一種衛(wèi)星信道的反饋優(yōu)化接入機(jī)制

丁毅，曹昕宇，程子敬，李潔，鐘瓊慧，靳軍

1. 北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 101149 2. 航天恒星科技有限公司，北京 100094

當(dāng)前，在以航天科技和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，寬帶衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信業(yè)務(wù)服務(wù)種類多、不易受地形等環(huán)境因素影響的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)通信方面應(yīng)用前景廣闊，將成為未來(lái)重要的通信方式之一，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1]。

隨著空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)衛(wèi)星通信資源的需求也日趨增加。各行業(yè)的不同終端用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)類型呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)[2]，因此，終端用戶希望能夠滿足“隨遇接入”的應(yīng)用需求。而當(dāng)前典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用(digital video broadcasting interactive satellite system，DVB-RCS)標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)先資源規(guī)劃的信道接入機(jī)制。而在衛(wèi)星實(shí)際工程應(yīng)用中，各衛(wèi)星信道資源提供單位的端站接入方式略有不同，當(dāng)出現(xiàn)信道資源不足時(shí)，主要存在以下3種解決方法：

1)先到先得的信道接入方式，就是將信道按照先后順序接入，直到有端站主動(dòng)退出再進(jìn)一步分配；

2)等級(jí)優(yōu)先的信道接入方式，如果后加入的端站等級(jí)較高，則將先加入的低等級(jí)端站強(qiáng)制退網(wǎng)，保證業(yè)務(wù)級(jí)別高的端站接入；

3)反饋控制的信道接入方式，當(dāng)有新端站請(qǐng)求接入，其余端站按照一定比例進(jìn)行帶寬資源的削減，將部分帶寬讓渡給新接入端站使用。

當(dāng)前衛(wèi)星通信中使用的3種接入方式都存在一定問(wèn)題[3]，具體表現(xiàn)如下：

1)第1種接入方式快速簡(jiǎn)單，對(duì)每個(gè)端站保證最大程度的公平，僅在多個(gè)端站同時(shí)接入時(shí)才考慮端站優(yōu)先級(jí)，沒(méi)有給予重要端站應(yīng)用足夠的資源傾斜，可能會(huì)導(dǎo)致一些重要的任務(wù)無(wú)法得到及時(shí)支持；

2)第2種接入方式充分保障了高等級(jí)端站需求，但會(huì)導(dǎo)致低等級(jí)端站由于缺乏支持而長(zhǎng)期等待；

3)第3種接入方式使所有端站均損失部分帶寬資源，用來(lái)提供后來(lái)端站的帶寬需求。這樣可能會(huì)造成有些應(yīng)用因?yàn)閹挼南麥p無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

可見(jiàn)，3種方式均具有強(qiáng)制性調(diào)整的特點(diǎn)，衛(wèi)星在不同端站之間進(jìn)行權(quán)衡，根據(jù)調(diào)整目標(biāo)不同，選擇不同的接入方式。但會(huì)在公平性和可操作性兩方面都存在一定的局限性，端站缺乏根據(jù)自身情況自主參與的權(quán)利，無(wú)法充分理解端站的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，會(huì)限制衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍和發(fā)展規(guī)模。

總結(jié)起來(lái)，就是當(dāng)前DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)基于帶寬預(yù)先規(guī)劃的衛(wèi)星通信系統(tǒng)接入機(jī)制與端站“隨遇接入”的需求矛盾凸顯，無(wú)法滿足終端用戶對(duì)于衛(wèi)星資源高效應(yīng)用的需求。如何從整體協(xié)商角度建立一個(gè)更加合理有效，能夠滿足絕大多數(shù)終端業(yè)務(wù)請(qǐng)求，并且符合當(dāng)前衛(wèi)星信道接入工程特點(diǎn)的帶寬資源分配機(jī)制成為一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

本文針對(duì)這些問(wèn)題，力圖使用最優(yōu)化及博弈理論來(lái)解決終端之間的帶寬資源分配問(wèn)題，以期達(dá)到最大化整體帶寬通信業(yè)務(wù)效益的目的。

1 帶寬分配理論研究

目前衛(wèi)星通信中的DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)包括5種帶寬資源分配方式，分別是恒定速率分配(constant-rate assignment，CRA)、基于速率的動(dòng)態(tài)容量(rate-based dynamic capacity，RBDC) 申請(qǐng)、基于容積的動(dòng)態(tài)容量 (volume-based dynamic capacity，VBDC) 申請(qǐng)、絕對(duì)基于容積的動(dòng)態(tài)容量 (absolutely volume based dynamic capacity，AVBDC) 申請(qǐng)和自由容量分配(free capacity assignment，F(xiàn)CA)[4]。其中CRA方式面向業(yè)務(wù)速率固定的應(yīng)用，優(yōu)先級(jí)最高，應(yīng)用廣泛[5]。這是本文重點(diǎn)研究的基礎(chǔ)場(chǎng)景。而其他幾種方式會(huì)從不同角度對(duì)端站信道帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，可以等價(jià)于下一輪對(duì)信道帶寬的重新分配接入，因此，本研究的反饋優(yōu)化接入機(jī)制融合了多種分配方法，具有較強(qiáng)的適用性。

