CN102946363B - 一种宽带多媒体卫星系统带宽请求方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带多媒体卫星系统带宽请求方法，本发明所采用的带宽请求模型由业务源、用户终端和卫星三个实体组成。通过对带宽请求系统模型的建立，带宽请求发送方式的设计，带宽需求估计算法的设计以及同步机制的设计实现了宽带多媒体卫星系统的带宽请求。该方法克服了单一带宽请求发送方式的局限性，解决了由于“拖欠时隙”估计值更新时机不当造成的带宽利用效率不高的问题，解决了由于带宽请求丢失造成带宽请求代理与带宽管理单元之间的失步问题。不仅能够明显提升卫星系统带宽使用效率，还能够在高负载业务条件下提高业务传输的实时性。

Description

一种宽带多媒体卫星系统带宽请求方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种宽带多媒体卫星系统带宽请求方法。

背景技术

宽带多媒体卫星(Broadband Satellite Multimedia BSM)系统以传输高速宽带多媒体业务为主要特色近年来获得了迅猛发展。与传统卫星通信系统相比，其最大的不同之处在于承载的业务由低速的数据、话音业务转变为集图像、声音、视频、文本为一体的高速率、交互式多媒体业务。由于系统承载的用户数更多，业务突发性更强，为系统的带宽管理带来更加严峻的挑战。

BSM系统中带宽管理主要采用按需方式，也称BoD(Bandwidth on Demand)方式，即系统根据用户终端的请求进行带宽的动态管理。BoD分为带宽请求和带宽分配两个环节。完成带宽请求的实体是位于用户终端的带宽管理代理，完成带宽分配的实体是位于星上或地面控制中心的带宽管理单元。带宽请求是指用户终端根据带宽需求估计(Bandwidth Requirement Estimation BRE)算法生成带宽请求值并以适当方式发送至带宽管理单元的过程。带宽请求涉及带宽请求发送方式和带宽需求估计两部分。带宽请求方式有随机、固定和捎带三种。目前普遍采用的是带宽需求估计算法为Le-Ngoc和Mahammed提出的基于接收状态更新的带宽需求估计(Receiving UpdateBandwidth Requirement Estimation RU-BRE)算法。

带宽请求的发送可采用随机、固定、捎带等方式，随机方式是指带宽请求以随机ALOHA的方式接入，随机方式的实时性好，但可靠性不高；固定方式指系统为终端固定预留专门用于发送带宽请求的信道，固定方式的可靠性高，但在带宽请求到达不连续时，容易造成带宽资源的浪费；捎带方式是将带宽请求捎带在业务信息当中进行发送，捎带方式的优点是充分利用带宽资源，但前提是终端必须有正在发送的业务信息。

带宽需求估计算法是带宽动态请求的核心，带宽需求估计算法的设计直接影响到所承载业务的服务质量和带宽的利用效率。目前一种典型的带宽需求估计算法是由Le-Ngoc和Mahammed提出的RU-BRE算法，算法流程如图1所示。该方法基于“拖欠”时隙(Due slots)的对带宽需求进行计算。在终端采用时分多址接入(TDMA TimeDivision Multiple Access)或多频时分多址接入(Multifrequency Time Division MultipleAccess MF-TDMA)体制，每个时隙传输一个分组，带宽管理单元每次分配一个时隙的前提下，N_due为用户终端发出请求但未得到分配的时隙数(称为“拖欠时隙”Dueslots)，初始值为0。终端在接收到的下行广播信息中搜索发送到本终端的带宽分配信息，每收到一个带宽分配信息，按照式(1)重新生成“拖欠时隙”的估计值N_due，并根据带宽分配信息调度下一次分组发送时机（Packet Transmission Opportunity PTO）。

N_due＝N_due-1                                    (1)

当PTO到来时，根据式(2)计算带宽请求R：

R＝(Q-1)-N_due                                   (2)

其中Q为缓存队列长度，将带宽请求R捎带在业务信息上进行发送，并按照式(3)对N_due进行更新：

N_due＝N_due+R                                    (3)

