基于星地協(xié)同處理的資源管理技術(shù)研究 ①

曹 歡 蘇泳濤 周一青 丁雅帥 邱大偉 龍 隆

(*中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所移動(dòng)計(jì)算與新型終端北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(**中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)(***北京中科晶上科技股份有限公司 北京 100190)

0 引 言

近年來，包括地面移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信在內(nèi)的無線通信系統(tǒng)迅速發(fā)展[1-4]。2019年6月，我國工信部向運(yùn)營商正式發(fā)放首批第5代移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)(the 5th generation of mobile cellular network, 5G)商用牌照，標(biāo)志著我國5G地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正式進(jìn)入部署運(yùn)營階段。但是，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)、災(zāi)區(qū)、海域、空域等場(chǎng)景存在覆蓋成本高昂或覆蓋不到的缺陷。因此，僅依靠地面移動(dòng)通信系統(tǒng)很難滿足5G通信網(wǎng)絡(luò)“信息隨心至，萬物觸手及”的隨時(shí)隨地接入的總體愿景。而衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)具有天然的廣覆蓋、高可靠、大容量等優(yōu)勢(shì)，包括航天科工集團(tuán)、中科院各研究所、第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd generation partnership project，3GPP)、國際電信聯(lián)盟(international telecommunication union，ITU)、衛(wèi)星5G(satellite 5G，Sat5G)聯(lián)盟等在內(nèi)的國內(nèi)外各大科研機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化組織提出在下一階段5G網(wǎng)絡(luò)中引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[5]，以補(bǔ)充地面通信系統(tǒng)的不足，形成全球無縫覆蓋的新一代寬帶移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)?；诖吮尘?，近年來國內(nèi)外研究組織針對(duì)5G與衛(wèi)星融合的新一代通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景、關(guān)鍵技術(shù)等方面開展研究[6]，并產(chǎn)出了一些成果。在3GPP關(guān)于非地面網(wǎng)絡(luò)(non-terrestrial networks, NTN)的文獻(xiàn)中對(duì)5G+衛(wèi)星模式下的12種應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了定義[7]，闡述了衛(wèi)星在這些場(chǎng)景中的重要作用。

盡管衛(wèi)星通信系統(tǒng)在覆蓋方面相對(duì)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)，但也存在一些天然的缺陷。一方面，由于衛(wèi)星軌道位置距離地面較遠(yuǎn)，傳輸時(shí)延大，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的空口傳輸時(shí)延能達(dá)到幾百毫秒；另一方面，衛(wèi)星通信是一個(gè)功率和頻譜資源受限的系統(tǒng)，無線資源十分稀缺。傳統(tǒng)衛(wèi)星通常采用透明轉(zhuǎn)發(fā)載荷，僅作為用戶和地面設(shè)備之間的中繼節(jié)點(diǎn)，由地面段管理設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理。由于星上的計(jì)算載荷處理能力弱，無法進(jìn)行復(fù)雜的信息處理，地面資源管理器通常采用靜態(tài)或半靜態(tài)等易于實(shí)現(xiàn)的算法，導(dǎo)致無線資源利用率低、提升用戶鏈路波束吞吐量困難。

針對(duì)上述問題，國內(nèi)外研究者提出了一些優(yōu)化的資源管理技術(shù)。文獻(xiàn)[8]提出新一代寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)可采用星上處理載荷技術(shù)來提升資源利用率，并對(duì)星上處理載荷架構(gòu)進(jìn)行了描述?？紤]將地面接入網(wǎng)協(xié)議棧的部分功能轉(zhuǎn)移到星上進(jìn)行處理，用戶業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)面?zhèn)鬏斨苯油ㄟ^星上處理衛(wèi)星發(fā)送給目標(biāo)用戶，無需地面關(guān)口站處理后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。通過減少業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，來降低業(yè)務(wù)的端到端平均傳輸時(shí)延。