另外，在已有的研究中，帶寬資源的分配模式主要包括博弈論模型、最優(yōu)化理論和拍賣機(jī)制設(shè)計(jì)。

博弈論是研究理性決策者在博弈中如何做出使自身或團(tuán)隊(duì)利益最大化的方法，可從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源分配的問(wèn)題，依據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，提供求解模型。在非合作博弈領(lǐng)域，文獻(xiàn)[6]考慮當(dāng)衛(wèi)星帶寬容量一定時(shí)，在保證用戶通信服務(wù)滿意度的前提下，構(gòu)建了基于博弈理論的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的速率分配模式，可實(shí)現(xiàn)帶寬資源的整體規(guī)劃再分配。文獻(xiàn)[7]將通信業(yè)務(wù)提供商與終端用戶看作是主從Stackelberg博弈模型，在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[8]提出了基于改進(jìn)Stackelberg博弈模型的衛(wèi)星通信資源的多級(jí)業(yè)務(wù)分配方法，考慮將終端資源服務(wù)請(qǐng)求分為高低兩個(gè)不同的業(yè)務(wù)等級(jí)，當(dāng)出現(xiàn)資源擁塞情況時(shí)考慮高等級(jí)業(yè)務(wù)的合理調(diào)整，從而建立動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)優(yōu)化模型以保證資源的合理分配，結(jié)果表明在帶寬利用率和通信業(yè)務(wù)處理效率方面取得了明顯改善。在合作博弈領(lǐng)域，文獻(xiàn)[9]建立了基于完全信息博弈的討價(jià)還價(jià)經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，文獻(xiàn)[10]將此理論運(yùn)用于云環(huán)境下的任務(wù)資源調(diào)度模式中，將虛擬網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)當(dāng)成博弈中的參與雙方。在資源約束的條件下，網(wǎng)絡(luò)中各博弈參與方選擇適合自己的速率博弈策略，從而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的最佳任務(wù)調(diào)度模式。但是目前網(wǎng)絡(luò)通信資源分配模式更多的是合作與非合作博弈的結(jié)合問(wèn)題，將其應(yīng)用到衛(wèi)星通信接入領(lǐng)域，因?yàn)榻换?fù)雜，各端站之間自成獨(dú)立個(gè)體參與博弈，對(duì)資源消耗較大。本文主要基于DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用特點(diǎn)，考慮多方面因素，并根據(jù)端站的實(shí)際需求情況綜合確定端站的服務(wù)等級(jí)和分配的帶寬，過(guò)程較為簡(jiǎn)單，開(kāi)銷較小，且無(wú)需增加額外信令。在最優(yōu)化理論帶寬分配模式研究中，文獻(xiàn)[11]認(rèn)為在衛(wèi)星通信中，面向用戶需求的優(yōu)先級(jí)帶寬分配模式并未能較好地解決帶寬利用率問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]借鑒生物遺傳算法的相關(guān)理念，在信道資源有限的情況下，提出解決衛(wèi)星信道的資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配策略。文獻(xiàn)[13-14]則將經(jīng)濟(jì)學(xué)中的定價(jià)機(jī)制融入到衛(wèi)星資源分配模式中，在保證帶寬用戶體驗(yàn)質(zhì)量(quality of experience，QoE)的情況下，綜合考慮了用戶的業(yè)務(wù)消耗和價(jià)格等因素，通過(guò)約束條件建立分段用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求成本模型，最大限度提高資源利用率和降低用戶成本。但是該方法在定價(jià)的公平機(jī)制設(shè)計(jì)方面還沒(méi)有得到有效的改善。本文主要面向衛(wèi)星通信的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在接入階段，端站通過(guò)建立謙虛度和業(yè)務(wù)損失函數(shù)，可以更全面地反映各端站的帶寬需求，量化讓渡帶寬的損失，并激勵(lì)端站主動(dòng)出讓多余的帶寬，保證更多端站接入，提高資源利用效率。同時(shí)還需要考慮服務(wù)等級(jí)，尋求操作效率和公平之間的平衡。

當(dāng)前有研究人員將拍賣機(jī)制設(shè)計(jì)原理運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)資源分配中[15]。文獻(xiàn)[16-17]考慮在P2P網(wǎng)絡(luò)中帶寬資源稀缺且存在分配不合理的情況，為了避免網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)自私節(jié)點(diǎn)“搭便車”的現(xiàn)象，引入經(jīng)濟(jì)學(xué)中的拍賣機(jī)制設(shè)計(jì)方案?？紤]各節(jié)點(diǎn)在請(qǐng)求帶寬服務(wù)的同時(shí)需要消耗一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬支付成本，用于補(bǔ)償潛在帶寬需求節(jié)點(diǎn)。該機(jī)制將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬資源需求與貢獻(xiàn)聯(lián)系起來(lái)，從而形成良性循環(huán)。文獻(xiàn)[18]則考慮在P2P網(wǎng)絡(luò)資源分配中，構(gòu)建動(dòng)態(tài)價(jià)格匹配模式，業(yè)務(wù)提供商根據(jù)合適的價(jià)格將資源分配給用戶。但是以上方案并沒(méi)有考慮激勵(lì)機(jī)制的設(shè)計(jì)，以此來(lái)激勵(lì)更多不在該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)參與其中，沒(méi)有達(dá)到擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模效應(yīng)和提升整體網(wǎng)絡(luò)性能的目的。本文則是通過(guò)引入謙虛度的方法，鼓勵(lì)所有端站主動(dòng)將閑置帶寬讓渡給新加入或有更多需求的端站使用，努力減少等待端站的平均排隊(duì)時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)為自己提供后續(xù)信道優(yōu)先接入的量化積累。

