卫星网络协议

关键词： 可靠 传输 协议

卫星网络协议（精选九篇）

卫星网络协议 篇1

T C P协议是一个面向连接的传输协议, 它是在低时延、低误码网络条件下制定的一系列传输协议。由于TCP是基于不可靠的IP服务来提供可靠的数据传输, 因此, TC P必须采用端对端的流量控制、拥塞控制和差错控制机制来保证服务的可靠性。

TCP协议使用滑动窗口协议来实现流量控制;使用慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复算法来完成拥塞控制;使用确认信息包、定时器和重传机制来实现差错控制。这使得传统的TCP协议 (TCP-Reno) 在高延时带宽积的网络中 (特别是卫星网络中) 的性能会下降很多, 主要是因为卫星链路的大带宽延时积、差错率和链路的不对称性。

在TCP-Reno机制中, 数据传输先经过指数增长的慢启动过程, 达到门限后进入拥塞避免算法, 出错后进入快速重传和快速恢复机制。

二、卫星网络中TCP协议的问题

静止轨道卫星链路往返的时延一般是250ms×2+50 m s (地面网处理时延) 。当传输带宽为1M b/s时, 采用每报文确认, 慢启动过程需要3.91秒;而采用延迟确认机制, 慢启动过程需要6.29秒。所以, 大多数TCP应用都处在慢启动过程中, 从而大大限制了网络的有效使用。

延时积是链路中的最大有效带宽与链路往返时间 (RTT) 的乘积, 它是发送端在接收到确认信息之前所能发送的最大数据量。标准TCP的窗口最大值是64KB (16bit) , 而静止轨道卫星链路往返时间为550ms。理论上, 其最高传输速率为64KB÷0.55s=116.36KB/s。1Mb/s卫星链路的延时积是1Mb/s×0.55s÷8=68.75KB。为了充分利用带宽, 必须在接收到确认信息之前发送足够多的数据到网络中, 这就需要扩大TCP连接的窗口。

卫星链路的差错增加, 丢失的数据包就要重传。TCP协议假设数据丢失是由于阻塞引起的, 这样会降低传输速率, 链路利用率下降了。反向链路的确认包丢失, 会让已经接收到的数据包重传。另外, 卫星链路的差错具有突发性, 而快速重传和快速恢复算法不能处理单个窗口内的多个错误, 阻塞避免机制也会限制传输窗口的增长。由于卫星链路需要更大的窗口尺寸, 突发错误的影响就更大了。

卫星链路的报文段和确认包传输的路径不同, 如果是非对称信道, 确认包的阻塞和丢失有突发性。这样发送数据流会有突发性, 拥塞窗口的增长速度减慢, 快速恢复算法的效率也降低了。

三、对卫星链路TCP算法的改进

为了TCP协议能更好地在卫星链路上传输, 有必要对TCP协议进行改进, 主要是缩短慢启动过程的时间和提高最大可用速率。

1. 缩短慢启动过程的时间

主要包括以下方法:

(1) 加大初始窗口。这允许发送端在第一个往返时间内发送更多的报文包, 收到更多的确认信号, 这样拥塞窗口增加更快。

(2) 采用字节计数。这时拥塞窗口的增加数量是由每个确认所覆盖的先前末确认的字节数目来决定的。这种算法需要改变TCP协议栈, 由于拥塞窗口增长过快, 所以不能用于共享网络。

(3) 选择性确认。接收端告诉发送端所有接收成功的数据段序列号, 发送端只重发那些丢失的数据段。这种算法对卫星链路中的TCP性能有很大改进。

(4) 拥塞报告。在网络拥塞时, 拥塞报告机制会通知终端节点, 让其减小传输速率, 如果报文丢失而没有拥塞指示, 则报文丢失就是由链路差错造成的, 发送端无须降低其传输速率。这种方法要IP支持拥塞报告域, 所以所有路由器都需要改进。

(5) TCP Vegas用设定传输速率来实现拥塞控制。计算出测量速率与期望速率的比值 (期望速率=传输窗口/基本往返时间) , 尽量让测量速率接近期望速率, TCP Vegas在达到平衡状态后不再改变传输窗口大小。但是, 在不对称的信道中, 测出的往返时间大多是由反向链路上的拥塞产生的, 因此, TCP Vegas在非对称链路中工作性能并不好。

还可以使用虚报文段来探查网络资源, 用未确认的数据段当虚报文段, 以提高传输效率。

另外, 卫星传输协议STP是针对卫星链路设计的一种可靠的、面向字节流的数据传输协议。STP使用否定确认而不是TCP中采用的肯定确认, 只有接收端要求重传的报文才会被重传。

通常对卫星链路中TCP的改进都是以上技术的综合使用, 例如空间通信协议标准-传输协议 (S C P S-T P) 。该标准对T C P协议进行了改进, 并保持了与I P协议的完整互操作性。它主要包括:时标和窗口缩放 (RFC1323) 、往返程时间的测量 (RFC1323) 、序号重叠保护 (RFC1323) 、选择性否定确认 (RFC1106) 、包头压缩 (RFC1144) 、低丢失拥塞控制 (Vegas) 或可选的无拥塞控制、差错响应。

2. 提高最大可用速率

主要包括以下方法:

在端到端的解决方案中, 互联网工程小组已经把T C P协议中确认窗口由16位改为30位, 最大接收窗口由65535B增加到1073.7M B。这样, 在往返时延为600ms的卫星链路中, 连接的最大数据传输速率由106.7KB/s升到1.79GB/s。

在基于代理网关站的解决办法中, 为每个TCP连接增加一个缓存, 将没有得到接收端确认的数据包存在代理网关站的缓存中, 由代理网关站给数据发送端送出确认收到的信息。这种做法对每个连接大约需要200KB到500KB的缓存, 同时网关站的数据处理能力也要很强。

四、结束语

卫星电视安装协议书 篇2

甲方：_______________________________________

乙方：_______________________________________

经甲乙双方友好协商，甲方决定将所属卧龙公寓卫星电视接收系统工程（以下简称“该工程”）承包给乙方进行，现就相关事项约定如下：

一、工程内容与要求

1、甲乙双方约定，由乙方负责在甲方所属的卧龙公寓安装卫星电视接收系统和相应的客房房间有线电视网络接入系统，一并负责该工程的设计、设备选型、采购、安装调试、维修保养，并负责代甲方按国家相关规定向政府主管部门办理接收卫星电视的合法手续。

2、双方约定该工程完成后能够接收以下卫星电视节目：

①②

③④

⑤⑥

⑦⑧

⑨⑩

现上述节目均使用亚洲3S卫星 C波段转发。乙方应确认上述节目的接收是不需要另付其他收视费用的，但如在该工程完成后属于卫星电视节目源提供方调整的除外。

3、该工程应用于甲方所属卧龙公寓客房房间，乙方应保证完成该工程后卧龙公寓客房房间电视终端能够有效的接收到上述电视节目，并同时可以接收现有的闭路电视节目（终端设备技术条件达不到要求的除外）。终端收视标准应达到国家相关规范要求。甲方有权选择按自主目测终端接收质量或按国家相关标准为工程验收标准之一。

4、该工程中乙方所采用的设备另附清单作为协议附件，乙方应保证按清单要求配置和施工，如因其他原因需要更改设备型号的，需要事先征得甲方同意，并保证替用设备性能和价值不低于约定型号的设备。

5、乙方应于本协议签定后3日内开工，并保证在10个工作日内完工通过验收并交付甲方使用。

二、费用与结算

1、甲方采取包干价方式将该工程承包给乙方，总包干价为元。

2、以上包干价包含第一条所述所有约定内容，乙方应保证全部达到要求。其中以达到甲方实际使用需求为第一条件，如有因乙方设计和设备选型失误使该工程达不到甲方实际使用要求，造成需要重新增加设备而增加的工程造价甲方不予承担；如甲方在施工过程中提出增加本协议约定的范围以外的功能要求，由双方另行协商需要追加的造价及相关事宜，签定本协议的补充协议。

3、该工程完工后，由甲方按第一条所述标准组织验收，甲方确认合格后在_______期限内付给乙方工程款元，其余元留作质量保证金。乙方按要求履行质量保证义务至质量

保证期满后，甲方负责全额返还质量保证金给乙方。

4、工程质量达不到双方约定要求，在整改期间发生的所有费用均由乙方负责，甲方并保留扣罚乙方延误工期罚金的权利，每延误一天扣罚工程款总额的%。

三、工程质量保证

1、该工程质量保证期为年，从工程竣工交付使用之日起计算。乙方负责在约定的质量保证期内免费对该工程的设备进行定期的维修和保养，常规维保每月应当不少于一次。其中在工程竣工交付使用之日起3个月内乙方负责免费更换有故障和存在故障隐患的设备。

2、乙方应在接到甲方报修电话后分钟内赶到现场维修，维修中尽量采用最快速度的途径恢复设备正常使用，包括采用备件临时整体替换，乙方应尽量满足此要求，不得以维修为由延误甲方使用卫星电视系统。双方约定，接到报修后超过小时的维修仍不能恢复即为乙方违约，甲方可以采用任何措施包括自行采购全新配件用于维修，其间所有发生的费用均由乙方承担。

3、乙方不能按约定要求履行质量维保义务的，甲方有权选择第三方进行维保，其间发生的所有费用均由乙方承担。

4、质量保证期间的维修和保养所更换的配件应为原品牌同型号产品或在价值性能上与原件相当。维修后系统整体状况亦应达到竣工验收时的90%以上标准。

5、甲方认定乙方为本协议标的质量保证的唯一责任方，甲方不另就该工程采用的单项设备器件等与其生产商和中间供应商联系质量保修等事宜。

6、质量保证期内，由于雷击、电压波动等不可抗力产生的设备故障属于质量保证义务。乙方不得以任何理由拒绝按上述条款承担责任。但如属于甲方未按照设备规程操作产生的故障，乙方只负责修理，需要另收取实际发生的元件费用。

四、其他约定

1、乙方在该工程施工期间应到甲方委托的物业管理公司办理相关进场施工手续，无条件接受物业管理人员的监管，执行物业管理公司的相关规定。如因违反本条造成工期延误与甲方无关。

2、乙方在施工中应严格执行相关安全规程，施工中的安全由乙方自行负责。甲方不对因该工程施工产生的直接和间接安全责任事故负任何连带责任。

3、双方约定，乙方还应当保证该工程可以满足甲方二期工程扩展使用卫星电视信号的要求，在工程竣工时乙方应当向甲方提交与此相关的说明资料。此项作为该工程竣工验收的条件之一。