文獻(xiàn)[9]提出了基于信息中心網(wǎng)絡(luò)(information centric network, ICN)的動(dòng)態(tài)緩存技術(shù)。按照多媒體文件的流行度分布概率，將用戶訪問熱度排名前20%的文件緩存到距離用戶最近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，節(jié)省用戶需求的文件在后端傳輸?shù)臅r(shí)延，并論證了在地面系統(tǒng)中采用文件動(dòng)態(tài)緩存技術(shù)可有效降低業(yè)務(wù)的內(nèi)容獲取平均時(shí)延。文獻(xiàn)[10]分析了將ICN緩存技術(shù)引入到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的可行性，并對(duì)用戶訪問的文件流行度概率函數(shù)進(jìn)行建模，文件訪問分布服從Zipf概率密度函數(shù)。文獻(xiàn)[11]進(jìn)一步研究了面向5G與衛(wèi)星融合的緩存技術(shù)，通過衛(wèi)星輔助緩存來降低多媒體文件業(yè)務(wù)的內(nèi)容獲取平均時(shí)延，并分析了不同星上緩存尺寸對(duì)降低業(yè)務(wù)時(shí)延性能的影響。

上述研究主要是利用星上處理、星上緩存等技術(shù)來降低業(yè)務(wù)時(shí)延，沒有進(jìn)一步探討這些技術(shù)對(duì)提升無線資源利用率的作用，比如對(duì)改善波束吞吐量、降低丟包率等關(guān)鍵性能指標(biāo)的作用，并且忽略了星上計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和饋電、用戶鏈路無線資源聯(lián)合分配時(shí)對(duì)降低時(shí)延、提升波束吞吐量等方面的影響。

針對(duì)上述研究的不足，本文基于衛(wèi)星通信實(shí)際場(chǎng)景，在考慮衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中對(duì)時(shí)延敏感的典型實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)如語音、視頻的基礎(chǔ)上，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延和波束吞吐量為目標(biāo)，在聯(lián)合使用星上計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源及無線資源等前提下，進(jìn)行星地協(xié)同資源管理算法設(shè)計(jì)，以此提升衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

1 星地協(xié)同處理系統(tǒng)模型

基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星地協(xié)同處理架構(gòu)如圖1所示，分為用戶段、空間段和地面段。

圖1 星地協(xié)同處理資源管理架構(gòu)

用戶段主要由各類用戶終端構(gòu)成，如固定終端、車載終端、機(jī)載終端、船載終端等。各種終端通過用戶鏈路覆蓋波束中的載波接入到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中獲取業(yè)務(wù)服務(wù)。本文研究的空口傳輸體制參考了寬帶衛(wèi)星通信協(xié)議(digital video broadcasting satellite-second generation standard, DVB-S2)[12-13]，載波采用時(shí)分多址接入(time division multiple access, TDMA)方式，用戶按時(shí)隙對(duì)載波的帶寬和功率資源進(jìn)行復(fù)用。

空間段寬帶衛(wèi)星通常由高、低軌道上的衛(wèi)星構(gòu)成。本文模型考慮高軌通信衛(wèi)星，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可支持星上處理(on board process,OBP)、透明轉(zhuǎn)發(fā)及無線資源管理(radio resource management, RRM)等功能。

地面段由關(guān)口站(gateway,GW)、網(wǎng)絡(luò)控制中心(network control center,NCC)和核心網(wǎng)(core network,CN)組成。其中，GW中的RRM負(fù)責(zé)對(duì)空口的無線資源進(jìn)行管理，NCC負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星的軌道、衛(wèi)星波束覆蓋及衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，CN負(fù)責(zé)用戶管理、業(yè)務(wù)管理等功能。

通過用戶段、空間段和地面段的網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)構(gòu)成完整的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

