田　波，蔡述庭

(1.銅仁學院信息工程學院，貴州銅仁 554300； 2.廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州 510090)

面向GEO衛(wèi)星網絡的多速率多播擁塞控制機制

田波1，蔡述庭2

(1.銅仁學院信息工程學院，貴州銅仁 554300； 2.廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州 510090)

針對GEO衛(wèi)星網絡帶寬時延積較大、擁塞控制機制不完善的問題，提出了一種面向GEO衛(wèi)星網絡的多速率多播擁塞控制機制MMCCM_GEO.首先，在保證接收端請求速率最大化的前提下，將GEO衛(wèi)星網絡中的多速率多播問題轉化為非線性優(yōu)化問題，并采用改進的模擬退火算法對其求解，得到了最優(yōu)的接收端請求速率.其次，通過采用代理節(jié)點實現反饋信息的匯集與丟失數據的恢復，有效地解決了反饋內暴及數據恢復問題.仿真結果表明，與目前GEO衛(wèi)星網絡中典型的多速率多播擁塞控制機制相比，本文的擁塞控制機制有效地提高了數據吞吐量和帶寬利用率，降低了GEO衛(wèi)星網絡中的數據傳輸時延，同時也具備了更好的可擴展性.

GEO衛(wèi)星網絡；多速率多播；擁塞控制；模擬退火算法

1　引言

基于靜止地球軌道衛(wèi)星(GEO,Geostationary Earth Orbit)的衛(wèi)星網絡由于廣泛采用了星上處理技術，已具備了解碼、糾錯、路由等信息處理和IP數據交換等功能.其信號覆蓋范圍廣、擴展性強，能夠較好地支持視頻會議、實時信息發(fā)布等操作，非常適合多播技術的應用[1].目前，針對多播協(xié)議的研究已較為深入，但針對GEO衛(wèi)星網絡的多播擁塞控制方面的研究工作很少，成果也不多[2].由于GEO衛(wèi)星網絡存在傳輸不可靠、上/下行鏈路不對稱等特點，應用于地面網絡中的一些典型的多播擁塞控制機制，如RLM、FLID-DL、PGMCC等[2,3]，由于沒有針對GEO衛(wèi)星網絡的信道特征提供完善的多播擁塞控制機制，未能有效地適應GEO衛(wèi)星網絡，影響了多播技術在衛(wèi)星網絡中的應用.

因此，設計合適的多播擁塞控制機制正成為面向GEO衛(wèi)星網絡的多播應用中一個重要研究方向.文獻[4]為GEO衛(wèi)星網絡設計了一種基于Agent的多播傳輸協(xié)議.通過在多播組中選擇合適的Agent，實現了相應的多播擁塞控制機制，其有效性也在實驗中得到了驗證.然而當多播組規(guī)模較大時，Agent的更新過于頻繁，導致多播擁塞控制機制的可擴展性較低.文獻[5]為提高衛(wèi)星網絡中多播的帶寬利用率，在對IP數據包頭的格式進行修改的基礎上，提出了一種面向GEO衛(wèi)星網絡的多路復用技術，有效地降低了擁塞的發(fā)生概率.但該方法未考慮到帶寬利用的公平性問題.文獻[6]為解決GEO衛(wèi)星網絡的多播擁塞控制問題，將可分級視頻編碼與跨層優(yōu)化技術相結合，提出了一種分層多播傳輸協(xié)議，并完善了相應的多播擁塞控制機制.然而該機制融合了物理層、鏈路層及網絡層功能，應用受到極大的限制.文獻[7]從提高衛(wèi)星網絡的抗誤碼性能的角度去考慮衛(wèi)星網絡中多播擁塞控制問題，針對視頻數據設計了兩層前向糾錯編碼方案，有效地提高了衛(wèi)星網絡中視頻多播的魯棒性.文獻[8]對RLM算法進行了改進，將加入實驗的方式從每次加入一個多播層調整為一次加入多個多播層.但該方法中對吞吐量的計算過于簡單，并沒有在實驗中得到有效的驗證.

