专利名称：基于带宽预留的vsat卫星通信系统带宽分配方法
技术领域：
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于带宽预留的VSAT卫星通信系 统带宽分配方法。
背景技术：
自80年代以来，以小型地球站为特点的VSAT (Very Small Aperture Terminal, 甚小口径终端)卫星网络迅速发展。这种VSAT系统的小站设备小巧灵活，安装简便，可以支 持话音、低速随机数据业务、批量数据业务、图像以及各种新的通信业务(如Internet传输 和压缩视频业务等)，并且可以接入综合业务数字网(ISDN)，成为许多大型企业、商业团体、 金融机构、新闻单位等赖以生存的神经中枢。随着信息技术迅速发展，VSAT网络仍然充满 着强劲的活力。未来的VSAT网络将更多地支持局域网互连，用于Internet连接和多媒体 fflfn 等。卫星的带宽资源非常昂贵，面对更多用户的连接请求，固定分配带宽的方式遇到 了极大的挑战。因此，在网络中高效动态地分配带宽变得越来越重要，并受到了长期广泛的 关注。动态分配策略根据各种参数的变化和不同的限制条件(包括实时应用请求、误码率、 优先级、节点的分配状态信息、拥塞状况等)实时地为VSAT网络各个节点分配卫星带宽。 与静态分配相比，动态分配策略更加有效地利用了带宽，提高了网络的QoS (Quality of Service，服务质量)支持水平。通常，VSAT卫星网络包括三个组成部分主站、若干VSAT小站和卫星转发器。小 站配置了业务信道，为用户直接提供通信服务。主站设有网管中心，通过网管信道对网中所 有小站实施网络管理与控制。VSAT网络实际上包括业务子网和控制子网两部分，业务子网 负责通过业务信道交换、传输数据或话音业务，控制子网通过控制信道对业务子网进行管 理和控制。目前，典型VSAT网的控制子网都是星状网，业务子网则是网状网。对于一个作为主干网的VSAT网络而言，必须处理多种数据流类型，这需要具备高 效的多址接入方式。通常，VSAT网络利用DAMA (按需分配多址接入)来提高卫星信道的利 用率。同时，在基于VSAT的网络中运行的多媒体应用需要一定的QoS保障，而衡量QoS的 量通常包括网络的可用性、带宽(吞吐量)、时延、误码率和时延抖动等。采用FDMA多址方式 的VSAT网络，当小站有业务需要传输时，根据队列长度、业务类型、速率等量对带宽的需求 进行估计，通过ALOHA控制信道以随机接入的方式向主站发起业务申请，请求分配带宽；位 于主站的网控中心(NCC)根据一定的策略进行信道分配，并将分配的信道信息通过TDM控 制信道返回给小站，最终小站利用分到的业务信道进行业务传输。当小站业务传输结束， 不再需要使用信道时，向NCC提交信道释放申请，NCC将回收信道，提供给其他需要的小站 使用。在面对多业务、多速率要求的应用需求时，小站提出的带宽需求将不断变化。因此， NCC对带宽资源的管理是一个连续不断的过程，每当小站发来业务申请或释放带宽资源，都 将引起NCC对带宽资源的管理操作。带宽分配策略的主要目的是在保证卫星资源高效利用的同时，满足不断出现的新应用的QoS需求。然而，带宽的高效利用和QoS保证是两个对立的目标，因此动态带宽分配 将在二者之间进行折衷。在带宽分配策略方面，通常情况下，对卫星网络的接入根据QoS需 求的不同，可以通过两类方法来提供
一、静态资源分配在连接建立时，位于网控中心的接纳控制(CAC)模块将一定量的资 源分配给连接。由于这些预先分配的资源始终提供给连接使用，因此可以保证较低的时延。 其缺点是由于资源分配与实际传输的网络数据流无关，因此卫星链路并没有被完全利用。 这种方法比较适用于数据流比较规律或者对传输时延有严格要求的连接(如视频、音频等 实时数据流)。二、动态资源分配对于连接并不分配固定的资源，相反，网控中心基于卫星终 端的资源需求按照按需分配机制为连接分配资源。这种方法的优点是资源的分配可以跟 踪实际卫星系统的数据流量，因此可以达到较高的资源利用率。假设系统中的总带宽为
