衛(wèi)星通信系統(tǒng)中網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化及仿真

班亞明，李斌成，樂 強(qiáng)

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.普華永道管理咨詢有限公司，上海 200021)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化及仿真

班亞明1，李斌成1，樂 強(qiáng)2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.普華永道管理咨詢有限公司，上海 200021)

受限帶寬下的網(wǎng)管信令突發(fā)碰撞是影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)管信令傳輸效率的主要因素。針對窄帶寬下信令突發(fā)引起的衛(wèi)星網(wǎng)管信令傳輸效率低的問題，在綜合分析衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)管理信息傳輸流程的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)管信令傳輸現(xiàn)狀進(jìn)行了仿真，提出了一種網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化方案。該方案將QoS技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)通網(wǎng)管信息傳輸，并通過排隊調(diào)度和流量控制實現(xiàn)信息高效傳輸。仿真驗證及系統(tǒng)實測表明，優(yōu)化后的網(wǎng)管信令傳輸能力和效率得到了較大提升，該優(yōu)化方案在提高衛(wèi)星系統(tǒng)管理性能方面具有科學(xué)性和有效性。

衛(wèi)星通信；流量傳輸；排隊調(diào)度；流量整形；頻分多址

0 引言

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有站型多樣化、管理復(fù)雜化和應(yīng)用多元化等特點，所以系統(tǒng)網(wǎng)管信令在傳輸過程中數(shù)據(jù)流量不穩(wěn)定，特別是在衛(wèi)通站集中入網(wǎng)或大規(guī)模網(wǎng)狀通信時表現(xiàn)尤為明顯。因此，如何在帶寬受限的特定傳輸通道中實現(xiàn)網(wǎng)管信令的可靠傳輸，已成為衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)建設(shè)[1]的重要問題。

許多文獻(xiàn)中對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)傳輸[2]的研究都是基于理想的通信環(huán)境[3]，沒有考慮到系統(tǒng)信道環(huán)節(jié)對信令傳輸質(zhì)量的影響，主要表現(xiàn)為在受限帶寬情況下業(yè)務(wù)申請、集中入網(wǎng)和批量參數(shù)上報[4]過程中因傳輸過載導(dǎo)致的信令丟失。目前大多數(shù)衛(wèi)通系統(tǒng)采用信令重傳機(jī)制保證信令可靠傳輸，該機(jī)制一定程度上解決了網(wǎng)管信令傳輸問題，但卻導(dǎo)致網(wǎng)管信令傳輸通道更加擁擠，甚至重要信令無法實時到達(dá)。本文針對衛(wèi)星通信網(wǎng)網(wǎng)管信令傳輸效率低的問題，在綜合分析網(wǎng)管信令特性、信令傳輸通道特點等基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)，并設(shè)計了軟件實現(xiàn)方案。

1 衛(wèi)通網(wǎng)網(wǎng)管信令

1.1 衛(wèi)通網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)

為模擬當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)管系統(tǒng)集中化、統(tǒng)一化的管理特點[4]，仿真系統(tǒng)采用網(wǎng)管中心、網(wǎng)管代理的集中管理方式，由網(wǎng)管中心、網(wǎng)管代理和網(wǎng)管信道形成端到端的管理體系結(jié)構(gòu)[5]?；谠摴芾眢w系結(jié)構(gòu)，形成統(tǒng)一的運行、管理控制框架和平臺，模擬實現(xiàn)衛(wèi)通網(wǎng)信道設(shè)備的集中監(jiān)控和業(yè)務(wù)資源的統(tǒng)一管理[6]。

模擬網(wǎng)管系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬網(wǎng)管系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)管信令分析

在實際應(yīng)用中，網(wǎng)管系統(tǒng)信令數(shù)據(jù)量主要集中在網(wǎng)管代理至網(wǎng)管中心的方向，故以代理至中心為重點對網(wǎng)管系統(tǒng)管理流程[7]進(jìn)行分析，并梳理各類管理信息特征。網(wǎng)管信令發(fā)送特征如表1所示。

表1 信令特征統(tǒng)計

通過對國內(nèi)外網(wǎng)管系統(tǒng)實例調(diào)研可知，表1中的管理信令主要集中體現(xiàn)在：① 網(wǎng)管中心定期發(fā)送廣播通告；② 各遠(yuǎn)端站發(fā)送入網(wǎng)請求；③ 遠(yuǎn)端站上報設(shè)備監(jiān)控信息；④ 其他隨機(jī)突發(fā)信息上報。其中，隨機(jī)突發(fā)信息上報過程發(fā)生頻率較低，數(shù)據(jù)量較小，對仿真結(jié)果的影響可忽略不計。流量仿真主要在前向廣播、入網(wǎng)請求及監(jiān)控上報過程域進(jìn)行流量仿真，研究各網(wǎng)管節(jié)點的流量特性。