4、本协议未尽事宜，由甲乙双方另行协商解决。协商不成的，任何一方均可向荆州市仲裁委员会申请仲裁，或向人民法院提起诉讼。

5、本协议一式两份，甲乙双方各执一份，具有同等法律效力。甲方：（签章）乙方：（签章）授权人：授权人：

总局筹建直播卫星网络地图平台等 篇3

为确保直播卫星广播电视公共服务安全运行、健康发展，国家广电总局卫星直播中心坚持加快发展与强化管理并重，把有效管理融入户户通业务推广工作的全过程。5月28日，由卫星直播中心组织开发的直播卫星网络地图平台正式投入使用，该平台基于地理信息系统研发而成，实现了用户基站信息在地图上的实时展现，可辅助核查用户机顶盒安装位置，为实现用户精细化管理，促进直播卫星和有线电视整体协调发展提供了有力保障。

一季度网络视听市场广告收入21亿 同比增218％

沪建网络视听产业基地；总局计划3-5年培育一批网络视听骨干企业

5月29日，“2012中国网络视听产业论坛暨中国（上海）网络视听产业基地建设北京招待会”在京举行。国家广电总局网络视听节目管理司司长罗建辉在会上介绍了我国互联网视听产业的发展成果：

首先，产业规模不断扩大，呈现出多层次、立体化的跨越式发展局面。截至目前，经国家广电总局批准，全国共617家单位开展互联网视听节目服务业务、7家单位开展互联网电视业务、21家单位开展手机电视业务；全国共批准15家广电播出机构开办网络广播电视台；以网络视听节目服务为主营业务的上市公司目前已达5家。据统计，今年一季度，我国网络视听市场广告收入达21亿元，同比增长218%。近三年来，我国网络视听节目服务业的市场规模以每年超过100%的速率递增，充分印证了网络视听产业的发展活力。

其次，网络视听服务的社会影响力日益增强，已经成为主流的媒介形态。根据权威机构统计，我国网络视频用户2007年底为1.6亿，到2011年底已达3.25亿、占我国网民总数的63.35%。目前互联网上约70%的流量来自视听节目服务，主要视听节目服务网站在2011年排名前10位的热播影视剧，点击量均超过一亿。随着智能终端与无线互联网环境的普及，网络视听服务成为具备随时、随地、随身、随需等泛在特性的主流媒介形态。

第三，网络视听产业有效拉动上游节目内容生产的活力，节目形态丰富多样、创新迭出。目前，网络视听节目数量剧增，形态和样式不断创新。其中，既有传统广播电视节目和影视剧的网络热播，更有大量专门用于网络传播的网站自制节目、用户上传节目，还有越来越多的广电播出机构与互联网站展开双赢的“网台联动”。据统计，2011年，网络视听节目服务机构平均每家每周更新节目量达553.6小时。一些知名网络视听节目服务机构推出了一大批广受欢迎的原创品牌节目栏目和短片。特别是作为新兴网络节目样式，网络剧、微电影的发展引人注目。到2011年底，17家主要视听节目服务网站自制的网络剧、微电影达134部，总时长超过1万分钟。

第四，高度重视管理机构与地方政府的政策杠杆作用，充分发挥产业集聚效应，应对技术、产业和市场创新的新挑战，带动我国网络视听产业取得新的突破，实现整个产业又好又快发展。

罗建辉介绍，中国（上海）网络视听产业基地，是国家广电总局与上海市政府为推动网络视听产业发展的共同努力和重要举措。目前，国家广电总局正积极研究网络内容建设工程，预计通过三到五年的努力，培育一批网络视听新媒体内容创作生产的骨干企业，努力打造国内外知名的视听新媒体内容品牌。（周家镖）

四川省规划“十二五”期间

发展直播星户户通用户94.6万户

近日，四川省广播电影电视局编制完成“十二五”直播星户户通发展规划和年度发展计划。根据规划，“十二五”期间，四川省规划发展直播星村村通用户23.3万户，发展直播星户户通用户94.6万户。截至目前，四川省已有163.4万户直播星村村通用户。

北京广播电视台

发布基础视觉标识

5月28日，北京广播电视台基础视觉标识正式发布。该LOGO由北京广播电视台英文名称Beijing Media Network缩写“BMN”及“北京广播电视台”中文全称组合而成，字母B寓意北京独特的地缘特征，M和N如电波般相连，喻示整合后的北京广播电视台不断走向融合发展。整个LOGO采用国际传媒界通用的字母图形化设计方式，展現北京广播电视台创新、融合、发展的理念。据了解，该标识将主要用于北京广播电视台整体形象宣传。

此外，北京广播电视台官方网站www.bmn.net.cn同日正式上线运行。

安徽出台

电影产业发展意见

近日，《安徽省人民政府办公厅关于促进电影产业繁荣发展的意见》正式出台。

《意见》分别从发展总体要求和目标、主要任务和重点工作以及保证措施三个方面，对推动和促进安徽省电影产业繁荣发展提出了具体指导意见。《意见》指出，要通过改革创新、加大投入，大力实施“电影精品创作生产”“城市数字影院建设”“城市电影院线建设”“农村电影放映”“电影优秀人才”五大工程，至“十二五”末，使全省电影创作生产、基础设施、产业规模、技术水平、公共服务和管理能力等方面得到长足发展。

峨影：年内出品电影4-6部

新建影院20座

5月21日，峨影集团召开会议，对提升旗舰企业综合实力作出工作部署。一是进一步深化内部改革，完成峨影厂改制工作；二是深度整合电影制、发、放、播产业链；三是大力推动项目建设，推进峨影厂区开发和四川电影大厦建设进度，落实“青城山影视数字制作培训基地”等项目；四是坚持精品战略和多种制片生产方式，提升原创能力；五是积极拓展院线影院规模，提升终端市场话语权；六是积极推进四川峨影频道节目创新和新台址建设，打造西部高清电影频道。力争2012年拍摄出品电影4-6部，电视剧60集；新建影院20座，实现票房收入5.5亿；力争实现总资产5.3亿元，总收入4.2亿元，利润3000万元。

简讯

近日，第四届全国“文化企业30强”揭晓，广电系统8个单位入选，分别为：上海东方传媒集团有限公司、江苏广播电视集团有限公司、中国国际电视总公司、中国电影集团公司，江苏广电有线信息网络股份有限公司、湖南电广传媒股份有限公司、广东省广播电视网络股份有限公司、上海东方明珠（集团）股份有限公司。

5月17日，山东卫视高清频道举行开播仪式。至此，山东卫视实现了高、标清节目同步播出。

一种改进的宽带卫星网络MAC协议 篇4

宽带卫星通信是当前通信技术发展的一个重要方向。随着宽带卫星通信网络的发展,越来越多的用户开始使用卫星网络传输各种业务。卫星网络是典型的一对多点通信网,多个用户通过共享有限的上行信道资源接入网络。但是由于卫星自身的特点,如链路传播时延长(尤其对于同步轨道卫星),信道带宽受限以及高的链路误码率等,大大影响了媒体接入控制协议(Medium Access Control, MAC)的使用效率。有效的卫星MAC协议不仅可以提高信道资源的利用率,还能保障不同业务的服务质量要求,是实现宽带卫星通信的关键技术之一,也是目前的研究热点。

特别地,当前多媒体业务的发展对卫星接入控制协议提出了更高的要求。针对GEO卫星网络的特点,文献已经提出了多种卫星MAC协议,如固定和按需分配相结合的分配协议(Combined Fixed/Demand Assignment Multiple Access)[1],混合自由按需分配的多址接入协议CFDAMA(Combined Free/Demand Assignment Multiple Access)[2],突发目标按需分配协议BTDAMA(Burst Targeted Demand Assignment Multiple Access)[3],以及各种协议的改进版本。根据业务背景的不同,每种协议都有各自的优缺点。本文在多媒体业务背景下,提出一种基于业务优先级的BTDAMA方案,改善了原本协议的性能。

1 突发目标按需分配BTDAMA

P.D.Mitchell在文献[3]中首次提出了BTDAMA思想。该方案的主要目标是减少ON-OFF信源的按需分配请求时延,从而提高带宽使用率。在本质上现代的数据传输是ON/OFF模型而不是传统假设的泊松模型,这已得到广泛的支持和公认。因此,BTDAMA方式的思想和概念是通过考虑如何有效地支持ON/OFF类型数据传输的方案得到应用的。

BTDAMA算法的上行链路帧结构如图1所示,分为请求时隙和业务时隙。请求时隙以轮询方式分配给各个终端,请求时隙是无竞争的且被用作突发性传输标志。终端本质上是请求卫星信道的接入权,并且随后接收所需分配的连续信道能量。分配方式的主要思想如下:调度中心维持两个表,一个表包含了所有标记为ON的终端,另一个记录了所有标记为OFF的终端。ON表示终端有资源请求,OFF表示没有资源请求。当终端有业务到达时,则利用请求时隙发送ON标志。资源管理中心收到请求分组后,将相应终端从OFF表移到ON表的末端。调度中心通过合适的轮询机制为ON表中所有终端分配自由时隙用于数据传输,从而降低了业务的传输时延。当业务传输结束时,终端发送OFF标志,表示终端不再需要业务时隙。资源管理中心收到该请求后,将终端从ON表移到OFF表的终端,不在为其分配业务时隙。

2 基于业务优先级的BTDAMA

BTDAMA可以显著减少自相似业务的等待时延,并且提高了资源利用率。但它没有区分业务类型,对所有业务都执行统一的分配标准,不能保证高优先级业务的服务质量要求,也造成了一定程度上资源的浪费。当网络中存在多种不同类型的业务时(如传统话音业务、视频会议和高速数据业务等),需要对该算法进行改进以适应不同业务的速率和时延要求。如何保证高优先级业务的QoS要求,同时尽可能满足低优先级业务的时延性能,并且能有效地利用紧缺的卫星带宽资源是本文研究的出发点。

2.1 系统架构

本文提出的接入控制算法的卫星系统组成示意图如图2所示,采用MF-TDMA多址方式。调度器工作在集中控制方式,其既可位于卫星,也可位于地面站。对于调度器位于卫星的情形,地面站发出预约请求到收到相应时隙分配方案的时间间隔约为一个RTT,对于调度器位于地面站的情形,地面站发出预约请求到收到相应时隙分配方案的时间间隔约为两个RTT。本文考虑调度器位于卫星的情况。

