欒　鵬，朱　江，高　凱

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)

?

低軌衛(wèi)星接入系統(tǒng)中基于位置信息的時(shí)隙分配協(xié)議*

欒鵬，朱江，高凱

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)

針對浮標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中衛(wèi)星覆蓋范圍廣、接入鏈路傳播時(shí)延差異大的場景結(jié)構(gòu)引起的統(tǒng)一延遲分配協(xié)議中端到端時(shí)延長、吞吐率低的問題，提出了一種基于位置信息的時(shí)隙分配協(xié)議。協(xié)議中衛(wèi)星通過獲取浮標(biāo)位置信息來控制時(shí)隙分配的起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)隙離散分配，增大可用傳輸時(shí)隙長度，同時(shí)降低傳輸時(shí)延。OPNET仿真結(jié)果表明所提出的時(shí)隙分配協(xié)議可以顯著提高單信道傳輸模式下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并有效降低單信道與雙信道模式下浮標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)接入時(shí)的端到端時(shí)延。

低軌衛(wèi)星通信；海洋浮標(biāo)衛(wèi)星通信；接入鏈路；位置信息；時(shí)隙分配

1　引　言

隨著海洋觀察對數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求不斷提高，低軌衛(wèi)星在衛(wèi)星通信中傳播時(shí)延小、覆蓋范圍廣的特性使得它在海洋浮標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了廣泛關(guān)注。在海量浮標(biāo)的衛(wèi)星接入中，為充分利用有限信道資源，提供可靠通信保障，介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl，MAC)協(xié)議成為低軌衛(wèi)星通信研究中的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。

在浮標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的時(shí)分多址接入(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)協(xié)議中，衛(wèi)星在進(jìn)行時(shí)隙分配時(shí)將會預(yù)留一定的保護(hù)時(shí)間，確保所有節(jié)點(diǎn)在接收到分配命令后都有時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)包，保護(hù)時(shí)間的長度由衛(wèi)星的最遠(yuǎn)通信距離所對應(yīng)的傳播時(shí)延來確定。本文稱這種時(shí)隙分配算法為統(tǒng)一延遲分配算法。由于低軌衛(wèi)星移動性強(qiáng)，浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多、分布范圍很廣，且各節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星間的時(shí)延差距大，若衛(wèi)星在未知浮標(biāo)傳播時(shí)延的情況下進(jìn)行時(shí)隙分配，則需要設(shè)置較長的保護(hù)時(shí)間，進(jìn)而加大了網(wǎng)絡(luò)整體端到端時(shí)延。故需要設(shè)計(jì)一種新的時(shí)隙分配方案，能根據(jù)每個(gè)浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳播時(shí)延設(shè)置不同的保護(hù)時(shí)間，從而提高信道利用率并改善端到端時(shí)延。

在衛(wèi)星通信時(shí)分多址接入系統(tǒng)中，為了減弱鏈路傳播時(shí)延對端到端時(shí)延的影響，文獻(xiàn)[2]提出允許一次握手發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包的解決方案，文獻(xiàn)[3]使用上下行并行傳輸模式，文獻(xiàn)[4]使用上行預(yù)約與傳輸雙信道結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[5]指出分配的時(shí)隙在多頻時(shí)分多址接入(MultifrequencyTimeDivisionMultipleAccess，MF-TDMA)幀中的位置分布也是影響端到端時(shí)延的重要因素之一。除了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)場景，PB-MAC[6](Position-BasedMAC)和C-MAC[7](CellularMAC)分別針對長時(shí)延在大區(qū)域移動自組織網(wǎng)絡(luò)和水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)中引起的混疊問題，提出了借助位置信息來調(diào)整發(fā)包時(shí)間以達(dá)到降低沖突、減少端到端時(shí)延的效果。文獻(xiàn)[8]改進(jìn)了分組預(yù)約多址接入(PacketReservationMultipleAccess，PRMA)協(xié)議以提高長時(shí)延下的信道利用率，文獻(xiàn)[9]借助長時(shí)延實(shí)現(xiàn)時(shí)空復(fù)用。以上所有改進(jìn)方案都在不同程度上改善了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延性能，但是都無法在分配時(shí)對各用戶的傳播時(shí)延進(jìn)行區(qū)分，無法應(yīng)對傳播時(shí)延差距大引起的網(wǎng)絡(luò)整體時(shí)延降低的問題。

