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作为卫星通信的重要发展方向,宽带卫星通信日益受到人们的重视。2004年起,欧洲标准化组织ETSI相继出台了一系列宽带卫星通信的标准,为宽带卫星通信系统的设计提供指导与参考。其中基于星上再生处理的网状卫星系统(Regenerative Satellite Mesh RSM-A)采用星上再生式处理转发技术,可实现网内用户终端之间的单跳通信,目前已在休斯公司研制的宽带卫星通信系统Spaceway3上成功应用。
引言
该卫星于2007年8月发射升空,是世界上首颗采用星上交换路由的Ka波段商用卫星。覆盖区域为北美大部分地区,系统容量约为10Gbps,截止到目前,已经有超过148,000名用户享受了Spaceway3提供的优质服务。该卫星的一大特点就是可以根据业务需求在各个波束实现通信容量的灵活分配。图1为其容量分配图,从图中可以看出,Spaceway3系统根据业务需求和地理环境将用户上行链路服务分为四个档次:1-25kbps、25-50kbps、50-100kbps、100kbps-150kbps,在四个速率档次中,系统还可以根据用户的具体需求进行进一步精细的速率分配,图中不同颜色表示不同的速率档次,所标数字为该波束内单个用户可享受的平均上行速率(单位为kbps)。
通过灵活的容量分配机制,Spaceway3系统能够为个人和小型企业提供高速的互联网接入服务,下行最高速率可达5Mbps。基于Spaceway3系统,可为政府和企业提供连续工作(Continuity of Operations COOP)的星状或网状专用网实现应急及保密通信等功能。全球首个通过Spaceway3系统实现应急通信业务的运营商是位于佛罗里达的美国应急网络(AEN)公司。借助于Spaceway3系统,AEN可同时播发3条来自美国、加拿大南部、波多黎各及一些拉美主要城市的实时视频流,从而为政府和公众实时提供灾难现场的第一手资料。在2008年佛罗里达飓风灾害中,Spaceway3系统帮助AEN出色的完成了灾后应急通信任务。图 2为其系统组成。
Spaceway3系统完全基于RSM-A系统标准实现,与GSM、CDMA类似,RSM-A系统标准为宽带卫星通信系统的设计提供了一整套的解决方案。RSM-A系统协议栈结构如图3所示。为了实现与TCP/IP协议的完全融合,该系统的设计集中在物理层和链路层,其中链路层又分为媒体接入控制子层(SMAC)和链路控制(SLC)子层。SMAC子层的主要功能如下:
从SLC子层接收SLC-PDU,在SLC-PDU前添加分组头生成RSM-A分组,并与安全接入模块(SAM)交互生成MAC码块所需的接入控制字段(Access Control Field ACF);
● 在添加RSM-A分组头时,SMAC子层根据得到的服务等级(Classes of Service CoS)信息对该分组的丢弃等级进行标识,这样便于卫星进行拥塞控制。根据SLC-PDU所属服务数据单元(Service Data Unit SDU)对应的用户数据传输服务(User Data Transport Services UDTS)和优先级,将其映射到对应的数据包传送服务(Packet Delivery Service PDS)队列中;
● 将RSM-A分组按照指定的格式封装成MAC码块,根据所获得的时隙资源和一定的调度算法,以突发形式进行发送;
● 接收卫星下行链路广播,其中包括系统消息(传输信息包(TIP)消息、网络信息包(NIP)消息、上行链路功率控制(ULPC)消息、管理信息包(MIP)消息)和业务信息(单播和组播);在接收时,终端主要根据RSM-A分组头中标识的MAC层目的地址或多播组标识(MGID)进行区分并进行相应处理;
● 当终端工作在按需分配带宽(Bandwidth of Demand BoD)模式时,需要根据实际情况进行随机接入或按需接入,在按需接入时,SMAC子层需要完成带宽申请与分配。
SMAC子层处理流程
