衛(wèi)星速率自適應(yīng)系統(tǒng)中流量控制機(jī)制的設(shè)計

楊　磊,龔險峰

(中國空間技術(shù)研究院 西安分院,陜西 西安　710100)

?

衛(wèi)星速率自適應(yīng)系統(tǒng)中流量控制機(jī)制的設(shè)計

楊磊,龔險峰

(中國空間技術(shù)研究院 西安分院,陜西 西安710100)

摘要針對大氣層因降雨會導(dǎo)致無線信號衰減,而隨著頻率的升高,降雨對信號的衰減會顯著增加的問題。提出了一種適用于衛(wèi)星速率自適應(yīng)系統(tǒng)的流量控制方法。該方法對令牌漏桶算法進(jìn)行改進(jìn),通過多分組累計比較的方式,保證每個業(yè)務(wù)流對帶寬使用的確定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,應(yīng)用該方法的速率自適應(yīng)系統(tǒng)對超額占用帶寬的業(yè)務(wù)進(jìn)行有效地限制。本方法已在FPGA上實(shí)現(xiàn),具有復(fù)雜度低和資源占用少的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞流量控制;令牌漏桶;FPGA

大氣層降雨會使無線信號受到衰減,隨著頻率的升高,降雨對信號的衰減會顯著增加,當(dāng)通信頻率>20 GHz時,降雨引起的衰減將超過10 dB。對抗雨衰最直接的方法就是發(fā)射端對鏈路損失進(jìn)行補(bǔ)償,但考慮到衛(wèi)星是功率受限系統(tǒng),對雨衰的固定補(bǔ)償必然造成晴天時功率的重大浪費(fèi)。另一種自適應(yīng)方法是根據(jù)地面反饋的鏈路情況自動改變下行調(diào)制和編碼方式,通過調(diào)制編碼增益來補(bǔ)償鏈路損失。因此在速率自適應(yīng)通信技術(shù)中,下行鏈路最大傳輸速率受空間環(huán)境影響而動態(tài)調(diào)整,空間環(huán)境的改變會使業(yè)務(wù)流在不同速率的時隙間切換,為減小時隙切換時業(yè)務(wù)流之間的相互影響,保證每個業(yè)務(wù)流對帶寬使用的確定性,對超額占用帶寬的業(yè)務(wù)必須要給予限制。本文研究了流量控制理論和令牌漏桶流量控制算法,并在此基礎(chǔ)上提出一種適用于衛(wèi)星速率自適應(yīng)系統(tǒng)的流量控制方法。

1令牌漏桶算法

TCmax=Vi×(FG×Jmax)=(TCo/FGi)×(FG+Jmax)

(1)

令牌漏桶算法的模型如圖1所示,圖中TCo為時間間隔2×FG內(nèi)漏桶的流出量,Jmax等于FG/4,Ji是每次分組的時延抖動。

圖1　令牌漏桶算法的策略機(jī)制

由圖1可知,TCi初始值為0。當(dāng)分組1到達(dá)后TCi為TCo/2;由于分組2到達(dá)時間遲于預(yù)期,所以分組2到達(dá)前TCi已降為0,分組2到達(dá)后TCi為TCo/2;分組3和分組4均提前到達(dá),因而TCi持續(xù)增大;當(dāng)分組5到達(dá)時,若接收分組5,TCi會超過漏桶上限TCmax,按照漏桶規(guī)則,分組5被丟棄;分組6延遲到達(dá),分組6到達(dá)后TCi為TCo/2。

2流量控制機(jī)制的處理過程

在式(1)中,參數(shù)FG和Jmax是系統(tǒng)設(shè)置的。運(yùn)行過程中,根據(jù)到達(dá)分組的長度Li、FGi和FGo來更新漏桶計數(shù)值TCi。按照每次分組到達(dá)的時間,得出分組傳輸間隔FGi;通過Vi與FGi相乘得出,時間間隔FGi內(nèi)可輸出的信息長度TCo。比較TCo與Li,如果TCo≥Li,則當(dāng)前到達(dá)分組被接收;反之漏桶計數(shù)值TCi變大,若TCi超過TCmax,則當(dāng)前到達(dá)分組被丟棄。上述處理過程是按照令牌漏桶算法直接得出的,具體到FPGA實(shí)現(xiàn)時復(fù)雜度較高。

