劉慶利，盧美玲+，潘成勝

(1. 大連大學(xué) 通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116622；2.大連大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

0 引 言

隨著世界各國(guó)空間通信技術(shù)的研究與發(fā)展，為滿足空間通信系統(tǒng)中多樣化業(yè)務(wù)的不同QoS(quality of ser-vice)[1]，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(consultive committee for space data system，CCSDS)研發(fā)了高級(jí)在軌系統(tǒng)(advanced orbiting system，AOS)[2-5]。AOS采用地面網(wǎng)絡(luò)的分層模塊化的設(shè)計(jì)思想，信號(hào)傳輸時(shí)延較大、誤碼率高，導(dǎo)致系統(tǒng)不能及時(shí)正確地處理數(shù)據(jù)，容易造成系統(tǒng)吞吐量降低等問題。另外，由于系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)種類較多、帶寬資源有限，致使業(yè)務(wù)的QoS更加難以得到保障，因此如何合理跨層分配AOS系統(tǒng)中帶寬資源成為空間通信的研究熱點(diǎn)[6-11]。

在空間通信跨層帶寬資源優(yōu)化研究方面，傳統(tǒng)的跨層效用最大化的帶寬分配算法(cross-layer bandwidth allocation method based on utility function maximization，CBUFM)聯(lián)合了應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層中有關(guān)參數(shù)，將帶寬進(jìn)行公平、高效的分配，但是沒有考慮業(yè)務(wù)最小帶寬請(qǐng)求，不能提高業(yè)務(wù)的滿意度。文獻(xiàn)[12]提出一種兼顧公平與效用的跨層動(dòng)態(tài)帶寬分配方法，將業(yè)務(wù)上一次的資源分配結(jié)果作為影響因子運(yùn)用到下一次分配中，保證業(yè)務(wù)資源的公平分配，但是算法復(fù)雜度較高。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于凸優(yōu)化理論的衛(wèi)星跨層動(dòng)態(tài)帶寬分配算法(cross-layer bandwidth allocation method based on convex optimization theory，CBCOT)，該算法引入了鏈路層最小保證時(shí)隙，保證了業(yè)務(wù)的基本通信，提高了帶寬的利用率以及系統(tǒng)的吞吐量，但是算法沒有充分地分析數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)積壓情況，未能使效用達(dá)到最優(yōu)。文獻(xiàn)[14]考慮了積壓隊(duì)列比大小，但是函數(shù)中沒有考慮鏈路層中不同業(yè)務(wù)的最小保證時(shí)隙，不能更好滿足業(yè)務(wù)的時(shí)隙需求。

針對(duì)以上問題，本文聯(lián)合應(yīng)用層業(yè)務(wù)的QoS需求、數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)隊(duì)列積壓情況和帶寬請(qǐng)求、物理層信道狀態(tài)等參數(shù)，提出一種基于QoS業(yè)務(wù)的跨層帶寬分配方法(cross-layer bandwidth allocation method based on QoS ser-vice，CBQOS)，該方法將上述各層有關(guān)因子創(chuàng)建跨層帶寬資源分配的效用函數(shù)，并利用動(dòng)態(tài)資源規(guī)劃算法對(duì)帶寬進(jìn)行求解，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)帶寬資源的效果。CBQOS方法有效降低了業(yè)務(wù)因隊(duì)列積壓造成時(shí)延，提高了業(yè)務(wù)的吞吐量和滿意度，更好滿足了業(yè)務(wù)的QoS需求。

1 基于帶寬分配的AOS跨層資源優(yōu)化模型

1.1 各協(xié)議層QoS指標(biāo)及有關(guān)的調(diào)節(jié)參數(shù)

