宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理的闭环拥塞控制方法

文档序号:7698101阅读:164来源:国知局
专利名称:宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理的闭环拥塞控制方法
技术领域
本发明涉及一种宽带多媒体卫星系统中的拥塞控制方法。
背景技术
发展宽带多媒体卫星系统已成为当前通信的新热点之一。但要满足未来的
需要,必须采用具备星上处理(OBP, On-Board Processing)和星上交换(OBS, On-Board Switching)功能的同步卫星。然而与地面网络的ATM(Asynchronous Transfer Mode)交换系统相比,星上资源有限且卫星传输时延较大,如果直接 采用地面的反馈闭环控制策略,每次连接的拥塞控制信息从发送端传输到接收 端再返回,这对卫星而言,不仅带来较大的传输时延,并且会占用过多的星上 缓存储器以及上行和下行链路资源,对链路利用率造成影响。因此必须将适用 于地面系统的QoS保障方案加以相应的调整和改进才能适用于卫星通信系统。 与此同时,由于卫星传输信道的可靠性远低于地面光纤信道,因此卫星系 统需要进行必要的物理层及链路层处理。对于面向非连接的非实时业务如TCP (Transmission Control Protocol)业务来说,可以采用基于上层协议重传机制 的方案。该方案在一定范围的卫星链路误比特率及上层数据分组长度的情况 下,性能优于传统的基于自动请求重发ARQ (Auto Repeat Request)协议的链 路控制LLC (Link Layer Control)。然而该方案同时也会带来网络拥塞和由于 卫星信道误码引起的信元丢弃。
现有的基于宽带卫星系统的闭环拥塞控制机制存在问题如下
(1) 星上缓存储器管理方案大多采用尾丢弃或者部分分组丢弃,无法提 前预测拥塞并依据拥塞情况主动丢弃部分低优先级信元来缓解拥塞。
(2) 星上缓存储器只在发生拥塞时进行丢包,没有对信道误码造成的错 误信元进行检测和丢弃。卫星通信系统中信道误码率较高,会造成部分错误信 元发生。基于上层协议重传机制,上层协议数据单元(也称分组)被分装为多 个连续信元,其中一个信元发生错误,则该信元所属的全部分组将被重新传输。 因此星上缓存储器需要具备检测错误信元并丢弃错误信元所属分组的能力。这样可以更大限度的节约下行链路资源。
(3)反馈的拥塞参数为每个星上输出缓存储器中输入信元数量与输出信 元数量的均值比。当星上缓存储器不对错误分组进行检测和丢弃时,该参数可 以实时反应星上缓存储器的拥塞情况,然而当信道误码率和分组长度较大时, 星上缓存储器对错误分组进行检测和丢弃,负载比率将无法反应拥塞情况,造 成地面站和终端对发送速率的错误调整。

发明内容
本发明是为了解决现有的宽带多媒体卫星系统中的拥塞控制方法由于存 在卫星系统中长延时、信道误码率高带来的拥塞控制效果差的问题,从而提出 宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理的闭环拥塞控制方法。
宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理的闭环拥塞控制方法,它由 以下步骤完成
步骤一、在一个广播时间间隔内,终端或地面站向卫星信道发出ATM信 元流,所述ATM信元流经卫星信道上行链路传输至卫星,经卫星对所述ATM 信元流进行前端处理和交换后分为四类优先级的数据流,所述四类优先级的数 据流分别存入与其对应的四类缓存储器中;
步骤二、对所述四类缓存储器中的信元依次进行跨层检测,如果检测到错 误信元,则将该信元所属的整个分组做丢弃处理;如果未检测到错误信元,则 将该信元所属的整个分组进行缓存储器管理;
步骤三、遍历四类缓存储器中的所有信元分组,记录丢弃信元总数和缓存 储器中信元的总容量;
步骤四、根据公式
W,剩=《"—-仏證,李)
一 /(x ,。
计算此广播时间间隔内拥塞参数,将该拥塞参数称为有效负载比率
式中^/Sw」、^/及"」、(Bw)和/(B附》是参数(Sw)、
及。",^W 、及—细,W(5附)和在一个广播时间间隔内的均值;
5所述A(B附)是在第5m个卫星监测时间间隔到达第£类缓存储器中的 ATM信元的数量;iC(Bm卩是在第Bw个卫星监测时间间隔通过下行链路传输 的ATM信元的数量;A— ^(B附)是在第Sm个卫星监测时间间隔内丢弃的 ATM信元的数量;x丄(5附)是在《5m)时刻储存在第Z级缓存储器中的ATM信 元的数量,/(&(丑附))为Xi(^)的非增益函数;
丄=1、 2、 3、 4;
5附取正整数;
所述广播时间间隔为卫星监测时间间隔的B倍,万为正整数; 步骤五、卫星按照广播时间间隔将拥塞参数广播到各终端或各地面站;