该算法的问题在于：

(1)算法建立在系统响应时延与星地传播时延相等的假设前提下，认为终端收到带宽分配信息的时刻与带宽分配信息指示的发送时刻相同，但实际当中二者并不相同。该假设可能造成“拖欠时隙”估计值与实际值的偏差较大，从而影响了带宽使用效率，因此需要改变请求值更新的方式，确保“拖欠时隙”数目的估计值与实际值之间的偏差尽可能小；

(2)算法建立在带宽请求总能够被正确接收和满足的前提下，然而在信道恶劣或随机接入情况下，终端发出的带宽请求可能无法被正确接收，在这种情况下会造成带宽管理代理和带宽管理单元之间信息的失步，进一步会影响到带宽利用率，因此需要采取一定的措施保证带宽管理代理与带宽管理单元的同步。

(3)算法建立在终端获得的带宽资源都是由终端申请而获得的前提下，然而实际系统中终端获取的带宽资源可以分为两部分，一部分是系统根据终端的请求分配给用户的，还有一部分是系统过剩的带宽资源以自由的方式分配给用户的，RU-BRE算法没有将后者对带宽需求估计的影响考虑在内，这样会导致终端请求的时隙数目大于实际所需要的时隙数目，造成带宽资源的浪费，因此需要对以上两种情况进行区分。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种适合宽带多媒体卫星系统的带宽请求计算及发送方法。该方法包括以下内容：

1、带宽请求系统模型

本发明所采用的带宽请求模型由业务源、用户终端和卫星三个实体组成。其中业务源可以是计算机或者摄像头等，业务源可产生多媒体业务分组，也可从外界采集信息并转变为多媒体业分组。用户终端中完成带宽请求功能的部分由缓存队列、带宽管理代理和分组输出调度单元三部分组成。业务源与用户终端之间通过以太网互联，用户终端与卫星之间通过卫星信道实现通信。主要流程如下：

（1）多媒体业务分组以IP分组的方式经以太网送入用户终端；

（2）来自业务源的业务分组在用户终端的缓存队列中缓存；

（3）带宽管理代理通过获取缓存队列长度和带宽分配信息，运行带宽需求估计(BRE)算法生成带宽请求并送至分组输出调度单元；

（4）分组输出调度单元通过卫星信道将业务信息及带宽请求发送到位于星上的带宽管理单元；

（5）带宽管理单元根据带宽请求信息将可用时隙先进行按需分配，再将剩余时隙以轮询方式自由分配给各用户终端，分配的结果通过带宽分配信息经卫星信道发送至带宽管理代理，带宽分配信息中指示了每个时隙是采用按需分配方式还是自由分配方式；

（6）带宽管理代理再次根据缓存队列长度、BRE算法和宽带分配信息生成带宽请求。

2、带宽请求发送方式的设计

为了确保带宽请求发送的效率，在此针对不同的应用场景选择不同的请求发送方式，具体如下：

(1)用户终端初始入网时采用随机接入方式，即可以随机选择一个时隙进行发送；

(2)入网成功之后首次发送业务之前采用固定分配方式，即在连续超帧或帧的固定位置分配一个时隙给该终端；

(3)终端业务接入成功后采用捎带方式，即在业务信息上附加一个信息字段用于传输带宽请求信息。

3、带宽需求估计算法的设计

与RU-BRE不同，本发明提出的基于发送状态更新的带宽请需求估计(SendingUpdate Bandwidth Requirement Estimation SU-BRE)算法在收到带宽分配信息后不立刻更新N_due值，而是先根据带宽分配信息的指示调度PTO，PTO到达后根据式(4)生成带宽请求值并判断该PTO是按需分配时隙还自由分配时隙，只有当PTO是按需分配时隙时才进行N_due的更新，最大限度的减小N_due与“拖欠时隙”实际值之间的偏差。SU-BRE算法需要在终端和卫星分别运行。

4、同步机制设计

设计同步机制的目的是为避免由于带宽请求丢失而导致“拖欠时隙”数值在带宽管理代理与带宽管理单元中不一致，二者之间信息失步，最后导致终端过量请求带宽资源而造成带宽资源浪费的情况。