1.1 星地協(xié)同資源管理機(jī)制描述

如圖1所示，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本通信鏈路由用戶鏈路、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、饋電鏈路構(gòu)成。本文星地協(xié)同資源管理機(jī)制實(shí)際是通過星上RRM和地面GW中的RRM聯(lián)合分配來優(yōu)化用戶的平均傳輸時(shí)延、提升波束吞吐量、保障業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(quality of service， QoS)等衛(wèi)星通信關(guān)鍵性能指標(biāo)。該機(jī)制可以合理地對(duì)星上受限的計(jì)算資源、緩存資源及空口無線資源進(jìn)行優(yōu)化分配。

1.1.1 星地計(jì)算資源協(xié)調(diào)管理

受限于衛(wèi)星的承載能力，星上的功率資源要弱于地面設(shè)備，導(dǎo)致星上計(jì)算載荷處理能力弱。因此星上通常采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，用戶的信令、數(shù)據(jù)均不會(huì)在星上進(jìn)行處理，而是直接在用戶和GW之間透明轉(zhuǎn)發(fā)。無論是語音業(yè)務(wù)、文件或視頻等業(yè)務(wù)都要落地到GW中進(jìn)行處理。一方面，增大了業(yè)務(wù)的平均傳輸時(shí)延；另一方面，增大了對(duì)饋電鏈路的吞吐量需求。隨著星上載荷計(jì)算技術(shù)的不斷增強(qiáng)，這種情況在不斷改善，星上已經(jīng)可以承擔(dān)一部分業(yè)務(wù)處理、資源管理的功能，通過業(yè)務(wù)星上處理可以減少業(yè)務(wù)在饋電傳輸帶來的時(shí)延和吞吐量的開銷。但是，總的來說星上的處理載荷能力還是要遠(yuǎn)弱于地面處理器。為了對(duì)協(xié)同機(jī)制的性能進(jìn)行量化分析，假設(shè)地面GW的處理能力是CC，即GW同時(shí)可處理CC條業(yè)務(wù)，定義星上計(jì)算載荷的處理能力因子為c∈(0, 1]，表示星上處理能力和GW處理能力之間的關(guān)系，可知星上可同時(shí)支持c×CC個(gè)業(yè)務(wù)的處理。對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，星上計(jì)算資源仍然是稀缺資源，尤其是無法保證星上的能力可以處理覆蓋區(qū)所有業(yè)務(wù)時(shí)，星地之間的資源管理器需要協(xié)調(diào)哪些業(yè)務(wù)走星上處理、哪些業(yè)務(wù)走地面關(guān)口站處理才能保障資源合理化使用。因此，需要設(shè)計(jì)合理的協(xié)同分配算法，詳情見后面章節(jié)描述。

1.1.2 星地緩存資源管理

與計(jì)算資源相同，星上的緩存同樣受限，無法將CN服務(wù)器上所有的業(yè)務(wù)文件都放到星上存儲(chǔ)。因此，本文的星上緩存機(jī)制參考了文獻(xiàn)[14]星上緩存方法，根據(jù)文件訪問流行度進(jìn)行存儲(chǔ)。定義地面存儲(chǔ)系統(tǒng)的總的文件數(shù)為Nf，星上緩存大小為Cs，單位為文件個(gè)數(shù)。由現(xiàn)有研究可知，用戶文件流行度服從Zipf概率密度分布，可表示如下：

(1)

其中，z為[0.6, 1.2]之間的常數(shù)[14]。則可以將用戶流行度排行最高的前Cs個(gè)文件存到星上。當(dāng)波束中的用戶發(fā)起視頻文件業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，命中星上緩存區(qū)的文件概率服從上述分布。若沒有命中，則由GW負(fù)責(zé)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸；反之，在星上計(jì)算資源充足的情況下可進(jìn)行星上數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)星上負(fù)載重、計(jì)算資源不充足時(shí)，仍需結(jié)合當(dāng)前星上業(yè)務(wù)的服務(wù)情況分析該命中的文件走星上進(jìn)行傳輸是否會(huì)造成性能指標(biāo)的下降或上升，綜合評(píng)價(jià)后再做決策，確定業(yè)務(wù)該如何傳輸。在后續(xù)的星地協(xié)調(diào)分配算法設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行考慮。

