CN101242414A - 基于卫星网络mac协议的跨层协议通信方法 - Google Patents

Abstract

基于卫星网络MAC协议的跨层协议通信方法，它涉及一种应用于卫星网络中的MAC协议，以解决现有的MAC卫星网络协议存在的多采用集中在MAC层进行改进，没有考虑动态信道状态对协议的性能影响的问题。地面终端的当前帧收到自由分配时隙则在下一帧中向卫星调度器申请资源，没有收到自由分配时隙则向卫星调度器申请资源；当上行链路信道状态处于深衰落状态时，则不进行预约信息发送，否则进行预约信息发送；卫星调度器对处于不同信道状态的地面终端采用相应模式进行传输，将来自地面终端的数据转发为下行数据，并进行信道资源的分配，同时给各个终端分配下一帧所采用的传输模式，完成一个地面终端的时隙预约后，将自由分配表中的该地面终端的ID移动到表尾。

Description

基于卫星网络MAC协议的跨层协议通信方法

技术领域

本发明涉及一种应用于卫星网络中的MAC协议，属于涉及卫星通信技术领域。

背景技术

卫星通信系统具有能以低成本提供较宽范围的无缝覆盖、不受地理条件限制的特点。卫星通信系统通信容量很大，而且可以按需分配给每个用户，能够满足教育、企业和家庭等各种不同的数据通信需求。

在有线网络中，协议设计方式是按照OSI的7层协议模型进行分层设计，各协议层具有相对独立的功能，每一层只用到下一层所提供的固定信息，而并不关心下层的工作过程。这种严格的分层设计方法不能很好地适应无线通信的特点，没有充分利用网络资源以实现最优的性能。相对于有线网络，由于多径、雨衰、卫星和地面终端的相对运动，造成了卫星网络具有频谱资源有限，信道高误码率等特点。网络状态的变化会影响上层协议的运行，从而造成卫星网络传输数据能力的下降，所以在卫星网络中，协议设计并不能局限在某一层独立设计，应该从整体出发对多个关系紧密的协议层综合优化。

为了实现这种方法，人们提出了跨层设计方式。跨层设计打破了传统的分层协议结构，以自适应的方式从整体的角度对通信系统进行设计。各个协议层通过对其它层的相关信息进行分析，改变自己的工作方式适应动态变化的信道环境，提高了卫星网络的传输性能。

在卫星网络中，应用较多的MAC(Medium Access Control)协议大都是基于CFDAMA(Combined Free/Demand Assignment Multi-Access)协议的几种变化形式：采用预定预约时隙CFDAMA-PA(Pre-Assigned request)、采用随机接入预约方式CFDAMA-RA(Random Access Request)、采用捎带预约方式CFDAMA-PB(Piggy-Backing Request)、采用混合式随机接入/捎带预约方式CFDAMA-CR(Combined random access/piggybacking Request)，预测预约方式CFDAMA-PR(Predictive Request)等，以上这些协议都是集中在MAC层进行改进，而没有考虑动态变化的信道状态对协议的性能影响。

发明内容

本发明为解决现有的跨层设计的MAC卫星网络协议存在的多采用集中在MAC层进行改进，而没有考虑动态变化的信道状态对协议的性能影响的问题，提供一种基于卫星网络MAC协议的跨层协议通信方法。本发明包括以下步骤：

步骤一、地面终端判断当前帧是否从卫星调度器收到自由分配时隙，如果收到自由分配时隙则在下一帧中通过附带预约的方式向卫星调度器申请资源，如果没有收到自由分配时隙则通过随机预约的方式向卫星调度器申请资源；

步骤二、地面终端通过对下行接收信号的信道质量进行估计，来判断上行链路信道状态，当上行链路信道状态处于深衰落状态时，则不进行预约信息发送，等待下一帧重新进行信道预约，否则进行预约信息发送；

步骤三、卫星调度器将下行链路按不同调制编码模式的信噪比门限进行划分，对处于不同信道状态的地面终端采用相应模式进行传输；

步骤四、卫星调度器将来自地面终端的数据转发为下行数据，然后按资源预约表中的地面终端进行信道资源的分配，同时根据信道状态给各个终端分配下一帧所采用的传输模式；

步骤五、卫星调度器完成一个地面终端的时隙预约后，将自由分配表中的该地面终端的ID移动到表尾。

有益效果：本发明采用基于跨层设计的终端接入和卫星调度方法，可以广泛用于卫星的接入系统中，该方法克服了分层协议设计方式对于接入和调度方法产生的性能影响，将MAC层和物理层进行跨层联合优化后，提高了信道利用率，显著增强卫星传输数据的能力。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式由以下步骤组成：

