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卫星通信系统可变时隙探讨

2021/03/23 阅读:

摘要:多址接入技术是卫星通信中最重要的技术之一,而ALOHA协议是卫星通信特别是卫星分组通信中常用的多址接入技术。通过分析研究,纯ALOHA协议结构简单,容易实现,但系统吞吐率低。在此基础上,人们提出时隙ALOHA协议,能使系统的吞吐率提高最大一倍。为进一步改善系统传输性能,对时隙长度作可变调整,提出了一种新的ALOHA协议——可变时隙ALOHA协议。理论计算和仿真实验表明,该协议在一定程度上降低了系统的空闲率,提高了系统吞吐率。

关键词:卫星通信;ALOHA协议;S-ALOHA协议;可变时隙ALOHA协议

多址通信技术就是网中多个用户共同利用一个公共信道与其他用户进行通信的方式,也称多址联接技术,在卫星通信、移动通信以及计算机通信等现代通信网络中得到了广泛应用。根据信道资源的不同分配方式,多址技术通常又分为固定分配、按需分配和随机多址方式等3类。ALOHA方式及其各种衍生协议是在卫星通信系统中得到广泛应用的随机多址接入方式。本文在研究分析ALOHA和S-ALOHA协议基础上,提出一种可变时隙ALOHA协议,并对其性能进行分析研究,可提高基于卫星通信系统的分组业务传输性能(提高吞吐率即信道利用率)。

1ALOHA协议

ALOHA协议又称为P-ALOHA(Pure-ALOHA)协议,是一种分组通信方式。1970年,美国夏威夷大学建成了世界上第一个通过卫星通信实现数据包广播传输的网络——ALOHA网。ALOHA网的重要意义在于它首次在无线(卫星)信道中引入了数据包(又称分组)广播这一结构,故人们又将这种广播信道称之为ALOHA信道。它的主要特征是网中的每个用户随时都可以通过这一公共的广播信道给另外一个用户发送信息。ALOHA协议的基本原理是每个卫星通信地球站都有一个发射控制单元,首先将要传输的数据分成若干段,然后给每一个数据段的前面加上报头(又称分组头)。报头中包含有收发双方地址信息和必要的控制比特,数据段后加上检错码,形成一个数据包或数据分组(packet)。数据包形成后,发射控制单元将其调制成载波后发射,同时存储器中保留数据包的“副本”。由于发射是随机的,因此全网无需定时和同步。所有工作在这个频率上的卫星地球站均可接收这个信息包,其中只有与报头(分组头)中地址码一致的接收站才能检测出相应的信号,检验没有错误就发一个应答信号,否则不予应答。发射站如果在规定的时间内没有收到应答信号,便重发该分组,直到发送成功即收到应答信号为止。ALOHA信道的主要优点是全网完全不需要定时和同步,结构简单,且网中的所有发射机共享同一公共信道(频率),发射方可完全根据数据传输需要间歇性工作,随机发送,建网简单且经济实用。网中各站发射完全是随机的,两个以上站同时发射就会发生“碰撞”(数据包重叠),导致接收方无法正确接收。此外,随机噪声增大也会引起严重误码,从而导致发射失败,需要重发。在网中需要传输的数据分组数量不多时,ALOHA系统可以很好地工作,其吞吐率(信道利用率)比TDMA按申请分配方式高。ALOHA协议吞吐率(throughput)最早由Abramson推导得出[1],即S=Ge-2G(G为负载,单位时间内到达的分组包括新发和重传的),有的文献称之为信道利用率ρ。下面对协议的空闲率进行求解。为了简化分析,不考虑重传,对系统分析前进行如下假定:(1)终端用户数不受限制;(2)各个分组到达相互独立,重传的对新到达的没有影响,且服从参数为G的泊松分布过程;(3)分组长度为1;(4)信息分组的到达的时间间隔为负指数分布f(t)=Ge-Gt。将信道事件划分为B(碰撞)和UI(成功与空闲),如图1所示。按照划分,可以得到一个完整段长度的均值为:ALOHA协议实现方式简单,数据分组随时发送,初次接入的时延较小,且数据分组长度随机可变,特别适用于传输分组数量不大且具有大量需要间歇性工作的发射机网络。通过分析,ALOHA协议的系统吞吐率S=Ge-2G。当负载为0.5时,系统的最大平均吞吐率只能达到0.184。随着负载的进一步加大,发生碰撞的分组数量不断增多,会导致系统吞吐率迅速下降,使得系统进入不稳定工作区,因此需要进一步改进和提高。