步骤六、各终端或地面站收到拥塞参数后,调整其发送速率,实现缓解星 上拥塞。
所述各终端或地面站的发送速率的上限A,^e/mJ为
。〃』乂 {1 + K[ZW—淑/o(B附-B) -1]}
其中《为增益。
对所述四类缓存储器中的每个信元所属分组进行跨层检测的方法是:识别 出每一分组的首信元,对这个首信元进行检测,如果所述首信元为错误信元, 则将所述首信元所属分组进行丢弃处理;如果所述首信元非错误信元,则检测 该首信元所属分组中的其它全部信元,如果检测到错误信元,则将该首信元所 属分组进行丢弃处理;如果未检测到错误信元,则将该首信元所属分组送入缓 存储器进行缓存储器管理。
所述四类缓存储器为CBR/rtVBR缓存储器、nrtVBR缓存储器、ABR缓 存储器和UBR缓存储器。
有益效果本发明的方法能够实时对星上缓存储器的拥塞情况做出有效的 反馈,使各终端或地面站可以根据拥塞参数调整发送其速率,拥塞控制效果好, 并且各业务流经卫星系统进行传输的时延得到有效控制,系统中延时短、信道 误码率低。


图1是本发明中宽带多媒体卫星网络结构示意图;图2为本发明中当3=6 时的连续广播间隔各参数关系示意图;图3为本发明中宽带多媒体卫星系统上 ATM交换系统的结构示意图;图4为本发明中宽带多媒体卫星的星上跨层缓 存储器管理方法的信号流程示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理的闭环拥 塞控制方法,它由以下步骤完成.-
步骤一、在一个广播时间间隔内,终端或地面站向卫星信道发出ATM信 元流,所述ATM信元流经卫星信道上行链路传输至卫星,经卫星对所述ATM 信元流进行前端处理和交换后分为四类优先级的数据流,所述四类优先级的数 据流分别存入与其对应的四类缓存储器中;
步骤二、对所述四类缓存储器中的信元依次进行跨层检测,如果检测到错 误信元,则将该信元所属的整个分组做丢弃处理;如果未检测到错误信元,则 将该信元所属的整个分组进行缓存储器管理;
步骤三、遍历四类缓存储器中的所有信元分组,记录丢弃信元总数和缓存 储器中信元的总容量;
步骤四、根据公式
W,剩=,附卜及歸,李)
计算此广播时间间隔内拥塞参数,将该拥塞参数称为有效负载比率
式中^/5w) 、 ^/5m入A證^卿w(^w)和(Bm》是参数i^(Sm,、 /C(B/W、 和/(A (Aw))在一个广播时间间隔内的均值;
所述iUBm卩是在第^n个卫星监测时间间隔到达第丄类缓存储器中的 ATM信元的数量;iCPW是在第5附个卫星监测时间间隔通过下行链路传输 的ATM信元的数量;iC。,.^^(^附)是在第Sm个卫星监测时间间隔内丢弃的 ATM信元的数量;x^(^0是在《Bm)时刻储存在第£级缓存储器中的ATM信元的数量,/(A(丑m))为^(Sm)的非增益函数; 丄=1、 2、 3、 4; 取正整数;
所述广播时间间隔为卫星监测时间间隔的S倍,B为正整数;
步骤五、卫星按照广播时间间隔将拥塞参数广播到各终端或各地面站; 步骤六、各终端或地面站收到拥塞参数后,调整其发送速率,实现缓解星 上拥塞。
所述各终端或地面站的发送速率的上限^,,,/附)为
w,附)—_凡〃騰^di)_
其中《为增益。
公式中的增益k保证一定的惰性给系统,也就是说反应时间必须足够慢 以避免引起可能发生的数据流震荡,同时还要足够快以实时反应会引发星上拥 塞的状态。
由于实时业务CBR和rtVBR的拥塞控制依靠呼叫接入控制CAC和流量整 形,不需要反馈机制,因此与CBR/rtVBR相关的拥塞参数将作为参考提供给终 端和地面站,配合CAC来完成实时业务的预控制。
对所述四类缓存储器中的每个信元所属分组进行跨层检测的方法是识别 出每一分组的首信元,对这个首信元进行检测,如果所述首信元为错误信元, 则将所述首信元所属分组进行丢弃处理;如果所述首信元非错误信元,则检测 该首信元所属分组中的其它全部信元,如果检测到错误信元,则将该首信元所 属分组进行丢弃处理;如果未检测到错误信元,则将该首信元所属分组送入缓 存储器进行缓存储器管理。
所述四类缓存储器为CBR/rtVBR缓存储器、nrtVBR缓存储器、ABR缓 存储器和UBR缓存储器。
本发明可以概括为以下内容
星上监测星上缓存储器需要处理五种数据流,分别为CBR、 rtVBR、nrtVBR、 ABR或者UBR。各终端和地面站发送的ATM信元流经上行链路传 输,经过前端处理和交换后到达星上输出缓存储器的分路器,被分路为四种优 先级类型的数据流,分别存入四类缓存储器CBR/rtVBR缓存储器、nrtyBR 缓存储器、ABR缓存储器、UBR缓存储器。信元在这四类缓存储器中等待, 并即将调制到下行链路载波中。星上交换缓存储器控制模块需要实时监测这四 类缓存储器,记录缓存储器的输入/输出速率、跨层识别并丢弃的错误信元以 及无效信元数量、存储的ATM信元数量,以计算拥塞参数。 星上跨层缓存储器管理