B，接入系统的应用可以分为《种业务类型，第i种类型对带宽的需求力^ ,如果按照分配
策略接受应用的申请，则分配所需的带宽大小；否则，应用被拒绝。分配带宽的过程就是 在资源库中寻找空闲的满足业务需求的可用信道的过程，分配过程中不仅要提高申请成功 率，同时要减少由于多业务需求引起的带宽碎片，提高信道利用率。目前卫星通信系统中常用的动态带宽分配方法有两种最常见的一种是最先适合 (First-fit)算法，即在带宽资源中顺序寻找第一个能够满足申请需求的信道块。这种方法 实现简单，分配的开始阶段很好用，但是经过一段时间后，容易形成信道碎片，导致搜索大 的空闲信道块比搜索小的空闲信道块花费更长的时间，引起信道分配较大的时延抖动。另一种是固定分段的分配方法，即为每一类业务类型分配固定的一段带宽，专用 于该类业务的带宽申请，而其他业务类型的应用无法占用。这种为每一类业务预留带宽的 方法我们记为Reserve算法，详细内容可参见文献[T. A. STAND ISH, Data Structures Techniques, Addison-ffesley, Reading, MA, 1980.]。该算法的目的是最大限度地满足 各种业务类型对带宽的需求。将系统总带宽iM乍为一个信道池，按照《种业务类型分力-段，第段带宽只能用于分配给第》种类型的应用(假设该类应用对带宽的需求量相同)。在 每段带宽中按照First-fit方式进行分配。该算法实现简单，减少了信道碎片，而且分配速 度快，可以在多数情况下保持分配速度，搜索大的空闲信道块与搜索小的空闲信道块花费 时间基本相当，减少了系统因带宽分配而带来的时延抖动。同时，该算法回收信道的过程也 比较简单。然而，面对多媒体业务的大量增长，各种不同业务的QoS需求各不相同，这种算 法无法在提高整个系统性能的基础上，兼顾到不同业务的QoS需求，无法满足未来卫星多 媒体网络用户的不同需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的VSAT卫星通信系统动态带宽分配方法所存在的不 足，提供一种基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽分配方法，该方法针对不同的QoS需 求和应用场景，实现了对信道资源的有效管理，在多种业务类型的网络环境中，提高卫星信 道资源的利用率；同时，简化了星地交互，减少了带宽分配带来的时延。本发明的目的通过以下技术方案实现
一种基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽分配方法，所述VSAT卫星通信系统的总
4带宽按照应用类型被预先分为若干段，每种应用类型分配固定的一段带宽，且在每段中为 该种应用类型的应用分配固定大小的带宽量，其特征在于不同的应用类型被赋予不同的 优先级；当接收到服务请求时，首先根据服务请求的应用类型，从该应用类型所对应的带宽 段中搜索是否存在足够的空闲带宽，如是，则将搜索到的空闲空闲带宽分配给发出服务请 求的应用；如否，则对优先级较低的应用类型所对应的带宽段按照优先级从高到低的顺序 依次进行搜索，直到找到足够的空闲带宽；如果所有带宽段搜索完毕仍未找到足够的的空 闲带宽，则分配失败。优选地，所述优先级是按照应用类型的带宽需求确定带宽需求较少的应用类型 具有较高的优先级。进一步地，把所述为各种应用类型分配的固定带宽量定义为信道，则对系统总带 宽进行初始分段时，每个带宽段所包括的信道数量相同。本发明方法在现有带宽预留的动态带宽分配方法基础上，对不同的应用预先赋予 不同的优先级，实际分配时，高优先级应用可以占用较低优先级应用所占用的带宽段，而低 优先级应用不能占用高优先级应用占用的带宽；本发明方法不仅保留了现有带宽预留的动 态带宽分配方法具有的实现简单、信道碎片少、分配速度快的优点，而且兼顾了不同的QoS 需求和应用场景，实现了对信道资源的有效管理，在多种业务类型的网络环境中，提高卫星 信道资源的利用率；同时，简化了星地交互，减少了带宽分配带来的时延。