基于以上研究和分析，本文在不改變傳統(tǒng)通信模式，不增加控制信令的前提下，提出一套面向衛(wèi)星信道的反饋優(yōu)化接入機(jī)制。該機(jī)制通過(guò)合作協(xié)商的方式滿足大多數(shù)終端用戶帶寬需求，激勵(lì)更多的端站接入，以期達(dá)到整體規(guī)模效益和資源利用最大化。

2 衛(wèi)星信道反饋優(yōu)化接入模型

如前文所述，目前衛(wèi)星實(shí)際工程應(yīng)用中信道接入采用的是DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)，信道的3種接入方式都存在公平和可操作的局限性，因此，本文在分析各種接入方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合最優(yōu)化、反饋控制機(jī)制、博弈論等技術(shù)理論，提出一套新型的衛(wèi)星信道反饋優(yōu)化接入模型，形成高效分配機(jī)制，以有效緩解當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)接入機(jī)制與端站“隨遇接入”需求的矛盾，提高衛(wèi)星通信資源的利用率，滿足端站用戶的多樣化需求。

2.1 模型假設(shè)與定義

衛(wèi)星通信中，信關(guān)站信道資源的分配目標(biāo)是在綜合考慮端站不同服務(wù)等級(jí)的前提下，讓盡可能多的端站接入。假設(shè)一旦有新的端站請(qǐng)求加入，或者需要調(diào)增帶寬，致使總帶寬需求超過(guò)了衛(wèi)星信道可提供的總帶寬B，則啟動(dòng)新一輪分配過(guò)程。同時(shí)，整個(gè)模型要求不能增加使用協(xié)議的信令長(zhǎng)度，充分利用原有信令的擴(kuò)展字部分來(lái)完成控制邏輯。

假設(shè)此模型中存在N個(gè)端站參與帶寬分配，信關(guān)站對(duì)端站建議帶寬為bi(i=1,2,…,N)，端站提供帶寬需求為qi(i=1,2,…,N)。

假設(shè):認(rèn)為所有端站不存在惡意欺騙，可以根據(jù)自己的真實(shí)業(yè)務(wù)需求請(qǐng)求帶寬資源。

定義1:謙虛度，是端站的基礎(chǔ)屬性，用來(lái)激勵(lì)端站讓渡多余帶寬，并為后續(xù)信道優(yōu)先接入提供量化積累。初始值設(shè)為0，使用mi來(lái)表示(i表示第i個(gè)請(qǐng)求端站)。當(dāng)端站帶寬需求量高于信關(guān)站上一輪帶寬分配量的情況下，則可消耗謙虛度換取帶寬。當(dāng)端站新一輪分配帶寬量少于上一輪時(shí)，則端站讓渡的帶寬量可轉(zhuǎn)換為謙虛度。設(shè)本輪的初始謙虛度為mi(i=1,2,…,N)。

假定業(yè)務(wù)質(zhì)量是與帶寬密切相關(guān)的，存在上下兩個(gè)門限。當(dāng)獲取帶寬等于或大于業(yè)務(wù)服務(wù)上限時(shí)，業(yè)務(wù)持續(xù)保持最高質(zhì)量服務(wù)水平，帶寬繼續(xù)增加也無(wú)法進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量；當(dāng)獲取帶寬小于業(yè)務(wù)服務(wù)下限時(shí)，該業(yè)務(wù)終止，損失最大，當(dāng)帶寬繼續(xù)減少也不會(huì)再增加損失。當(dāng)獲取帶寬在上下兩個(gè)門限之間，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量同帶寬成正比，同損失成反比，進(jìn)而可推出損失與帶寬成反比。

定義2:業(yè)務(wù)損失函數(shù)，量化表示業(yè)務(wù)的損失程度，其含義見(jiàn)下式：

(1)

式中：對(duì)于i端站，Qi為業(yè)務(wù)服務(wù)帶寬上限；Qmin,i為業(yè)務(wù)服務(wù)帶寬下限；qi為端站提供的帶寬需求。當(dāng)qi≤Qmin ,i時(shí)，業(yè)務(wù)損失最大，損失值為L(zhǎng)max ,i；當(dāng)qi≥Qi時(shí)，損失值為0；當(dāng)實(shí)際分配到的帶寬qi介于兩者之間時(shí)，業(yè)務(wù)損失隨qi的增加逐漸減小，減小的速度與業(yè)務(wù)模式相關(guān)，各端站可能不盡相同，另外，該函數(shù)是連續(xù)函數(shù)，如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)損失函數(shù)Fig.1 The graph of business loss function

2.2 服務(wù)等級(jí)協(xié)議設(shè)計(jì)