(2)

(3)

按照式(3)可推出流量控制的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

步驟1當(dāng)新分組到達(dá)時,由全局時鐘給出當(dāng)前時間Tnow,并與時間寄存器中“上一分組”到達(dá)時間Ti取差值ΔT(ΔT=Tnow-Ti)。注:“上一分組”是指累加過程的第一個分組;

步驟2比較ΔT與FG′+Jmax,若ΔT≥FG′+Jmax,表示分組實(shí)際到達(dá)間隔大于漏桶流空的時間,即當(dāng)前分組到達(dá)時漏桶計數(shù)值TCi為0,新分組被接收。分組接收后,更新對應(yīng)寄存器內(nèi)容,將漏桶計數(shù)值TCi更新為當(dāng)前分組長度Li,“上一分組”到達(dá)時間Ti更新為當(dāng)前時間Tnow;

3流量控制模塊的參數(shù)選擇與實(shí)現(xiàn)

3.1分組長度的選擇

3.2參數(shù)寄存器的處理

表1　業(yè)務(wù)寄存器的存儲格式

3.3全局時鐘的選擇與設(shè)計

漏桶算法是根據(jù)時間間隔進(jìn)行流量控制的,因此時鐘計數(shù)器的最大值和時間精度對流量控制效果有較大影響。

時鐘精度決定了流量控制的準(zhǔn)確性。通過實(shí)驗(yàn)測試表明,時間精度與分組間隔的比值小于1/100便可較準(zhǔn)確的控制流量,因允許分組時延抖動,進(jìn)一步提高時鐘精度也無較大意義。速率自適應(yīng)通信系統(tǒng)的極限速率是300 Mbit·s-1,分組間隔最小為256 Byte,即分組間隔時間最小為6.83 μs,發(fā)射機(jī)的工作時鐘是96 MHz,計數(shù)器每4個時鐘周期自增1,計數(shù)間隔0.042 μs,相對比值1/162可滿足精度要求。

流量控制模塊在新分組到達(dá)時被觸發(fā),這樣的設(shè)計有利于減少功耗,使得沒有分組到達(dá)時流量控制模塊處于空閑狀態(tài)。但時鐘計數(shù)器的位寬是有限的,當(dāng)計數(shù)器全為1時會清0而重新計數(shù),如果業(yè)務(wù)流前后兩個分組的間隔時間過長,則從時鐘計數(shù)器的角度看,后到分組可能比先到分組還要“早”,這時可能由于誤判而出現(xiàn)正確分組被丟棄的現(xiàn)象。單純增加時鐘計數(shù)器的位寬只能降低問題出現(xiàn)的概率,而不能消除問題,尤其對于衛(wèi)星系統(tǒng),流量控制模塊需要連續(xù)工作幾年甚至十幾年,增加計數(shù)器位寬不能解決問題,必須要周期性刷新流量控制模塊中上一分組到達(dá)時間Ti。通過周期性刷新使上一分組到達(dá)時間Ti與時鐘計數(shù)器的當(dāng)前時間維持在一個計數(shù)周期內(nèi)。設(shè)計中將時鐘計數(shù)器按照最高位不同細(xì)分為兩個計數(shù)周期,每次最高位翻轉(zhuǎn)后觸發(fā)一次刷新。由于刷新過程涉及所有RAM地址,處理時間長,為了與流量控制過程不沖突,刷新工作在沒有分組到達(dá)時進(jìn)行。

為降低刷新過程的資源消耗,設(shè)計中使刷新工作與流量控制工作采用相同的模塊。流量控制工作時,通過工作使能信號en_frame接收目的地址addr_i和新到分組長度Li,模塊按照漏桶算法對分組進(jìn)行判斷,流控使能en_traffic有效的同時,將流控結(jié)果result_traffic輸出,其中result_traffic為1時,表示當(dāng)前分組可被接收,為0時當(dāng)前分組被丟棄。