本文提出的CBQOS方法是在AOS系統(tǒng)的帶寬資源有限的條件下，根據(jù)應(yīng)用層各類業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的不同QoS要求，通過對(duì)各協(xié)議層性能指標(biāo)的聯(lián)合優(yōu)化，提高業(yè)務(wù)的QoS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的提升。AOS系統(tǒng)中各個(gè)協(xié)議層具有不同的性能指標(biāo)，本文研究的協(xié)議層包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這3層。表1中給出了AOS中3個(gè)協(xié)議層所對(duì)應(yīng)的具體QoS指標(biāo)、層間調(diào)節(jié)任務(wù)，從表中可以發(fā)現(xiàn)，雖然各層指標(biāo)不同，但是都服務(wù)于應(yīng)用層不同業(yè)務(wù)的QoS需求，即網(wǎng)絡(luò)提供給業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，通過傳輸時(shí)延、吞吐量等參數(shù)進(jìn)行描述；另一方面，QoS也代表用戶對(duì)業(yè)務(wù)服務(wù)的滿意程度和對(duì)業(yè)務(wù)性能的綜合評(píng)價(jià)。

表1 各協(xié)議層性能指標(biāo)以及層間任務(wù)

1.2 跨層帶寬分配模型的建立

針對(duì)AOS系統(tǒng)特點(diǎn)以及各協(xié)議層有關(guān)的調(diào)節(jié)參數(shù)和性能指標(biāo)，本文建立基于AOS的跨層帶寬資源優(yōu)化模型。如圖1所示，通過創(chuàng)建跨層資源控制模塊對(duì)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層信息進(jìn)行收集。應(yīng)用層模塊提供不同業(yè)務(wù)的QoS需求，考慮3種業(yè)務(wù)類型，分別為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、大容量下卸業(yè)務(wù)和分散業(yè)務(wù)，其中實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸緊迫度最高，時(shí)延也相對(duì)較低，而大容量下卸和分散業(yè)務(wù)的時(shí)延要求不高，但需要根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小合理的分配帶寬以免在排隊(duì)等待過程中產(chǎn)生不必要的時(shí)延。物理層模塊根據(jù)應(yīng)用層的吞吐量等QoS需求選擇合適的調(diào)制編碼方式。數(shù)據(jù)鏈路層模塊聯(lián)合虛擬信道參數(shù)和跨層資源控制模塊接收的應(yīng)用層與物理層信息，對(duì)帶寬進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

圖1 基于帶寬分配的AOS跨層資源優(yōu)化模型

2 基于QoS業(yè)務(wù)的跨層帶寬分配方法

2.1 跨層帶寬分配效用函數(shù)

動(dòng)態(tài)帶寬分配方法通常表現(xiàn)為效用函數(shù)的形式，通過求解效用函數(shù)的最優(yōu)值，便可得到帶寬分配的最佳結(jié)果。為了使系統(tǒng)中帶寬資源的分配更加公平，本文提出的效用函數(shù)考慮到不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)問題并采用對(duì)數(shù)的形式將帶寬分配效用函數(shù)表示為

(1)

其中，U(Xi)表示業(yè)務(wù)i的效用值大小，Xi代表為業(yè)務(wù)i分配的時(shí)隙數(shù)，滿足Xi∈{XiXmini≤Xi≤Xmaxi}，Xmini代表保證業(yè)務(wù)i正常傳輸?shù)淖钚r(shí)隙數(shù)，Xmaxi則是業(yè)務(wù)i實(shí)際請(qǐng)求的時(shí)隙數(shù)量，hi表示業(yè)務(wù)i的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。

為了更好滿足業(yè)務(wù)的QoS需求，本文在式(1)的基礎(chǔ)上對(duì)跨層帶寬分配的效用函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。函數(shù)中引入數(shù)據(jù)鏈路層業(yè)務(wù)的隊(duì)列積壓情況、最小保證時(shí)隙以及物理層信道狀態(tài)參數(shù)。改進(jìn)的效用函數(shù)如式(2)所示，方法優(yōu)先為每個(gè)業(yè)務(wù)分配最小的保證時(shí)隙，再按效用函數(shù)最大化原則進(jìn)行帶寬分配，保證了用戶的基本通信

(2)

其中，U(Xi)表示業(yè)務(wù)i在分配時(shí)隙Xi下所產(chǎn)生的效用值大小，Xmaxi代表業(yè)務(wù)i申請(qǐng)的最大時(shí)隙數(shù)量，Xmini為業(yè)務(wù)i最小保證時(shí)隙，U(Xmini)表示Xmini產(chǎn)生的效用值，用于補(bǔ)償因優(yōu)先為每個(gè)業(yè)務(wù)分配了最小保證時(shí)隙而忽略掉的最小時(shí)隙的效用值，用式子表示為