同步机制的实现需要在带宽请求代理增加一个缓存单元用于存储过去一段时间P内终端发出的n个带宽请求信息(R(k-n)…R(k-1))，并在每个带宽请求信息上增加1个比特的重启指示位F_reset，其中F_reset=1表明需要重新建立同步，其中F_reset=0表明无需重新建立同步。

有益效果

(1)克服了单一带宽请求方式的局限性；(2)解决了由于“拖欠时隙”估计值更新时机而不当造成的带宽利用效率不高的问题；(3)解决了由于带宽请求丢失而造成带宽请求代理与带宽管理单元之间的失步问题；(4)能够明显提升卫星系统带宽使用效率；(5)能够在高负载业务条件下提高业务传输的实时性。

附图说明

图1RU-BRE算法流程图；

图2带宽请求算法系统模型示意图；

图3SU-BRE算法终端侧工作流程示意图；

图4SU-BRE算法卫星侧工作流程示意图；

图5带有同步机制的SU-BRE算法终端侧工作流程示意图；

图6带有同步机制SU-BRE算法卫星侧工作流程示意图；

图7端到端分组传输时延对比；

图8按需分配比例对比。

具体实施方式

本方法结构图如图1所示，下面结合附图对各个步骤进行进一步详细介绍，具体如下：

1、带宽请求系统模型

本发明所采用的带宽请求模型如图2所示，由业务源、用户终端和卫星三个实体组成。其中业务源可以是计算机或者摄像头等，业务源可产生多媒体业务分组，也可从外界采集信息并转变为多媒体业分组。用户终端中完成带宽请求功能的部分由缓存队列、带宽管理代理和分组输出调度单元三部分组成。业务源与用户终端之间通过以太网互联，用户终端与卫星之间通过卫星信道实现通信。主要流程如下：

（1）多媒体业务分组以IP分组的方式经以太网送入用户终端；

（2）来自业务源的业务分组在用户终端的缓存队列中缓存；

（3）带宽管理代理通过获取缓存队列长度和带宽分配信息，运行带宽需求估计(BRE)算法生成带宽请求并送至分组输出调度单元；

（4）分组输出调度单元通过卫星信道将业务信息及带宽请求发送到位于星上的带宽管理单元；

（5）带宽管理单元根据带宽请求信息将可用时隙先进行按需分配，再将剩余时隙以轮询方式自由分配给各用户终端，分配的结果通过带宽分配信息经卫星信道发送至带宽管理代理，带宽分配信息中指示了每个时隙是采用按需分配方式还是自由分配方式；

（6）带宽管理代理再次根据缓存队列长度、BRE算法和宽带分配信息生成带宽请求。

2、带宽请求发送方式的设计

为了确保带宽请求发送的效率，在此针对不同的应用场景选择不同的请求发送方式，如表1所示，具体如下：

(1)用户终端初始入网时采用随机接入方式，即可以随机选择一个时隙进行发送；

(2)入网成功之后首次发送业务之前采用固定分配方式，即在连续超帧或帧的固定位置分配一个时隙给该终端；

(3)终端业务接入成功后采用捎带方式，即在业务信息上附加一个信息字段用于传输带宽请求信息。

表1带宽请求信息发送策略

3、带宽需求估计算法的设计

与RU-BRE不同，本发明提出的基于发送状态更新的带宽请需求估计(SendingUpdate Bandwidth Requirement Estimation SU-BRE)算法在收到带宽分配信息后不立刻更新N_due值，而是先根据带宽分配信息的指示调度PTO，PTO到达后根据式(4)生成带宽请求值并判断该PTO是按需分配时隙还自由分配时隙，只有当PTO是按需分配时隙时才进行N_due的更新，最大限度的减小N_due与“拖欠时隙”实际值之间的偏差。SU-BRE算法需要在终端和卫星分别运行。SU-BRE算法终端侧工作过程如图3所示，具体如下：

（1）终端接收卫星下行广播信息，并通过对信息头的解析获得发给本终端的带宽分配信息；

（2）带宽分配信息中指示了终端下一次发送时机（PTO）的相关信息，其中包括载波频点、载波速率、时隙位置、调制方式、编码方式等，除此之外，还包括PTO类型，即该时隙是按需分配时隙还是自由分配时隙。