在信關(guān)站寬帶業(yè)務(wù)服務(wù)模型中，需要設(shè)計(jì)帶寬業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)協(xié)議(service-level agreement，SLA)，信關(guān)站根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)為端站提供差異化帶寬服務(wù)。在衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)中，根據(jù)衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，協(xié)議內(nèi)容設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 服務(wù)等級(jí)協(xié)議內(nèi)容示例

這一協(xié)議反映了通信業(yè)務(wù)中的需求與服務(wù)，可以約束信關(guān)站和端站雙方的行為，根據(jù)不同端站的實(shí)際情況，進(jìn)行有針對(duì)性的分類和策略傾斜，并促進(jìn)信關(guān)站提高通信服務(wù)質(zhì)量，使資源能夠合理分配、充分利用。根據(jù)該協(xié)議內(nèi)容對(duì)端站進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分結(jié)果可分為不同等級(jí)，通過(guò)服務(wù)等級(jí)系數(shù)βs來(lái)反映端站服務(wù)不同等級(jí)之間的差別，βs(s表示不同的等級(jí)，假定分為A個(gè)等級(jí)，s∈[1,A]，1為最高級(jí)別，A為最低級(jí)別，0<βs≤1)也是信關(guān)站信道資源分配的重要影響因素。這樣，服務(wù)等級(jí)作為輸入端站的一個(gè)屬性，與端站資源請(qǐng)求相結(jié)合，比如，(qi.s)=1(i∈[1,N])表示端站i的業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)為1。

2.3 模型建立與求解

信關(guān)站和眾端站要完成信道帶寬接入，達(dá)成一致資源分配共識(shí)，需要經(jīng)過(guò)以下協(xié)商過(guò)程：

1)第1回合將帶寬需求qi,1(表示第i個(gè)端站的第1次上報(bào)請(qǐng)求)和業(yè)務(wù)服務(wù)帶寬下限Qmin ,i報(bào)給信關(guān)站。由損失函數(shù)可知，如果帶寬qi,1超過(guò)業(yè)務(wù)服務(wù)帶寬上限Qi，端站不會(huì)得到額外的收益，反而在實(shí)際場(chǎng)景中，可能因此支付更多的寬帶費(fèi)用。如果qi,1低于Qi，則端站會(huì)產(chǎn)生業(yè)務(wù)損失，在初次提交帶寬需求時(shí)通常也不會(huì)發(fā)生這種情況。因此，可認(rèn)為qi,1=Qi。

2)信關(guān)站收到各端站的需求信息，將所有帶寬需求進(jìn)行加和，如果總帶寬需求沒(méi)有超過(guò)實(shí)際信關(guān)站可分配的帶寬容量，即∑qi,1≤B(i=1,2,…,N)，則直接按此分配策略執(zhí)行(若有端站退出，騰出的帶寬容量也計(jì)算到可分配容量中)。當(dāng)端站群所報(bào)的帶寬總需求高于信關(guān)站所能提供的總帶寬時(shí)(∑qi,1>B，i=1,2,…,N)，信關(guān)站會(huì)根據(jù)端站申報(bào)的帶寬需求量并與服務(wù)等級(jí)系數(shù)βs加權(quán)后，再乘以縮減系數(shù)α(0<α<1)， 保證帶寬總和不大于B。由于業(yè)務(wù)正常運(yùn)行要求帶寬不能低于最小可接受帶寬Qmin,i，如果低于Qmin,i，則按照Qmin,i值分配資源。因此，帶寬請(qǐng)求可表示為αβsqi,1和Qmin,i中的較大值。信關(guān)站的分配規(guī)則列式如下，其中bi,1表示端站i第1回合擬分配的帶寬容量：

bi,1=max(αβsqi,1,Qmin,i)

(0<α<1,0<βs≤1)

(2)

式(2)受下式約束：

(3)

約束條件是第1回合所有端站擬分配帶寬之和要小于B。進(jìn)而，將bi,1通過(guò)廣播的形式發(fā)送給端站i，其他端站也會(huì)完成同樣的流程。

3)當(dāng)端站收到信關(guān)站的建議需求bi,1(bi,1∈[Qmin,i,qi])時(shí)，構(gòu)建效用函數(shù)方程描述如下：

ui=Ui+mi-li(i=1,2,…,N)

(4)

在本模型中，與效用函數(shù)相關(guān)的因素有：謙虛度、業(yè)務(wù)收益以及業(yè)務(wù)損失。其中Ui為端站利用帶寬完成業(yè)務(wù)而獲取的收益，僅與端站的實(shí)際業(yè)務(wù)相關(guān)，與帶寬量無(wú)關(guān)。效用函數(shù)中的mi為謙虛度，其表達(dá)式設(shè)為：

(5)

當(dāng)qi

將式(5)中當(dāng)qi≥bi時(shí)的表達(dá)式進(jìn)一步整理，推導(dǎo)得到：

進(jìn)一步合并，得：

(6)

將式(2)代入式(6)，另外由于qi∈[Qmin,i,Qi]，且由Mi定義和式(2)可知，bi+Mi>Qmin,i, 可以進(jìn)一步展開(kāi)分析，則：

若bi+Mi∈(Qmin ,i,Qi]，有：

(7)