借鉴IEEE 802.16标准,在本文中定义了四种不同业务优先级[4]:

(1) 主动授权业务(UGS):针对的是实时性强、以固定速率传输的业务,例如IP语音业务(VoIP)。UGS的服务质量参数主要是最大持续流量速率和时延抖动。业务的峰值速率就是最大持续业务速率,又因为UGS是固定速率业务,所以其最大持续业务速率与其最小保留业务速率相等。

(2) 实时轮询业务(rtPS):针对的是实时性强,传输速率可变的业务,例如MPEG格式的视频业务。就rtPS业务而言,其最大持续业务速率大于其最小保留业务速率。除此之外,rtPS业务的重要QoS参数是最大延迟时间。

(3) 非实时轮询业务(nrtPS):针对非实时性的数据类业务,能容忍时延、有最小传输速率要求的变长分组业务流,如FTP下载业务。为nrtPS业务分配带宽时,要考虑传输要求的最小带宽。

(4) 尽力而为业务(BE):针对尽力提供服务但不需要提供服务质量保证的非实时性业务,如E-mail,网页浏览等业务。

2.2 带宽分配算法

该算法的上行链路帧格式如图3所示,包括请求时隙和业务传输时隙。请求时隙以单播或组播轮询方式分配给终端。星上维持5个表:UGS表,rtPS表,nrtPS表,BE表和OFF表。请求时隙以单播轮询或多播轮询的方式分配给OFF表中的各个终端。终端有业务到达时,首先按预先定义的分类标准将数据分组归类;然后利用以轮询方式分配的请求时隙发送带宽请求,该请求包含了终端ID号以及业务类型等信息。当星上调度器收到请求后,根据请求信息中的业务类型将相应的终端放入对应的表中。例如,终端A发送了UGS业务的带宽请求信息,卫星在收到该请求后,将A终端从OFF表移到UGS表的末端。

在每帧开始时,调度器首先统计OFF表中的终端数量,然后根据终端数量的大小决定使用哪种轮询方式。如果终端数量不大于请求时隙数目的2倍,则使用单播轮询方式,反之则使用多播轮询方式(即几个终端竞争同一个请求时隙,没有带宽请求的终端不允许发送请求信息,这种方式减少了产生冲突的概率)。

下面具体介绍不同类型业务所对应的带宽请求和分配算法。

(1) UGS业务:

前面已经提到过,UGS业务为具有实时性的固定速率业务,因此当终端发送对该类业务的请求时,需要标注需要的业务速率。卫星收到请求后将该终端从OFF表移到UGS表的末端,同时按请求信息中标明的业务速率为该终端分配时隙。这类业务主要使用轮询方式发送带宽申请,但当终端已有一个UGS业务时,其他UGS业务使用捎带方式发送带宽申请。

(2) rtPS业务:

终端在发送对该类业务的带宽申请时需要标注终端业务队列长度和业务到达速率的参考信息(若无此类信息时,则按统计的一般情形对待)。卫星收到请求后将该终端添加到rtPS表末端(注意该终端并不从OFF表中移出),并参考业务队列和达到速率信息决定分配的时隙数量。获得带宽资源的终端移到rtPS表的末尾。当终端已有一个正在传输的UGS业务时, rtPS业务使用捎带方式发送带宽申请。

(3) nrtPS业务:

根据前面的介绍,已经知道nrtPS业务对时延没有要求,但有最小传输速率要求,因此终端在发送该类业务请求时需要标明最小传输速率、终端队列长度和业务到达速率信息,以便调度器为该类业务分配合理的带宽。卫星收到请求后,将终端放入nrtPS表末端,但并不将终端从OFF表中移出。之后按请求时隙中的信息,为其分配相应带宽。同rtPS业务一样,获得带宽资源的终端移到nrtPS表的末尾。当终端已有一个正在传输的UGS业务时,nrtPS业务使用捎带方式发送带宽申请。

(4) BE业务:

此类业务对服务质量没有任何要求,可使用最简单的带宽请求和分配方式。请求时隙中除了业务类型和终端ID外,不再需要标注其他信息。卫星在收到该类请求后,将终端放入BE表的末端,同时保留终端仍在OFF表。调度器完成前面几种业务的分配后,若有剩余时隙则将其分配给BE表前面的终端,并将获得带宽的终端移到BE表的末尾。当终端已有一个正在传输的UGS业务时,BE业务使用捎带方式发送带宽申请。

对于上面的每种业务,当业务连接终止时,需要向星上调度中心发送OFF标志,以终止其对信道资源的占用。有UGS业务连接的终端使用捎带方式发送某个业务的传输结束,否则,利用分配的请求时隙发送OFF标志。同时将终端从响应的业务类型表中清除,并将其置于OFF表的末端。

3 结 语

随着卫星网络支持的用户数量及业务种类的增加,本来就有限的卫星信道资源变得更加紧缺。解决不同用户和不同优先级业务对信道的共享问题是目前研究的热点。本文在BTDAMA接入控制协议的基础上,针对其分配算法的不足,提出了一种改进方案。采用IEEE 802.16的分类标准,将用户业务分为UGS,rtPS,nrtPS和BE业务,并在星上根据业务类型采用不同分配算法。既保证了不同业务的服务质量,同时提高了信道资源的利用率。为了实现更高的信道资源利用率,对请求时隙的数量和帧长的设计仍是未来需要研究的问题。

摘要：为了提高宽带卫星网络上行信道资源的利用率,同时保障多媒体业务的不同服务质量要求,需要采用合适的媒体接入控制协议。BTDAMA可以显著减少自相似业务的等待时延,并且提高了资源利用率。但它没有区分业务类型,不能保证高优先级业务的服务质量,也造成了一定程度上资源的浪费。在BTDAMA的基础上提出了一种基于业务优先级的带宽分配算法,针对不同的业务类型采用不同的分配方案,不仅保证了各类业务的服务质量,同时提高了资源利用率。

关键词：宽带卫星网络,MAC协议,业务优先级,BTDAMA

参考文献

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[3] MITCHELL P D, TOZER T C, GRACE D. Bandwidth assignment scheme for ON-OFF type data traffic via satellite [J].IEE Electronics Letters,2001,37(19):1191-1193.

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[10] 王伟.宽带静止轨道卫星系统接入控制方法的研究[D].上海:复旦大学,2008.

卫星网络协议 篇5

近年来, 因特网的飞速发展使得提供高速因特网接入服务成为卫星通信的一个重要应用领域。在下一代宽带卫星通信网中, 媒体接入控制协议 (MAC protocols) 是卫星网络数据链路层的一个重要协议, 在保障各种类型业务服务质量的同时, 还要负责卫星及其接入系统对卫星信道资源的访问, 其对于提高信道利用率至关重要[1]。由于在卫星通信中的传输时延要大得多, 所以通常地面网络中的局域网MAC协议不适合卫星通信网络, 需要设计新型的MAC协议。

总的来看, 现有卫星网络中的MAC协议可以分为以下四大类:固定时隙分配协议 (Fixed Assignment Multiple Access) 、按需请求分配协议 (Demand Assignment Multiple Access) 、随机接入协议 (Random Access Multiple Access) 和混合式协议 (Combined Multiple Access) [2]。本文提出了一种混合式MAC协议, 该协议通过将固定时隙分配和按需请求分配协议相结合, 并通过在协议中添加参数调节机制调整固定时隙分配和按需请求分配这两者的比例, 增加了协议的灵活性和适应性。

1S-MAC协议设计和算法概要

1.1帧结构

在S-MAC协议的帧设计中, 我们采用如图1所示的帧结构。每一帧中设置有32个时隙, 其中选取前面一部分作为固定时隙分配, 剩余的用作按需请求时隙分配, 而用作固定时隙分配的时隙数占整个帧的时隙数的比例为α, 我们可以通过α参数来调节固定时隙分配和按需请求分配的比例。S-MAC协议帧中的一个时隙对应的是类似于802.11标准的一个帧结构。分为帧控制、持续时间、地址、序列控制、帧体和帧校验部分。帧控制字段是工作站之间发送的控制信息, 其定义了该帧是管理帧、控制帧还是数据帧。

1.2S-MAC协议描述

S-MAC协议的固定时隙分配部分采用一种固定轮询的方法, 它依次检查当前所有的活动节点, 如果此活动节点有请求, 就将下一时隙分配给这个节点, 然后再检查下一个活动节点, 如此过程循环一直到固定时隙分配部分已经全部分配完毕。

S-MAC协议的按需请求时隙分配部分引入了分配者和请求者的概念, 当发送时间到的时候, MAC层的TDMA代理就从接口队列中减少一个分组并且将它发送到物理层, 发送结束之后如果时隙还没有被全部分配, 代理将会继续传送其他分组。此外, S-MAC协议支持部分的分组传送, 这就意味着时隙分配结束时, 剩下还没有被分配完毕的数据分组将会放到下一个时隙中传送。

请求者/分配者模块参与时隙分配的过程。每个地面节点的请求者提交一个预先定义好的请求数目给主控制器。各种请求计算的机制是基于监视进入接口队列中数据量来实现的。分配者首先读出所有的通信终端请求并且生成一组分配额的向量, 以便于实现之后的按需分配。

本文中采用的按需分配是按比例分配。根据按比例分配的方案, 分配给每个活动终端的带宽与它自身提交的请求数是成一定比例的。用i代表活动节点号并且作为下标, Ri即是该活动节点的请求数目, 分配者代理计算出所有请求节点的请求总数$R={\displaystyle \sum _{i}R}{}_i‚{\rm N}{}_s$代表一个帧中的时隙数目, 本文中设置为32, 因此分配给一个通信终端i的时隙数就等于${\rm N}{}_s\times \frac{R{}_i}{{\displaystyle \sum _{i}R}{}_i}={\rm N}{}_s\times \frac{R{}_i}{R}$。

1.3算法概要

S-MAC协议的算法伪代码实现如下:

2仿真结果及分析

我们通过计算机仿真对S-MAC协议的性能进行分析, 仿真工具采用功能完善的网络模拟软件NS2, 主要仿真参数如表1所示。

网络拓扑如图2所示, 仿真中设置了三个地面站和一个GEO的简单卫星网络拓扑。其中, 地面站0与地面站1、地面站2进行TCP通信;此外地面站0与地面站1、地面站2还进行着UDP通信, 设置它们的UDP通信速率为2Mbit/s。地面站0、1、2三者的初始请求根据通信量估算分别设置为8、8、16。