(3)

ωi表示業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)，由應(yīng)用層影響因子hi、數(shù)據(jù)鏈路層影響因子si以及物理層影響因子ki一起構(gòu)成，存在

ωi(h,s,k)=ahi+bsi+cki

(4)

其中，a、b、c分別表示hi、si、ki對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，用于表示各層對(duì)業(yè)務(wù)的影響程度，存在a+b+c=1。hi表示業(yè)務(wù)i應(yīng)用層的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，反應(yīng)的是當(dāng)前業(yè)務(wù)的緊急程度，hi越大該業(yè)務(wù)的傳輸緊迫度越高。si為數(shù)據(jù)鏈路層中虛擬信道積壓隊(duì)列比，反應(yīng)的是鏈路層中當(dāng)前業(yè)務(wù)在一段時(shí)間(t0到t)內(nèi)的積壓與發(fā)送情況，si越大，表示鏈路中該業(yè)務(wù)等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越多，此時(shí)需要適當(dāng)?shù)脑黾訒r(shí)隙，降低傳輸過程中的丟包率以及排隊(duì)過程中的時(shí)延。ki表示業(yè)務(wù)i對(duì)應(yīng)的物理層信道狀態(tài)信息，ki越大，信道狀態(tài)越好，效用值越高。

si用式子表示式為

(5)

(6)

(7)

ki計(jì)算公式為

ki=mi·ri

(8)

mi代表調(diào)制階數(shù)，ri代表編碼效率。

最終的目標(biāo)函數(shù)為

(9)

(1)劃分分配過程：根據(jù)待服務(wù)的業(yè)務(wù)數(shù)N將時(shí)隙分配過程分為N個(gè)階段。

(3)根據(jù)子策略計(jì)算相應(yīng)的效用值：根據(jù)式(2)計(jì)算N個(gè)階段在Xi(Xi=Xmini,…,Xmaxi)下的效用值U(Xi)。

2.2 算法流程

如圖2所示，該方法主要涉及以下幾個(gè)步驟：

(1)業(yè)務(wù)到達(dá)，接收業(yè)務(wù)各層參數(shù)，包括應(yīng)用層業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，鏈路層請(qǐng)求帶寬大小、最小保證時(shí)隙和數(shù)據(jù)隊(duì)列積壓比以及物理層調(diào)制階數(shù)和編碼效率。

(2)先為每一個(gè)業(yè)務(wù)分配最小保證時(shí)隙，保證用戶的基本通信。

(3)統(tǒng)計(jì)分配過后剩余的時(shí)隙數(shù)量X′和還未滿足時(shí)隙請(qǐng)求的業(yè)務(wù)數(shù)量N′。若X′=0或者N′=0，則說明沒有可用的時(shí)隙或者所有業(yè)務(wù)的時(shí)隙請(qǐng)求都已經(jīng)得到滿足，帶寬分配結(jié)束，跳至步驟(6)。否則，繼續(xù)向下進(jìn)行步驟(4)。

(4)利用動(dòng)態(tài)資源規(guī)劃算法求解效用函數(shù)，對(duì)時(shí)隙進(jìn)行最優(yōu)分配。

(5)判斷業(yè)務(wù)是否傳輸完，若傳輸完，則跳至步驟(6)，否則返回步驟(1)。

(6)帶寬分配結(jié)束。

圖2 算法流程

3 仿真驗(yàn)證與性能分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文的研究涉及3種業(yè)務(wù)類型，分別為實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)(A業(yè)務(wù))，大容量下卸業(yè)務(wù)(B業(yè)務(wù))以及分散業(yè)務(wù)(C業(yè)務(wù))。將實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)系數(shù)設(shè)置為2，大容量下卸業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)系數(shù)設(shè)置為1.5，分散類業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)系數(shù)設(shè)置為1。應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)a、b、c大小分別設(shè)置為0.5，0.3和0.2。帶寬總數(shù)為200個(gè)時(shí)隙。調(diào)制方式主要有4種，見表2。