本文針對傳統(tǒng)延遲分配方案在低軌衛(wèi)星傳播時(shí)延長、時(shí)延差距大的場景結(jié)構(gòu)下，保護(hù)時(shí)間過長、時(shí)隙浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，提出了基于位置信息的離散時(shí)隙分配方案。衛(wèi)星根據(jù)浮標(biāo)的位置信息控制時(shí)隙分配的時(shí)間起點(diǎn)，能有效提高單信道模式下的信道利用率，同時(shí)降低單信道與雙信道模式下的端到端時(shí)延。

2　系統(tǒng)模型

本文采用如圖1所示的覆蓋場景模型，某低軌衛(wèi)星高度h=480km，覆蓋直徑dt=3 000km，最大傳播距離ds=1 633km，最大鏈路傳播時(shí)延Tmax=5.44ms，最小鏈路傳播時(shí)延Tmin=1.67ms，同一時(shí)刻覆蓋區(qū)域下的浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳播時(shí)延相差3.77ms。

圖1低軌衛(wèi)星覆蓋場景

Fig.1CoveragescenarioofLEOsatellites

本文分別以單信道和雙信道TDMA傳輸模式為例進(jìn)行分析，在兩種模式下衛(wèi)星與浮標(biāo)天線均使用全雙工模式。其中單信道模式下的超幀結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)在預(yù)約時(shí)隙內(nèi)以時(shí)隙ALOHA(SlottedALOHA，S-ALOHA)方式隨機(jī)競爭接入發(fā)送預(yù)約幀，衛(wèi)星在預(yù)約時(shí)隙后進(jìn)行時(shí)隙分配并集中廣播分配命令，浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到分配幀后，在分配到的時(shí)隙內(nèi)無沖突地傳送數(shù)據(jù)包。雙信道下超幀采用聯(lián)合自由/按需分配多址接入[10](RandomAccess-CombinedFree/DemandAssignedMultipleAccess，RA-CFDAMA)協(xié)議結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，上行鏈路分為頻率上互不干擾的控制信道和數(shù)據(jù)信道，保障預(yù)約與數(shù)據(jù)傳輸能夠并行。下行鏈路為寬帶廣播信道?？刂菩诺罏殡S機(jī)接入信道，浮標(biāo)以S-ALOHA方式競爭發(fā)送預(yù)約幀，數(shù)據(jù)信道為按需信道，無沖突傳輸數(shù)據(jù)包。

圖2單信道、雙信道包交互流程

Fig.2Packetswitchingprocessinsingle-channelanddual-channel

在衛(wèi)星通信中長傳播時(shí)延除了對端到端時(shí)延有影響外，也容易造成各業(yè)務(wù)站間的傳輸混疊，故要求各業(yè)務(wù)站具有子幀同步的功能。浮標(biāo)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中各浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用“北斗”授時(shí)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)鐘同步。對于衛(wèi)星通信中的時(shí)延保持問題，由于浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多，為避免大量同步信令的交互引起的時(shí)隙和功率浪費(fèi)，本文采用基于開環(huán)同步保持的子幀同步方案,即浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)存儲衛(wèi)星軌道參數(shù)，通過本地實(shí)時(shí)計(jì)算與衛(wèi)星間的傳播時(shí)延，調(diào)整發(fā)包時(shí)間，避免節(jié)點(diǎn)間沖突。

3　基于位置的時(shí)隙分配方案

在目前按需分配的單信道TDMA接入?yún)f(xié)議中，常按照時(shí)間軸順序進(jìn)行時(shí)隙分配。如圖3所示，若衛(wèi)星在進(jìn)行時(shí)隙分配時(shí)與節(jié)點(diǎn)間距離未知，為保證所有節(jié)點(diǎn)都能在接收到分配命令后有時(shí)間上傳數(shù)據(jù)包，分配給節(jié)點(diǎn)的時(shí)間起點(diǎn)不早于(tr_i+2Tmax)時(shí)刻，其中tr_i為發(fā)送給第i個(gè)用戶的分配幀下發(fā)結(jié)束的時(shí)間，Tmax為最大傳播時(shí)延。這種統(tǒng)一延遲分配的算法會造成時(shí)隙浪費(fèi)，降低信道利用率，增大網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延。

圖3單信道統(tǒng)一延遲分配和基于位置時(shí)隙分配的對比

Fig.3Comparisonbetweenunifieddelayedallocationandposition-basedslotallocationinsingle-channel