评价卫星网络中MAC协议的性能指标主要包括协议的时延和吞吐量性能[3,4,5,6]。定义吞吐量为在不丢包的情况下单位时间内通过的数据包数量, 单位是比特每秒。我们最终得出的仿真数据如图3所示。

图中绿色的线代表S-MAC协议中固定时隙分配占总的MAC帧部分1/4时的TCP吞吐量, 蓝色的线为纯按需请求分配DAMA, 红色的线为纯固定分配FAMA, 可以明显看出固定时隙分配的吞吐量远远落后于前两者, 因为固定时隙的分配会造成信道资源的浪费, 信道利用率不高。而混合式S-MAC协议在仿真开始时与纯DAMA相差无几, 但是从第20秒开始逐渐超过纯DAMA按需分配的吞吐量, 在仿真结束时吞吐量超出DAMA有2Mbit/s。

端到端延时性能如图4所示, 可以看到S-MAC协议在第7秒到第15秒期间的延时性能不理想, 明显高于其他两者, 但是S-MAC协议端到端时延陡降的时刻点比其他两者提前了10秒左右, 再往后的S-MAC端到端时延则稳定在1秒以内。这是由于分配者对于请求者的请求带宽响应分配已经趋于合理, 通信信道利用率增加的原因。

3结论

S-MAC协议考虑了卫星通信中的CBR业务传输速率稳定, 较适合用固定分配的特点, 采用将固定时隙分配和按需请求分配相结合的方法, 有效提高了卫星通信的吞吐量。在仿真前半阶段, 时延性能方面还不能突出体现出S-MAC优点, 但在后期开始稳定通信时弥补了前面的缺陷, 达到较为理想的性能。在今后的研究中, 需要根据各种环境下的卫星通信, 设计更为完善的帧结构和MAC协议, 以实现最优性能。

摘要：媒体接入控制协议是卫星网络的一个重要协议。为提高卫星通信网络的信道利用率, 提出一种将固定时隙分配和按需请求分配相结合的混合式S-MAC协议。仿真结果表明:S-MAC协议在吞吐量性能上明显优于现有的纯固定分配, 在仿真的后期逐渐超过纯按需分配的吞吐量, S-MAC协议在提高信道利用率的同时, 保持了较高的吞吐性能和传输时延性能。

关键词：卫星网络,媒体接入控制,S-MAC协议

参考文献

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基于XTP的卫星协议网关设计 篇6

随着信息技术的迅速发展, 通信手段越来越丰富。卫星通信作为一种重要的通信方式, 在数字通信技术的推动下, 得到了迅速发展, 卫星信道已经成为IP网络宽带传输的一个重要手段。但是, 卫星链路固有的长时延和高误码率等特点, 对TCP/IP协议的数据传输机制产生了严重的影响, TCP/IP协议直接应用于卫星信道时, 将导致卫星链路的利用率降低。如何提高TCP协议在卫星链路的传输效率, 已经成为卫星应用和网络技术相结合的研究热点[1,2]。

提高基于卫星信道的TCP协议传输性能可以采用2种手段:①采用协议欺骗技术, 设计接入卫星信道的协议网关;②改进标准的TCP协议机制, 使其能够适应卫星信道的特点[3]。本文提出一种基于XTP协议的卫星协议网关设计方案。

1 XTP协议分析

XTP通信协议具有非常适合于卫星链路数据传输的通信机制。

路由MTU:在OSI模型中从物理层到应用层, 各层次的功能相对独立。在模型中, 为了适应特定的数据链路, 传输层将每一数据报文分割成新的更小的数据报文。XTP协议采用路由MTU来避免重复分割和重组报文。所谓路由MTU, 是指在整个路由路径上最小的MTU。采用路由MTU传输数据时, 路由器不需要对接收和发送的报文进行分割或重组, 避免了路由器对数据报文的重复操作。

动态调整传输窗口:XTP协议可动态调整传输窗口大小, 这一特点能够提高高带宽时延积网络 (例如卫星网络) 的吞吐量[4]。

速率和流量控制机制:TCP使用流量控制来实现慢接收者对快发送者的保护, 通过流量控制窗口的命令来启动或者停止数据的发送, 这会导致数据吞吐量的动态波动。XTP协议在采用传统的更正和错误检查机制的同时采用了错误预防机制, 接收方采用动态地利用速率和突发控制的手段, 来调整发送方的传输速率。

连接管理机制:采用TCP协议, 至少需要采用7个分组来完成一次数据交换;建立和确认通信连接需用3个分组, 发送和确认数据最少需要2个分组, 最后关闭连接需要2个分组;当采用XTP协议时, 可靠地传输一块数据一般只需要3个分组、甚至只采用2个分组即可完成小数据块的传输[5]。

选择性重传:标准TCP协议使用返回n的重传机制, 该机制从接收的第1个丢失或错误字节开始重传, 这一机制很好地适应了地面局域网。该机制用于卫星网络时, 高误码率和长时延特点会使得该机制大大降低卫星信道的效率。XTP协议可采用选择性重传机制, 在该机制下, 由于信息接收方会向发送方确认已经正确接收的数据范围, 所以发送方只需要重新传送原来传输过程中出现错误的数据, 该传输机制非常高效[6,7]。

2 方案设计

2.1 协议分段和协议欺骗

协议网关的设计采用协议分段和协议欺骗的原理。

协议分段原理:协议分段指在卫星网络的接入点添加一个协议转换设备, 称之为协议网关, 在卫星信道的两端通过该设备将地面网络接入卫星网络。协议网关将一条TCP连接分为2种连接:协议网关与地面网络的连接;协议网关之间通过卫星信道的连接。协议网关与地面网络终端之间的连接采用原来的标准TCP协议, 协议网关之间采用专用的符合卫星信道特点的通信协议, 2种协议之间的转换由协议网关来完成。

基于协议转换设备 (协议网关) 的网络结构如图1所示。

协议网关的设计采用协议欺骗的方式。在采用TCP协议进行数据传输时, 传输过程中确认信号 (ACK) 会由于卫星链路时延长 (与地面网络相比) 而发生延迟, 该延迟会导致TCP协议认为数据包丢失或错误而进行重传, 从而致使相同的数据包被多次传送而阻塞传输链路。协议网关采用协议欺骗机制, 当协议网关接收到数据报文时, 会代替目的数据计算机向源数据计算机发送数据接收确认信号, 用以欺骗源数据计算机, 让其认为数据包已经成功送达目的数据计算机, 用以缩短ACK确认信号在卫星网络的传输时延, 这样既节省了卫星信道带宽, 又提高了TCP协议的信道吞吐量。

2.2 基于XTP协议网关的数据流设计

通过分析TCP协议的数据交互过程, 可以在卫星链路和地面链路之间增加协议网关, 引入协议欺骗机制, 在卫星信道使用XTP进行数据传输, 增加卫星链路的数据吞吐量。本文设计的基于协议网关的TCP交互过程如图2所示。从图中可以看到使用协议转换网关时, TCP协议在卫星信道的数据传输过程被分为3个阶段:连接建立阶段、数据传送阶段和连接释放阶段。

连接建立阶段:当协议网关NG1接收到发送端主机1的TCP连接建立申请数据包 (SYN=1) 时, 生成一个包含TCP连接信息的XTP数据包, 并将该数据包通过卫星链路发送给对端的协议网关NG2, 同时为本条TCP连接和XTP连接的相关信息申请存储空间并记录;协议网关NG1发出的XTP连接申请数据包到达协议网关NG2, NG2生成XTP的连接建立信息并回传给NG1, 同时向接收端主机2发送SYN请求数据报文, NG2还为本条TCP连接和XTP连接的相关信息申请存储空间并记录;协议网关NG1收到NG2的XTP连接建立应答数据包时, 建立连接, 同时更新存储的有关XTP连接状态的信息;接收端主机2收到NG2发来的TCP连接建立请求后, 通过返回ACK来确认该请求, 同时对初始接收窗口大小做出规定, 接收端主机2组织连接应答 (SYN+ACK) 数据包向主机1发送;NG2接收到连接应答 (SYN+ACK) 数据包后, 在将该应答报文通过已经建立的XTP连接传送给NG1的同时, 向接收端主机2发送接收确认报文, 确认已经收到了连接应答 (SYN+ACK) 数据包, 同时对有关TCP连接状态的信息进行更新;NG1接收到主机2返回的连接应答 (SYN+ACK) 数据包后, 向发送端主机1发送连接建立应答信息, 并对存储的本条TCP连接状态信息进行更新;主机1发送的 (SYN+ACK) 数据包在到达NG1时, 由NG1确认并丢弃。至此, 成功地建立了一条主机1与主机2之间的连接。

数据传送阶段:主机1发送给主机2的数据包到达协议网关NG1时, NG1根据数据包携带的TCP连接信息, 代替主机2 (欺骗) 组织并发给主机1数据接收确认信息包, 主机1在接收到相关的接收确认数据包后, 认为主机2已经收到数据包, 则继续向主机2发送数据。NG1通过协议转换模块, 将主机1发送的TCP协议数据转换为XTP协议数据, 采用XTP协议实现NG1和NG2之间的数据传输, 同时备份接收到的主机1需要传输的数据包, 以备传输出错时重传使用。当XTP协议完成NG1~NG2的数据包传输后, NG1存储的数据包副本将被删除。NG2接收到NG1通过XTP协议传输的数据包后进行协议转换, 将XTP协议格式的数据包恢复为符合TCP协议的数据包发送给主机2, 同时在本地保存数据包的副本, 以备TCP重传使用。NG2和主机2之间采用标准TCP协议传输数据, 主机2在接收到TCP数据包后, 向NG2返回数据接收确认信息, NG2在收到主机2的接收确认信息后丢弃该ACK包, 并清除保存的数据包副本。数据传输主机与协议网关之间由地面网络连接, 采用TCP协议进行数据传输;协议网关由卫星网络连接, 采用XTP协议进行数据传输。在协议网关中进行TCP和XTP协议之间的转换工作。

连接释放阶段:数据传输完成后, 主机1向主机2发送FIN请求, NG1接收到该请求后, 对记录的该TCP连接信息进行更新, 并向NG2发送连接关闭请求。TCP连接关闭请求到达NG2后, NG2根据本地建立的连接信息和TCP连接关闭请求组织FIN请求并发送给主机2。主机2收到FIN请求后, 向NG2返回FIN+ACK信息。NG2收到TCP连接关闭的FIN+ACK信息后, 向主机2返回接收确认信息并释放为本连接申请的存储空间, 同时将对应的XTP连接进行关闭。NG2的连接关闭应答信息到达NG1后, NG1向主机1发送FIN+ACK的信息包并关闭XTP连接。在主机1发送的FIN+ACK接收确认信息包 (ACK=1) 返回NG1后, NG1丢弃该确认数据包同时释放为本连接申请的存储空间。