仿真將本文CBQOS方法與傳統(tǒng)的CBUFM方法以及上文提到的CBCOT方法作比較。對(duì)比的QoS指標(biāo)主要包括系統(tǒng)吞吐量、用戶的業(yè)務(wù)滿意度和隊(duì)列積壓時(shí)延。對(duì)于用戶來說，業(yè)務(wù)滿意度是評(píng)價(jià)系統(tǒng)QoS效果的指標(biāo)，分析業(yè)務(wù)對(duì)于帶寬的請(qǐng)求程度，當(dāng)業(yè)務(wù)申請(qǐng)的帶寬值較大時(shí)，其需求度也較大。文中將業(yè)務(wù)實(shí)際分配到的時(shí)隙與申請(qǐng)的時(shí)隙數(shù)量的比值定義為業(yè)務(wù)的滿意度，用式子表示為

(10)

表2 調(diào)制方案及相關(guān)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)業(yè)務(wù)量較低時(shí)3種業(yè)務(wù)的吞吐量均不斷上升。隨著業(yè)務(wù)量的不斷增加，本文CBQOS方法中3種業(yè)務(wù)的吞吐量相差不大，CBCOT和CBUFM方法中具有高優(yōu)先級(jí)的A業(yè)務(wù)吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩種業(yè)務(wù)，而優(yōu)先級(jí)較低的C業(yè)務(wù)吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于另外兩種業(yè)務(wù)。這是因?yàn)镃BCOT和CBUFM方法只是將應(yīng)用層業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)以及物理層調(diào)制因素設(shè)置為效用函數(shù)的系數(shù)，而沒有考慮鏈路層中數(shù)據(jù)積壓隊(duì)列比的影響，公平性較低。本文CBQOS方法加入虛擬信道積壓隊(duì)列比，所以資源分配更加公平，并且滿足了不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS要求。當(dāng)業(yè)務(wù)量較多時(shí)，圖3(a)的CBCOT與CBQOS方法3種業(yè)務(wù)的吞吐量趨于穩(wěn)定，圖3(b)的CBUFM方法A、B業(yè)務(wù)吞吐量繼續(xù)上升，C業(yè)務(wù)吞吐量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)镃BUFM方法沒有考慮業(yè)務(wù)鏈路層最小保證時(shí)隙的分配，所以優(yōu)先級(jí)較低的C業(yè)務(wù)資源分配未能得到保證，吞吐量越來越低。

由圖4可知，隨著業(yè)務(wù)量的增加，3種方法中各業(yè)務(wù)滿意度均不斷下降。與CBCOT和CBUFM方法相比，本文CBQOS方法各業(yè)務(wù)滿意度離散程度低，且前兩個(gè)方法在低業(yè)務(wù)量下B業(yè)務(wù)的滿意度要高于CBQOS。隨著業(yè)務(wù)量的增加，這兩種方法中B業(yè)務(wù)的滿意度開始低于CBQOS方法。這是因?yàn)橛邢薜臅r(shí)隙資源要分配給越來越多的業(yè)務(wù)，導(dǎo)致每個(gè)業(yè)務(wù)的時(shí)隙分配數(shù)量越來越低，無法滿足該業(yè)務(wù)的時(shí)隙請(qǐng)求，所以滿意度開始下降。CBCOT與CBUFM方法因?yàn)闆]有在效用函數(shù)中引入數(shù)據(jù)鏈路層積壓隊(duì)列比所以時(shí)隙的分配受應(yīng)用層優(yōu)先級(jí)影響較大，所以不同業(yè)務(wù)的滿意度差值較大。B業(yè)務(wù)因?yàn)閿?shù)據(jù)量大所以請(qǐng)求時(shí)隙也相對(duì)較高，所以隨著業(yè)務(wù)量的增加，沒有考慮數(shù)據(jù)隊(duì)列積壓情況、受優(yōu)先級(jí)影響較大的CBCOT與CBUFM方法B業(yè)務(wù)的滿意度開始逐漸低于本文的CBQOS方法。與CBQOS與CBCOT方法相比圖(b)中CBUFM方法各業(yè)務(wù)的滿意度下降的斜率不穩(wěn)定，這是由于CBUFM方法沒有考慮鏈路層最小保證時(shí)隙的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)分配給各業(yè)務(wù)的時(shí)隙資源得不到保障。