1.1.3 空口無線資源協(xié)調(diào)管理

1.2 星地網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延

(2)

其中，Ni,m,q表示用戶傳遞的總的包個(gè)數(shù)。

(3)

其中，ttrans1表示用戶鏈路傳輸時(shí)延，ttrans2表示饋電鏈路傳輸時(shí)延。εi, m∈{1,2,3,4}表示用戶業(yè)務(wù)使用的傳輸模式，其值取1時(shí)表示單跳語音傳輸，取2時(shí)表示雙跳語音傳輸，取3時(shí)表示單跳視頻傳輸，取4時(shí)表示雙跳視頻傳輸。則用戶業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延可表示為

(4)

圖2 語音與視頻業(yè)務(wù)傳輸途徑

1.3 星地網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)QoS保障調(diào)度機(jī)制

為了保障不同類型的業(yè)務(wù)在本文星地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中能夠正常傳輸，需要對(duì)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行參數(shù)化定義。本文主要考慮語音、視頻等時(shí)延敏感類型實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障(quality of service, QoS)要求如表1所示[18]。在資源分配時(shí)，只要能夠滿足業(yè)務(wù)QoS保障的最低需求，那么業(yè)務(wù)的質(zhì)量就能得到保障。

表1 實(shí)時(shí)類業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)

常見的QoS調(diào)度機(jī)制可以分為三種[19]：(1)緊急調(diào)度機(jī)制；(2)平均水平保障調(diào)度機(jī)制；(3)按優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制。

QoS調(diào)度機(jī)制可用數(shù)學(xué)模型來表示，定義在每個(gè)時(shí)隙t進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度時(shí)，對(duì)應(yīng)的QoS保障需求的最小傳輸比特?cái)?shù)為

(5)

(6)

(7)

(8)

如無法滿足上述條件，說明用戶隊(duì)列數(shù)據(jù)包堆積嚴(yán)重，傳輸過程中無法滿足QoS保障的調(diào)度時(shí)延要求，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生丟包。

由上述分析可知，波束的吞吐量可表示為

(9)

其中，NT表示系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間長度，單位是時(shí)隙個(gè)數(shù)；δi,m(t)表示當(dāng)前時(shí)隙是否分配給用戶m，0表示不分配，1表示分配，并且1個(gè)時(shí)隙最多只能分配給1個(gè)用戶。

2 星地協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化問題模型

基于星地協(xié)同資源管理器的優(yōu)化目標(biāo)主要是在保障業(yè)務(wù)傳輸QoS的前提下，降低網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延，并最大化波束吞吐量。因此，資源管理器的優(yōu)化問題是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，綜合前述分析，可以描述如下。

minf=(f1(t),…,fx(t))

(10)

?εi,m∈{2,4} (11)

(12)

(13)

(14)

(15)

3 星地協(xié)同資源管理算法設(shè)計(jì)

模擬退火算法是基于迭代求解策略的一種隨機(jī)尋優(yōu)算法，具有通用性強(qiáng)、對(duì)優(yōu)化問題依賴信息少的特點(diǎn)[21]，適用于多目標(biāo)優(yōu)化問題求解。本文的星地協(xié)同資源管理算法基于模擬退火算法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，定義本文的星地協(xié)同算法為SGCA(satellite ground collaborative allocation)。

minF=ω1f1(t)+ω2f2(t)+ω3f3(t)

(16)

基于綜合優(yōu)化目標(biāo)，本文算法的執(zhí)行流程如下。

步驟1初始化算法。讀取網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算資源能力、緩存資源能力、用戶鏈路和饋電鏈路無線資源等基本配置信息。讀取波束覆蓋下用戶的信息如用戶數(shù)量、各用戶需求的業(yè)務(wù)類型、用戶SINR分布(本文用戶隨機(jī)分布，按照ITU-R S.672-4天線模型設(shè)計(jì)覆蓋場(chǎng)景，波束中心用戶與邊緣用戶的SINR相差最大，可達(dá)到3 dB)等信息。