2.3 协议网关设计

采用协议网关的方式可以解决TCP协议在卫星信道的传输效率问题。在卫星链路和地面链路之间配置协议网关, 协议网关采用适合于卫星信道的XTP通信协议实现卫星链路的数据传输。协议网关主要完成如下功能:TCP协议和XTP协议的转换、协议欺骗 (spoofing) 以及数据传输。

协议网关主要由软件和相应的硬件平台组成。协议网关采用的硬件平台为标准的计算机, 该微机配置2块网卡:一块网卡连接地面网络, 另一块网卡连接卫星信道设备, 工作原理如图3所示。

协议网关软件由内核软件模块和用户软件模块组成。用户软件模块主要是采用XTP协议, 完成用户数据在卫星链路的可靠传输;内核软件模块主要实现网关内IP数据包的截获、TCP协议欺骗、TCP协议与XTP协议之间的转换等功能。

2.4 软件开发平台

协议网关的软件开发平台选用Linux操作系统内核, 基于sk_buff结构体和Netfilter架构来实现。

Netfilter提供了一个框架, 允许用规定的接口将其他包处理代码以模块的形式添加到内核中, 进行数据包的过滤和处理等, 具有极强的灵活性, 目前Netfilter已在ARP、IPv4和IPv6中实现。Netfilter是嵌入内核IP协议栈的一系列调用入口, 设置在报文处理的路径上。由此可以在Netfilter的框架中为TCP/IP协议的调用点注册多个钩子函数 (HOOK) , 每次协议栈代码执行到NF_HOOK () 函数时, 都会依次启动这些函数, 就可以对所关心的数据包进行处理[8,9,10]。

sk_buff是Linux网络代码中最重要的结构体之一, 它是Linux在其协议栈里传送的结构体, 也就是所谓的“包”, 数据包在内核的传送过程, 都是以sk_buff形式存在。通过它访问网络包里的各种数据, 这为进行网络数据报文的处理提供了方便。

3 应用测试分析

为了验证在本方案基础上开发的协议网关原理样机的性能, 利用卫星系统搭建了测试平台, 如图4所示, 测试了原理样机在实际卫星信道中的传输性能。测试中, 卫星通信采用QPSK调制方式、1/2编码+RS, 2 Mbit/s的信息速率。

通过FTP在卫星信道两端的计算机传输数据文件, 记录直接应用TCP和使用原理样机的传输时间, 通过计算得到2种方式下带宽利用率, 测试结果如表1和表2所示。

通过测试得到, TCP协议直接用于卫星信道进行数据传输时, 信道利用率为36.7%左右;采用协议网关原理样机后, 信道利用率为80.1%左右。

4 结束语

上述对XTP协议数据传输机制进行了分析, 指出了其适合于卫星信道数据传输的特点, 在此基础上, 提出了一种基于XTP协议的卫星协议网关的设计方案。采用该方案实现的协议网关原理样机在实际的卫星信道中进行了测试, 实验数据表明, 在Linux平台下, 采用本方案开发的协议网关原理样机提高了TCP协议在卫星信道的传输性能, 为协议网关设备的研制开发提供了依据。

摘要：随着卫星互联网络技术的发展, 对卫星网络协议的研究受到越来越多的关注。卫星网络与地面有线网络具有不同的物理特性和信道特性, 当TCP协议直接应用于卫星链路时, TCP协议的通信机制使得其信道吞吐量等性能受到很大的影响。XTP协议具有适合于卫星链路数据传输的通信机制, 分析了XTP协议的传输机制, 设计了基于XTP协议的卫星网关方案, 并对方案采用的协议分段、协议欺骗、数据传送机制和开发平台进行了分析和描述。研发的原理样机在卫星信道上进行了测试, 测试结果表明, 采用该方案实现的协议网关可以提高信道带宽的利用率80%左右。

关键词：XTP,协议欺骗,协议网关,卫星通信

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卫星网络协议 篇7

采用反馈确认机制的传统TCP协议[1]适用于较低误码率条件下的网络通信。在具有高误码、长延时特点的卫星链路,TCP会错误地把丢包视为拥塞,降低发送速率;卫星链路的长延时增大了TCP往返时延,延迟了反馈控制信息到达,降低吞吐量,造成卫星有限资源的严重浪费[2]。针对TCP协议应用于卫星链路的特点,提出一种高误码卫星链路下的可靠文件传输协议RFTP-S。文章首先分析了卫星链路应用TCP协议存在问题、目前主要解决办法及实现难点,进而从文件下载时间、反馈信道信息量及系统开销等方面对新提出的RFTP-S协议进行仿真对比分析,验证了RFTP-S协议的优越性能。

2 TCP协议改进方法及问题分析

TCP协议最初是为有线网络设计的,而卫星网络与地面有限网络存在着显著差别,TCP协议应用于卫星网络存在许多不足。为了改善卫星TCP的性能,目前主要的解决办法有端到端的协议修改[3]、分段连接机制[4]、跨层联合设计[5,6]、代理方案[7]等,这些解决方案功能不同,有的能够充分利用链路可用带宽,有的在随机误码情况下表现较好,但在卫星网络环境下TCP协议表现出的性能仍然不能令人满意。

归纳起来,TCP协议应用于卫星网络存在的技术难点主要有:

1)包丢失原因的辨别

包丢失原因的辨别对于提高TCP的传输性能极为重要,特别是对于误码率高的链路。TCP假定所有丢失都是由拥塞造成,并将丢失作为拥塞的指示。当出现数据包丢失时,TCP会降低发送速率以缓解网络中出现的拥塞。如果丢失是由于传输错误造成的,本来TCP应该快速重传,但是TCP却降低发送速率的做法显然是不合适的,降低了本来就已紧张的信道资源利用率。文献[8]仿真表明,当TCP能够辨别造成丢失的原因时,其传输性能确实有所提高。

2)反向链路应答拥塞

卫星链路通常都是上行功率受限,所以卫星网络不采用地面网络的对称方式,而是采用链路以一种非对称的方式工作。卫星网络前向链路和反向链路带宽的不对称性达到一定程度时,会产生用于传送应答确认的低速反向链路上的ACK应答拥塞。反向链路的容量限制导致了ACK确认信息的排队等待甚至丢失,影响窗口的更新速度或引起不必要的重传。低速反向信道会引起ACK丢失或压缩,随着非对称性的增加,吞吐率将按指数规律急剧下降。这种非对称性极大地影响了TCP协议的传输性能。

综上所述,由于TCP协议的工作机理,使得TCP不适合工作在具有高误码、长延时、非对称特性的卫星网络环境,必须寻找一种全新的完全适合卫星网络环境的文件传输协议。

为了验证TCP协议性能,搭建了基于TCP协议应用的客户端/服务器模式的FTP文件下载仿真平台,如图1所示。在不同丢包率和不同TCP协议版本下,下载5 Mbyte的文件,TCP发送段序号的仿真结果如图2所示。

随着链路误码率或丢包率的增加,收到ACK确认段的时间逐渐增大,等待时间越来越大于传输数据段的时间,造成在单位时间内,传输的数据段数量逐渐减小,即传输速率降低。由图2所知,在丢包率较小时,不同TCP协议下发送的TCP段序号差别不大,采用SACK机制的TCP协议要比传统TCP协议性能表现优越,表现在图2中曲线反应的下载时间不同。但是随着丢包率的增加,曲线总体逐渐变得平坦且抖动,抖动说明TCP发生了数据重传,曲线的斜率表示数据传输速率逐渐下降,直至TCP连接中断。这种变化趋势主要是由于启动开始阶段TCP处于慢启动阶段,当发送窗口大于慢启动门限窗口后,便进入了拥塞避免过程,当拥塞发生时,在大丢包率情况下,ACK确认分组丢失严重,重复确认几乎不会收到,超时成为引起拥塞的主要原因,慢启动门限进一步降低,拥塞窗口设置为一个报文段,这样TCP就长期处于慢启动过程,分组进入网络的传输速率长期保持在一个相当低的水平上,如图2最下方两条曲线,TCP建立连接的过程十分缓慢最终导致连接中断,FTP文件在有限时间内无法完成下载。

3)RFTP-S传输协议

笔者提出的可靠文件传输协议RFTP-S基于喷泉编码理论,完全适合卫星网络环境。喷泉码[9]是一种新颖的信道编码技术。可以由K个原始数据分组生成无限数量的编码分组,而用户只要收到其中任意M(M>K)个编码分组,即可通过译码以高概率成功恢复全部原始数据分组。RFTP-S协议通过仿真分析表明该协议具有较短的下载时间、极低的反向链路吞吐量和适当的系统开销。有效克服了TCP协议应用于卫星传输存在的技术难点问题。保证了文件传输的可靠性,特别适合于长延时、高误码率条件下的卫星通信。

采用RFTP-S文件传输,首先需要把被传输的文件相关信息即文件预处理信息传输到接收端,然后才能按传输数据包的包格式进行文件传输,其文件预处理信息的包格式如图3所示。

按RFTP-S协议进行文件传输的每个数据包的包格式如图4所示。

基于RFTP-S协议的文件传输方法按如下步骤进行文件传输:

1)在发送端进行设定,比如发送目的地,数据包长和发送速率等;

2)发送端把需要发送的原始文件按预先设定的文件片段分割成N份(N≥1),形成文件预处理信息,信息内容如图3所示;

3)发送端把文件预处理信息按喷泉编码的方法编码后发送到接收端,接收端接收到文件预处理信息后,向发送端发送接收完毕应答;

4)发送端收到接收端发送的接收文件预处理信息完毕的应答后,开始按喷泉编码方法发送第一个文件片断;

5)接收端收到第一个文件片断后进行喷泉译码,译码并正确接收后向接收端发送接收完毕应答;

6)发送端收到第一个文件片断接收完毕应答后,开始发送第二个文件片断,按此方法,直到发送完最后一个文件片断,接收端收到后,译码合并所有文件片断,文件接收成功。

4 RFTP-S协议仿真与性能分析

为验证高误码率卫星链路下采用RFTP-S协议进行可靠文件传输的可行性和可靠性,笔者与现有标准TCP协议进行仿真比较分析,模拟客户端/服务器模式,仿真平台框架如图1所示,完成FTP文件的下载仿真。