綜合來看，目前在面向GEO衛(wèi)星網絡的多播擁塞控制研究工作中存在以下不足：(1)目前的多播擁塞控制機制是由面向地面網絡的擁塞控制機制改進而來，缺乏對GEO衛(wèi)星網絡長時延、低可用帶寬等因素的考慮，存在帶寬利用率低、時延及其抖動較大的不足；(2)目前的多播擁塞控制需要精確計算RTT、丟包率等信息，可擴展性較差，與TCP數據流共存時，很難保證友好性.考慮到這些不足，本文提出了一種面向GEO衛(wèi)星網絡的多速率多播擁塞控制機制(MMCCM-GEO).將多播擁塞控制問題轉化為一優(yōu)化問題，并采用改進的模擬退火算法進行求解，進而得到最優(yōu)的請求速率.此外，通過設置代理節(jié)點，有效地解決了反饋內暴及數據恢復問題.

2　GEO衛(wèi)星網絡的拓撲結構

本文考慮如圖1所示的GEO衛(wèi)星網絡.多播組的源端(發(fā)送端)通過網關將分層后的數據經上行鏈路傳輸至GEO衛(wèi)星.數據包在衛(wèi)星上進行交換后，傳輸至地面接收站，各代理節(jié)點再將數據分發(fā)至接收端，各接收端根據請求速率的大小完成加入/退出層的操作.為便于對GEO衛(wèi)星網絡的多播擁塞控制進行研究，關于圖1有以下幾點需要說明：

(1)在GEO衛(wèi)星網絡中目前并不考慮多個GEO衛(wèi)星之間的星際交換.從覆蓋范圍、時延等角度分析，星際交換并不適合語音、視頻等主要的多播業(yè)務.

(2)考慮到衛(wèi)星網絡中基于IP的多播路由協(xié)議的特點[9]，接收端與發(fā)送端并沒有通過地面網絡連接.

(3)各代理節(jié)點之間沒有通過地面網絡互連.此外，一個接收端節(jié)點只從屬于一個代理節(jié)點.

需要指出的是，本文的多速率多播擁塞控制是一種基于接收端的控制機制，故對由GEO衛(wèi)星上的轉發(fā)器故障所導致的數據中斷、丟失等不作考慮.事實上，由GEO衛(wèi)星上的轉發(fā)器導致網絡擁塞的概率極低，多播組中的擁塞一般是由地面網絡引起[6].

3　多速率多播擁塞控制模型

(2)

(3)

其中0≤p≤Q，σ、ξ、υ為常數，其值由實驗中取得[10]，這里分別取1.79、2.40、2.87.事實上，式(3)表明在避免擁塞的前提下，應使接收端對應的效用函數最大化.因此，可將GEO衛(wèi)星網絡中多速率多播擁塞控制轉化為下列極值問題

(4)

4　擁塞控制模型的求解

對于形如式(4)的問題，文獻[11]分析了多種求解方法.由于GEO衛(wèi)星網絡存在數據傳輸時延較大、往返時延不對稱的特點，傳統(tǒng)方法在求解精度及實時性方面難以滿足要求.考慮到模擬退火算法與其它智能算法相比，具有收斂速度快、可求出全局最優(yōu)解的優(yōu)點，結合GEO衛(wèi)星網絡的特點，本文采用改進的模擬退火(Simulated Annealing,SA)算法求解形如式(4)的多速率多播擁塞控制問題.

