，能夠更好服務(wù)消費(fèi)者。同時(shí)，消費(fèi)者的需求也在不斷提升，衛(wèi)星通信從傳統(tǒng)的話音業(yè)務(wù)傳輸，逐漸發(fā)展到話音、視頻、IP數(shù)據(jù)等綜合業(yè)務(wù)的傳輸。消費(fèi)者不斷提升的業(yè)務(wù)需求和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的有限傳輸帶寬仍然是一組日益突出的矛盾。由于各種業(yè)務(wù)對(duì)傳輸時(shí)延，傳輸帶寬等有不同的要求，帶寬分配技術(shù)成為衛(wèi)星通信正在研究的重要問(wèn)題之一。本文對(duì)衛(wèi)星通信基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的固定帶寬分配和基于優(yōu)先級(jí)排隊(duì)的模型做了簡(jiǎn)單介紹，結(jié)合筆者的研究，詳細(xì)描述了提出了基于優(yōu)先級(jí)和固定帶寬分配相結(jié)合的動(dòng)態(tài)帶寬分配模型。

2 衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸模型

利用一對(duì)兩點(diǎn)（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）衛(wèi)星通信傳輸鏈路，使用2M的寬帶信道實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸話音、視頻、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。兩點(diǎn)互聯(lián)互通的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸模型

（1）衛(wèi)星地球站1配置。衛(wèi)星地球站由射頻和天伺饋系統(tǒng)，L波段分合路器，寬帶調(diào)制解調(diào)器，保密機(jī)，綜合業(yè)務(wù)接入設(shè)備組成，外接話音設(shè)備、視頻設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其中話音為多路VoIP網(wǎng)絡(luò)電話數(shù)據(jù)，視頻為同步數(shù)據(jù)，通過(guò)綜合業(yè)務(wù)接入器允許話音、視頻、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸。

（2）衛(wèi)星地球站2配置和衛(wèi)星地球站1配置相同。

（3）各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)：

⊙ 話音業(yè)務(wù)：高優(yōu)先級(jí)，對(duì)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)敏感，速率恒定，占用帶寬小。

⊙ 視頻業(yè)務(wù)：中優(yōu)先級(jí)，對(duì)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)較話音要求稍低，速率恒定，占用帶寬大。

⊙ 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：低優(yōu)先級(jí)，只需要盡力而為的傳輸，對(duì)時(shí)延和抖動(dòng)要求低，要求誤碼率低，多數(shù)是突發(fā)性業(yè)務(wù)，占用帶寬變化很大。

3 固定帶寬分配模型

3.1 模型介紹

固定帶寬分配基本思想是在傳送數(shù)據(jù)之前，根據(jù)業(yè)務(wù)的QoS需求進(jìn)行信道資源的預(yù)留，在業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程中保證分配的帶寬不發(fā)生變化，從而為該數(shù)據(jù)流提供端到端的QoS保證。常見(jiàn)的固定帶寬分配模型入如圖2所示。

圖2 固定帶寬分配模型

（1）數(shù)據(jù)分類器：按照業(yè)務(wù)類型，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并把數(shù)據(jù)信息告知帶寬分配控制模塊。

（2）帶寬分配控制：實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留功能，根據(jù)業(yè)務(wù)的類型和QoS要求計(jì)算出不同業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的帶寬，在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保持帶寬不變，并且在相應(yīng)時(shí)刻通知調(diào)度器獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（3）調(diào)度器：根據(jù)帶寬分配的結(jié)果從數(shù)據(jù)分類器獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且把獲取的數(shù)據(jù)輸出給信道。

3.2 模型優(yōu)缺點(diǎn)

基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的固定帶寬分配的算法可以絕對(duì)保證各種業(yè)務(wù)的QoS要求，但是實(shí)現(xiàn)方面存在一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在下面一些方面：

（1）不利于突發(fā)數(shù)據(jù)的處理。固定帶寬分配算法需要不斷刷新和保存狀態(tài)信息，為各種業(yè)務(wù)預(yù)留固定帶寬，適用于占用固定帶寬并且長(zhǎng)時(shí)間傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，對(duì)于突發(fā)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，需要不斷調(diào)整帶寬分配策略，運(yùn)算量大。

（2）需要端到端進(jìn)行資源預(yù)留。固定帶寬分配可以保證信道方面絕對(duì)滿足QoS需求，通常衛(wèi)星信道連接外部系統(tǒng)，需要各個(gè)節(jié)點(diǎn)為每個(gè)業(yè)務(wù)流進(jìn)行資源預(yù)留才能達(dá)到整體的效果。

（3）部分信道資源的浪費(fèi)。在對(duì)固定業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬估計(jì)是通常需要多預(yù)留部分帶寬以滿足傳輸要求，多預(yù)留的資源會(huì)減少信道的利用率。

4 優(yōu)先級(jí)排隊(duì)模型

4.1 模型介紹

優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模型如圖3所示。

圖3 優(yōu)先級(jí)隊(duì)列模型

（1）數(shù)據(jù)分類器：把輸入的數(shù)據(jù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行緩存，具有最高優(yōu)先級(jí)的非空隊(duì)列最先被選擇服務(wù)，如果最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空，則選擇具有次優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列進(jìn)行服務(wù)，以此類推。