1.3 網(wǎng)管信道

通過分析研究國內(nèi)外衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)可知，網(wǎng)管信道體制主要有TDM/STDMA、TDM/TDMA、TDM/ALOHA、TDMA[8]和地面IP網(wǎng)[9]。調(diào)研的衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)信道體制[10]均具有同一特征：網(wǎng)管信道帶寬固定且受限，大規(guī)模網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸存在丟幀重傳現(xiàn)象。為使仿真方案更具通用性，對使用固定受限帶寬地面IP網(wǎng)作為網(wǎng)管信道的衛(wèi)通系統(tǒng)展開模擬仿真[11]。

2 仿真方案

系統(tǒng)仿真方案中，使用模擬網(wǎng)管中心及網(wǎng)管代理作為網(wǎng)管信令源，針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)管信息傳輸特性[12]展開系統(tǒng)仿真工作過程及場景設(shè)計。

衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)網(wǎng)管代理仿真模擬環(huán)境設(shè)置為：網(wǎng)管代理管理30個設(shè)備，設(shè)備參數(shù)變化間隔為1 s。

借鑒國內(nèi)外衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)網(wǎng)管信道建設(shè)情況及系統(tǒng)管理規(guī)模[13]，模擬信道帶寬及管理規(guī)模，設(shè)置如下：網(wǎng)管代理信道帶寬設(shè)置為32 kbps；網(wǎng)管中心信道帶寬設(shè)置為384 kbps；網(wǎng)管系統(tǒng)規(guī)模為100個地球站；網(wǎng)管中心查詢地球站時間間隔為10 s[14]。

針對前向廣播、入網(wǎng)請求和監(jiān)控上報流程，在模擬網(wǎng)管中心和網(wǎng)管代理節(jié)點內(nèi)，仿真軟件收集時間維度上的網(wǎng)管信令流量數(shù)據(jù)[15]。

3 系統(tǒng)網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸仿真

3.1 代理網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸仿真

網(wǎng)管代理收到廣播通告入網(wǎng)后會集中上報設(shè)備參數(shù)狀態(tài)信令，平時采用參數(shù)變化上報及查詢上報機(jī)制發(fā)送信令。網(wǎng)管代理方向不采用流量控制策略時流量仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)管代理無流控仿真結(jié)果

3.2 中心網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸仿真

衛(wèi)通網(wǎng)網(wǎng)管信令無流量控制情況下，網(wǎng)管中心方向網(wǎng)管信令流量仿真如圖3所示。

圖3 網(wǎng)管中心無流控仿真結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)管代理方向：網(wǎng)管代理入網(wǎng)時因入網(wǎng)、設(shè)備參數(shù)集中上報信令導(dǎo)致大規(guī)模流量突發(fā)，瞬時信息速率可達(dá)200 kbps，超出信道承載量5倍左右。實測中有大規(guī)模丟包現(xiàn)象，丟包率高達(dá)80%，而入網(wǎng)階段結(jié)束后數(shù)據(jù)流量突發(fā)不明顯，信道利用率降至10%以下。

網(wǎng)管中心方向：網(wǎng)管代理批量入網(wǎng)時因地球站集中入網(wǎng)請求及設(shè)備參數(shù)上報導(dǎo)致大規(guī)模流量突發(fā)，瞬時信息速率達(dá)到7 500 kbps，超出信道承載量20倍左右。實測中由于碰撞及信道擁塞導(dǎo)致丟包現(xiàn)象尤其顯著，丟包率高達(dá)90%，而入網(wǎng)階段結(jié)束后數(shù)據(jù)流量突發(fā)不明顯，信道利用率降至10%以下。

在網(wǎng)管系統(tǒng)實際應(yīng)用中，對于初始階段或信息傳輸高峰階段，因系統(tǒng)信道帶寬產(chǎn)生的碰撞丟幀現(xiàn)象多采用信令重發(fā)解決，但信令傳輸問題解決的同時也使得信道資源利用率偏低。因此，有必要提出一種可靠高效的網(wǎng)管信息傳輸方案來解決信道擁塞導(dǎo)致的網(wǎng)管數(shù)據(jù)丟失及信道資源利用率低的問題。

4 網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化分析及設(shè)計

4.1 網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)分析

網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)旨在滿足網(wǎng)管信令突發(fā)數(shù)據(jù)流對數(shù)據(jù)傳輸高可靠性的要求，為網(wǎng)管信令傳輸提供專門的服務(wù)質(zhì)量保證。網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)采用QoS機(jī)制[16]實現(xiàn)，QoS是通過為網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男帕钤O(shè)定相應(yīng)的流量管理策略，降低突發(fā)數(shù)據(jù)等對信令傳輸?shù)挠绊?。QoS機(jī)制不能創(chuàng)造帶寬，只能根據(jù)用戶需求合理劃分其使用帶寬，提供與特定應(yīng)用需求相匹配的服務(wù)質(zhì)量，最大限度地提高信道帶寬利用率。