SMAC子层的主要功能是接收来自SLC层的PDU,将它们通过合适的包传输时机(PTO)进行发送。由于完全针对宽带多媒体业务进行设计,因此需要有完善的带宽管理机制解决业务分类调度问题。带宽管理是通过对队列的操作实现的,所有来自用户网络的SDU,经SLC层处理变为定长的SLC-PDU分段后,根据其目的地址(通常是目的下行波束微小区)和相应的UDTS映射到队列当中,每个队列都对应一个PDS,根据每个PDS的队列状态,进行调度和发送。
RSM-A系统为终端提供了两种信道使用方式,一种是随机接入方式(RA方式),另一种是按需接入方式(DA方式),其中DA方式需要解决带宽的申请与分配问题。
RSM-A系统根据业务的不同需求进行了两级服务映射,第一级称为用户数据传输服务(UDTS),主要用于描述业务特性,用户终端按照一定规则将来自用户网络的业务流进行分类,每条业务流都分配一个相应的UDTS,根据实际情况也可能存在多个流对应同一个UDTS。终端根据业务的UDTS标识、当前队列长度和优先级,将数据包映射到不同的PDS上进行发送。第二级称为数据包传送服务(PDS),主要是描述数据包通过空中接口的传输方式,定义排队后的数据包如何通过空中接口进行发送。
1. UDTS分类
UDTS可分为面向连接(Connection-oriented service)业务和无连接(Connectionless services)业务两大类。
面向连接业务主要包括:
固定速率(CR)业务:主要针对固定速率业务(如VOIP),该UDTS的实例只有一个,在该实例中有多个队列,每个队列对应一个业务连接,连接通过连接ID进行区分。
带有突发的固定速率(CRWB)业务:该UDTS除了提供最小速率保障之外还可通过容量请求方式获得额外的系统资源。针对CRWB至少有四种实例,不同实例在突发门限(BoDTriggerThreshold)及突发容限(MaxQueueDepth)有所不同。每条CRWB业务连接都单独排队,并通过连接ID进行标识。
无连接业务主要包括:
高优先级/普通优先级突发(HPB/NPB):HPB和NPB主要通过容量请求方式获得系统资源进行数据传送。HPB及NPB至少有四种实例,相同UDTS不同实例之间的主要区别在于可使用的相对带宽不同,每个实例对应一个服务队列组,队列组内根据数据包目的下行波束区域ID不同进行区分。通常业务分类器会给出数据包对应的UDTS实例,然后根据数据包包头所标识的目的下行波束微小区ID,可得出其对应的目的区域ID,根据UDTS实例和目的区域ID将数据包排入指定的队列。
低容量低时延(LVLL):主要针对数据量较小但对即时性要求较高的交易数据传输。针对LVLL只有一种实例,该实例中只有一个队列,所有LVLL数据都在一个队列中进行排队。为了保证传输的可靠性,当收到标识为LVLL的数据包,而LVLL队列已满,则根据事先的配置,将该数据包转到另外的UDTS实例中。
ACK回传业务:主要针对TCP协议中回传的确认消息(ACK),针对ACK回传只有一个实例,该实例中只有一个队列,所有ACK回传数据包均在该队列中进行排队,该队列通过按需申请方式获得系统资源进行传输。在HVUL模式下,没有专门的ACK回传实例,所有ACK回传消息会按照事先的配置转换成其它UDTS,并排入指定的下行波束队列中。
一个UDTS可能有多个实例,每个实例可单独配置并提供不同的服务质量保障,每个实例对应多个服务队列(也称UDTS实例的“服务队列组”),此外每个UDTS实例都有一个可配置的“服务权重”,服务队列组中的每个队列可共享该权重值,该权重值描述了同一UDTS不同实例之间的比重关系。除此之外,用户终端中还有其它队列专门用于服务系统内部的信令消息(如带宽请求与分配、地址解析等)的传输。
2. PDS分类
PDS可为分基于分配(Allocation-based services)方式和基于争用(contention-based services)方式两大类。
基于分配方式的PDS主要包括基于速率分配和基于容量分配两种。基于速率分配进一步分为高优先级和低优先级速率(HPR/LPR)分配,基于容量分配进一步分为高优先级和普通优先级容量(HPV/NPV)分配。具体如下:
HPR/LPR:对于HPR/LPR来说,用户终端向卫星请求无线资源之前需先与NOCC进行协商(准入控制),经NOCC允许后,才能建立基于速率分配的PDS,终端需要在每个上行链路帧周期内对速率需求进行估计,系统需在每个上行链路帧内为其分配固定数目的时隙;
HPV/NPV:对于HPV/NPV来说,无需经NOCC的准入控制,可直接通过动态带宽分配协议(BCP)动态的通过卫星获取无线资源,BCP协议以帧为周期根据终端的申请进行时隙资源的分配。
基于争用方式的PDS主要包括S-ALOHA接入(SA)和P-ALOHA(PA)两种,仅适用于512kbps或128kbps信道。具体如下:
时隙ALOHA(SA):通过共享的上行链路时隙以S-ALOHA方式进行发送,每次发送一个RSM-A分组。
坚持ALOHA(PA):通过共享的上行链路时隙以P-ALOHA方式进行发送,每次发送一个RSM-A 分组。根据实现方式不同分为PA-1spnf和PA-1spf两种,在PA-1spnf信道中,终端若在某一时隙发送成功,则n帧之后的同一时隙仍为该终端预留。PA-1spf与PA-1spnf类似,在某一时隙成功发送的终端,其后连续n(n=N_ulpc)帧的同一时隙都将为该终端预留。这两种协议在具体使用时也有所不同。PA无法使用128kbps信道。
3. UDTS到PDS映射
UDTS与PDS之间存在映射关系,每个UDTS都有一个主用PDS(即默认采用的PDS)和备用PDS,备用PDS主要在主用PDS不可用或业务积压至一定门限值时使用。根据用户终端的配置,在完成映射时,在无线资源可用的情况下,一些UDTS还可以变为其它UDTS。在特定情况下,一些标记为某些UDTS的数据包还可以强占标记为其它UDTS的数据包的发送时机(Packet Transmission Opportunities PTO)具体映射算法如下:
(1)CR映射
CR业务仅将高优先级速率PDS(HPR)作为主用PDS无备用PDS,而且其PDS的PTO不能被其它PDS强占。
(2)HPB/NPB映射
HPB和NPB都属于突发性业务,通常这种突发业务有四种实例,每种对应相应的实例ID和优先级(高/正常)。每个实例对应的队列组都有相应的权重(也称服务权重),当基于容量的PTO到达时该权重可用于不同队列组之间的调度。基于容量的请求是根据目的区域不同的所有实例聚合的总体需求而确定的。
HPB是由HPV提供服务,NPB是由NPV提供服务。当终端处于HVUL工作模式时,PDS中不区分HPV和NPV统一用基于容量的PDS提供服务。
当PA1spf可用时,也可以对某一HPB/NPB队列提供PA1spf服务,但这种方式仅针对单个队列,而不能是某种实例对应的队列组。
(3)CRWB映射
CRWB将基于速率的服务作为主PDS,在BoD模式下,将HPV/NPV作为备用PDS,在HVUL模式下,将基于容量PDS作为备用PDS。对于每个CRWB队列都有一个最大队列长度MaxQueueDepth,如果新到达的数据包超过了该值则会被丢弃。如果新到达的数据包没有超过MaxQueueDepth但超过了BoDTriggerThreshold,则终端会发送基于容量的资源请求,请求值为当前队列长度与BoDTriggerThreshold之差,根据该差值的大小,请求的次数可为一次或多次。注意:虽然CRWB有可能对应两个PDS,但对其数据包的服务仍然采用单队列FIFO的方式。
(4)LVLL映射
LVLL将S-ALOHA作为主PDS,每个LVLL都有一个对应的最大队列长度MaxQueueDepth,如果超过该长度,根据配置新到达的数据包可重新映射为HPB/NPB业务进行相应的服务。如果终端当前正在进行基于速率的服务,无法进行SA发送,则LVLL数据包通过强占速率PTO的方式获得服务,如果基于容量的PTO过剩(即大于当前基于容量队列中的数据包数),则也可以用于服务LVLL,这种方式称为回填(fallback),同样,过剩的速率PTO也可以进行回填。
(5)ACK Return映射
针对Ack Return只有一个队列,默认采用PA-1spnf方式进行接入,如果PA-1spnf信道不可用,则Ack Return作为一个单独的LVLL队列。通常情况下Ack Return的优先级高于LVLL。因此当PA不可用时,Ack Return业务将先于LVLL使用SA PTO。