（2）帶寬分配控制：根據(jù)總的帶寬和優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的數(shù)據(jù)情況，產(chǎn)生獲取數(shù)據(jù)信號(hào)。

（3）調(diào)度器：根據(jù)帶寬分配控制模塊產(chǎn)生的信號(hào)，從數(shù)據(jù)分類器獲取相應(yīng)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，把獲取數(shù)據(jù)輸出給信道。

4.2 模型優(yōu)缺點(diǎn)

基于優(yōu)先級(jí)算法的模型簡(jiǎn)單有效，擴(kuò)展性強(qiáng)，只需把業(yè)務(wù)按優(yōu)先級(jí)區(qū)分，然而基于優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的模型也存在一些問(wèn)題。

（1）不適合需要連續(xù)數(shù)據(jù)流的傳輸。例如，同步數(shù)據(jù)要求具有連續(xù)的數(shù)據(jù)流，在多種業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，其他優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流量突然變大或變小會(huì)造成連續(xù)數(shù)據(jù)流的中斷，影響傳輸質(zhì)量。

（2）不能滿足所有業(yè)務(wù)的QoS要求?；趦?yōu)先級(jí)的算法會(huì)最先傳輸高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，對(duì)于最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以同時(shí)滿足時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)的要求；當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的的任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間得不到服務(wù)。另外，對(duì)于靜態(tài)配置的優(yōu)先級(jí)，不能適應(yīng)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展要求。

5 基于優(yōu)先級(jí)和固定帶寬分配的模型

綜合考慮固定帶寬分配模型和優(yōu)先級(jí)排隊(duì)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種基于優(yōu)先級(jí)和固定帶寬分配的模型。該模型根據(jù)信道傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類型進(jìn)行分類，在滿足各業(yè)務(wù)的QoS要求下，盡可能提高信道的利用率。

5.1 模型介紹

基于優(yōu)先級(jí)和固定帶寬分配的模型如圖4所示。

圖4 基于優(yōu)先級(jí)和固定帶寬分配的模型

（1）數(shù)據(jù)分類器：對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分，有特殊要求的業(yè)務(wù)緩存在特殊業(yè)務(wù)隊(duì)列，其余業(yè)務(wù)按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行緩存，并把數(shù)據(jù)信息告知帶寬分配控制模塊。

（2）帶寬分配控制：實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留功能，根據(jù)特殊業(yè)務(wù)信息劃分出固定的業(yè)務(wù)傳輸帶寬，在業(yè)務(wù)通信過(guò)程中保持傳輸帶寬不變；其余業(yè)務(wù)根據(jù)剩余的帶寬，按照業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)通知調(diào)度器獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

（3）調(diào)度器：模塊根據(jù)帶寬分配控制模塊的結(jié)果從數(shù)據(jù)分類器獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且把獲取的數(shù)據(jù)輸出給信道

5.2 模型的特點(diǎn)

基于優(yōu)先級(jí)和固定帶寬分配的模型，利用了固定帶寬分配和基于優(yōu)先級(jí)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，可以在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，最大程度提高信道利用率。

根據(jù)不同業(yè)務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行劃分，把需要連續(xù)傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)流單獨(dú)進(jìn)行預(yù)留帶寬，可以保證同步視頻流的連續(xù)性，其他業(yè)務(wù)的帶寬變化不會(huì)對(duì)視頻傳輸造成影響；話音數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)按照優(yōu)先級(jí)隊(duì)列進(jìn)行傳輸，話音的優(yōu)先級(jí)高，可以保證時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)要求；最后，對(duì)于突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，可以有限帶寬內(nèi)進(jìn)行傳輸，也不會(huì)影響其他數(shù)據(jù)的傳輸。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于優(yōu)先級(jí)和固定帶寬分配的信道分配模型，該模型在衛(wèi)星通信系統(tǒng)下能較好的滿足話音、視頻、IP數(shù)據(jù)等的綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。隨著衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面通信網(wǎng)絡(luò)的不斷融合，本文提出的流量控制模型將在衛(wèi)星通信領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和推廣性。

[1] 王旭，郭志剛，壽國(guó)礎(chǔ)．EPON中支持多業(yè)務(wù)接入的動(dòng)態(tài)帶寬分配算法研究，2006

[2] 黃飛,許輝,吳詩(shī)其．低軌衛(wèi)星通信中基于公平性的信道借用策略，2006

[3] 楊世恩．多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)帶寬分配算法研究，2011

[4] 劉治國(guó)，史二鑫，馬悅．基于動(dòng)態(tài)令牌桶的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬分配方法，2016

愛(ài)立信攜手?jǐn)?shù)碼通現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試LAA技術(shù)

愛(ài)立信與數(shù)碼通（SmarTone）攜手在香港成功進(jìn)行首個(gè)現(xiàn)網(wǎng)LAA技術(shù)測(cè)試，該技術(shù)演示標(biāo)志著向5G演進(jìn)又近一步。LAA技術(shù)允許在5GHz頻段中同時(shí)使用未授權(quán)頻譜和授權(quán)頻譜，消費(fèi)者可以獲得更好的移動(dòng)寬帶體驗(yàn)，同時(shí)運(yùn)營(yíng)商可以有效地利用未授權(quán)頻譜資源，提升網(wǎng)絡(luò)容量和速度。

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文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

1672-7274（2017）09-0001-03