網(wǎng)管信令傳輸?shù)腝oS技術(shù)主要針對信令傳輸進(jìn)行流量控制和隊列調(diào)度。

4.1.1 排隊調(diào)度

排隊調(diào)度是將分類好的數(shù)據(jù)包按一定的策略排隊，當(dāng)擁塞發(fā)生時，按指定策略對數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度，決定哪些數(shù)據(jù)包可優(yōu)先發(fā)送、哪些數(shù)據(jù)包可延遲發(fā)送。設(shè)計方案采用絕對優(yōu)先隊列(PQ)進(jìn)行排隊調(diào)度。

PQ首先對網(wǎng)管信令進(jìn)行分類，在發(fā)生擁塞時較高優(yōu)先級隊列中的網(wǎng)管信令將會優(yōu)先被發(fā)送，而低優(yōu)先級的網(wǎng)管信令則延遲被發(fā)送。PQ可使關(guān)鍵網(wǎng)管信令(如資源分配)得到優(yōu)先處理，非關(guān)鍵信令(如設(shè)備監(jiān)控信息)在關(guān)鍵信令處理后發(fā)送，在保證重要信令優(yōu)先處理的同時提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

4.1.2 流量控制

流量控制是限制流出網(wǎng)絡(luò)突發(fā)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，一般采用緩沖區(qū)和令牌桶[17]來完成。由于數(shù)據(jù)的突發(fā)速率遠(yuǎn)高于平均速率，而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星資源十分寶貴且網(wǎng)管信道一般使用固定帶寬，不能按照數(shù)據(jù)的突發(fā)速率分配網(wǎng)管信道資源。因此，為了提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，需在網(wǎng)管信令進(jìn)入網(wǎng)管信道之前進(jìn)行流量整形[18]。

流量整形模塊使用的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)為與隊列調(diào)度相結(jié)合的流量整形機(jī)制和突發(fā)數(shù)據(jù)緩存機(jī)制。

與隊列調(diào)度相結(jié)合的流量整形：為限制數(shù)據(jù)突發(fā)，流量整形過程中將網(wǎng)管信令放入隊列。為降低時延對高優(yōu)先級網(wǎng)管信令的影響，將流量整形機(jī)制和優(yōu)先級隊列調(diào)度結(jié)合，并采用緩存和高級隊列優(yōu)先發(fā)送[19]的方式來限制網(wǎng)管信令突發(fā)。

突發(fā)數(shù)據(jù)的緩存[20]：要合理選擇緩存隊列的長度，并在緩存長度超限時結(jié)合優(yōu)先級策略臨時提高隊列優(yōu)先級，以保證在控制突發(fā)速率的同時低優(yōu)先級網(wǎng)管信令不會出現(xiàn)無限制等待的狀態(tài)。

4.2 網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化實現(xiàn)

網(wǎng)管信令傳輸QoS技術(shù)在網(wǎng)管系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中體現(xiàn)在安裝了QoS軟件的信令傳輸模塊上。網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 資源動態(tài)分配軟件模塊組成

信令傳輸QoS軟件設(shè)計完成以下功能流程：

① 按信令重要度對網(wǎng)管信令進(jìn)行分級處理。其中，資源分配、入網(wǎng)管理等為關(guān)鍵信令；參數(shù)上報、狀態(tài)查詢?yōu)榉顷P(guān)鍵信令。

② 網(wǎng)管信令逐級緩存，緩存長度可依據(jù)信道使用率變化。

③ 實時計算信道利用率，根據(jù)信道使用情況決定緩沖發(fā)送策略。

5 網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用仿真

5.1 代理網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

代理應(yīng)用網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)，處理網(wǎng)管信令的流量與突發(fā)，對于超出信道帶寬的網(wǎng)管信令做延遲發(fā)送處理，在提高信道利用率的同時保證網(wǎng)管信令在固定信道帶寬下的可靠傳輸。

由圖5和圖6可知，在應(yīng)用網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)后網(wǎng)管代理的數(shù)據(jù)突發(fā)毛刺已完全消除，初始入網(wǎng)階段集中發(fā)送數(shù)據(jù)速率≤32 kbps,無信道溢出丟包產(chǎn)生。數(shù)據(jù)延遲發(fā)送造成的發(fā)送延時控制在3.5 s以內(nèi)，遠(yuǎn)低于采用丟失信令重發(fā)的時間間隔(均值5 s重發(fā))。

