一种应用于DVB-RCS卫星通信系统的存储优化带宽请求算法
摘 要： DVB-RCS卫星通信系统中，已有的带宽请求算法多注重于队列延迟以及带宽利用率等性能的提高而未考虑卫星终端的存储优化针对此问题，提出了一种应用于DVB-RCS卫星通信系统的存储优化带宽请求算法，该算法通过预测到达数据流的容量来实现对发送队列中数据总量的控制，同时兼顾对传输时延以及传输效率的平衡。仿真表明，该算法能够合理控制系统的存储容量，并且在优化带宽利用率、控制时延抖动等方面与已有算法相比具有同样的高性能。
关键词： 带宽请求算法; DVB-RCS； 存储优化
卫星通信具有内在的覆盖范围广、以广播和组播多模式工作的特性，使其能够提供高速因特网连接和多媒体数据远距离传输。由于IP技术在因特网中起着不可替代的主导作用，基于卫星通信的IP数据传输近年来得到了广泛深入的研究。另一方面，欧洲电信标准协会（ETSI）为数字电视广播制订的DVB-S和DVB-RCS标准使得采用经济的卫星地面终端实现交互式卫星通信成为可能。因此，基于IP网络的多样化、交互式业务传输是卫星通信发展的重要方向之一。
在卫星通信交互式应用中，前向信道采用广播模式，不存在媒体接入控制的问题，而回传信道被大量用户终端所共用，这必然要采用媒体接入控制技术。DVB-RCS标准即定义了回传信道在物理层和媒体接入控制层的各项基本规范。该标准采用了MF-TDMA技术来实现多址接入，将回传信道的带宽分配给多个用户终端使用。但标准本身并未规定系统所采用的具体BoD（Bandwidth on Demand）技术，即带宽分配算法（BAA）和带宽请求算法（BRA）。
本文研究了DVB-RCS系统中的带宽请求算法。所谓带宽请求是指卫星终端根据本地待发送的数据量，向网络控制中心（NCC）发起使用一定大小带宽的请求，并在收到NCC的带宽分配方案后，按照方案使用指定大小的带宽传输本地数据。带宽请求算法对于回传信道的带宽使用效率、数据传输延迟等系统性能都具有关键性作用。分析目前已有的带宽请求算法，其思路大致可分为以下三类：
(1) 仅基于MAC队列的长度以及当前时刻的数据输入速率来计算需要请求的带宽大小[1-2]。
(2) 使用高层协议的队列信息(如IP层的传输队列)来指导带宽申请。这种思想导致了一种跨层的带宽请求，有望给系统带来效率上的提高，但目前仍未有成熟可靠的算法见于公开文献。
(3) 存储过去时刻的带宽请求和带宽分配情况，再结合当前队列状态，预测在下一个时间段内到达的数据量，基于此计算带宽请求[3-4]。
已有的带宽请求算法主要考虑提高回传信道的带宽效率和降低数据传输延迟，但大部分算法并未考虑对MAC队列长度的控制，而MAC队列长度影响系统存储容量的大小，该参数在某些应用场合具有十分重要的意义。参考文献[4]首次考虑了对MAC队列长度的控制问题，并提出了一个MAC队列长度可控的带宽请求算法，但该算法在队列初始长度控制和队列长度抖动控制方面仍有不足之处。本文提出了一种新的针对存储容量优化的带宽请求算法(MCI-BRA)，该算法在保证系统带宽、使用效率和数据传输延迟要求的前提下，能够对MAC队列长度进行合理控制，从而达到控制终端存储容量的目的。
1 系统模型
本文考虑如图1所示的DVB-RCS卫星通信系统。在该系统中，地面终端(RCST 1, 2, … , n)通过一颗GEO卫星实现对因特网的访问。卫星网络通过网关接入因特网，NCC与网关驻留在同一个地面站。每个RCST不一定只为一个用户提供因特网连接，也可以对本地的一个或多个局域网提供因特网连接。带宽请求即发生在每个RCST当中。
DVB-RCS标准提供了5种带宽请求：
(1) CRA（Continuous Rate Allocation）对该类请求必须在每个超帧满足其所有带宽需要；
(2) RBDC（Rate Based Dynamic Capacity）该类请求以指定码率的方式提出带宽需求；
(3) VBDC （Volume Based Dynamic Capacity）该类请求以指定容量的方式提出带宽需求；
(4) AVBDC （Absolute Volume Based Dynamic Capacity）该类请求以指定容量的方式提出带宽需求，与VBDC不同之处在于AVBDC提出的请求将覆盖前一次的请求，而VBDC请求为累加性质；
(5) FCA （Free Capacity Assignment）该类请求没有码率以及容量方面的要求，NCC直接将空闲带宽以某种方式分配给各个RCST，而不需要RCST再提出该类请求。