步驟2判斷波束下業(yè)務(wù)量。如有視頻類業(yè)務(wù)需求，根據(jù)式(1)計(jì)算命中星上緩存中文件的個(gè)數(shù)，并計(jì)算波束覆蓋下所有業(yè)務(wù)的需求是否超過星上的處理能力，若是，則表明需要進(jìn)行星地協(xié)同分配，繼續(xù)下一步；否則，則表明星上資源足夠處理所有業(yè)務(wù)，命中的視頻和所有語音業(yè)務(wù)走星上，沒有命中的業(yè)務(wù)走地面，跳轉(zhuǎn)到步驟11。

步驟3星地協(xié)同優(yōu)化資源分配方案計(jì)算。產(chǎn)生隨機(jī)初始分配方案Xi,0=([εi,0,εi,1，…，εi,m])，然后根據(jù)當(dāng)前無線資源信息、用戶接收信號(hào)的SINR分布，結(jié)合式(3)～式(9)計(jì)算當(dāng)前配置下的業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延、預(yù)計(jì)的用戶鏈路業(yè)務(wù)的平均吞吐，并計(jì)算當(dāng)前綜合優(yōu)化目標(biāo)F的值。

步驟4確定模擬退火算法的初始溫度ts。

步驟5隨機(jī)產(chǎn)生新的分配方案Xnew。

步驟7更新用戶SINR分布參數(shù)。結(jié)合式(3)～式(9)計(jì)算當(dāng)前配置下的業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延、預(yù)計(jì)的用戶鏈路業(yè)務(wù)的平均吞吐量，并計(jì)算當(dāng)前綜合優(yōu)化目標(biāo)Fnew的值。

步驟9進(jìn)行退溫操作，即ts+1=λts，s=s+1。

步驟10判斷是否滿足終止條件。終止條件為ts+1≤tstop，若否，跳轉(zhuǎn)到步驟5。反之，繼續(xù)下一步。

步驟11根據(jù)最新的優(yōu)化資源分配方案Fnew，配置用戶鏈路、饋電鏈路以及用戶所有業(yè)務(wù)的星地傳輸分配方案等，并基于約束式(11)～式(15)，開始在新方案下進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸過程。根據(jù)仿真的時(shí)長設(shè)置，統(tǒng)計(jì)運(yùn)行過程中用戶的業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延、用戶吞吐量和丟包率，并統(tǒng)計(jì)波束吞吐量和丟包率等指標(biāo)，直到運(yùn)行結(jié)束。

4 仿真分析

本節(jié)采用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的星地協(xié)同資源分配方法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用的仿真參數(shù)見表2，參考3GPP 38.821的NTN仿真參數(shù)，星地鏈路的單向傳輸時(shí)延取平均值，即ttrans1=ttrans2≈135 ms。另外，語音和視頻業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)模型服從泊松分布，業(yè)務(wù)到達(dá)率為1，見文獻(xiàn)[18]。公平考慮起見，假設(shè)波束覆蓋下的語音和視頻業(yè)務(wù)的需求比例為50:50[18-19]。

為了對(duì)設(shè)計(jì)的協(xié)同機(jī)制的性能進(jìn)行評(píng)估，采用現(xiàn)有文獻(xiàn)中的機(jī)制在相同場(chǎng)景中，使用相同的初始化參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。評(píng)估指標(biāo)包括業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延、波束丟包率及波束吞吐量等，主要對(duì)比算法如下。

? 傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制(transparent mechanism, TM)。透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，QoS公平調(diào)度機(jī)制。

? 星上緩存機(jī)制(satellite cache mechanism, SCM)。星上處理衛(wèi)星，緩存機(jī)制，QoS公平調(diào)度機(jī)制。

表2 星地網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.1 業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延分析