若bi+Mi>Qi則有：

mi=max(αβsqi,1,Qmin,i)-qi，

Qmin,i≤qi≤Qi

(8)

可以將qi,1=Qi,以及qi,2、bi,1帶入式(7)(8)，可得：

若bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]，有：

(9)

若bi+Mi>Qi，則有：

mi=max(αβsQi,Qmin,i)-qi,2，

Qmin,i≤qi,2≤Qi

(10)

綜上所述，由式(1)(7)～(10)可知，在定義域qi∈[Qmin,i,Qi]內(nèi)，mi、li都是qi的函數(shù)，式(4)中的ui達(dá)到最大值點(diǎn)時(shí)的qi即為端站應(yīng)選擇的最佳帶寬需求，記為qi,2,tmp。在實(shí)際衛(wèi)星通信中，最終分配的帶寬容量通常表現(xiàn)為幾個(gè)類別，代表不同的數(shù)值范圍。比如128 kbit/s, 256 kbit/s, 512 kbit/s, 1 Mbit/s, 1.5 Mbit/s, 2 Mbit/s, 2.5 Mbit/s, 3 Mbit/s, 4 Mbit/s, 8 Mbit/s等按照容量向上取類的方式進(jìn)行分配，即取a=[128 k,256 k,512 k,1 M,1.5 M,2 M,2.5 M,3 M,4 M,6 M,8 M](其中，1 M=1 024 k≈1 000 k)。按照以上分配方式計(jì)算得到的帶寬qi,2,tmp,依次與數(shù)組a中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定所屬帶寬類別，即qi,2=uper(qi,2,tmp,a)。

4)信關(guān)站根據(jù)端站的帶寬需求qi,2，在優(yōu)先保證高等級(jí)端站帶寬的前提下，盡可能讓更多的端站接入。

信關(guān)站依據(jù)服務(wù)等級(jí)將端站進(jìn)行排序，在同一等級(jí)中，使用背包算法進(jìn)行分配。

步驟1：首先將端站按照業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)分成不同類別，組成服務(wù)端站集合S1，S2，S3,…,SA。比如如果(qi,2.s)=1(i∈[1,N]),則該端站屬于集合S1。

步驟4：如果當(dāng)前服務(wù)等級(jí)不為A，信關(guān)站減去之前分配的帶寬總和Qp，如果剩余量等于零，則跳轉(zhuǎn)到步驟5；如果剩余量大于零，則跳轉(zhuǎn)到步驟3繼續(xù)執(zhí)行。如果當(dāng)前服務(wù)等級(jí)為A，則跳轉(zhuǎn)到步驟5。

步驟5：系統(tǒng)分配算法結(jié)束，信關(guān)站將端站的分配結(jié)果bi,2(i∈(0,n])發(fā)給相應(yīng)的端站，端站數(shù)量假定為n, 則n∈(0,N]。端站收到信號(hào)后陸續(xù)接入衛(wèi)星信道。

這一分配方法的目標(biāo)就是可以在等級(jí)相同的條件下，盡量滿足更多的端站帶寬接入服務(wù)，該過(guò)程描述如圖2所示。

圖2 信道反饋優(yōu)化接入方法流程Fig.2 The flow chart of feedback optimization channel access mechanism

2.4 信道實(shí)現(xiàn)流程分析

在實(shí)際衛(wèi)星通信DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)信道反饋優(yōu)化接入模型，將信關(guān)站和端站的反饋交互信息填充到信令保留字中，不額外增加信令。信道接入分為初始同步、登錄、粗同步、精同步、同步保持5個(gè)階段，其中前兩個(gè)階段使用隨機(jī)時(shí)分多址方式(Aloha)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，后3個(gè)階段使用按需分配多路尋址(demand assigned multiple access，DAMA)方式通信。具體步驟如下：

1)初始同步：端站定位前向鏈路，并獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘參考(NCR)、衛(wèi)星位置表(SPT)、超幀組成表(SCT)、幀組成表(FCT)、時(shí)隙組成表(TCT)等信號(hào)。

2)登錄：端站在通用信號(hào)通道(CSC)時(shí)隙發(fā)送登錄請(qǐng)求和Qmin,i,qi,1(i=1→N)信息。網(wǎng)絡(luò)控制中心NCC工程中是和信關(guān)站集成在一起的。此步驟中，NCC接收該請(qǐng)求，并向端站發(fā)送單播終端信息消息(TIM)作為回復(fù)，該TIM信息除了需要包含端站的專用信令時(shí)隙和端站配置信息(如捕獲ACQ分配描述符、SYNC分配描述符等)，還需額外加入bi,1(i=1→N)。

3)粗同步：端站根據(jù)收到的信息，計(jì)算收益最優(yōu)時(shí)的qi,2(i=1→N)，并發(fā)送粗同步請(qǐng)求(ACQ突發(fā))的時(shí)間和qi,2給NCC。信關(guān)站計(jì)算分配的bi,2(i=1→n)，連同該端站關(guān)于時(shí)間、頻率和概率上的修正值信息放入校正信息表CMT中反饋給端站，允許接入的端站繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)精同步及同步保持請(qǐng)求。