步骤一、地面终端可以通过随机预约和附带预约两种接入方式向卫星申请资源，地面终端首先判断在当前帧中，是否收到了自由分配时隙，如果收到自由分配时隙，则可以在下一帧中通过附带预约的方式向卫星申请资源；如果没有得到分配时隙，则通过随机预约的方式向卫星进行资源申请；

步骤二、在发送随机预约申请之前，需要进行信道状态的估计来确定是否发出预约，以免影响其它终端的申请信息；地面终端对于上行信道状态的获取可以通过对下行信道状态的估计进行，采用降雨衰减频率转换算法，就可以估计出上行信道的状态，从而决定是否发送随机预约申请；

步骤三、地面终端接收到下行数据后，通过信道估计确定当前信道状态；如果当前信道处于深衰落中，则延迟发送随机预约申请信息，等待下一时隙重新发送预约信息；

步骤四、卫星调度器接收到地面终端的时隙请求后，同时进行上行链路的信道状态估计，确定该终端可以采用的调制编码传输模式，按照先入先出的规则对各个地面终端进行时隙的分配；地面终端得到时隙和传输模式分配方案后，在下一帧就以该模式进行传送并且将下一预约信息附加在数据帧上。

整个卫星系统由多个地面终端和一颗具有ATM交换功能的GEO卫星组成。上行链路帧由随机接入预约子帧和上行链路业务子帧组成，上行链路业务时隙由调度器以按需/自由方式分配；下行链路传输控制分组及下行链路业务分组，由于随机接入预约存在预约分组碰撞的概率，控制分组包括随机接入预约分组的应答分组(ACK Packet)和用于通知各地面终端时隙分配方案的时隙分配控制分组。

地面终端包括发送机和接收机两部分，地面终端的工作过程如下：地面终端将产生的业务数据储存在缓存中，并根据前一帧的时隙申请情况计算本次需要申请的资源。地面终端可以在随机预约子帧以时隙ALOHA方式向星上集中控制调度器发出预约请求，也可以通过上行链路业务分组以捎带方式向星上集中控制调度器发出预约请求。上行随机请求帧格式为两部分：源地址和时隙请求数目。当地面站通过捎带预约方式向调度器发出预约请求时，地面站的时隙预约数目由公式NSR＝(NPQ-1)-NOR计算得到，其中NSR表示地面站预约的时隙数目，NPQ表示地面站缓存队列中的分组数目，NOR表示地面站已经预约但未获得享用的时隙数目。在捎带方式下，由于预约请求是捎带在上行链路业务分组之上，所以当预约请求发出后，地面站缓存队列中的分组数目为NPQ-1，当预约请求发出后，NOR值就增加NSR。地面站每获得一个按需分配时隙，NOR值就减一。当采用随机接入策略时，地面站预约的时隙数目由公式NSR＝NPQ-NOR计算得出，当预约请求发出后，NOR值就增加NSR，地面站每获得一个按需分配时隙，NOR值就减一。对于随机接入预约方式，地面站发出预约请求后，经过一定时间间隔(一个RTD+星上调度器对预约请求的处理时延)，若没有收到星上调度器对随机接入预约请求的应答分组，说明预约请求不成功，NOR值就减少NSR。

接收机判断在当前是否收到了卫星调度器分配的时隙，这是通过检测卫星下发的控制帧bftp(burst frequency time plan)来判断。在bftp帧中包括六部分：目标地址、分配时隙数量、分配帧编号、应答标志、帧种类标志和分配传输模式。地面终端通过检测目标地址，如果该地址是自己的地址，则显示有为其分配的时隙，通过计算分配的时隙数量和分配的帧编号就可以计算出在何时进行发送，同时根据卫星调度器为其分配的传输模式进行传输。如果地面终端在一个连续的bftp时间段内没有收到分配时隙，并且终端还有数据需要进行发送，则需要通过随机预约的方式向星上调度器申请资源。但是在申请资源之前，首先需要对信道状态进行估计，以确定是否应该发送随机预约申请。每个地面终端中，都保存有晴天条件下，接收卫星信道的下行信噪比(S/N)_{D_clear-sky}和晴天条件下，上行链路的卫星接收信噪比(S/N)_{U_clear_sky}。通过对下行链路的估计，可以计算出当前的下行信噪比(S/N)_down-link，通过同(S/N)_{U_clear_sky}的差值就可以计算出下行链路的衰减情况，利用频率衰减转换算法，可以计算出上行链路衰减情况，通过将该值同(S/N)_{U_clear_sky}做差值计算，就可以确定衰减情况下的卫星接收信噪比。卫星有相应的解调门限(S/N)_T，当地面终端推测此时的信道状态已经低于卫星接收信噪比，则不进行随机预约时隙的发送，否则进行随机预约时隙的发送。因为处于深衰落的地面终端发送随机预约请求信息，不但自己的信息不会被卫星所接收，同时由于碰撞的原因还会影响其它终端发出的预约信息。通过将MAC层的接入策略同物理层的信道状态相结合就可以避免这种情况，提高了随机预约的接入成功率，降低了业务传输的时延。