（3）根据当前时刻与计算出的PTO时刻的差值，带宽管理代理设置一个定时器等待PTO的到达，当定时器终止时说明PTO到达，此时终端需要进行突发发送。

（4）当PTO到达时，带宽管理代理根据式(4)生成带宽请求值R送至分组输出调度单元并指示分组输出调度单元进行突发发送，其中Q为缓存队列长度，N_due为“拖欠时隙”数，N_due初值为0；

（5）生成带宽请求值R后，带宽管理代理根据式(5)更新N_due值；

（6）再根据此PTO的类型确定是否对N_due值进行进一步更新，如果该PTO为按需分配时隙，则根据式(6)对N_due值进行进一步更新；

（7）返回步骤（4），若无后续PTO到达返回步骤（1）。

R=max{Q-N_due,0}                                    (4)

N_due＝N_due+R                                       (5)

N_due＝N_due-1                                       (6)

卫星侧的工作流程如图4所示，其中N_S为带宽管理单元保存的“拖欠时隙”数值且初值为0。具体如下：

（1）带宽管理单元等待来自终端的带宽请求到达；

（2）带宽请求信息到达时，根据带宽请求值R和式(7)对N_S值进行更新；

（3）按照带宽分配算法对终端进行时隙分配，其中带宽分配算法可采用本领域所熟识的算法，如联合自由按需分配多址接入(Combined Free and DemandAssignement Multiple Access CFDAMA)算法等，分配的时隙数目记为NA；

（4）根据式(8)对N_S值进行更新；

（5）返回步骤(1)。

N_due＝N_due+R                                        (7)

N_S＝N_S-N_A                                           (8)

4、同步机制设计

设计同步机制的目的是为避免由于带宽请求丢失而导致“拖欠时隙”数值在带宽管理代理与带宽管理单元中不一致，二者之间信息失步，最后导致终端过量请求带宽资源而造成带宽资源浪费的情况。

同步机制的实现需要在带宽请求代理增加一个缓存单元用于存储过去一段时间P内终端发出的n个带宽请求信息(R(k-n)…R(k-1))，并在每个带宽请求信息上增加1个比特的重启指示位F_reset，其中F_reset=1表明需要重新建立同步，其中F_reset=0表明无需重新建立同步。同步机制需要在终端和卫星分别运行，终端侧具体流程见图5。

（1）终端接收卫星下行广播信息，并通过对信息头的解析获得发给本终端的带宽分配信息；

（2）带宽分配信息中指示了终端下一次的发送时机（PTO），PTO为终端下一次发送的时隙位置及突发发送的相关信息，其中包括载波频点、载波速率、调制方式、编码方式等，除此之外，还包括PTO类型，即该时隙是按需分配时隙还是自由分配时隙。

（3）根据当前时刻和计算出的PTO时刻的差值，带宽管理代理设置一个定时器等待PTO的到达，当定时器终止时说明PTO到达，此时终端需要进行突发发送。

（4）PTO到达时，首先根据式(9)来确认星地是否同步，其中N_due为当前“拖欠时隙”的计数值，R(k-n)为此前该终端发送的第n个带宽请求值。

（5）如果满足式(9)，说明带宽请求没有丢失，将本次带宽请求中的F_reset置为0，如果不满足式(9)，说明带宽请求可能发生丢失，星地需要重新建立同步，将本次带宽请求中的F_reset置为1，并将N_due置为0。（6）根据式(8)生成带宽请求值R(k)并存入位于带宽管理代理的缓存当中；

（7）删除位于带宽管理代理缓存当中的带宽请求值R(k-n)；

（8）根据式(11)对N_due值进行更新；

（9）将带宽请求信息送入分组输出调度单元，并指示突发发送；

（10）根据PTO的类型确定是否对N_due值进行进一步更新，如果该PTO为按需分配时隙，则需要根据式(6)对N_due值进行进一步更新；

（11）返回步骤（4），若无后续PTO到达返回步骤（1）。

P值的选择应确保终端在生成带宽请求R(k)时能够收到带宽请求R(k-n)对应的带宽分配信息，在带宽管理单元位于星上的情况下，建议P值设置为1s。

$N_{\mathrm{due}}<\underset{t=k-P}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}R\left(t\right)---\left(9\right)$