对星上缓存储器增设跨层错误信元识别模块,对接收到的非实时业务信元 进行检测,在收到由于信道误码产生的错误信元时,将该信元所属全部分组丢 弃。 '
拥塞参数计算
在固定的检测周期下,依据星上各优先级缓存储器中信元的输入/输出信元 总数、跨层丢弃的错误信元和无效信元总数、由于星上拥塞而丢弃的信元总数 和缓存储器的信元容量,来计算出一个拥塞参数,称为有效负载比率。
广播反馈
星上缓存储器控制模块对拥塞参数(即有效负载比率)进行计算和记录, 并将此参数按照一定的周期广播到地面站和终端,地面站和终端再根据拥塞参
数和呼叫接入控制CAC (Connection Admission Control)算法来动态调整地面 信源各优先级数据流的发送速率。
星上缓存储器控制模块对拥塞参数进行周期性的计算,其周期为4。 "。,。
这一计算生成的时间为1(")("=1,2,3...)。
@Wnt( +l)=t(")+rm。nit.sat)。另外,间
隔时间[t("), t("+l)]代表了第n次卫星监测间隔。这些参数将被周期性的依靠 资源管理信元广播到终端和地面站,其周期为7^。^ (代表了广播周期),假设
其等于B倍的r顯細,(即几^=57;。由。,)。该广播发生的时间为
《Bm)(w-1,2,3…),(/(5m+5)=^m)+7^w)。另外,第w次广播的间隔时间为 ,附),《Bw+5)]。
9将广播周期设定为传输时间T^。^g(即GEO卫星系统间隔,约为125ms), 例如rpropag=rfc;^ 。将《5m)(m=l, 2, 3…)时刻广播的拥塞参数记为 congestion_parameters(^w),该参数会在《Sm+5)时刻被终端和地面站接收。然 后终端和地面站依据这些参数,能够执行特定连接的计算,来确定该连接的最 大允许比特速率及。/,。v^ (此连接被允许通过卫星传输的速率不得超过A 。werf)。 第m次广播间隔时的最大允许比特速率为及。/We乂附)。
通过上述四个主要步骤,本发明提出的闭环拥塞控制方案可以在一定的时 延允许内,对星上缓存储器的拥塞情况做出有效的反馈,并结合跨层缓存储器 管理将卫星信道产生的错误信元考虑在内,使地面发送端的速率调整更为有 效。
本发明中宽带多媒体卫星系统星上ATM交换结构如图3所示,各个终端和 地面站发出的信元流经过卫星信道上行链路到达星上ATM缓存储器的输入端, 经过交换矩阵后送入相应的输出缓存储器端口。在输出缓存储器中,对各个信 元进行跨层错误识别,识别出错误信元后将该错误信元所在的整个分组全部丢 弃,然后再经过星上缓存储器的拥塞管理后被送入到下行链路中。星上缓存储 器控制模块对星上缓存储器的各个参数进行监测和计算,将计算出的拥塞参数 按照一定的周期发送给各个终端或地面站。
权利要求
1、宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理的闭环拥塞控制方法,其特征是它由以下步骤完成步骤一、在一个广播时间间隔内,终端或地面站向卫星信道发出ATM信元流,所述ATM信元流经卫星信道上行链路传输至卫星,经卫星对所述ATM信元流进行前端处理和交换后分为四类优先级的数据流,所述四类优先级的数据流分别存入与其对应的四类缓存储器中;步骤二、对所述四类缓存储器中的信元依次进行跨层检测,如果检测到错误信元,则将该信元所属的整个分组做丢弃处理;如果未检测到错误信元,则将该信元所属的整个分组进行缓存储器管理;步骤三、遍历四类缓存储器中的所有信元分组,记录丢弃信元总数和缓存储器中信元的总容量;步骤四、根据公式<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Load</mi><mo>_</mo><mi>Ratio</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>Bm</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mover> <msub><mi>R</mi><mi>in</mi> </msub> <mo>&OverBar;</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>Bm</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mover><mi>R</mi><mo>&OverBar;</mo> </mover> <mrow><mi>error</mi><mo>-</mo><mi>dropped</