对于包长的选择,根据文献[10]结论,虽然数据分组传输成功概率存在着关于分组有效载荷长度的极值点,但是通过近似分析,极值点附近不具有实用价值,传输成功概率都是随着分组有效载荷长度的减小而单调增大,因此实际使用中尽量选取较短的分组有效载荷长度。同时考虑到分组开销和链路层数据帧长度选取范围等因素,仿真数据分组长度统一选取500 byte。

仿真参数如表1所示,TCP接收窗口大小设置为64 kbyte,链路延时为0.26 ms,对FTP文件下载分别采用TCP协议和采用RFTP-S协议进行传输,相当于在成功下载5 Mbyte大小文件所需要时间内进行仿真,仿真结果如图5所示。

从图5可以看出,当采用传统TCP协议,比如New Reno和SACK,在误码率为4×10-5即相当于丢包率为18%时,下载全部5 Mbyte文件需要将近6 000 s,即约100 min时间,这在实际应用中几乎不能忍受,而且当网络链路丢包率达到20%或以上时,TCP连接中断。

但是,当采用RFTP-S协议进行文件传输下载时,从图5中可以看出,当链路误码率达到4×10-4相当于丢包率达到80%的情况下,依然可以在较短时间内(455 s)顺利下载5 Mbyte文件。这是目前所有其他TCP及其改进版本的协议远无法完成的。RFTP-S协议可以在不可靠的网络上(只要网络不完全中断)完成正常通信。

基于RFTP-S的文件传输协议采用半反馈确认方式,仿真框架如图1所示,仿真结果如图6所示。当采用TCP协议时,随着丢包率逐渐增加,ACK报文进一步丢失,RTT逐渐增大。在TCP慢启动/拥塞控制阶段,均是以RTT为单位进行拥塞窗口调整,较大的RTT直接导致了窗口内的调整速度较低,吞吐量进一步降低。同时另一方面,因为TCP流量控制的基础是自同步机制,ACK的接收速率决定数据报文的发送速率,反向信道的拥塞会造成对TCP在前向信道报文发送的抑制,对吞吐率产生负面影响,表现为图6中TCP-SACK曲线逐渐平坦,吞吐量逐渐降低。

但是当采用RFTP-S协议时,只有当接收端正确收到文件信息包、文件片段及全部文件时才通过反向信道向发送端发送ACK确认信息,而不必对每个收到的数据包发送反馈确认信息,甚至可以不发送确认信息,因此反向信道吞吐量极小。而且发送端发送信息速率不依赖于反馈信息,没有因为数据拥塞或丢失而重传发送数据的机制。图6中最下方RFTP-S代表的曲线(为清晰起见,图6纵坐标起始点为-100 kbit/s)。反馈信息量明显低于采用TCP协议产生的反馈信息量。因此,尤其适用于高误码率长延时的卫星通信需求。

采用RFTP-S协议进行文件传输时会产生一定的系统开销,通过搭建如图1所示的仿真平台,设置源文件大小为5 Mbyte,观察在不同链路丢包率下系统的开销情况,如图7所示。其中,系统开销代表在一定时间内收到的数据包(Pocket)数量。

如图7所示,当采用不同的文件传输协议传输同样大小的文件时产生的系统开销有很大的区别。当链路的误码率为零或者很小时,用TCP协议传输时需要重传的数据量很小;而采用RFTP-S协议时,由于协议固有的算法,系统开销不会因为链路误码率减小而相应减小,相反,RFTP-S协议产生的系统开销与链路误码率基本上成线性关系。因此,在仿真误码率较小时,TCP协议在系统开销方面表现的要比RFTP-S协议性能优越。但是随着误码率的增加,TCP会因为协议算法原因造成大量的数据重传进而使系统开销急剧上升,而此时RFTP-S协议因为与链路误码率之间良好的线性关系,其产生的系统开销较小。在链路误码率足够大时,使用TCP协议已经无法完成正常的文件传输,但是RFTP-S协议能够顺利完成文件传输。虽然采用RFTP-S协议会产生额外的系统开销负担,但换来的是在恶劣网络环境下系统良好的可靠性。因此RFTP-S协议非常适用于高误码率卫星链路下的可靠文件传输。

5 小结

针对目前TCP协议应用于卫星通信尤其是高误码率条件下卫星通信的性能缺陷,提出了更适合这种卫星通信环境的RFTP-S可靠文件传输协议。RFTP-S协议较传统TCP传输控制协议有本质区别,具有很多明显的优势。比如高误码条件下较短的接收时间、极小的反馈信息量以及适当的系统开销代价等。这些特性使RFTP-S协议都非常适合高误码率条件下的卫星通信。通过模拟实际卫星网络传输中使用RFTP-S协议进行文件传输,通过控制地面干扰设备人为增加干扰使其链路丢包率达到80%甚至更高,成功接收了预定传输文件,而在同等条件下使用基于TCP连接的FTP进行文件传输时则完全不能成功接收。因此,本文中的RFTP-S可靠文件传输协议在高误码、非对称卫星传输环境下具有广阔的应用前景。

摘要：设计了一种TCP的替代协议,即基于喷泉编码的半反馈可靠文件传输协议,称为针对卫星链路的可靠文件传输协议(RFTP-S)。仿真结果表明,在误码率为4×10-4环境下,RFTP-S能够以19%的系统开销在455s内成功下载完成5Mbyte大小的文件,与TCP协议相比,有效提高了链路利用率和网络吞吐量,特别适合高误码、长延时卫星网络环境。

关键词：传输协议,卫星网络,高误码率

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卫星通信MAC协议的发展研究 篇8

媒体访问控制 (M A C, M e d i u m Access Control) 的意思是安排调度一组相互之间竞争的通信体对共享媒体资源的接入。由于无线资源具有稀缺性和共享性, 如何安排若干的通信终端有序、高效地使用共享的有限的无线资源则是MAC协议研究的内容。随着通信的发展, 无线电资源越来越紧张, 尤其是对于卫星通信, 不仅无线资源带宽有限, 而且卫星的功率也是有限的, 因此如何在有限的带宽资源下提高带宽的利用率, 传输更多的数据是推动MAC协议研究不断深入的动力。

1卫星通信与MAC协议的发展

卫星MAC协议的发展是卫星通信技术发展的体现, 随着卫星通信技术的不断发展和业务需求的不断增多, 使用的卫星MAC协议也不断变化、研究越来越深入, 提出了各种不同的协议。

1.1卫星通信与MAC协议的发展过程

从1965年美国第一颗真正意义上的通信卫星发射至今, 卫星通信经历了巨大的发展变化过程, 从卫星网络的技术发展来看可以分为几个主要阶段:点对点中继通信、广播通信、VSAT (小口径地面终端网络) 、窄带个人移动通信、宽带多媒体移动通信。

在点对点中继通信中, 不存在多个地面站同时接入卫星的情况, 因此媒体访问控制层不需要多址接入控制。对于广播通信, 主要提供广播服务, 若干地面终端接收卫星的广播信号 (主要是视频和音频广播) , 只有很少甚至没有地面接收终端到卫星的反向接入链路要求, 因此媒体访问控制层不需要复杂得多址接入控制。

随着卫星通信网络的发展, 出现了VSAT网络, 由若干小型地面站通过卫星组成一个固定的网络, 提供语音、视频和数据服务, 地面站与卫星之间具有双向通信链路, 多个地面站共享卫星反向链路, 因此需要多址接入协议对多个地面站接入卫星进行控制。在VSAT网络的发展初期, 由于地面站的数量较少, 一般采用频分复用方式, 即卫星信道总的带宽被频分为若干子带, 每个子带作为一个信道, 每个VSAT地面站固定分配一个或多个子带;随着VSAT网络规模的扩大, 固定分配信道的方式则不能支持数量众多的地面站, 因此, 提出了按需分配的动态信道分配方式, 并伴随时分复用技术的出现, 提出了多种按需分配的多址接入协议及改进。但是, 由于卫星通信业务的种类的增多, 尤其是突发性数据业务的增多以及多业务的混合传输给多址协议的设计提出了严峻的挑战, 目前对于VSAT网络的多址接入协议尚且没有公认的较好的协议, 随着业务需要和技术的不断发展, MAC协议的研究仍在积极进行。

随着个人移动通信需要的快速增长, 卫星个人移动通信也得到了迅速发展, 目前已经建成了具有代表性的全球个人移动通信系统——“铱星”和“全球星”卫星系统, 以及基于同步卫星的Inmarsat全球通信系统;另外, 还有北美移动、亚洲蜂窝、阿拉伯移动通信等一系列的基于同步卫星的区域性个人移动通信系统。这些个人移动通信系统的特点是支持数量众多的个人手持终端, 主要面向语音通信和低速的数据业务, MAC协议对于语音信道的分配主要是采用按需分配的方式, 而对于数据业务的信道分配方式一般没有公开, 具体的MAC协议设计各个系统是不同的, 是不公开的, 因此文献中较少提到这些系统的MAC协议的设计。在公开发表的论文中, 对于语音和数据综合传输的MAC协议进行了较多的研究, 提出了多种协议设计。

随着地面Internet的迅猛发展, 互联网的大规模商用化、网上内容的爆炸性增长、特别是流式媒体的流行, 给互联网带来骨干阻塞、远程接入困难、内容分发/传递速度慢等诸多问题, 而卫星通信所具有的独特特点正好能够满足地面网络的不足, 因此, 卫星通信与地面互联网的结合成为一种必然。目前, 利用卫星接入互联网业务已经投入使用, 并且随着宽带多媒体卫星通信的发展而迅速增长。卫星接入Internet多媒体业务给MAC协议提出了新的挑战, Internet多媒体业务包括固定速率 (CBR) 、可变速率 (VBR, 包括实时和非实时业务) 、无特定要求速率 (UBR) 等多种类型的数据, 并且各类业务要求的服务质量 (QoS) 不同, 而由于卫星通信本身固有的特性, 比如长时延、高误码率等, 对于MAC协议既有充分利用卫星信道又要保证各类业务的服务质量要求是一个挑战, 目前关于这方面的研究正积极进行, 提出了一些协议方案, 但主要是针对特定的卫星应用场景和业务类型, 在以前协议基础上进行改进, 不能达到最优状态, 而部分协议方案采用最优化算法, 实现复杂, 不具有可实现性。目前, 仍没有适合多类型业务的简单、高效且具有普适性和可扩展性的卫星MAC协议, 这也是MAC协议研究的目标。