R(k)=max{Q-N_due,0}                                (10)

N_due＝N_due+R(k)                                   (11)

卫星侧的工作流程如图6所示，其中N_s为带宽管理单元保存的“拖欠时隙”数值且初值为0。具体如下：

（1）带宽管理单元等待来自终端的带宽请求到达；

（2）带宽请求信息到达时，首先查看带宽请求信息中的F_reset是否为1，如果F_reset为1则说明带宽请求可能发生丢失，将N_S置为0；

（3）根据带宽请求值R(k)和式(12)对N_S值进行更新；

（4）按照带宽分配算法对终端进行时隙分配，其中带宽分配算法可采用本领域所熟识的算法，如联合自由按需分配多址接入(Combined Free and DemandAssignement Multiple Access CFDAMA)算法等，分配的时隙数目记为NA；

（5）根据式(13)对N_S值进行更新；

（6）返回步骤(1)。

N_S＝N_S+R(k)                                        (12)

N_S＝N_S-N_A                                          (13)

为了证明本发明的性能，利用计算机对该方法进行仿真，并与原有的基于接收状态更新的带宽需求估计(RU-BRE)算法进行对比。仿真参数见表2，图7给出了不同业务源情况下两种方法在端到端分组传输时延性能方面的对比。图8给出了不同业务源情况下两种方法按需分配时隙所占比例的对比。

表2仿真参数

从图7中可以看出，在低业务负载条件下，两种方法的分组传输时延性能相近，但在高业务负载条件下，基于接收状态更新的带宽需求估计算法性能急剧恶化，而本发明仍然保持较好的性能，尤其是在输入为突发性较强的负指数开关(ExpONOFF)模型时优势体现得更为明显，这说明本发明能够在高业务负载条件下有效提高业务传输的实时性。从图8中可以看出，在高业务负载条件下，采用基于接收状态更新的带宽需求估计算法按需分配时隙的比例接近100%，而采用本发明按需分配比例低于50%，说明本发明在带宽使用效率方面明显高于基于接收状态更新的带宽需求估计算法。

Claims (1)

1.一种宽带多媒体卫星系统带宽请求方法，其特征在于：其通过以下过程实现：

(一)建立带宽请求系统模型

该带宽请求系统模型由业务源、用户终端和卫星三个实体组成；其中业务源是计算机或者摄像头，业务源可产生多媒体业务分组，也可从外界采集信息并转变为多媒体业分组；用户终端中完成带宽请求功能的部分由缓存队列、带宽管理代理和分组输出调度单元三部分组成；业务源与用户终端之间通过以太网互联，用户终端与卫星之间通过卫星信道实现通信；流程如下：

(1)多媒体业务以IP分组的方式经以太网送入用户终端；

(2)来自业务源的多媒体业务分组在用户终端的缓存队列中缓存；

(3)带宽管理代理通过获取缓存队列长度和带宽分配信息，运行带宽需求估计(BRE)算法生成带宽请求并送至分组输出调度单元；

(4)分组输出调度单元通过卫星信道将业务信息及带宽请求发送到位于星上的带宽管理单元；

(5)带宽管理单元根据带宽请求信息将可用时隙先进行按需分配，再将剩余时隙以轮询方式自由分配给各用户终端，分配的结果通过带宽分配信息经卫星信道发送至带宽管理代理，带宽分配信息中指示了每个时隙是采用按需分配方式还是自由分配方式；