4.1初始解及模型擾動

模擬退火算法的理論基礎為Boltzmann概率分布和metropolis準則.為便于求解，首先將式(4)轉換為無約束優(yōu)化問題[11]，即

(5)

此外，新解是通過對當前解的擾動得到的，為提高收斂速度，采用與文獻[12]中VFSA算法相同的方式求取新解，即

x′=x′+y(h-l)

(6)

y=Tsgn(r-0.5)((1+1/T)|2r-1|-1)

(7)

其中r為0至1之間的隨機數，[l,h]為解的取值范圍，T為當前溫度，sgn()為取符號函數.顯然，在本文的擁塞控制模型中，由于各接收端的請求速率不會超過各鏈路容量，即有l(wèi)=0，h=C(ei).

4.2SA中的控制參數的改進

初始溫度T0取為Bupload·n，其中n為接收端節(jié)點數量.相應退火計劃，即溫度的衰減參數Tk表示為

Tk=αT0,k≥1

(8)

其中α為溫度衰減率，本文取0.95.Markov鏈長度Lm，也即同一溫度下的迭代次數，取Lm=nβ，其中β為常數，這里取100.

此外，按照metropolis準則，對第j個多播任務而言，與新解相對應的接收概率為

(9)

(10)

可以看出，式(10)可保證在低溫時對解空間的搜索更加充分，其有效性也在實驗結果中得到了體現.

4.3MMCCM-GEO的實現步驟

在上述兩小節(jié)的基礎上，得到MMCCM-GEO的實現步驟如下：

(1)產生初始解x={r0,r1,…,rp}及初始溫度T0=Bupload·n，將l、c、d賦初值為0.

(2)按式(6)、(7)求得新解x′.

(3)計算能量的增量ΔU=U(x′)-U(x)，判斷ΔU<0是否成立，如成立則執(zhí)行x=x′，l=l+1；否則根據式(10)判斷(exp(2Tk)-1)/(exp(2Tk)+1)>random()是否為真，如為真則執(zhí)行x=x′與l=l+1，否則轉向步驟(2).

(4)判斷l(xiāng)>Lm是否成立，如成立則執(zhí)行c=c+1，此時如c的值為1則執(zhí)行xprev=x，并轉向步驟(4)；如l>Lm不成立，則轉向步驟(2).

(5)按式(8)進行溫度的衰減，并判斷Tk≤0是否成立，如成立則轉向步驟(6)；如不成立則判斷x=xprev是否成立，如成立則執(zhí)行d=d+1，xprev=x.最后判斷d=5是否成立，成立則轉向步驟(6)，否則執(zhí)行xprev=x并轉向步驟(2).

(6)輸出矢量x的值，即為各接收端的請求速率.

(7)結束.

大量實驗結果表明，模擬退火算法在離結束溫度很遠時，極有可能就得到最優(yōu)解[13].因此，在上述流程中，變量xprev保存了上一溫度下求得的解，如連續(xù)5次求得的解相同，則終止降溫過程，輸出最優(yōu)解，以提高求解的實時性.

5　接收端的層調整方法

6　數據恢復策略

由于GEO衛(wèi)星網絡的傳輸鏈路易受天氣等因素的影響，數據傳輸過程中不可避免地會出現出錯、丟包等現象.在本文的多速率多播擁塞控制機制MMCCM_GEO中，代理節(jié)點負責對NAK數據包進行匯總及反饋.如多播組的接收端節(jié)點沒有收到正確的數據包，則發(fā)送一個NAK數據包至代理節(jié)點.當一個NAK到達代理節(jié)點時，一個定時器會被啟動.此后，代理節(jié)點會在自身的緩存中搜索丟失的數據包，如有則將此數據包直接發(fā)送給接收端.如沒有，則將此NAK多播至本代理節(jié)點所屬區(qū)域的其它節(jié)點，如其它節(jié)點緩存中有相關的數據包，則將其發(fā)送至代理節(jié)點，再轉發(fā)給發(fā)送該NAK數據包的接收端節(jié)點.如在代理節(jié)點及其它接收端節(jié)點都沒有該數據包或在定時器超時后，代理節(jié)點將該NAK通過GEO衛(wèi)星網絡的反向鏈路傳輸至多播組的源節(jié)點，再由源節(jié)點重傳該數據包.