不同機(jī)制的業(yè)務(wù)平均時(shí)延仿真結(jié)果為圖3，坐標(biāo)橫軸業(yè)務(wù)的增長順序按照先增加語音業(yè)務(wù)，達(dá)到50路語音后，再繼續(xù)增加視頻業(yè)務(wù)。

圖3 業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延

由圖中曲線可知，TM機(jī)制下的用戶平均時(shí)延最大，SCM機(jī)制下星上緩存技術(shù)對(duì)語音類業(yè)務(wù)的平均時(shí)延沒有改善的效果。但是，對(duì)視頻類可緩存播放的業(yè)務(wù)，SCM可降低業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延。由于星上文件的命中率服從概率分布，當(dāng)視頻業(yè)務(wù)增加時(shí)存在很大的不確定性，運(yùn)行結(jié)果存在波動(dòng)。性能最好的是本文提出的SGCA算法，對(duì)改善語音和視頻業(yè)務(wù)的平均傳輸時(shí)延有較大的提升。在處理能力因子c=0.2時(shí)，即協(xié)同機(jī)制效果最弱時(shí)，整體性能仍要好于TM和SCM機(jī)制。當(dāng)c= 0.8時(shí)，性能較其他機(jī)制大幅提升，與TM比較，降低平均時(shí)延48.03%；與SCM相比較，降低平均時(shí)延47.11%。

為降低業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延，SGCA算法會(huì)優(yōu)先進(jìn)行星上單跳業(yè)務(wù)處理，避免業(yè)務(wù)雙跳傳輸增加時(shí)延。但星上計(jì)算載荷的處理能力有限，當(dāng)波束中業(yè)務(wù)數(shù)超過星上計(jì)算能力時(shí)，SGCA算法會(huì)以最小化業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延和最大化波束吞吐量為前提，選擇將部分超出能力的業(yè)務(wù)通過饋電鏈路轉(zhuǎn)移到GW進(jìn)行處理。每轉(zhuǎn)移一路語音類業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延增加約270 ms，每轉(zhuǎn)移一路視頻類業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延增加約135 ms。因此，轉(zhuǎn)移到地面GW處理的語音或視頻業(yè)務(wù)會(huì)提升整體業(yè)務(wù)的平均傳輸時(shí)延，導(dǎo)致曲線突增。從圖3的業(yè)務(wù)平均時(shí)延曲線上來看，計(jì)算載荷的處理能力因子c值越大，平均時(shí)延指標(biāo)的改善越明顯。當(dāng)c趨于GW處理能力時(shí)，語音類業(yè)務(wù)(通過饋電傳輸?shù)臅r(shí)延代價(jià)遠(yuǎn)大于視頻類業(yè)務(wù))可以保障全部在星上處理，不會(huì)像c值不足時(shí)那樣出現(xiàn)突增的現(xiàn)象。

4.2 波束的丟包率分析

SGCA算法可以通過協(xié)調(diào)星上饋電鏈路空閑功率來增強(qiáng)用戶鏈路的形式提升用戶的SINR分布，從而提升用戶在各時(shí)隙中傳輸?shù)谋忍厝萘?、降低波束的平均丟包率。

仿真結(jié)果見圖4，當(dāng)波束下的業(yè)務(wù)低于28路語音業(yè)務(wù)時(shí)，用戶鏈路的容量足夠承載所有業(yè)務(wù)的傳輸，無需協(xié)調(diào)空閑無線資源，所以TM、 SCM、 SGCA 3種機(jī)制無明顯差別。當(dāng)語言業(yè)務(wù)數(shù)大于28時(shí)，波束負(fù)載量超過當(dāng)前用戶鏈路承載能力，TM和SCM機(jī)制因不具備無線資源協(xié)調(diào)能力在改善丟包率方面沒有起到作用；而SGCA算法對(duì)改善丟包率有較明顯的郊果，整體來看，相對(duì)于其他技術(shù)，當(dāng)c=0.8時(shí)，可以降低波束平均丟包率約50.40%。