(6)带宽管理代理再次根据缓存队列长度、BRE算法和宽带分配信息生成带宽请求；

(二)构建带宽请求发送方式

为了确保带宽请求发送的效率，针对不同的应用场景选择不同的请求发送方式，具体如下：

(1)用户终端初始入网时采用随机接入方式，即可以随机选择一个时隙进行发送；

(2)入网成功之后首次发送业务之前采用固定分配方式，即在连续每个超帧或帧的固定位置分配一个时隙给该用户终端；

(3)用户终端业务接入成功后采用捎带方式，即在业务信息上附加一个信息字段用于传输带宽请求信息；

(三)采用带宽需求估计算法进行计算

本发明的带宽需求估计算法称为基于发送状态更新的带宽需求估计(SendingUpdate Bandwidth Requirement Estimation SU-BRE)算法，该算法在卫星和用户终端侧分别运行，其中用户终端侧工作过程如下：

(1)用户终端接收卫星下行广播信息，并通过对信息头的解析获得发给本用户终端的带宽分配信息；

(2)带宽分配信息中指示了用户终端下一次发送时机(PTO)的相关信息，其中包括载波频点、载波速率、时隙位置、调制方式、编码方式，除此之外还包括PTO类型，即该时隙是按需分配时隙还是自由分配时隙；

(3)根据当前时刻与计算出的PTO时刻的差值，带宽管理代理设置一个定时器等待PTO的到达，当定时器终止时说明PTO到达，此时用户终端需要进行突发发送；

(4)当PTO到达时，带宽管理代理根据式(4)生成带宽请求值R送至分组输出调度单元并指示分组输出调度单元进行突发发送，其中Q为缓存队列长度，N_due为“拖欠时隙”数，N_due初值为0；

R＝max{Q-N_due,0}           (4)

(5)生成带宽请求值R后，带宽管理代理根据式(5)更新N_due值；

N_due＝N_due+R           (5)

(6)再根据此PTO的类型确定是否对N_due值进行进一步更新，如果该PTO为按需分配时隙，则根据式(6)对N_due值进行进一步更新；

N_due＝N_due-1         (6)

(7)返回步骤(4)，若无后续PTO到达返回步骤(1)；

(四)进行同步机制设计

同步机制的实现需要在带宽请求代理增加一个缓存单元用于存储过去一段时间P内用户终端发出的n个带宽请求信息(R(k-n)…R(k-1))，并在每个带宽请求信息上增加1个比特的重启指示位F_reset，其中F_reset＝1表明需要重新建立同步，其中F_reset＝0表明无需重新建立同步；同步机制需要在用户终端和卫星分别运行，用户终端侧具体流程为：

(1)用户终端接收卫星下行广播信息，并通过对信息头的解析获得发给本用户终端的带宽分配信息；

(2)带宽分配信息中指示了用户终端下一次的分组发送时机(PTO)，PTO为用户终端下一次发送的时隙位置及突发发送的相关信息，其中包括载波频点、载波速率、调制方式、编码方式，还包括PTO类型，即该时隙是按需分配时隙还是自由分配时隙；

(3)根据当前时刻和计算出的PTO时刻的差值，带宽管理代理设置一个定时器等待PTO的到达，当定时器终止时说明PTO到达，此时用户终端需要进行突发发送；

(4)PTO到达时，首先根据式(9)来确认星地是否同步，其中N_due为当前“拖欠时隙”的计数值，R(k-n)为此前该用户终端发送的第n个带宽请求值；

$N_{\mathrm{due}}<\underset{t=k-n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}R\left(t\right)$

(5)如果满足式(9)，说明带宽请求没有丢失，将本次带宽请求中的F_reset置为0，如果不满足式(9)，说明带宽请求可能发生丢失，星地需要重新建立同步，将本次带宽请求中的F_reset置为1，并将N_due置为0；

(6)根据式(10)生成带宽请求值R(k)并存入位于带宽管理代理的缓存当中；

R(k)＝max{Q-N_due,0}      (10)

(7)删除位于带宽管理代理缓存当中的带宽请求值R(k-n)；

(8)根据式(11)对N_due值进行更新；

N_due＝N_due+R(k)       (11)

(9)将带宽请求信息送入分组输出调度单元，并指示突发发送；

(10)根据PTO的类型确定是否对N_due值进行进一步更新，如果该PTO为按需分配时隙，则需要根据式(6)对N_due值进行进一步更新；

(11)返回步骤(4)，若无后续PTO到达返回步骤(1)。