徐 達(dá),張有志,郝學(xué)坤
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)
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基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的時(shí)隙分配算法
徐達(dá),張有志,郝學(xué)坤
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)
摘要多頻-時(shí)分多址(MF-TDMA)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中信道資源十分寶貴,如何高效地分配和利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道資源,研究出一種可以降低衛(wèi)星通信時(shí)延的算法很有必要。提出了一種MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的時(shí)隙分配方法,通過(guò)終端緩存區(qū)域的隊(duì)列長(zhǎng)度和業(yè)務(wù)到達(dá)率來(lái)進(jìn)行下一時(shí)刻的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè),中心站根據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)值來(lái)提前進(jìn)行下一時(shí)刻信道資源的分配。仿真結(jié)果表明,通過(guò)基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的時(shí)隙分配算法可以有效降低傳輸時(shí)延,提高信道資源的利用率。
關(guān)鍵詞MF-TDMA;業(yè)務(wù)預(yù)測(cè);時(shí)隙分配;業(yè)務(wù)分布
Timeslot Assign Method Based on Business Predicts
XU Da,ZHANG You-zhi,HAO Xue-kun
(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)
AbstractThe resource of MF-TDMA satellite systems is very precious,how efficiently assign and make use of channel resources of satellite communication system,it is necessary to design an algoritm which can reduce satellite communication delay.This paper puts forward a timeslot assign method based on business predicts in MF-TDMA satellite communication system.This method performs the business predict of next moment based on the queue size and business arrival rate and the master station performs in advance channel resource allocation of next moment according to the business predict value.The simulation results show that the timeslot assign method can effectively reduce the transmission delay and improve the channel resource utilization.
Key wordsMF-TDMA;business predicts;timeslot assign;business distribution
0引言
隨著衛(wèi)星通信的快速發(fā)展,MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)從單一的話音業(yè)務(wù)逐步發(fā)展成為綜合的多媒體業(yè)務(wù),各類型業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量也隨之不斷增加。在MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中[1],信道資源是十分寶貴的,如何高效地分配和利用MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道資源,通過(guò)何種方式來(lái)降低衛(wèi)星通信時(shí)延,保障用戶的QoS需求,是非常值得探究的。
在MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,最常見(jiàn)的接入方式是按需分配,各個(gè)終端根據(jù)實(shí)際需求向中心站申請(qǐng)信道資源,中心站根據(jù)不同終端的不同需求來(lái)分配信道資源[2]。由于按需分配能夠根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求有效地分配信道資源,從而使衛(wèi)星信道資源得到了最大程度的利用。但是按需分配接入方式的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是需要終端先發(fā)送時(shí)隙申請(qǐng),從時(shí)隙申請(qǐng)發(fā)出到終端接收確認(rèn),至少需要一個(gè)往返的時(shí)間,在MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,往返時(shí)延約為250 ms,這便嚴(yán)重影響了業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。同時(shí),終端需要占用一部分信道資源發(fā)送申請(qǐng),增加了系統(tǒng)的開(kāi)銷。