值得指出的是，上述數據恢復方法充分考慮到衛(wèi)星網絡反向鏈路帶寬較小的特點，有效地解決了反饋風暴及丟失路徑多樣化的問題.目前典型的GEO衛(wèi)星網絡中的多播機制采用的是對代理節(jié)點進行動態(tài)選取的方法，雖然從理論上可以均衡網絡流量，但代理節(jié)點的動態(tài)選取與調整算法復雜度較高，在網絡規(guī)模較大時性能顯著降低[14].MMCCM-GEO采用了固定的代理節(jié)點，適應性強，代價較小，在提高網絡帶寬利用率方面也有較大的優(yōu)勢.

7　仿真實驗結果及分析

考慮到在實際的GEO衛(wèi)星網絡中難于準確而重復地實現不同參數條件下的網絡環(huán)境，利用仿真軟件OPNET Modeler 14.5建立了基于GEO的衛(wèi)星網絡仿真系統(tǒng)，其拓撲結構如圖2所示.由于在網關中集成了編碼、調制、發(fā)送/接收功能，故在圖2中未畫出地面站的發(fā)送及接收天線等設備.此外，將衛(wèi)星上行鏈路的帶寬設置為2MBbps，地面網絡的帶寬為100Mbps.數據包大小為1000字節(jié)，仿真持續(xù)時間為550s，時間間隔τ取2.5s.為驗證本文提出的多播擁塞控制機制的性能，將本文的控制機制MMCCM-GEO與目前GEO衛(wèi)星網絡中使用較為廣泛的多速率多播擁塞控制機制TFMCC進行對比[15].源端1與源端2分別采用MMCCM-GEO和TFMCC將數據發(fā)送至接收端1、2、3、4.數據被編碼為1個基本層與7個增強層，分別通過不同的多播組進行傳輸.此外，仿真系統(tǒng)中接收端的節(jié)點數量可以方便地進行增加與減少.

首先，在同樣的網絡參數條件下，比較了使用MMCCM-GEO與TFMCC時GEO衛(wèi)星網絡的吞吐量，如圖3所示.不難看出，MMCCM-GEO由于在效用函數最大化的前提下對各接收端節(jié)點的請求速率進行了優(yōu)化選取，顯著提高了網絡吞吐量，在信道誤碼率較高、服務質量波動較大的GEO衛(wèi)星網絡傳輸環(huán)境中具有更好的帶寬利用率.

其次，可擴展性是衡量多速率多播擁塞控制機制性能的一個重要指標.即當多播組的接收端節(jié)點數較多時，性能較好的多速率多播擁塞控制機制仍然具備較高的吞吐量.因此，測試了不同數量的節(jié)點在數據誤碼率為10-6時，兩種擁塞控制機制所對應的吞吐量，結果如圖4所示.從圖4中可看出，MMCCM-GEO在多播組的規(guī)模較大時，吞吐量仍優(yōu)于TFMCC，說明MMCCM-GEO具備更好的可擴展性.

表1為MMCCM-GEO求得的接收端節(jié)點的請求速率均值與其對應的全局最優(yōu)解的對比.其全局最優(yōu)解通過標準的模擬退火算法得出[16].可以看出，MMCCM-GEO求得的請求速率與文獻[16]中全局最優(yōu)解的誤差非常小，其相對誤差在0.5122～1.9691之間.表明在具有較好實時性的前提下，求得的解很接近最優(yōu)解.

圖5為MMCCM-GEO與TPMCC的平均時延對比.從圖5可看出，由于優(yōu)化了各接收端節(jié)點的請求速率，

表1　MMCCM-GEO求得的解與最優(yōu)解的對比

采用代理節(jié)點對丟失的數據包進行恢復，MMCCM-GEO可獲得更小的傳輸時延，有效地提高了GEO衛(wèi)星網絡中數據傳輸的實時性.