圖5 網(wǎng)管代理信令傳輸優(yōu)化數(shù)據(jù)流量仿真結(jié)果

圖6 網(wǎng)管代理信令傳輸優(yōu)化數(shù)據(jù)時延結(jié)果

5.2 中心網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

系統(tǒng)采用網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)后網(wǎng)管中心數(shù)據(jù)接口仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 網(wǎng)管中心信令傳輸優(yōu)化數(shù)據(jù)流量仿真結(jié)果

圖8 網(wǎng)管中心信令傳輸優(yōu)化數(shù)據(jù)時延仿真

由圖7和圖8可知，在應(yīng)用網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)后網(wǎng)管中心接收數(shù)據(jù)突發(fā)毛刺已完全消除，初始入網(wǎng)階段集中發(fā)送的數(shù)據(jù)速率≤384 kbps,無信道溢出丟包產(chǎn)生。數(shù)據(jù)延遲發(fā)送造成的發(fā)送延時控制在12 s以內(nèi)，而系統(tǒng)無流量控制時初始入網(wǎng)丟幀率為90%，網(wǎng)管信令重傳3次就已超過12 s(均值為5 s重發(fā))，故網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于信令重傳技術(shù)，能顯著提高系統(tǒng)信令傳輸效率。

6 系統(tǒng)測試驗證

某FDMA/DAMA體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為各網(wǎng)管代理分配384 kbps地面網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行管理信息傳輸，使用錯時發(fā)送與碰撞重發(fā)的方式實現(xiàn)網(wǎng)管信息發(fā)送。按本文網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化進(jìn)行改造，并對改造前后系統(tǒng)網(wǎng)管代理管理數(shù)據(jù)出口進(jìn)行測試統(tǒng)計，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 技術(shù)優(yōu)化效果對比

測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化應(yīng)用能夠有效解決網(wǎng)管集中突發(fā)問題，管理數(shù)據(jù)流量實現(xiàn)了可靠緩沖與傳輸，對于入網(wǎng)請求、資源管理等重要信令延時有了明顯減少。測試結(jié)果驗證了本文網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化方案的有效性和科學(xué)性，在保證系統(tǒng)可靠運行的前提下，提高了傳輸率和信道利用率。

7 結(jié)束語

網(wǎng)管信令傳輸是衛(wèi)通網(wǎng)管系統(tǒng)高效管理的一個重要前提，本文以仿真的方式綜合分析了有限帶寬衛(wèi)星信道下的網(wǎng)管信令傳輸現(xiàn)狀，研究設(shè)計了網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化方案，并在實際衛(wèi)星通信網(wǎng)管理中應(yīng)用，運行穩(wěn)定可靠。測試結(jié)果表明，以排隊控制(絕對隊列)和流量控制(緩沖區(qū)和令牌桶結(jié)合)為核心的網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化技術(shù)，可以有效解決大規(guī)模網(wǎng)管系統(tǒng)建設(shè)中所面臨的網(wǎng)管信令傳輸問題，在其他體制的網(wǎng)管系統(tǒng)中，也值得進(jìn)行針對性的策略研究。

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Optimization and Simulation of Network Management Signaling Transmission in Satellite Communication System

BAN Ya-ming1,LI Bin-cheng1,YUE Qiang2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.PricewaterhouseCoopersConsultingCo.,Ltd.,Shanghai200021,China)

Network management signaling burst collision in limited bandwidth is the major factor that affects the efficiency of the signaling transmission of network management system.To solve the problem of low transmission efficiency caused by signaling bursts in narrow bandwidth,the network signaling transmission status is simulated and an optimization scheme for network management signaling transmission is proposed based on a comprehensive analysis of satellite communication network management information transmission process.In the scheme,the QoS technology is applied to the information transmission of satellite communication network management,and efficient transmission of information is achieved through queue scheduling and flow control.Simulation and system test show that the optimized network management signaling transmission capacity and efficiency are greatly improved and the optimization scheme is scientific and effective in improving the performance of satellite system management.

satellite communication;flow transmission;queue scheduling;flow shaping;FDMA

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.02

班亞明,李斌成,樂強(qiáng).衛(wèi)星通信系統(tǒng)中網(wǎng)管信令傳輸優(yōu)化及仿真[J].無線電工程,2017,47(7):5-9.[BAN Yaming,LI Bincheng,YUE Qiang.Optimization and Simulation of Network Management Signaling Transmission in Satellite Communication System[J].Radio Engineering,2017,47(7):5-9.]

2016-12-12

國家部委基金資助項目。

TN927

A

1003-3106(2017)07-0005-05

班亞明 男，(1984—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信與信息傳輸技術(shù)。

李斌成 男，(1974—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信與信息傳輸技術(shù)。