4)精同步：端站在精確同步信令SYNC時(shí)隙上發(fā)送精確同步請(qǐng)求，并根據(jù)NCC的反饋信息進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)入精確同步狀態(tài)。

5)同步保持：端站周期性地通過(guò)信道發(fā)送同步保持請(qǐng)求。

通過(guò)以上步驟，符合條件的端站可以完成衛(wèi)星信道接入任務(wù)，具體交互流程如圖3所示。

圖3 DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)信道反饋優(yōu)化接入實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 The flow chart of feedback optimization channel access mechanism for DVB-RCS standard implementation

另外，在實(shí)際系統(tǒng)中，由于各個(gè)端站通信服務(wù)時(shí)間不同，端站可能會(huì)動(dòng)態(tài)接入或退出系統(tǒng)。一旦端站退出系統(tǒng)，騰出的帶寬可為其他端站所用。這種情況依然可以使用本文的反饋優(yōu)化接入機(jī)制完成其他端站的接入。依據(jù)具體通信需求，可以將剩余帶寬進(jìn)行分配，也可以等一定周期統(tǒng)一完成該接入過(guò)程。本文重點(diǎn)研究一種新的端站接入機(jī)制，為工程實(shí)現(xiàn)提供解決思路。

3 信道分配計(jì)算模型分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)展開(kāi)詳細(xì)描述，使用信道反饋優(yōu)化接入機(jī)制完成衛(wèi)星通信資源的自動(dòng)優(yōu)化分配，在合理范圍內(nèi)，求解端站效用函數(shù)的最優(yōu)解。

3.1 業(yè)務(wù)損失函數(shù)設(shè)計(jì)

由第2.1小節(jié)分析可知，當(dāng)端站的帶寬qi低于Qmin,i時(shí)，業(yè)務(wù)無(wú)法開(kāi)展，損失最大；當(dāng)帶寬超過(guò)Qi時(shí)，業(yè)務(wù)損失為0，無(wú)需進(jìn)一步擴(kuò)大，即有qi∈[Qmin,i,Qi]，函數(shù)表現(xiàn)形式如圖1所示，為連續(xù)函數(shù)，函數(shù)隨qi的增加遞減，減少速率通常隨著請(qǐng)求帶寬的數(shù)量增加而減緩，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，假定其表現(xiàn)形式如下：

li=ci+logdiqi(0

(11)

式中：ci和di為與端站業(yè)務(wù)相關(guān)的損失系數(shù)，ci表示當(dāng)qi=1(單位可以是Mbps)時(shí)的業(yè)務(wù)損失值，di可反映業(yè)務(wù)損失函數(shù)的斜率變化情況。將[Qmin ,i,Lmax ,i]、[Qi,0]兩點(diǎn)代入方程(11)，求解方程組得到：

(12)

將式(12)代回式(11)得到損失函數(shù)為：

(13)

3.2 服務(wù)等級(jí)設(shè)計(jì)

根據(jù)第2.2小節(jié)分析，在衛(wèi)星通信場(chǎng)景中，端站的服務(wù)等級(jí)與可接入端站數(shù)量、通信業(yè)務(wù)范圍、用戶業(yè)務(wù)等級(jí)、業(yè)務(wù)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)、突發(fā)情況等因素相關(guān)，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，重點(diǎn)考慮用戶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，并綜合其他因素，分為以下幾個(gè)級(jí)別：

(14)

其中軍用應(yīng)急業(yè)務(wù)包括抗震救災(zāi)、國(guó)際應(yīng)急合作等；軍用訓(xùn)練業(yè)務(wù)包括日常訓(xùn)練和演習(xí)的日常戰(zhàn)備任務(wù)等；民用商業(yè)業(yè)務(wù)包括商業(yè)音頻業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)等；民用普通業(yè)務(wù)包括娛樂(lè)、網(wǎng)上沖浪等需求。服務(wù)等級(jí)系數(shù)βs(βs∈(0,1])越大，服務(wù)等級(jí)越重要。具體等級(jí)分類需根據(jù)實(shí)際需求提前設(shè)置，例如可以假設(shè)：

(15)

3.3 收益函數(shù)最大化計(jì)算求解過(guò)程

謙虛度mi與損失函數(shù)li兩者對(duì)于式(4)結(jié)果的影響程度相同，但在計(jì)算中可能存在不同的取值范圍和量綱，式(4)中mi與li相減，量綱不同可能會(huì)對(duì)結(jié)果的計(jì)算增加難度。而在實(shí)際工作中，也建議數(shù)據(jù)范圍盡量保持同等范圍或者量綱差距不大。為了增加通用性，本節(jié)的處理方法是分別對(duì)2個(gè)變量進(jìn)行歸一化處理。

由式(9)(10)(13)分析可知，模型中mi、li均是qi的函數(shù)。收益值Ui是與端站請(qǐng)求帶寬qi無(wú)關(guān)的值，對(duì)qi求導(dǎo)為零，因此僅對(duì)式(4)中mi和li進(jìn)行歸一化處理，以統(tǒng)一量綱和數(shù)量級(jí)。則有：

(16)

將式(9)(10)(13)代入式(16)，將ui轉(zhuǎn)化為qi的公式。下面根據(jù)不同情形進(jìn)行分析：

1)當(dāng)bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]，且qi∈[Qmin,i,bi+Mi)時(shí)，可得：