2S-ALOHA(Slotted-ALOHA)协议

S-ALOHA(Slotted-ALOHA)协议亦称为时隙-ALOHA协议。为了提高P-ALOHA系统的吞吐率(信道利用率),1972年人们提出了一种改进型协议,即S-ALOHA协议[2]。它的根本思想是用设立系统公共时钟来统一用户的数据发送基准时刻。它的基本特征是以卫星转发器输入口为参考点,将P-ALOHA协议中连续的时间轴划分为离散的等长时隙(Slot),且一个数据分组正好占用一个时隙宽度。所有站点在时间上同步,要发送数据分组的站点不能随意发送信息,只允许在下一个时隙的起始时刻开始发送。一个时隙内两个以上分组同时发送就会发生“碰撞”,分组间一旦发生碰撞将是百分之百的完全重叠。碰撞发生后,发生碰撞的数据分组将延迟若干时隙后重传,直到重发成功为止。这样通过划分时隙的方式,可避免用户在发送数据时间上的随意性,减少数据分组产生碰撞的可能性,提高系统吞吐率(信道利用率)。P-ALOHA系统中信息分组的冲突在从t-T至t+T即2T的时间范围内都可能发生,这就造成系统吞吐率低,其最大吞吐率只有0.184。而S-ALOHA协议用系统公共时钟强制所有的站点发射机以同步方式发送数据分组,分组长度是常数且只占一个时隙,不论数据分组何时产生,发射机只能在一个时隙开始的时刻发送数据分组。这样只有在同一时隙同时发送两个以上的信息分组时,冲突才可能发生。冲突的时间范围缩短为一个时隙,而不像ALOHA系统冲突也发生在信息分组部分重叠的情况,以减少分组发生碰撞的概率,从而有效改善P-ALOHA协议的性能。在发射端,每个数据分组形成后要在缓冲区内等待一段时间(小于数据分组长度),等到下一个时隙的起始时刻再发送出去。当在一个时隙内有两个或者两个以上的分组到达时,则将在下一个时隙产生碰撞。碰撞发生后需要重发分组,其重发策略与P-ALOHA协议类似,具体如图2所示。这样时间轴上就有数据分组被成功发送、数据分组发生碰撞和时隙空闲(无数据分组发送)3种情况。如果将数据分组发生碰撞和空闲看成为一种复合事件,这样在时间轴上的事件只有两种事件,即报文数据分组被成功发送的事件(U)和数据分组发生碰撞及时隙空闲的复合事件(BI),且这两种事件在时间轴上是不断循环发生的,循环周期为TU。NU为一个循环周期内成功的分组个数。NBI为一个循环周期内碰撞和空闲的次数。通过以上假定,有:比P-ALOHA协议提高一倍,信道利用率相应提高一倍。但是,对于S-ALOHA系统,全网需要定时和同步,且数据分组长度必须是固定的,用户数据的平均传输时间要高于P-ALOHA系统,大大增加了实现的复杂性。此外,S-ALOHA协议同样存在着不稳定性。

3可变时隙ALOHA(VariabIeSIot-ALOHA)协议

针对P-ALOHA协议和S-ALOHA协议存在的不足,为提高卫星分组通信系统的传输性能和可靠性,本文提出一种可变时隙ALOHA协议,也可称为VS-ALOHA协议。当系统处于空闲时,时隙长度为a(a≤1);当有分组到来时,时隙长度为1。这样采用两个不同的时隙(用两个不同时钟控制)对应不同的事件,将空闲时隙长度设为随机可变,就可以减少空闲时间,提高系统吞吐率和信道利用率。

3.1系统原理

假定初始时系统处于时隙长为a的空闲状态,当有信息分组进行发送时,概率为1-e-aG,占用时隙长为1,并从该时隙开始处进入长为1的时隙式ALOHA系统[3];随后发生i(i=0,1,2…)个BU事件,每个发生的概率为1-e-G;接着系统空闲,概率为e-G,并从该时隙开始进入时隙长为a的ALOHA系统,占用一个时隙,长为a;后发生j(j=0,1,2…)个I事件;如此循环下去。图3给出了在一个循环期内的系统划分图。

3.2性能参数

在可变时隙ALOHA多址接入协议控制下,利用平均周期法进行计算[4-5],可得系统的空闲率为可以看出,当a=1时,有S=Ge-G,即为时隙ALOHA的吞吐率。a越小,S越大。当a趋于0时,S达到极大值,(1)与P-ALOHA和S-ALOHA协议相比,不论在轻负载情况下还是重负载情况下,VS-ALOHA协议均可达到较高的吞吐率。这是由于P-ALOHA系统没有采取任何避免冲突的策略,数据分组随到随发,因此发生碰撞的可能性大,而S-ALOHA和VS-ALOHA系统都利用设置时隙来避免冲突,且对VS-ALOHA系统而言,当信道处于空闲期时,一旦有分组到达就立即发送(空闲期时隙长度a足够小),节约了等待时间,缩短了信道空闲周期,提高了信道利用率,极大地改善了其性能。所以,由图4可以看出,VS-ALOHA协议网络吞吐率提高最明显。(2)与S-ALOHA系统相比,当VS-ALOHA系统中信道处于空闲期时(空闲期时隙长度a足够小),分组一到达就立即发送出去,缩短了终端用户接入信道的时间,提高了系统站点间数据的传输速度和需要网络数据支持的应用程序的处理速度,整体提高了系统的接入效率。对于实时性要求很高的业务如语音业务流、MPEG视频流等,为了易于支持QoS,该接入机制具有较大的优势。(3)当吞吐率S超过Smax后,随着网络负载的加重,系统吞吐率S持续下降。这是3类ALOHA系统的共同缺点,即不稳定性。

4结语

ALOHA和S-ALOHA协议在卫星通信分组业务传输中一直发挥着积极有效的作用。本文在分析这两种协议性能的基础上,提出可变时隙ALOHA(VS-ALOHA)协议,通过理论分析与计算机仿真实验,表明这种协议在一定程度上降低了系统的空闲率,提高了系统吞吐率(信道利用率)。科学合理选择协议方式,可以有效提高卫星通信系统的效率和稳定性。

作者:李源 石燕华 刘翠萍 邵俊松 单位:75841部队

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