本文針對這種情況，借鑒在時(shí)間軸上離散分配的想法[11-12]，提出基于位置信息的離散時(shí)隙分配方案。如圖3所示，衛(wèi)星在MAC模塊維護(hù)一定時(shí)間范圍內(nèi)的時(shí)隙分配記錄表，在執(zhí)行時(shí)隙分配算法時(shí)，衛(wèi)星根據(jù)當(dāng)前浮標(biāo)的位置，計(jì)算與該浮標(biāo)間的傳播時(shí)延Tdelay_i，確定可以分配給該浮標(biāo)的最早傳輸時(shí)隙的起始時(shí)刻(tr_i+2Tdelay_i)，并根據(jù)時(shí)隙分配記錄表中的分配情況，從(tr_i+2Tdelay_i)開始向后查詢可用時(shí)隙，并將連續(xù)的滿足用戶i發(fā)送需求個(gè)數(shù)的時(shí)隙分配給該用戶，隨后更新分配記錄表。這樣就將分配時(shí)隙的起點(diǎn)提前了(2Tmax-2Tdelay_i)，進(jìn)而增加了傳輸時(shí)隙中的可用時(shí)隙，提高了信道利用率，同時(shí)減少了端到端時(shí)延。

同樣，在圖4所示的在雙信道結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星接收到預(yù)約命令后立即進(jìn)行時(shí)隙分配，采用基于位置的時(shí)隙分配方案將分配給第i個(gè)用戶的時(shí)隙的時(shí)間起點(diǎn)由(tr_i+2Tmax)提前到(tr_i+2Tdelay_i)，進(jìn)而縮短端到端時(shí)延。當(dāng)流量密度很大時(shí)，時(shí)間軸上已分配時(shí)隙的比例逐漸增大，時(shí)隙分配趨近于飽和，只能逐漸向后查找滿足需求的可用時(shí)隙，尋找到的可用時(shí)隙終點(diǎn)將大于最大傳播時(shí)延。此時(shí)，基于位置的時(shí)隙分配不再具有優(yōu)勢，逐漸等同于統(tǒng)一延遲分配。

圖4雙信道延遲分配和基于位置時(shí)隙分配的對比

Fig.4Comparisonbetweenunifieddelayedallocationandposition-basedslotallocationindual-channel

此外，由于衛(wèi)星每次分配都需要依據(jù)與浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離，所以浮標(biāo)需要在入網(wǎng)時(shí)或自身的位置發(fā)生明顯變化時(shí)將位置信息共享給衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，為避免每次浮標(biāo)入網(wǎng)時(shí)都需要發(fā)送位置信息，浮標(biāo)的位置共享采用由衛(wèi)星間的信息交互來完成。

4　性能仿真與分析

4.1仿真設(shè)置

本文對基于位置信息的時(shí)隙分配方案使用OPNET進(jìn)行建模仿真，測試了單信道模式與雙信道模式下統(tǒng)一延遲分配和基于位置的時(shí)隙分配兩種分配算法的吞吐量和端到端時(shí)延性能。數(shù)據(jù)包大小在100～1 000b均勻分布，其他主要參數(shù)設(shè)置見表1。單信道模式下，衛(wèi)星在預(yù)約時(shí)隙后集中進(jìn)行分配算法；雙信道模式下衛(wèi)星接收到預(yù)約幀后立即執(zhí)行分配算法，廣播分配命令。

表1主要仿真參數(shù)

Tab.1Mainsimulationparameters

仿真參數(shù)參數(shù)取值衛(wèi)星高度/km480浮標(biāo)數(shù)目100衛(wèi)星覆蓋直徑/km3000上行速率/(Mb·s-1)1下行速率/(Mb·s-1)10單信道預(yù)約時(shí)隙時(shí)長/s0.01單信道傳輸時(shí)隙時(shí)長/s0.02數(shù)據(jù)包大小/b100～1000

4.2仿真分析

圖5為單信道模式下統(tǒng)一延遲分配和基于位置分配兩種時(shí)隙分配方案的端到端時(shí)延對比。從圖5可以看出:在包密度低時(shí)，兩種分配方案都能及時(shí)進(jìn)行時(shí)隙分配，整體端到端時(shí)延較低;基于位置的分配方案由于提前了時(shí)隙分配的起點(diǎn)，相較于統(tǒng)一延遲分配的方案端到端時(shí)延更低，但是差別不明顯;在包密度大時(shí)，吞吐率達(dá)到峰值，端到端時(shí)延主要受排隊(duì)等待分配時(shí)間的影響，此時(shí)基于位置的時(shí)隙分配算法逐漸顯現(xiàn)出性能優(yōu)勢。