图1为本发明方法的流程图2为具体实施方式
中不同状态下带宽分配情况示意图，其中，(a)表示初始的带宽分 配情况，(b)表示对申请进行带宽分配前的带宽分配情况，(c)表示对申请进行带宽分配后 的带宽分配情况；
图3为分别采用三种方法进行带宽分配所得到的应用接收率情况，其中(a)表示采用 Reserve算法时四种业务类型的应用接受率，(b)表示采用First-fit算法时四种业务类型 的应用接受率，(c)表示采用本发明方法时四种业务类型的应用接受率； 图4为分别采用三种方法进行带宽分配所得到的带宽利用率； 图5为分别采用三种方法进行带宽分配所得到的碎片率。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽分配方法，所述VSAT卫星通信系统 的总带宽按照应用类型被预先分力段，每一类应用类型分配固定的一段带宽，每个带宽 段所包括的信道数量相同，第个带宽段对应的应用类型的优先级为,且有巧>巧+1 ,第,段 分配给每个应用的带宽量为固定大/」￡且有為1,2…i/, F为大于或等于1的整
数，各个应用的带宽段按照应用优先级从大到小的顺序在整个带宽区间内从起点开始依次 排列；当接收到服务请求时，如附图1所示，具体按照以下各步骤执行
步骤1)根据服务请求的应用类型寻找该应用类型所对应的第J个带宽段，J;步骤2)搜索第J个带宽段中是否存在足够的的空闲带宽，如是，则将搜索到的空闲带 宽‘分配给发出服务请求的应用后，结束；如否，则执行步骤3 ；
步骤3)判断J是否等于F，如是，则转至步骤5 ；如否，则转至步骤4 ； 步骤4)将J替换为J +1后，转至步骤2 ； 步骤5)分配失败。假设VSAT卫星系统上行链路可用带宽为134. 4K，系统中包括2. 4K、4. 8Κ话音业务 和9. 6Κ数据业务的用户，在利用系统进行通信前，以DAMA的方式对带宽进行申请。我们将 系统的上行可用带宽分为三段，分别提供给三种业务使用，三种应用按照应用类型的带宽 需求被赋予不同的优先级带宽需求较少的应用类型具有较高的优先级，初始的带宽分段 情况如附图2 (a)所示，图中斜线条区域表示已使用的带宽。假设经过一段时间后，带宽的 分配情况如附图2 (b)所示。此时，如果有一个用户申请2. 4K的业务，则按照上述各步骤 进行带宽分配。由于2. 4K应用所对应的带宽段已满，无法提供足够的的空闲带宽，则继续 在优先级较低的应用(即4. 8K话音业务)所对应的带宽段中搜索，由于在该带宽段中存在足 够的空闲带宽，因此，在4. 8K话音业务所对应的带宽段中为其分配带宽，所分配的带宽为 4. 8K，分配完成后的整个带宽分配情况如附图2 (c)所示，图中竖线条区域表示为该2. 4K 业务用户分配的带宽。当然，如果在申请时4. 8K话音业务所对应的带宽段已满，则会继续 在9. 6K数据业务所对应的带宽段中搜索。为了验证本发明方法的效果，通过计算机编程，构建了带宽分配的模拟系统， 在该模拟系统中分别采用本发明方法(以下均记为DBA-Res算法)和现有的最先适合算法、 预留带宽算法(即背景技术部分所述的First-fit算法、Reserve算法)进行对比试验，试验 中设定的系统条件为
(1)小站带宽申请的到达相互独立，符合Poisson过程，平均到达速率为/1=1 ；
(2)小站对带宽的占用时间服从指数分布，平均服务速率为#=5，服务完成后小站即 发起带宽释放请求；
(3)小站对业务类型有四种，即况=4，对带宽的需求分别为2.4K、4. 8Κ、7. 2Κ、9. 6Κ，并 且定义为Α，B, C，D类业务。小站提出的业务需求在四种业务之间均勻分布；
(4)VSAT系统总的可用带宽为96Κ ；系统中的应用数量为10到100个； 模拟过程中，采用以下度量值对算法性能进行分析比较。申请接受率定义为成功分配到信道的应用数申请带宽的应用总数F 之比，即Arfli^toiZiV .