圖6顯示了平均吞吐量與時間的對應關系.從圖6可知，MMCCM-GEO的平均吞吐量優(yōu)于TFMCC，表明MMCCM-GEO方法顯著改善了網絡服務質量.此外，為衡量GEO衛(wèi)星網絡長時延環(huán)境下?lián)砣刂茩C制的性能，比較了當吞吐量不同時，MMCCM-GEO和TFMCC所對應的往返時間，其結果如圖7所示.可見，MMCCM-GEO顯著減少了數據包的往返時間，提高了數據傳輸的實時性，表明其在GEO衛(wèi)星網絡長時延的傳輸環(huán)境下能提供更好的網絡服務質量，同時也具備了更強的適應能力.

8　結束語

本文在分析現有多速率多播擁塞控制機制優(yōu)缺點的基礎上，針對GEO衛(wèi)星網絡提出了一種新的多速率多播擁塞控制機制.首先建立了面向GEO衛(wèi)星網絡的擁塞控制模型，然后采用改進的模擬退火算法對多速率多播擁塞控制問題進行求解，得到了優(yōu)化的接收端請求速率，有效地提高了網絡吞吐量.此外，通過代理節(jié)點進行錯誤恢復，保證了數據的完好率，同時顯著降低了GEO衛(wèi)星網絡中的數據傳輸時延.仿真實驗結果表明，本文的多速率多播擁塞控制機制不但有效地提高了網絡吞吐量，而且獲得了較好的網絡服務質量.下一步的工作是在本文的基礎之上，完善多層衛(wèi)星網絡中的多播擁塞控制機制.

[1]馮少棟,李廣俠,張更新,等.一種適合寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)的異步突發(fā)時間計劃生成方法[J].電子學報,2012,40(9):1802-1808.

Feng Shao-dong,Li Guang-xia,Zhang Gen-xin,et al.An asynchronous burst time plan generation method for broadband satellite multimedia system[J].Acta Electronica Sinica,2012,40(9):1802-1808.(in Chinese)

[2]Emrick R,Cruz P,Carvalho N B,et al.The sky's the limit:key technology and market trends in satellite communications[J].IEEE Microwave Magazine,2014,15(2):65-78.

[3]Rao Y,Wang R C.Multi-path Qos routing using genetic algorithm for LEO satellite networks[J].Chinese Journal of Electronics,2011,20(1):17-20.

[4]許輝,吳詩其.一種衛(wèi)星網絡中基于Agent的可靠組播傳輸協(xié)議[J].電子與信息學報,2007,29(1):166-170.

Xu Hui,Wu Shi-qi.An agent-based reliable multicast transport protocol for satellite networks[J].Journal of Electronics & Information Technology,2007,29(1):166-170.(in Chinese)

[5]Shuichi A,et al.Efficient multiplexing scheme for IP packets over the advanced satellite broadcasting system[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2009,55(1):49-55.

[6]David P,Vazquez M A.Num-based fair rate-delay balancing for layered video multicasting over adaptive satellite networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2011,29(5):969-978.

[7]Barsocchi P,Oligeri G.Quality of experience in multicast hybrid networks:avoiding bandwidth wasting with a double-stage FEC scheme[J].IET Communications,2010,4(13):1573-1579.

[8]Karan S,Rama S Y.Multilayer joining for receiver driven multicast congestion control[A].Procedia Technology (Proceedings of the 2nd International Conference on Computer,Communication,Control and Information Technology) (Vol.4)[C].Holland:Elsevier,2012.151-157.

[9]程連貞,劉凱,張軍,等.適于低軌衛(wèi)星IP網絡的特定源組播算法[J].電子學報,2007,35(6):1051-1055.

Cheng Lian-zhen,Liu Kai,Zhang Jun,et al.Soure-specific multicast algorithms for LEO satellite IP networks[J].Acta Electronica Sinica,2007,35(6):1051-1055.(in Chinese)

[10]徐偉強,等.用于Ad Hoc網絡的自適應多速率多播擁塞控制策略[J].軟件學報,2008,19(3):770-779.