圖5單信道下兩種分配方案端到端時(shí)延

Fig.5End-enddelayoftwoallocationschemesinsingle-channel

圖6為單信道結(jié)構(gòu)下兩種分配方案的吞吐量對比。從圖6可以看出:在流量密度低時(shí)，兩種分配方案吞吐量性能差異不大;在流量密度逐漸增大時(shí)，統(tǒng)一延遲分配的方案吞吐率優(yōu)先達(dá)到峰值;流量密度繼續(xù)增大時(shí)，基于位置的時(shí)隙分配方案相較于統(tǒng)一延遲分配的吞吐量具有明顯提升;兩種分配方案在吞吐量達(dá)到峰值后，包排隊(duì)等待分配的時(shí)間開始增大，進(jìn)而開始影響端到端時(shí)延，即呈現(xiàn)出圖5所示的變化趨勢。

圖6單信道下兩種分配方案吞吐率

Fig.6Throughputoftwoallocationschemesinsingle-channel

圖7為雙信道結(jié)構(gòu)下不同分配方案的端到端時(shí)延性能對比。測試得到浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星的平均傳播時(shí)延為3.4ms，又已知覆蓋范圍下最大通信距離1 633km對應(yīng)的最大傳播時(shí)延為5.4ms，可知基于位置的時(shí)隙分配方案相較于統(tǒng)一延遲分配方案端到端時(shí)延縮小(2Tmax-2Tdelay=4.0ms)，仿真結(jié)果與理論相符。在包密度增大后，兩種分配方案的時(shí)隙分配區(qū)域飽和，時(shí)延性能逐漸相同。

圖7雙信道兩種分配方案的時(shí)延測試

Fig.7Delayoftwoallocationschemesindual-channel

雙信道結(jié)構(gòu)下由于時(shí)隙分配總是可以向后推遲，分配幀也能及時(shí)下發(fā)，基于位置的時(shí)隙分配方案在雙信道結(jié)構(gòu)下只是提前了數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間，并沒有改變信道利用率，因此對吞吐量性能沒有影響。

5　結(jié)　論

在低軌衛(wèi)星時(shí)延長、時(shí)延差距大的特殊場景結(jié)構(gòu)中，采用基于位置的離散時(shí)隙分配方案，改變常規(guī)的具有較長保護(hù)時(shí)間的統(tǒng)一延遲分配方案，通過衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)計(jì)算與浮標(biāo)間的距離來確定分配給浮標(biāo)的時(shí)隙在時(shí)間軸上所處的位置，有效提高了單信道模式下的吞吐量，同時(shí)減少了單信道與雙信道模式下的端到端時(shí)延。關(guān)于時(shí)隙長度、數(shù)據(jù)包大小以及分配算法中用戶的排序方式對基于位置的時(shí)隙分配方案性能的影響具有進(jìn)一步研究價(jià)值。

[1]GUANMX,WANGRC.PerformanceanalysisofmacprotocolforLEOsatellitenetworks[J].InternationalJournalonCommunications,NetworkandSystemSciences,2009,2(8):786-791.

[2]LIAND-SENGK,LIUMT.Awirelessmultipleaccesscontrolproctolforvoice-dataintegration[C]//Proceedingsof1996IEEEInternationConferenceonParallelandDistributedSystems.Tokyo:IEEE,1996:206-213.

[3]XUFR,LIUK,LIUF,etal.Apropagation-delay-tolerantMACprotocolwithadaptivereservationforlongpropagationdelaynetworks[C]//Proceedingsof2014 9thInternationalConferenceonCommunicationsandNetworkinginChina.Beijing:IEEE,2014:387-392.

[4]MARKHASINA.Performanceanalysisofthedelay-tolerantsatellitedistributedMACreservationprotocols[C]//Proceedingsof2009InternationalWorkshoponSatelliteandSpaceCommunications.Tuscany,Italy:IEEE,2009:376-380.

[5]QINY,ZHANGJ,ZHANGT,etal.ApracticalmethodforimprovingdelayperformanceoftimeslotallocationinDVB-RCS[J].ChineseJournalofAeronautics,2009(22):174-183.