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>Bm</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mover> <mrow><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mi>L</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>Bm</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mo>&OverBar;</mo></mover><msub> <mover><mi>R</mi><mo>&OverBar;</mo> </mover> <mi>out</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>Bm</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math></maths>计算此广播时间间隔内拥塞参数,将该拥塞参数称为有效负载比率Load_Ratio(Bm);式中<overscore>R</overscore>in(Bm)、<overscore>R</overscore>out(Bm)、<overscore>R</overscore>error-dropped(Bm)和<overscore>f(xL(Bm))</overscore>是参数Rin(Bm)、Rout(Bm)、Rerror-dropped(Bm)和f(xL(Bm))在一个广播时间间隔内的均值;所述Rin(Bm)是在第Bm个卫星监测时间间隔到达第L类缓存储器中的ATM信元的数量;Rout(Bm)是在第Bm个卫星监测时间间隔通过下行链路传输的ATM信元的数量;Rerror-dropped(Bm)是在第Bm个卫星监测时间间隔内丢弃的ATM信元的数量;xL(Bm)是在t(Bm)时刻储存在第L级缓存储器中的ATM信元的数量,f(xL(Bm))为xL(Bm)的非增益函数;L=1、2、3、4;Bm取正整数;所述广播时间间隔为卫星监测时间间隔的B倍,B为正整数;步骤五、卫星按照广播时间间隔将拥塞参数广播到各终端或各地面站;步骤六、各终端或地面站收到拥塞参数后,调整其发送速率,实现缓解星上拥塞。
2、 根据权利要求1所述的宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理 的闭环拥塞控制方法,其特征在于所述各终端或地面站的发送速率的上限^ f附)=_^,,匿,-19_其中《为增益。
3、 根据权利要求1所述的宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理 的闭环拥塞控制方法,其特征在于对所述四类缓存储器中的每个信元所属分组 进行跨层检测的方法是识别出每一分组的首信元,对这个首信元进行检测, 如果所述首信元为错误信元,则将所述首信元所属分组进行丢弃处理;如果所 述首信元非错误信元,则检测该首信元所属分组中的其它全部信元,如果检测 到错误信元,则将该首信元所属分组进行丢弃处理;如果未检测到错误信元, 则将该首信元所属分组送入缓存储器进行缓存储器管理。
4、 根据权利要求1所述的宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理 的闭环拥塞控制方法,其特征在于所述四类缓存储器为CBR/rtVBR缓存储 器、nrtVBR缓存储器、ABR缓存储器和UBR缓存储器。
全文摘要
宽带多媒体卫星系统中基于跨层缓存储器管理的闭环拥塞控制方法,它涉及一种宽带多媒体卫星系统中的拥塞控制方法。它解决现有的宽带多媒体卫星系统中,由于存在卫星系统中长延时、信道误码率高带来的拥塞控制效果差的问题。其方法卫星对终端或地面站发出的ATM信元流按照优先级分成四类并分别存入与其对应的缓存储器中,对缓存储器中的每个信元进行跨层检测;如有错误信元,则丢弃该信元所属的整个分组;反之,则将该信元进行缓存储器管理;记录丢弃信元总数和缓存储器中信元的总容量;计算此广播时间间隔内拥塞参数;广播到各终端或各地面站并由各终端或地面站调整其发送速率以实现缓解星上拥塞。本发明适用于宽带多媒体卫星系统中的通信传输过程。
文档编号H04L1/00GK101610213SQ20091007250
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者仲伟志, 肖丽萍, 庆 郭, 顾学迈 申请人:哈尔滨工业大学
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