1.2卫星MAC协议的分类

通过对卫星网络的发展过程和卫星通信业务的变化及其对卫星MAC协议的要求的分析, 可以看出卫星MAC协议是随着卫星通信的不断发展而变化的, 随着卫星通信技术的不断更新和业务类型的不断增多, 对卫星MAC协议提出了越来越严峻的挑战, 针对这些变化, 提出了多种MAC协议, 主要可以分为以下几个基本类型:

随机接入

随机接入机制[1]是最早提出的用于分组无线传输的多址接入协议, 1970年由夏威夷大学提出。在随机接入机制中, 所有时隙对于所有用户都是可用的。每个用户可以在随机选择的任何时隙发送自己的数据, 而不需要任何请求。如果发生了冲突, 数据将被破坏, 需要重传。这种方式最终导致的结果是时延大小不确定, 在低负载情况下, 时延较小, 而在高负载时, 时延很大, 不能保证时延要求和业务服务质量, 尤其是不能适合实时业务传输;另外, 随机接入的信道利用率很低, 不能充分利用无线链路资源。

固定带宽分配

在固定分配多址协议[1,3]中, 分配给每个地面站的信道带宽是静态分配的, 不依赖于地面站的行为, 信道分配是受到严格控制的, 不能适应业务流的变化。固定分配多址协议可以分为正交固定分配多址协议 (TDMA和FDMA) 和伪正交固定分配多址协议 (CDMA) 。对于具有稳定的、可预测业务流参数的少量地面站 (<10) 组成的卫星网络, 固定分配多址协议是效率最高的技术。FDMA是最早应用于卫星的多址接入协议, 后来逐渐被采用基于TDMA的多址协议所取代, 目前, 基于两者结合的MF-TDMA多址协议的应用越来越广泛。对于固定带宽分配方式, 能够很好地保证服务质量 (QoS) , 但是存在带宽浪费问题, 使得网络容量受到限制;这种方式对于突发性数据, 尤其是具有大的均峰值比的变比特率 (VBR) 数据业务带宽浪费严重。因此, 对于多类型业务的综合, 固定分配多址方式不能充分利用链路带宽。

按需分配多址接入

按需分配方式[1]是为了解决固定分配造成的对带宽的浪费问题。在按需分配多址接入机制中, 分配给地面站的时隙是根据地面站的等待发送的数据队列的占用情况决定的。协议由两个阶段组成:信道请求和数据传输。这种机制使得系统能够容纳地面站时变的带宽请求, 不会造成带宽的浪费。这种机制的缺点在于时延较大, 对于GEO卫星从地面站发送带宽请求信号给卫星, 到数据到达目的地面站所经历的时延近0.5秒, 但是, 能够容忍一定程度的时延和时延抖动的实时VBR业务可以使用这种机制。

自由分配

在自由分配机制[3]中, 当所有固定和按需分配的时隙都已经分配之后, 剩余的时隙则称之为自由时隙, 按照某种自由分配的原则分配给地面站。这些自由时隙能够降低端到端时延, 减轻地面站队列的拥塞, 增加整体吞吐量。目前, 自由分配技术主要有轮寻、加权轮寻、基于优先级的自由分配等。

混和多址协议

由于单一的资源分配机制难以解决同时满足多类型业务的QoS与充分利用链路带宽之间的矛盾, 混和资源分配机制利用了不同机制的优点, 目前主要有以下几类混和资源分配机制。

1) 随机/预约组合机制

随机/预约组合机制[1,4,5]结合了按需分配 (预约) 机制和随机接入机制的优点。卫星调度器按照地面站的预约分配时隙, 没有被预约的时隙则用于地面站的随机接入。这种机制在低负载时能够实现低延时, 在高负载时能获得高的信道利用率;缺点在于需要调度器监视随机接入信道可能发生的冲突, 并且需要一种可靠的冲突检测机制, 这样导致较大的处理时间和可靠性问题。

2) 固定/按需组合分配

在这种机制[1,6,7]中, 地面站总是保证一定的固定带宽分配, 剩余带宽的分配按照按需分配的方式。分配给地面站的固定带宽的数量是一个需要考虑的重要问题, 如果分配太少, 与按需分配方式相比性能提高太少, 而如果固定分配带宽太大, 未使用时隙可能增多导致带宽浪费。因此, 这种机制的效率依赖于系统负载和分配给地面站的固定带宽大小。

3) 自由/按需组合分配

在自由/按需组合分配 (CFDAMA) 机制[1,8,9,10]中, 预约时隙根据地面站的要求分配, 剩余时隙根据自由分配原则分配给地面站, 一般采用轮寻或基于某种加权算法。

总之, 随着卫星通信的发展, 对于卫星MAC协议的要求不断提高, 对于卫星MAC协议的研究也不断深入, 但是许多的多媒体MAC协议都是基于七八十年代提出的传统的自由、预约和混和多址方式, 目前在卫星MAC层软QoS技术方面仍然没有大的突破和新的思想[11], 尤其是对于未来卫星网络面向全交换方向发展和多媒体数据业务为主的应用没有进行针对性的研究。

2我国卫星通信的发展现状

我国卫星移动通信正处在一个大发展阶段, 目前已经建成了两个区域移动通信系统, 但受到技术力量的限制, 系统的通信容量相对较小, 支持的业务类型很有限, 主要是语音通信, 与国外已有的区域移动通信卫星系统 (比如亚洲蜂窝、阿拉伯移动通信系统等) 相比差距还相当大。

从国家长远发展来看, 必须大力发展我国自己的卫星移动通信系统, 以满足未来卫星通信支持多终端、多类型业务的需要 (比如低速的语音、传真等业务, 高速、实时的视频等多媒体业务, 遥感图像等高速数据业务、短信报文等突发数据业务…) , 目前我国还没有能够满足要求的卫星通信系统。

3卫星通信MA C协议的发展趋势及思考

卫星通信MAC协议是随着卫星通信网络和技术的发展而发展的。未来卫星网络总的发展方向是全交换网络、宽带网络、支持多类型的业务、多媒体数据通信为主、保证业务服务质量 (QoS) 、支持多类型地面终端、具有可重构性等。

尤其是随着卫星通信业务需求的发展和变化, 要求卫星系统能够同时传输多种类型的业务 (比如低速的语音、传真等业务, 高速、实时的视频等多媒体业务, 遥感图像等高速数据业务、短信报文等突发数据业务…) , 并且能够保证各类不同业务的服务质量 (QoS) 要求, 对于卫星MAC协议提出了新的挑战。而且考虑到星上处理能力的限制, 对于卫星MAC协议不可能采用过于复杂的机制, 应该尽可能地使协议易于实现。

目前提出的各种MAC协议为了适应业务类型的综合, 一般采用混和机制的方式, 但是这种方式对于业务和网络的针对性强, 不能灵活适应业务的变化和网络的重构;有的则采用基于最优化理论的算法, 算法复杂, 难以在星上实现, 因此, 为适应未来卫星通信网络的发展, MAC协议的发展方向应该集中于如何在MAC层为多种类型业务提供具有不同QoS保证的多址接入, 获得高的吞吐量、保持信道稳定性, 具有低的协议开销和小的接入时延, 同时应该易于实现、健壮、适应网络的重构。

我国在卫星MAC协议方面目前还没有展开系统性的研究, 尤其是在卫星MAC协议提供具有QoS保证的多种类型业务综合多址接入方面的研究还很少。为适应我国卫星通信发展的需要, 必须开展关于卫星通信MAC协议方面的研究。

卫星移动通信的特殊性 (长时延、链路损耗时变性、地理位置分散性强、终端数量大、业务类型多、要求高效率等) , 需要MAC协议能够克服3个主要的问题:时间屏障、动态性屏障和经济性屏障。

时间屏障的出现是因为随着往返时延的增大, MAC协议的效率将降低。MAC协议的效率依赖于归一化的多址接入控制对媒体带宽资源的消耗量v0和vp往返时延, 以及多址接入控制指令的处理方式:, 其中系数a≥1依赖于MAC算法, 系数b依赖于MAC指令处理, 如果串行处理, b=1, 如果并行处理b=0, 因此, 提高MAC效率就是要设计算法使得a尽可能接近1。

动态性屏障问题的本质原因是具有超帧结构的并行处理预约MAC机制的动态不稳定性。这些方法的协议效率, 其中J是超帧中固定的或自适应的数据时隙的数量, N是超帧中预约 (控制) 子时隙的数量。随着业务强度的增大, 协议效率越来越依赖于系数a=N/J。

经济性屏障是由于卫星集中式控制体系所造成的资源开销, 使得成本不能降低。

对卫星MAC协议进行研究需要致力于解决这三个方面的问题, 其中需要重点研究几个关键技术, 包括:信道分配算法、调度机制、接入控制机制、切换技术和排队策略。

4结论

本文对卫星通信的发展阶段进行了概述, 并分析了各个阶段对于卫星MAC协议提出的需求和发展概况, 同时分析了我国目前卫星通信中MAC协议的发展现状, 提出了卫星通信MAC协议的发展趋势以及对我国发展卫星通信的思考和建议。

摘要：概述了卫星通信的发展阶段以及各个阶段对于卫星MAC协议的需求和发展概况, 同时分析了我国目前卫星通信中MAC协议的发展现状, 提出了卫星通信MAC协议的发展趋势以及对我国发展卫星通信的建议。

卫星网络协议 篇9

多终端要共享带宽有限的无线信道, 需要有效的多址接入协议来更好地利用信道资源并满足不同的需求。传统的卫星数据链多采用单一时分多址 (TDMA) 工作方式[1,2], 频带利用率低, 不能有效地满足多种业务的接入需求, 在现代卫星带宽不敷使用的情况下, 已经远远不能满足信息化战争的需要。本文参考现代宽带通信卫星系统, 在卫星高速数据链系统中引入了多载频时分多址 (MF-TDMA) 协议。该协议采用频分和时分相结合的二维多址方式, 具有高效性和灵活性, 可以实现信道资源的动态调整和对带宽的高利用率。同时, 为了满足不同优先等级用户的使用需求, 引入优先级机制, 提出了一种具有优先级的MF-TDMA协议, 该协议通过在随机预约区间增加固定预约时隙, 来实现高优先级节点预约请求的发送。理论分析和仿真结果表明, 具有优先级的MF-TDMA协议在保证了较高吞吐量的基础上, 能够有效地降低高优先级用户的平均等待时延, 系统性能得到了明显提高。