信道利用率定义为分配的总带宽与网络最大带宽5之间的比值，即M ； 碎片率碎片率=(1-最大的空闲信道块大小/总的空闲信道数)Χ100% 当所有空闲带宽都被分配出去，碎片率达到100%。如果所有空闲信道都集中在一个带 宽块中，则碎片率为0，因此碎片率是0到1之间的一个小数。实际上，在分配信道的过程中，我们希望带宽不要被不断地分段。因为这样的话， 发出请求的应用在即使还有空闲带宽的情况下也无法分到带宽。因为这些空闲带宽段无法连接在一起，所以不能分给单个请求。在模拟中，每次模拟运行200次，并取结果的平均值。以下分别针对各度量值对三种带宽分配方法的性能进行对比分析 A、应用接受率
图3 (a)、(b)、(c)分别显示了 Reserve、First-fit和DBA-Res算法的应用接受率。 可以看到，由于带宽的消耗，应用接受率随着应用数的增加逐渐降低。因为在Reserve和 DBA-Res算法中，给请求较少带宽的应用分配了更高的优先级，这些算法中的A、B业务类 型的应用接受率远远比First-fit算法高，尤其是当有大量应用访问网络时。而且，由于 在Reserve和DBA-Res算法中为C、D业务类型预留了带宽，因此这些算法的应用接受率比 First-fit更高。在DBA-Res算法中，高优先级的业务可以占用其他业务的预留带宽，因此 可以获得更好的QoS保证。而在First-fit算法中，从整个带宽池为每类业务分配带宽。当业务负载量较低 时，更多的业务可以得到满足。随着业务负载量的增加，带宽将越来越多地被A、B类型的业 务所分割，形成带宽碎片。因此，C、D类型的业务即使在有足够带宽的情况下，也无法得到满 足。另外，从图中还可以看到，在Reserve算法中，所有类型的业务其应用接受率基本相同， 这是因为所有的业务类型优先级都相同，算法为他们预留了同样大小的带宽段的原因。但 是，在DBA-Res算法中，不同类型业务的应用根据其优先级不同，应用接受率各有不同。因 此，可以为不同的业务类型提供不同的QoS水平。而且，在提高请求带宽更少的高优先级业 务的应用接受率的同时，不会对其他业务类型的性能带来太大的牺牲。B、带宽利用率
图4显示了三种算法的带宽利用率，从图中可以看到First-fit算法仅仅在有30个 应用访问网络时，就分配了大部分带宽，而Reserve和DBA-Res算法即使在负载较高的情况 下，也利用了较少的带宽。因此，即使在有100个应用访问网络时，Reserve和DBA-Res算 法仍然能够在一定程度上支持这些应用。C、碎片率
图5显示了三种算法的碎片率。可以看到在较低的网络负载情况下，Reserve和 DBA-Res算法的碎片率比First-fit算法更高，这时因为在模拟开始时我们人为地将带宽 进行了分割。但是，随着请求带宽的应用数量增加，Reserve和DBA-Res算法的碎片率开始 下降。当有30个应用访问网络时，Reserve和DBA-Res算法的碎片率开始缓慢增加。在 较高的网络负载情况下，DBA-Res算法的碎片率与First-fit算法的碎片率相当。然而， Reserve算法的碎片率低于其他算法，该算法有效地避免了对较大的带宽块进行分割。因 此，在Reserve算法中，带宽池得到了更高效地应用。综上所述，Reserve和DBA-Res算法利用更少的带宽可以满足更多的应用带宽请 求，因此，能够为各种业务提供更高的QoS水平。他们通过带宽预留的方式控制了带宽碎片 的形成，带宽的利用率得到了大大的提高。在此基础上，DBA-Res算法对具有不同QoS需求 的业务具有更好的区分度，能够在提高各类业务性能的基础上，为QoS要求更高的业务提 供所需要的服务水平。在不同的网络环境下，该算法能够获得资源利用与QoS之间很好的 折衷。目前该算法已经应用于实际的VSAT系统中，运行良好。