圖3 不同業(yè)務(wù)量下各業(yè)務(wù)的吞吐量情況

圖4 不同業(yè)務(wù)量下各類業(yè)務(wù)的滿意度情況

圖5為不同業(yè)務(wù)量下各業(yè)務(wù)的隊(duì)列積壓時(shí)延，表示的是數(shù)據(jù)鏈路層中各業(yè)務(wù)的積壓數(shù)據(jù)隊(duì)列需要傳輸?shù)臅r(shí)長(zhǎng)。由圖5可知，隨著業(yè)務(wù)的增加，3種方法中各業(yè)務(wù)的隊(duì)列積壓時(shí)延不斷上升，其中CBCOT和CBUFM方法各業(yè)務(wù)的時(shí)延差值比CBQOS大。這是因?yàn)闃I(yè)務(wù)量的增加，導(dǎo)致系統(tǒng)分配給各業(yè)務(wù)的時(shí)隙數(shù)下降，帶寬資源得不到滿足，各業(yè)務(wù)時(shí)延逐漸增加。本文CBQOS方法考慮了數(shù)據(jù)積壓隊(duì)比的影響，將時(shí)隙資源的分配與業(yè)務(wù)的積壓情況進(jìn)行聯(lián)系，所以時(shí)隙分配相對(duì)公平，不同業(yè)務(wù)的時(shí)延相差不大。另外，B業(yè)務(wù)的時(shí)延隨著業(yè)務(wù)量的增加先大于C業(yè)務(wù)，然后小于C業(yè)務(wù)，最后又大于C業(yè)務(wù)。這是因?yàn)樵跇I(yè)務(wù)量較少時(shí)，各業(yè)務(wù)時(shí)隙請(qǐng)求都能得到滿足，因?yàn)檎?qǐng)求時(shí)隙的差值較小，所以積壓時(shí)延受積壓隊(duì)列長(zhǎng)度影響較大，B業(yè)務(wù)積壓隊(duì)列長(zhǎng)度比C業(yè)務(wù)長(zhǎng)，所以時(shí)延較C業(yè)務(wù)長(zhǎng)；隨著業(yè)務(wù)的增加，各個(gè)業(yè)務(wù)分配的時(shí)隙開始受各協(xié)議層相關(guān)系數(shù)的影響，影響系數(shù)較高的B業(yè)務(wù)分配的時(shí)隙大于C業(yè)務(wù)，所以時(shí)延小于C業(yè)務(wù)；當(dāng)業(yè)務(wù)量過多，各業(yè)務(wù)的分配時(shí)隙逐漸下降，這時(shí)積壓隊(duì)列的長(zhǎng)度對(duì)時(shí)延的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于時(shí)隙，B業(yè)務(wù)因?yàn)榉e壓隊(duì)列較長(zhǎng)所以時(shí)延又大于C業(yè)務(wù)。

圖5 不同業(yè)務(wù)量下各業(yè)務(wù)的隊(duì)列積壓時(shí)延

4 結(jié)束語

為了滿足AOS中不同業(yè)務(wù)的QoS需求，本文提出基于帶寬分配的AOS跨層資源優(yōu)化模型，并基于該模型提出了基于業(yè)務(wù)QoS的跨層帶寬分配方法，該方法在最大化效用的基礎(chǔ)上聯(lián)合了應(yīng)用層業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)積壓情況，物理層信道狀態(tài)等有關(guān)參數(shù)，另外引入了業(yè)務(wù)的最小保證時(shí)隙，提高了資源分配的公平性。同時(shí)，采用動(dòng)態(tài)資源規(guī)劃的算法對(duì)資源分配進(jìn)行最優(yōu)值的求解。仿真結(jié)果表明，該方法在滿足高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)QoS的基礎(chǔ)上，提高了低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的吞吐量、滿意度，并降低了其隊(duì)列積壓時(shí)延，提高了不同業(yè)務(wù)資源分配的公平性。