[6]YANS,MAZ,SHIR.Apositionbasedmediaaccesscontrolprotocolinlargescalemobileadhocnetworks[C]//ProceedingsofWseasInternationalConferenceonTelecommunicationsandinformatics.Wisconsin,USA:ACM,2010:103-106.

[7]MAYT,GUOZW,FENGY.C-MAC:aTDMA-basedMACprotocolforunderwateracousticsensornetworks[C]//Proceedingsof2009IEEEInternationalConferenceonNetworksSecurity,WirelessCommunicationsandTrustedComputing(NSWCTC2009).Wuhan:IEEE,2009:728-731.

[8]ZHOUH,LIYB.MACprotocolwirelessadhocnetworkforlongdelaychannel[C]//Proceedingsof2011InternationalConferenceonComputerEngineeringandManagementSciences.Beijing:IEEE,2011:201-205.

[9]DIAMANTR,SHIWB,SOHWS,etal.Jointtimeandspatialreusehandshakeprotocolforunderwateracousticcommunicationnetworks[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2013,38(3):470-483.

[10]FENGS,WANGF,BIAND,etal.MACprotocoldesignforbroadbandmultimediasatellitesystem[C]//Proceedingsof2009 5thInternationalConferenceonWirelessCommunications,NetworkingandMobileComputing.Beijing:IEEE,2009:1-4.

[11]LESSMANNJ.GMAC:aposition-basedenergy-efficientQoSTDMAMACforadhocnetworks[C]//Proceedingsof2007IEEEInternationalConferenceonNetworks.Adelaide,SA:IEEE,2007:499-454.

[12]SUNGJS,LEEH,KANGTG,etal.AQoSguarantedslotallocationalgorithmforefficientmediumaccessinHR-WPAN[J].ETRIJournal,2015,37(6):1242-1250.

欒鵬(1991—)，男，山東滕州人，2014年于電子科技大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為國防科技大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星接入?yún)f(xié)議；

LUANPengwasborninTengzhou,ShandongProvince,in1991.HereceivedtheB.S.degreefromUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinain2014.Heisnowagraduatestudent.Hisresearchconcernssatelliteaccessprotocols.

Email:luanpenguestc@sina.com

朱江(1973—)，男，陜西渭南人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)；

ZHUJiangwasborninWeinan,ShaanxiProvince,in1973.HeisnowaprofessorandalsothePh.D.supervisor.Hisresearchconcernswirelesscommunicationtechnology.

高凱(1978—),男，江蘇連云港人，副教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)。

GAOKaiwasborninLianyungang,JiangsuProvince,in1978.Heisnowanassociateprofessor.Hisresearchconcernswirelesscommunicationtechnology.

APosition-basedSlotAssignmentProtocolforLEOSatellitesNetwork

LUANPeng,ZHUJiang,GAOKai

(CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

Tosolvethelongend-to-enddelayandlowthroughputprobleminunifieddelayedallocationprotocolwithwidecoverageandlongpropagationdelayofaccesslinkinbuoysatellitecommunicationsystem,thispaperproposesaposition-basedslotassignmentprotocol.Satellitesusepositioninformationofbuoytocontrolthestartpositionofslotallocationintheprotocol,achievingdiscreteslotsallocationtoincreasetheavailabletransmissionslotlengthandreducetransmissiondelay.TheOPNETsimulationresultsshowthattheproposedslotallocationprotocolcansignificantlyimprovenetworkthroughputundersingle-channeltransmissionmode,andeffectivelyreducebuoysatellitecommunicationsystem′saccessdelayundereitherthesingle-channelmodeorthedual-channelmode.

lowearthorbitcommunication;seabuoysatellitecommunication;accesslink;positioninformation;slotassignmentprotocol

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.007

2016-01-22；

2016-03-21Receiveddate:2016-01-22；Reviseddate：2016-03-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61201166)FoundationItem:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.61201166)

TN927

A

1001-893X(2016)09-0990-05

引用格式：欒鵬，朱江，高凱.低軌衛(wèi)星接入系統(tǒng)中基于位置信息的時(shí)隙分配協(xié)議[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):990-994.[LUANPeng,ZHUJiang,GAOKai.Aposition-basedslotassignmentprotocolforLEOsatellitesnetwork[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):990-994.]

**通信作者：luanpenguestc@sina.comCorrespondingauthor：luanpenguestc@sina.com