权利要求
一种基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽分配方法，所述VSAT卫星通信系统的总带宽按照应用类型被预先分为若干段，每种应用类型分配固定的一段带宽，且在每段中为该种应用类型的应用分配固定大小的带宽量，其特征在于不同的应用类型被赋予不同的优先级；当接收到服务请求时，首先根据服务请求的应用类型，从该应用类型所对应的带宽段中搜索是否存在足够的空闲带宽，如是，则将搜索到的空闲空闲带宽分配给发出服务请求的应用；如否，则对优先级较低的应用类型所对应的带宽段按照优先级从高到低的顺序依次进行搜索，直到找到足够的空闲带宽；如果所有带宽段搜索完毕仍未找到足够的的空闲带宽，则分配失败。
2.如权利要求1所述基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽分配方法，其特征在于， 所述优先级是按照应用类型的带宽需求确定带宽需求较少的应用类型具有较高的优先 级。
3.如权利要求2所述基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽分配方法，其特征在于， 把所述为各种应用类型分配的固定带宽量定义为信道，则对系统总带宽进行初始分段时， 每个带宽段所包括的信道数量相同。
4.如权利要求3所述基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽 分配方法，其特征在于，所述系统的总带宽按照应用类型被预先分为 N段，每一类应用类型分配固定的一段带宽，每个带宽段所包括的信道数量相同，第i个带宽段对应的应用类型的优先级为巧且有Wi》wi+1，第,段分配给每个应用的带宽量为固定大 小Ai,且&偽+1 ,ι=\,2- N,M为大于或等于1的整数，各个应用的带宽段按照应用优先级从大到小的顺序在整个带宽区间内从起点开始依次排列；当接收到服务请求时，具体按 照以下各步骤执行步骤1)根据服务请求的应用类型寻找该应用类型所对应的第j个带宽段，je[l，况]； 步骤2)搜索第J个带宽段中是否存在足够的的空闲带宽，如是，则将搜索到的空闲带 宽4分配给发出服务请求的应用后，结束；如否，则执行步骤3 ；步骤3)判断J是否等于F，如是，则转至步骤5 ；如否，则转至步骤4 ； 步骤4)将J替换为+1后，转至步骤2 ； 步骤5)分配失败。
全文摘要
本发明公开了一种基于带宽预留的VSAT卫星通信系统带宽分配方法，涉及卫星通信技术领域。本发明方法在现有带宽预留的动态带宽分配方法基础上，对不同的应用赋予不同的优先级，高优先级应用可以占用较低优先级应用所占用的带宽段，反之则不行；实际分配时，当该应用所对应的带宽段中无足够空闲带宽时，则按照优先级从高到低的顺序依次在优先级较低的带宽段中搜索。本发明方法不仅保留了现有带宽预留的动态带宽分配方法实现简单、信道碎片少、分配速度快的优点，而且兼顾了不同的QoS需求和应用场景，实现了对信道资源的有效管理，在多种业务类型的网络环境中，提高了卫星信道资源的利用率；同时，简化了星地交互，减少了带宽分配带来的时延。
文档编号H04L12/56GK101986619SQ20101052430
公开日2011年3月16日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者史炎, 续欣 申请人:南京丹奥科技有限公司