刷新工作時也通過工作使能en_frame接收目的地址addr_i和新到分組長度Li,不同之處在于刷新時將新到分組長度Li設(shè)置為0,這樣在更新上一分組到達(dá)時間Ti時不會對漏桶計數(shù)值TCi產(chǎn)生影響。為防止流量控制機(jī)制的步驟4出現(xiàn)而導(dǎo)致刷新Ti失敗,時鐘計數(shù)器的最高位翻轉(zhuǎn)后不是立刻開始刷新,而是等待一段時間(大于系統(tǒng)最長分組間隔10.9 ms)后開始,這樣即使出現(xiàn)刷新失敗,Ti與時鐘計數(shù)器的當(dāng)前時間也在一個計數(shù)周期內(nèi)。對應(yīng)到流控結(jié)果result_traffic,由于刷新過程中,沒有分組到達(dá),所以刷新時對應(yīng)流控結(jié)果的下一級模塊不會響應(yīng)。

速率自適應(yīng)通信系統(tǒng)的最小速率是3 Mbit·s-1,分組間隔最大為4 096 Byte,分組間隔時間最大為10.9 ms,全部刷新一次共需時間約5.9 ms(216×9×0.01/1 000)。按照計數(shù)間隔0.042 μs,可推算出計數(shù)器位寬為23位時,計數(shù)總時長約352 ms,再補(bǔ)充1位翻轉(zhuǎn)位,共24位可滿足計數(shù)時長的要求。

3.4流量控制模塊的實(shí)例分析

圖2　流量控制模塊的的策略機(jī)制

從處理結(jié)果可看出:流量控制模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)果與令牌漏桶算法一致,但中間過程略有不同,這是因流量控制模塊統(tǒng)計的是N個分組連續(xù)到達(dá)的累計時間,當(dāng)實(shí)際間隔小于累計時間時,漏桶計數(shù)值可能不會減小反而越來越大。因此,參數(shù)選擇過程中統(tǒng)計精度N不能過大,實(shí)現(xiàn)時N最大取4,所以時延抖動的累計有限,不會影響到系統(tǒng)的帶寬控制。

4結(jié)束語

本文提出的流量控制機(jī)制采用分組觸發(fā)流控和多分組累計比較的方式,大幅簡化了漏桶算法的實(shí)現(xiàn)過程,使得FPGA實(shí)現(xiàn)時既降低了復(fù)雜度又節(jié)省了邏輯資源。本方法應(yīng)用在速率自適應(yīng)通信系統(tǒng)中,對業(yè)務(wù)流帶寬控制的實(shí)際效果理想。同時,作為一種針對變長系統(tǒng)的流量控制方法,也可推廣到其他通信系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

[1]Mischa Schwartz.ATM寬帶網(wǎng)絡(luò)性能分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[2]劉元峰.基于漏桶理論及令牌桶算法的網(wǎng)絡(luò)流量整形策略的研究與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽:東北師范大學(xué),2008.

[3]Roy Courtney.Circulation prior to adoption consideration draft3 of project paper 664:aircarft data network,part 7-avionics full duplex switched ethernet network[C].Stockholm:AEEC,2004.

[4]陳彪,姚慶棟.VBR流令牌流量整形的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2004,38(4):443-446.

[5]高嶺,李增智,王崢.緩沖區(qū)有限流量整形器性能參數(shù)的最小加代數(shù)表示[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2005,39(10):1068-1071.

[6]佘明輝,趙東風(fēng).基于流量和擁塞控制最佳速率調(diào)整算法的研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,27(2):63-64.

[7]吳繼華,王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計:高級篇[M].北京:人民郵電出版社,2005.

Design and Implementation of A Flow Control Mechanism of Rate Adaptive System in Satellite

YANG Lei,GONG Xianfeng

(Xi’an Branch,China Academy of Space Technology (CAST),Xi’an 710100,China)

AbstractA flow control method for rate-adaptive-system in satellite is proposed for the significant increase in signal attenuation in rainy weather with the frequency.Based on the improved token bucket algorithm,this method can guarantee the proper bandwidth of services,by accumulation and comparison of multiple packets.It is shown that the rate-adaptive-system using the method can limit the service occupying excess bandwidth.This method has been implemented in FPGA for its low-complexity and small resource consumption.

Keywordsflow control;token bucket algorithm;FPGA

中圖分類號TN927+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)02-116-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.031

作者簡介:楊磊(1983—),男,碩士研究生。研究方向:寬帶網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)。

收稿日期:2015- 06- 30