(17)

將式(17)對(duì)qi求導(dǎo)，令導(dǎo)數(shù)等于0，即：

(18)

解得：

(19)

將式(17)對(duì)qi求二次導(dǎo)，即：

(20)

因此在qi∈[Qmin,i,bi+Mi)且bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]時(shí)，ui是向上凸函數(shù)，當(dāng)滿足式(19)時(shí)具有極大值。在這一情況下，端站i的收益函數(shù)ui的函數(shù)曲線如圖4所示。

2)當(dāng)bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]且qi∈[bi+Mi,Qi]時(shí)，有：

(21)

對(duì)式(21)進(jìn)行求導(dǎo)，得到：

(22)

由此可知，當(dāng)qi∈[bi+Mi,Qi]時(shí)，bi+Mi∈(Qmin,i,Qi]，ui為單調(diào)遞增函數(shù)，極大值在自變量的最右端取得，此時(shí)有：

qi=Qi

(23)

3)當(dāng)bi+Mi>Qi時(shí), 則qi不受限制，在區(qū)間[Qmin,i,Qi]取值，可以得到：

(24)

將式(24)對(duì)qi求導(dǎo)，令導(dǎo)數(shù)等于0，即：

(25)

解得：

(26)

將式(24)對(duì)qi求二次導(dǎo)，即：

(27)

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，式(27)與式(20)結(jié)果相等，因此，在這種情況下，ui的圖形也是向上凸函數(shù)，與圖4的示意圖類似，滿足式(25)可求得qi的極大值。

綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)橹淮嬖谝陨先N情況，當(dāng)端站的需求和信息已知，可以直接計(jì)算qi滿足式(19)(23)(25)時(shí)收益函數(shù)的取值，并進(jìn)行比較，較大者即為給定條件下收益函數(shù)的最大值，記為qi,2,tmp。設(shè)計(jì)a表示不同帶寬類別，通過(guò)qi,2=uper(qi,2,tmp,a)計(jì)算得到第2.3小節(jié)中的qi,2，進(jìn)而繼續(xù)報(bào)給信關(guān)站，并利用背包算法和服務(wù)等級(jí)進(jìn)行信道資源分配工作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)針對(duì)衛(wèi)星信道DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)反饋優(yōu)化接入方法與常見(jiàn)的信道接入方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。其中等級(jí)優(yōu)先方法依賴于優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，通信過(guò)程具有較強(qiáng)的先天確定性，這里不做量化對(duì)比。因此主要完成反饋優(yōu)化方法與先到先得、反饋控制的實(shí)驗(yàn)量化分析。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel Core i7-10710U處理器，16 Gbyte內(nèi)存的測(cè)試計(jì)算機(jī)。假設(shè)衛(wèi)星信道中信關(guān)站總帶寬B為500 Mbit/s，分別隨機(jī)生成N=100，200，…,1000個(gè)端站。端站的初始帶寬需求從數(shù)據(jù)集{0.128,0.256,0.512,1,1.5,2,2.5,3,4,6,8}中隨機(jī)取值，服務(wù)等級(jí)隨機(jī)歸屬為4類，假設(shè)其服務(wù)等級(jí)系數(shù)βs分別為0.7，0.8，0.9以及1.0。

試驗(yàn)首先針對(duì)3種方法從最終信道端站接入數(shù)量和接入比例展開(kāi)對(duì)比分析工作，進(jìn)而比較不同服務(wù)等級(jí)下，3種方法的端站接入比例。

(1)端站接入數(shù)量對(duì)比試驗(yàn)

比較3種方法最終加入端站的數(shù)量，如圖5所示。橫坐標(biāo)表示申請(qǐng)接入衛(wèi)星信道的總端站數(shù)，而縱坐標(biāo)則表示接入信道的端站數(shù)目。

圖5 使用3種方法端站接入數(shù)量對(duì)比圖Fig.5 The comparison graph of satellite terminals connected ratios by the three methods

由圖5分析可知，隨著申請(qǐng)帶寬總端站數(shù)的增加，使用先到先得方法，信道在收到200個(gè)端站的帶寬請(qǐng)求后，已超出其承載能力，最多僅能容納160～170個(gè)端站。反饋控制方法，接入的端站數(shù)量略有上升，在180～200個(gè)端站之間。而本文提出的反饋優(yōu)化方法中，同一信道的承載能力增長(zhǎng)到約能處理300個(gè)左右的端站請(qǐng)求。若存在更多的端站請(qǐng)求，端站接入數(shù)量依然會(huì)出現(xiàn)小幅上升的現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，反饋優(yōu)化方法可以接入更多的端站，滿足更多需求。

(2)端站接入比例對(duì)比試驗(yàn)

比較使用3種方法中衛(wèi)星信道最終接入的端站數(shù)量與申請(qǐng)帶寬的端站總數(shù)的比例，如圖6所示。橫坐標(biāo)表示申請(qǐng)接入衛(wèi)星信道的總端站數(shù)，而縱坐標(biāo)則表示接入信道的端站占總申請(qǐng)端站數(shù)的比例。