本算法在傳統(tǒng)按需分配接入的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),采用的不是終端先申請(qǐng)時(shí)隙,中心站再發(fā)送分配結(jié)果的方式,而是每個(gè)終端把當(dāng)前的緩存區(qū)的隊(duì)列長(zhǎng)度、業(yè)務(wù)到達(dá)率等預(yù)測(cè)的信息提前一幀(約100 ms)上報(bào)給中心站,然后中心站根據(jù)各個(gè)終端的信息和當(dāng)前的信道資源狀況來(lái)給各個(gè)終端分配資源。中心站根據(jù)終端基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的時(shí)隙申請(qǐng)方法來(lái)分配信道資源,更公平有效地改善了按需分配的時(shí)延問(wèn)題,避免了終端因申請(qǐng)沖突造成的申請(qǐng)失敗以及頻繁申請(qǐng)資源造成的系統(tǒng)開(kāi)銷過(guò)大的問(wèn)題,提高了衛(wèi)星系統(tǒng)帶寬資源利用率[3]。
1算法主要流程
為了方便分析,定義上行鏈路是終端到衛(wèi)星的鏈路,S是波束內(nèi)終端的數(shù)目,i=1,2…S,i代表其中一個(gè)正與衛(wèi)星建立連接的終端,U(i)代表第i個(gè)終端能夠建立連接的鏈路數(shù)目的最大值,j代表終端正與衛(wèi)星連接的鏈路,鏈路數(shù)目為業(yè)務(wù)種類的數(shù)目,同一種業(yè)務(wù)只在一條鏈路、一個(gè)緩存區(qū)中排隊(duì)。從而可用(i,j)來(lái)表示終端的上行鏈路的連接狀態(tài)。j的取值范圍為[1,U(i)][4]。
1.1傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法
指數(shù)加權(quán)法是根據(jù)上一時(shí)刻的歷史資料的實(shí)際數(shù)和預(yù)測(cè)值,用指數(shù)加權(quán)的方式對(duì)隊(duì)列進(jìn)行預(yù)測(cè),不需要儲(chǔ)存很多的歷史數(shù)據(jù),但它考慮了各時(shí)期數(shù)據(jù)的重要性,對(duì)全部的歷史資料都有涉及到[5]。它是時(shí)間序列前期所有值的加權(quán)平均。首先設(shè)一組觀察序列:y1,y2,y3,…,yt,t表示觀察序列的長(zhǎng)度,α為加權(quán)系數(shù)且0<α<1,在本文中,α=0.6,指數(shù)公式為:
因此預(yù)測(cè)值為:
1.2歸一化最小均方算法流程
1.2.1基本定義
定義1:用d來(lái)表示發(fā)送帶寬請(qǐng)求與接收資源確認(rèn)的之間的往返時(shí)延,d值用與T的比值來(lái)表示,在本文中取d=256 ms。
定義2:用Tp表示終端周期性地上報(bào)終端信息的周期時(shí)間,即中心站動(dòng)態(tài)地分配帶寬資源的周期時(shí)間,0同樣用與T的比值表示。為了便于分析,令終端均在同一時(shí)刻發(fā)送終端信息,時(shí)隙的申請(qǐng)周期性進(jìn)行,Tp值越小,則表示終端越頻繁地發(fā)送資源申請(qǐng)請(qǐng)求,同時(shí)也越能反映業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)的變化情況,計(jì)算的資源需求也越準(zhǔn)確。但是Tp值越小,系統(tǒng)的開(kāi)銷越大,同時(shí)計(jì)算也越復(fù)雜,在這里將Tp定為100 ms。
定義4:δi(v)∈[0,1]表示在第v個(gè)時(shí)間間隔里中心站分配給終端i的資源占可用的總資源C(v)的比例。在任何時(shí)間里,分配給終端i的資源必須滿足以下限制條件:
1.2.2算法流程
在基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的時(shí)隙申請(qǐng)算法中,終端不是直接將所需要的信道資源發(fā)送站,而是將一些參數(shù)傳給中心站,由中心站來(lái)統(tǒng)一計(jì)算終端所需資源并且結(jié)合當(dāng)前信道資源池的情況來(lái)分配信道資源[6]。這種分配方式能夠更高效地分配信道資源。當(dāng)終端每次向中心站上報(bào)時(shí)隙申請(qǐng)的時(shí)侯,主要提供3種信息,如下:
① 在η時(shí)刻預(yù)測(cè)η+Tp時(shí)刻終端i的隊(duì)列長(zhǎng)度,計(jì)算公式如下:
式中,qi(η)為η時(shí)刻的隊(duì)列長(zhǎng)度;δi[η]為在η時(shí)刻中心站分配給終端i的資源比例;C(η)為η時(shí)刻衛(wèi)星的總資源。
② 在[η+Tp,η+Tp+d]時(shí)間之內(nèi)的到達(dá)終端的隊(duì)列的平均比特速率:
③ 終端i在η+Tp+d時(shí)刻的隊(duì)列長(zhǎng)度:
{δi[η+Tp]+δi[η+d]}×C[η+d]×d。
令qi(η+d+Tp)=0,則可得
根據(jù)上述分析,信道資源分配管理的過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段:
階段1:在η時(shí)刻,終端i把預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)到達(dá)量和業(yè)務(wù)到達(dá)速率這2個(gè)終端信息上報(bào)給中心站;
階段2:在η+d時(shí)刻,中心站根據(jù)終端i上報(bào)的參數(shù),根據(jù)公式算出η+d時(shí)刻分配的資源比例δi[η+d]。然后中心站把計(jì)算得到的信道資源發(fā)送給終端[8]。
1.3業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)