Xu Wei-qiang,et al.Adaptive congestion control strategy for multi-rate multicast sessions in Ad Hoc networks[J].Journal of Software,2008,19(3):770-779.(in Chinese)

[11]Hermando L,et al.An evaluation of methods for estimating the number of local optima in combinatorial optimization problems[J].Evolutionary Computation,2013,21(4):625-658.

[12]Wang L,et al.Optimal operation strategies for batch distillation by using a fast adaptive simulated annealing algorithm[A].Proceedings of the Tenth World Congress on Intelligent Control and Automation[C].Beijing:IEEE,2012.2426-2430.

[13]許鵬飛,苗啟廣,等.基于函數復雜度的自適應模擬退火和禁忌搜索新算法[J].電子學報,2012,40(6):1219-1222.

Xu Peng-fei,Miao Qi-guang,et al.Adaptive simulated annealing algorithm and tabu search algorithm based on the function complexity[J].Acta Electronica Sinica,2012,40(6):1219-1222.(in Chinese)

[14]Yamamoto Y,Itsumi H,Yamamoto M.Proxy-based multicast congestion control for ad hoc networks[A].Proceedings of the Eighth Asia-Pacific Symposium on Information and Telecommunication Technologies[C].Kuching:IEEE,2010.1-6.

[15]Yue S,Cao Y.An improved TFMCC protocol based on end-to-end unidirectional delay jitter[A].Proceedings of the IEEE Thirteenth International Conference on Communication Technology[C].Jinan:IEEE,2011.1028-1032.

[16]陳皓,崔杜武,嚴太山,等.基于競爭指數的模擬退火排序選擇算子[J].電子學報,2009,37(3):587-591.

Cheng Hao,Cui Du-wu,Yan Tai-shan,et al.Race exponent based simulated annealing rank selection operator[J].Acta Electronica Sinica,2009,37(3):587-591.(in Chinese)

田波男，1978年9月出生，湖南懷化人.2014年獲廣東工業(yè)大學博士學位，現為銅仁學院信息工程學院講師，主要研究方向為視頻編碼及傳輸、機器視覺.

E-mail:tianbomail@163.com

蔡述庭男，1979年2月出生，湖南益陽人.2011年獲廣東工業(yè)大學博士學位，現為廣東工業(yè)大學自動化學院副教授、碩士生導師，主要研究方向為分布式視頻編碼及傳輸、機器視覺.

E-mail:shutingcai@gdut.edu.cn

Multi-Rate Multicast Congestion Control Mechanism forGEO Satellite Network

TIAN Bo1,CAI Shu-ting2

(1.Information Engineering College,Tongren University,Tongren,Guizhou 554300,China;2.School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou,Guangdong 510090,China)

Due to the lower performance of congestion control mechanism and high production of bandwidth and delay,a multi-rate multicast congestion control mechanism for geosynchronous earth orbit (GEO) satellite network (MMCCM_GEO) was proposed.First,under the premise of maximizing the require rate of receivers,the multi-rate multicast congestion control problem for GEO satellite network was formulated as a nonlinear optimization problem,and the improved simulated annealing algorithm was employed to obtain globally optimal solution.Then,the issue with acknowledgement (ACK) implosion and loss data recovery was settled by proxy node.Simulation results reveal that the proposed mechanism obtains better throughput and bandwidth utilization,and achieves better scalability,compared with the typical conventional multi-rate multicast congestion control mechanism.

geosynchronous earth orbit (GEO) satellite network;multi-rate multicast;congestion control;simulated annealing algorithm

2014-12-26；

2015-06-08；責任編輯：孫瑤

國家自然科學基金青年科學基金(No.61201392)；銅仁學院博士科研啟動基金(No.trxyDH1503)

TN927.21

A

0372-2112 (2016)07-1599-06

??學報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.07.012