圖6 使用3種方法端站接入比例對(duì)比圖Fig.6 The comparison graph of satellite terminals connected ratios by the three methods

從圖6中可以看出，當(dāng)申請(qǐng)帶寬的總端站數(shù)量不大時(shí)，3種機(jī)制均有較高的端站接入比例，此時(shí)信道總帶寬是相對(duì)充足的。在帶寬申請(qǐng)總端站數(shù)不斷增大的情形下，信道端站接入數(shù)量比例不斷減少，減少速度呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，反饋控制方法略優(yōu)于先到先得方法，下降更慢。而反饋優(yōu)化方法可促使信道接入更多端站，尤其在端站數(shù)量越大時(shí)，差距越明顯。當(dāng)曲線趨于平緩后，反饋優(yōu)化方法可接入端站比例接近另外兩種方法的2倍。

(3)不同服務(wù)等級(jí)接入端站比例對(duì)比試驗(yàn)

選擇總帶寬B為500 Mbit/s，申請(qǐng)帶寬資源的總端站數(shù)取N為500和1000兩種情況，比較使用三種方法，不同服務(wù)等級(jí)的端站接入比例，如圖7所示。橫坐標(biāo)表示不同的服務(wù)等級(jí)系數(shù)，縱坐標(biāo)表示接入信道的端站占總申請(qǐng)端站數(shù)的比例。圖7(a)表示N為500的情況，而圖7(b)則表示N為1000的情況。

圖7 使用3種方法在不同等級(jí)下 接入端站比例對(duì)比圖Fig.7 The comparison graph of satellite terminals connected ratios with different SLA by the three methods

在該試驗(yàn)中，先到先得方法假設(shè)N個(gè)端站依次加入，不考慮中間有端站退出的情形(如果實(shí)際中有端站退出，則優(yōu)先分配等待的端站，在退出處理方式上，3種方法設(shè)計(jì)思路相同)。從圖7中可以看出，反饋優(yōu)化方法和反饋控制方法均可為服務(wù)等級(jí)高的端站提供更高優(yōu)先級(jí)，從而保證重要的業(yè)務(wù)能夠較為及時(shí)給予響應(yīng)，提供帶寬資源，這具有重要的實(shí)際意義。反饋優(yōu)化方法為高等級(jí)端站的優(yōu)先服務(wù)更為明顯。

從以上試驗(yàn)可知，從反饋優(yōu)化與先到先得、反饋控制3種方法端站接入情況來(lái)看，反饋控制方法比先到先得方法的端站接入數(shù)量、比例略高，并考慮了服務(wù)等級(jí)的差異，對(duì)高優(yōu)先級(jí)端站提供更多接入服務(wù)。反饋優(yōu)化方法則比另兩種方法具有更高的端站接入數(shù)量和比例，并優(yōu)先考慮高等級(jí)端站需求，可滿足工程實(shí)踐需求。此外，隨著N從100～1 000逐步增加，反饋優(yōu)化方法耗時(shí)從0.20 s提高到1.55 s。當(dāng)N處在最多可接入端站數(shù)左右時(shí)(N=300)，耗時(shí)0.67 s，所需時(shí)間合理可控。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種面向衛(wèi)星通信DVB-RCS標(biāo)準(zhǔn)的反饋優(yōu)化接入機(jī)制，綜合應(yīng)用了最優(yōu)化、反饋控制、博弈論等理論思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)：

1)相對(duì)于傳統(tǒng)信關(guān)站向端站分配帶寬資源預(yù)先規(guī)劃模式，反饋優(yōu)化機(jī)制通過(guò)信關(guān)站與端站之間的多回合協(xié)商，利用謙虛度、業(yè)務(wù)損失等因素建立業(yè)務(wù)收益損失模型，激勵(lì)端站資源申請(qǐng)更具合理性，從而改善個(gè)別端站低效占用資源的問(wèn)題，促使更多端站受益。

2)通過(guò)建立服務(wù)等級(jí)協(xié)議，將服務(wù)等級(jí)量化并參與分配計(jì)算，保障傳統(tǒng)重要業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，維持公平競(jìng)爭(zhēng)和統(tǒng)籌管理的平衡，加強(qiáng)衛(wèi)星信道應(yīng)用的可操作性。

3)利用已有信令的保留字完成信關(guān)站與端站的消息通信，無(wú)需使用額外信令，系統(tǒng)資源開(kāi)銷低，不會(huì)為信道增加額外負(fù)擔(dān)。

4)信關(guān)站利用背包算法綜合考量端站申請(qǐng)和服務(wù)等級(jí)的基礎(chǔ)上完成信道資源分配，有效改進(jìn)信道的利用效率，加大端站的接入數(shù)量，避免信道資源浪費(fèi)。

總而言之，本研究有助于推動(dòng)衛(wèi)星信道“隨遇接入”模式和差異化應(yīng)用需求的發(fā)展，并致力于加大衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍和發(fā)展規(guī)模。該機(jī)制目前尚處于理論推導(dǎo)、試驗(yàn)和驗(yàn)證階段，還需要進(jìn)一步完善、測(cè)試，并與實(shí)際衛(wèi)星環(huán)境相結(jié)合，以期發(fā)揮出更加實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。