星上调度器包括两部分：发送机和接收机，星上调度器的工作流程如下：星上接收机完成的功能是接收各个地面终端发送的时隙请求和业务数据。当接到地面终端的时隙请求，读取该业务请求的时隙数目并且对估计其信道状态，将该预约信息存储在资源预约表中，对于上行的业务数据，将这些数据储存在缓存中，等待发送机将其转发到地面。星上发送机主要任务是负责时隙分配和传输下行链路业务分组。星上调度器存放了自由分配表及资源预约表。自由分配表中存放了所有活动地面站的终端ID号，在资源预约表中存放了进行资源预约的地面站的记录，每一个记录由终端ID号及其对应的预约时隙和上行的信道状态组成，调度器的时隙分配是按照一帧一帧进行的，在本卫星环境中，设置一帧的时间长度是0.027136s，将该帧分成时隙。对一个地面终端分配时隙时，首先判断该终端所处的信道状态，然后根据状态为其分配不同长度的时隙。对于信道状态的划分，是按照不同的传输模式进行信道状态划分。不同的调制方式和编码方式的组合称为一种传输模式。采用的调制方式是BPSK、QPSK、8QAM，编码采用码率为1/2，2/3，3/4的卷积码。在一定的信息速率下，不同的传输模式都有相应的信噪比门限。通过对整个信道的状态划分，卫星调度器为地面终端分配适合的传输模式。在分配各个终端的时隙时，通过将所申请的信道时隙除以该地面终端适用的传输模式的频谱效率就可以得到该终端分配的时隙。相对于传统的时隙分配方式，这种结合了自适应调制编码的信道分配策略显著提高了信道利用率，减少了数据传输的端到端时延。对一个地面终端分配资源后，则将该终端的ID从自由分配表中移动到表尾，通过这种方式保证了一定的分配公平性。在完成了资源预约表中的地面站申请要求后，然后开始对自由分配表中的地面终端进行信道资源的分配。对这些终端完成资源分配后，对业务数据进行转发。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于采用多状态Markov链来模拟卫星信道的时变特性，在网络仿真软件中建立需要评估的MAC协议，建立多状态Markov链和MAC协议的接口，当MAC协议运行引起状态改变时，从Markov信道模型中，读取信道状态进行协议性能的评估。按照所传输数据的误码性能要求和各个传输模式在满足误码要求下的信噪比要求将卫星信道划分成多个信道状态。每个状态对应于一种调制编码传输模式，根据降雨衰减特性建立多状态Markov模型用于MAC协议的性能评估。

Claims (2)

1、基于卫星网络MAC协议的跨层协议通信方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤一、地面终端判断当前帧是否从卫星调度器收到自由分配时隙，如果收到自由分配时隙则在下一帧中通过附带预约的方式向卫星调度器申请资源，如果没有收到自由分配时隙则通过随机预约的方式向卫星调度器申请资源；

步骤二、地面终端通过对下行接收信号的信道质量进行估计，来判断上行链路信道状态，当上行链路信道状态处于深衰落状态时，则不进行预约信息发送，等待下一帧重新进行信道预约，否则进行预约信息发送；

步骤三、卫星调度器将下行链路按不同调制编码模式的信噪比门限进行划分，对处于不同信道状态的地面终端采用相应模式进行传输；

步骤四、卫星调度器将来自地面终端的数据转发为下行数据，然后按资源预约表中的地面终端进行信道资源的分配，同时根据信道状态给各个终端分配下一帧所采用的传输模式；

步骤五、卫星调度器完成一个地面终端的时隙预约后，将自由分配表中的该地面终端的ID移动到表尾。

2、根据权利要求1所述的基于卫星网络MAC协议的跨层协议通信方法，其特征在于它还包括步骤六、当卫星调度器满足所有的资源预约分配表以后，如果还有剩余信道资源，则对自由分配表中的地面终端进行信道分配。