Ri(v)為v時(shí)刻終端i的業(yè)務(wù)到達(dá)率的真實(shí)值,令業(yè)務(wù)到達(dá)率的取值間隔為T,根據(jù)v時(shí)刻之前F個(gè)已經(jīng)得到的真實(shí)業(yè)務(wù)到達(dá)率值來(lái)預(yù)測(cè)v+1時(shí)刻的業(yè)務(wù)到達(dá)率R*(v+1)。令Ri(v)為實(shí)業(yè)務(wù)到達(dá)率值組成的矢量,根據(jù)Ri(v)值,計(jì)算出v+1時(shí)刻業(yè)務(wù)的到達(dá)率為:
權(quán)值更新公式如下:
WR(v+1)=WR(v)+μ(v)*Ri(v)*ε(v)。
各類型業(yè)務(wù)參數(shù)分布如表1所示。
2仿真結(jié)果分析
本文的仿真模型是在Matlab軟件中建立的。Matlab中這4種典型業(yè)務(wù)(包含話音、視頻會(huì)議、FTP文件傳輸和網(wǎng)頁(yè)瀏覽)設(shè)置衛(wèi)星終端的數(shù)目為100,每個(gè)終端均有4種業(yè)務(wù)的連接,對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)話音和視頻會(huì)議來(lái)說(shuō),最大忍受時(shí)延為100 ms和200 ms,波束總帶寬為10 Mbps。
在實(shí)際的預(yù)測(cè)建模中,預(yù)測(cè)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與實(shí)際值間總會(huì)有差別。通常常用估計(jì)值與實(shí)際值間的均方誤差比較。均方誤差值越小預(yù)測(cè)效果越好,即與實(shí)際值越接近。對(duì)傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法和本文的歸一化最小均方算法預(yù)測(cè)方法的均方差進(jìn)行比較,如圖1所示。
圖1 算法均方值對(duì)比
從圖1中明顯可以看出,通過(guò)本文提出的歸一化最小均方算法與真實(shí)值產(chǎn)生的均方差會(huì)比傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法產(chǎn)生的均方值小很多,所以本文的算法是在傳統(tǒng)預(yù)測(cè)算法的基礎(chǔ)上明顯改進(jìn)的。
在Tp=60 ms情況下隨預(yù)測(cè)時(shí)間變化,包到達(dá)率的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的比較,如圖2所示。
圖2 業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的比較
由圖2可以得出表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
表2 仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
從表2中的數(shù)據(jù)分析得出,在50 s的預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi),對(duì)于包的到達(dá)率的預(yù)測(cè)誤差大約為4%。
隨Tp變化預(yù)測(cè)誤差值的變化如圖3所示。從圖3中可以看出,終端向中心站申請(qǐng)信道資源的時(shí)間越長(zhǎng),則誤差越大,當(dāng)Tp=100 ms時(shí),預(yù)測(cè)誤差在8%左右,是符合預(yù)期的。
圖3 預(yù)測(cè)誤差分析
3結(jié)束語(yǔ)
本文提出了基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的時(shí)隙分配算法,將歸一化最小均方算法與傳統(tǒng)的指數(shù)加權(quán)算法進(jìn)行對(duì)比,有效地提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度,并將不同的申請(qǐng)周期對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行仿真驗(yàn)證,證明本文算法在Tp=100 ms的情況下在準(zhǔn)許的誤差范圍內(nèi)。本算法將業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)作為時(shí)隙分配的依據(jù),中心站通過(guò)提前一幀來(lái)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)量并分配信道資源,充分利用了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道資源,同時(shí)有效降低了通信時(shí)延,大大提高了MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。
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徐達(dá)男,(1989—),在讀研究生。主要研究方向:MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量保障。
郝學(xué)坤男,(1979—),研究員。主要研究方向:衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
作者簡(jiǎn)介
基金項(xiàng)目:國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。
收稿日期:2015-12-07
中圖分類號(hào)TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A
文章編號(hào)1003-3106(2016)03-0030-03
doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.09
引用格式:徐達(dá),張有志,郝學(xué)坤.基于業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)的時(shí)隙分配算法[J].無(wú)線電工程,2016,46(3):30-32,57.