圖4 波束丟包率曲線

從圖4可觀察到，SGCA算法在執(zhí)行過程中，隨著業(yè)務(wù)數(shù)量的持續(xù)增長，當(dāng)增強(qiáng)計(jì)算載荷能力因子時(shí)(c由0.2逐步增強(qiáng)到0.8)，丟包率性能指標(biāo)的改善呈現(xiàn)減緩的趨勢(shì)。原因在于饋電鏈路無線資源有限，星上計(jì)算資源的倍增無法等效換取饋電無線資源以增強(qiáng)用戶鏈路容量，并且視頻業(yè)務(wù)的增長會(huì)與語音業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)星上計(jì)算資源，使得部分語音業(yè)務(wù)在饋電鏈路傳輸中增加饋電開銷，導(dǎo)致SGCA算法在c增長到一定程度時(shí)對(duì)丟包率降低趨勢(shì)減緩。

4.3 波束吞吐量分析

在仿真過程中，不同機(jī)制均采用相同的QoS業(yè)務(wù)保障機(jī)制，波束的吞吐指標(biāo)統(tǒng)計(jì)以仿真時(shí)間內(nèi)實(shí)際傳輸給用戶的數(shù)據(jù)包為準(zhǔn)。不同數(shù)量的多種業(yè)務(wù)在不同機(jī)制下的仿真曲線如圖5所示。

圖5 波束業(yè)務(wù)吞吐曲線

星上緩存技術(shù)對(duì)語音類業(yè)務(wù)沒有效果。對(duì)于視頻類業(yè)務(wù)，星上緩存技術(shù)節(jié)省了饋電鏈路下行方向的傳輸開銷，降低關(guān)口站發(fā)射機(jī)的帶寬和功率開銷，但未節(jié)省星上的功率和帶寬資源，所以對(duì)改善用戶鏈路吞吐沒有幫助。因此，SCM技術(shù)不能改善波束吞吐量，和TM模式的曲線重合。當(dāng)采用SGCA技術(shù)后，通過協(xié)調(diào)饋電鏈路、用戶鏈路的無線資源，將饋電節(jié)省的功率用到用戶鏈路可有效提升用戶SINR分布，從而提升波束平均吞吐量，且c越大，提升越大。當(dāng)c=0.8時(shí)，與TM和SCM技術(shù)相比，SGCA技術(shù)可以提升吞吐量大約29.26%。

由圖5可觀察到，在SGCA算法下，隨著c的增加，吞吐量改善的幅度呈現(xiàn)減緩的趨勢(shì)。具體原因是饋電無線資源受限及視頻類業(yè)務(wù)加劇計(jì)算資源與饋電資源的消耗，導(dǎo)致星上計(jì)算載荷能力雖然倍增，但吞吐量的改善沒有大幅提升。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中用戶業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延大、資源利用率低的問題，結(jié)合當(dāng)前星上處理載荷、緩存技術(shù)的發(fā)展背景，并綜合考慮實(shí)際衛(wèi)星環(huán)境約束如用戶分布、業(yè)務(wù)分布和QoS保障等，建立了系統(tǒng)多目標(biāo)資源分配優(yōu)化問題模型，并提出一種星地協(xié)同資源優(yōu)化分配方法。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了星地協(xié)同方法在改善用戶業(yè)務(wù)的平均時(shí)延、波束吞吐量及波束丟包率等方面要優(yōu)于TM模式和SCM模式。此外，本文還分析了星上計(jì)算載荷處理能力與改善系統(tǒng)性能的關(guān)系，包括分析計(jì)算處理載荷能力對(duì)改善業(yè)務(wù)平均傳輸時(shí)延、波束丟包率及吞吐量等性能指標(biāo)的影響。本文的分析和研究基于當(dāng)前寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展背景，可為星上處理技術(shù)研究、星地協(xié)同技術(shù)研究提供參考，具有重要意義。