1 MF-TDMA协议描述

MF-TDMA多址接入协议是一种按需分配的多址方式, 用户根据业务需求动态地向卫星申请上行链路信道, 卫星上存有时隙分配表, 在执行完时隙分配后通过下行链路向各个用户广播时隙分配信息, 这样用户才能在属于自己的发送时隙发送数据包。协议重点在于时隙分配算法的实现, 其过程可以分为两步:第1步是确定在哪个载波信道中为用户分配资源;第2步是如何在该信道中确定分配给用户的可用时隙资源[3,4]。具体的时隙分配流程如图1所示。

首先, 用户在预约时隙通过上行链路向卫星发送预约包, 卫星收到预约包后从中获得该用户的预约信息, 然后将预约信息插入时隙分配表中。

其次, 卫星根据用户资源申请要求, 选择相应的载波信道, 判断该载波信道是否有足够的时隙, 如果满足用户请求分配的时隙, 则继续进行时隙分配;如果不能够满足用户的需求, 则进行载波调整, 为用户选择其他载波信道。

在时隙分配阶段, 时隙以时隙块的方式被分配给用户, 采用倒序编号资源二叉树作为时隙管理模型, 在资源树的各层中查找最合适的节点, 然后将其代表的时隙组分配给该用户。如果符合用户要求的时隙组没有被占用, 则直接分配;如果该组内有被其他用户占用的资源, 则进行时隙块调整, 若调整成功, 那么分配该时隙组, 若调整不成功, 重新进行载波信道的选择。

最后, 卫星通过下行链路发送时隙分配包告知用户时隙分配情况, 以便使各用户能在规定的数据时隙发送数据包。

2 性能分析

为了提高帧效率, MF-TDMA多址协议将用户的业务申请时隙安排在几个帧内传输, 这几个帧又组成一个超帧, 如图2所示, 以一个典型的MF-TDMA系统为例, 一个超帧由5帧构成。时隙分配时, 将用户请求的时隙数进行划分成符合二叉树各层时隙组大小的块, 即分成若干个2x的和 (即N=2k+2l+…+2m, 其中lb N>k>l>m>0) 。在倒序资源树结构的每一层中, 分别对各块进行资源搜索, 并对相应的时隙进行分配。

2.1 延时分析

卫星数据传输的时延主要是从发送终端产生发送数据到接收终端收到全部信息的时间间隔, 通常由4个部分构成:传播时延、传输时延、排队时延和处理时延。为简化分析, 本文仅考虑从用户发送业务申请到数据包开始发送之间的等待时延, 而不考虑发送端数据包的传输时延和传播时延[5,6,7]。

采用固定帧长的方案, 每一个用户在预约时隙中以S-ALOHA竞争的形式进行预约。设随机预约区间长度为D=mv, 数据区间长度为U, 则帧长为T=D+U。系统总的平均等待时延W为随机预约时延W1与数据传输等待时延W2之和。

1) 随机预约时延

假设某用户的一个预约分组在某帧中随机选择一个预约时隙发送, 若成功到达, 则进行数据时隙分配;若在规定的时间Twait内未正确接收到CTS帧, 就认为发生碰撞, 那么, 该预约分组再随机选择一个预约时隙重发, 直至发送成功。

随机预约时延主要由4部分组成:

(1) 重发时延t1。若用N表示重发的次数, 那么重发需要的平均时延为t1=N·Twait。

(2) 传输时延t2。一个预约请求的传输时间就是一个预约时隙, 则t2= (N+1) · (D/m) 。

(3) 每帧开始到预约分组随机选择发送时的等待时间t3。可假定为均匀分布, 则undefined。

(4) 传播时延t。传播时延为用户发送的预约请求经过卫星转发后回到该终端的时间, 若定义τ为预约请求在卫星与终端之间单程传播的时间, 则t=2τ。

随机预约时延为上述4部分之和, 即

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2) 数据传输等待时延

通过对MF-TDMA进行分析, 结合排队理论, 假设数据包的到达是Poisson过程, 到达率为λ, 服务时间为数据期内一个数据时隙的长度, 则系统可以建模为服务员有休假的M/G/1排队系统, 可以得到数据包在队列中的平均等待时延为

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其中数据包的平均服务时间为undefined, 二阶距为undefined, ρ=λ/μ为平均分组数或信道利用率。

系统总的平均等待时延W为随机预约时延W1与数据传输等待时延W2之和, 即

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其中带宽分配为Q个时隙/帧, 即μ=Q/ (T-D) 。进一步假设分配给业务平均带宽为B的α倍 (令α为带宽分配比例因子) , 即每帧分配时隙数N=α·B, 其中B=T·λ。

考虑到不同用户终端对话音、图像、视屏等不同业务的需求, 引入了高低两种优先级, 本文通过在预约区间增加固定时隙, 来实现高优先级节点预约请求的发送。优先级帧结构如图3所示。设固定预约区间长度为A, 随机预约区间长度为B, 数据区间长度为U, 则帧长为A+B+U。固定预约区间由m个固定预约时隙构成, 不需要竞争就可预约到数据发送时隙, 因此适用于优先级较高的终端站;随机预约区间由s个随机预约时隙构成, 终端站通过S-ALOHA方式竞争预约时隙用来传输上行预约帧, 适用于优先级较低的终端站。

(1) 低优先级节点时延分析

在对低优先级节点时延进行分析的过程中, 可以将固定预约区间看作是闲期, 那么低优先节点的时延就可以用随机预约条件下MF-TDMA协议增加了一段闲期的平均等待时延近似地估计。数据预约区间为B, 由公式 (3) 就可以得到低优先级节点的平均等待时延公式

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(2) 高优先级节点时延分析

由于随机预约包的发送与固定预约包的发送是一个相对独立的过程, 不影响固定预约区间预约包的发送, 而且随机预约区间在整个时帧中所占的比例很小, 因此可将随机预约区间看作固定预约区间中无预约包发送的区间, 那么高优先节点的时延就可以用固定预约条件下MF-TDMA协议的平均等待时延近似地估计。

若帧长为T, 则预约期占的比例β=mv/T。现在假定把系统的带宽分为两部分:一部分用于预约分组的传输, 其所占带宽比例为β;另一部分用于数据分组的传输, 所占带宽比例为1-β, 如图4所示。

可以看出, 每个预约分组的传输时间为T/m, 接收到预约分配应答信息所需的时延约为卫星链路来回传播时延即2τ。因此一个分组从它到达系统至获得预约分配信息的预约时延为2τ+T/m。

已假设数据包的到达过程是到达率为λ的泊松过程, 则其平均分组的服务时间undefined/ (1-β) =1/μ, ρ=λ/μ=λ/ (1-β) 。用M/G/1队列来描述[8,9], 得到对应的等待时延为

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式中:r为数据区间在时帧中所占的比例。

因此, 系统总的等待时延为该等待时延与预约时延之和为

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应注意, 因为在MF-TDMA协议中, 时隙是均匀分配的, 所以式 (6) 中变量值为均值。

2.2 吞吐量分析

评价MF-TDMA协议性能的一个重要指标是饱和吞吐量, 吞吐量是指单位时间内网络中实际传输的业务量的大小。为分析方便, 有时也用单位时间内网络中实际传输的业务量与信道允许的最大业务量之比来评价网络的性能, 称为归一化吞吐量。归一化吞吐量是多址接入方式性能评价中的重要标准之一, 反映了网络中信道资源的有效利用程度。在给定传输信道容量的前提下, 较高的吞吐量意味着支持接入更多的用户数量或在相同数量用户时提供更高的数据速率。网络的归一化饱和吞吐量可以由数据区间在整个上行信道时帧结构中所占的比例来表示, 由卫星高速数据链上行链路的时帧结构可以看出, 当预约区间为D, 数据区间长度为U时, 网络的归一化饱和吞吐量为

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如果一帧中数据包的发送时隙越多, 则数据区间所占的比例就越大, 帧的开销就越小, 网络的归一化饱和吞吐量就越大。

3 仿真结果与分析

为了直观地看出系统的平均等待时延性能以及与归一化吞吐量的关系, 更好地对比不同条件下系统的时延性能, 采用Matlab进行了仿真分析。假设一个超帧由5帧构成, 每帧中预约区间D有7个预约时隙, 其中2个固定预约时隙, 5个随机预约时隙, 预约时隙长度为2 ms, 带宽分配比例因子α=2, 平均包到达速率λ=50 Packet/s (包/秒) , Twait=250 ms, N=2。根据前面对平均时延近似计算公式的推导结果, 得到图5和图6所示的结果。

图5给出了系统平均等待时延特性曲线, 可以看出, 在卫星高速数据链系统中, 系统的平均时延主要是传播时延。如图5所示, 系统的平均等待时延对帧长不敏感, 这是因为在MF-TDMA协议中时隙是均匀分配所致;低优先级节点的平均时延比不区分优先级节点的略高;高优先级节点的平均等待时延明显要低于低优先级节点和MF-TDMA协议的平均时延。从而可以这样认为, MF-TDMA协议高优先级节点较小的平均时延是以牺牲低优先级节点的时延性能为代价的。

从图6可以直观地看出, 在相同优先级的情况下, 节点的平均时延随着吞吐量的增大而逐渐增加;在不同优先级的情况下, 在吞吐量未达到饱和之前, 高优先级节点的平均等待时延明显低于低优先级节点。这主要是因为在协议设计中, 高优先级的节点在每帧中都被分配了一个固定的预约时隙, 节点只要有数据包发送, 就能通过分配的预约时隙发送预约包, 无需竞争, 节省了预约等待的时间;而低优先级的节点每次发送预约包都要竞争有限的预约时隙, 若发生碰撞还要重发, 直到成功为止, 由此可见, 低优先级的节点是以降低接入时延性能为代价来换取入网的灵活性。

4 结论

本文将MF-TDMA多址接入协议引入到卫星高速数据链系统中, 并针对不同用户的使用需求引入了优先级机制, 结合排队理论建立模型, 推导了不同条件下MF-TDMA协议的平均等待时延公式, 并在对协议进行理论分析的基础上, 利用Matlab仿真软件绘制了吞吐量和时延关系曲线, 直观地分析了平均等待时延性能以及与吞吐量的关系。结果表明, 具有优先级的MF-TDMA协议在保证了低优先级用户较高的吞吐量和较低的平均时延的基础上, 能够有效地降低高优先级用户的平均等待时延。

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