由于业务组成复杂,并不是一一映射,一个UDTS可以映射到多个PDS上,两者具体的映射关系如表 1所示:
结束语
RSM-A系统SMAC层通过对业务的两级服务映射实现带宽资源的管理和控制,能够解决宽带多媒体中存在的业务调度问题,很大程度上满足了用户传输多媒体业务的需求。
引言
该卫星于2007年8月发射升空,是世界上首颗采用星上交换路由的Ka波段商用卫星。覆盖区域为北美大部分地区,系统容量约为10Gbps,截止到目前,已经有超过148,000名用户享受了Spaceway3提供的优质服务。该卫星的一大特点就是可以根据业务需求在各个波束实现通信容量的灵活分配。图1为其容量分配图,从图中可以看出,Spaceway3系统根据业务需求和地理环境将用户上行链路服务分为四个档次:1-25kbps、25-50kbps、50-100kbps、100kbps-150kbps,在四个速率档次中,系统还可以根据用户的具体需求进行进一步精细的速率分配,图中不同颜色表示不同的速率档次,所标数字为该波束内单个用户可享受的平均上行速率(单位为kbps)。
通过灵活的容量分配机制,Spaceway3系统能够为个人和小型企业提供高速的互联网接入服务,下行最高速率可达5Mbps。基于Spaceway3系统,可为政府和企业提供连续工作(Continuity of Operations COOP)的星状或网状专用网实现应急及保密通信等功能。全球首个通过Spaceway3系统实现应急通信业务的运营商是位于佛罗里达的美国应急网络(AEN)公司。借助于Spaceway3系统,AEN可同时播发3条来自美国、加拿大南部、波多黎各及一些拉美主要城市的实时视频流,从而为政府和公众实时提供灾难现场的第一手资料。在2008年佛罗里达飓风灾害中,Spaceway3系统帮助AEN出色的完成了灾后应急通信任务。图 2为其系统组成。
Spaceway3系统完全基于RSM-A系统标准实现,与GSM、CDMA类似,RSM-A系统标准为宽带卫星通信系统的设计提供了一整套的解决方案。RSM-A系统协议栈结构如图3所示。为了实现与TCP/IP协议的完全融合,该系统的设计集中在物理层和链路层,其中链路层又分为媒体接入控制子层(SMAC)和链路控制(SLC)子层。SMAC子层的主要功能如下:
从SLC子层接收SLC-PDU,在SLC-PDU前添加分组头生成RSM-A分组,并与安全接入模块(SAM)交互生成MAC码块所需的接入控制字段(Access Control Field ACF);
● 在添加RSM-A分组头时,SMAC子层根据得到的服务等级(Classes of Service CoS)信息对该分组的丢弃等级进行标识,这样便于卫星进行拥塞控制。根据SLC-PDU所属服务数据单元(Service Data Unit SDU)对应的用户数据传输服务(User Data Transport Services UDTS)和优先级,将其映射到对应的数据包传送服务(Packet Delivery Service PDS)队列中;
● 将RSM-A分组按照指定的格式封装成MAC码块,根据所获得的时隙资源和一定的调度算法,以突发形式进行发送;
● 接收卫星下行链路广播,其中包括系统消息(传输信息包(TIP)消息、网络信息包(NIP)消息、上行链路功率控制(ULPC)消息、管理信息包(MIP)消息)和业务信息(单播和组播);在接收时,终端主要根据RSM-A分组头中标识的MAC层目的地址或多播组标识(MGID)进行区分并进行相应处理;
● 当终端工作在按需分配带宽(Bandwidth of Demand BoD)模式时,需要根据实际情况进行随机接入或按需接入,在按需接入时,SMAC子层需要完成带宽申请与分配。
SMAC子层处理流程
SMAC子层的主要功能是接收来自SLC层的PDU,将它们通过合适的包传输时机(PTO)进行发送。由于完全针对宽带多媒体业务进行设计,因此需要有完善的带宽管理机制解决业务分类调度问题。带宽管理是通过对队列的操作实现的,所有来自用户网络的SDU,经SLC层处理变为定长的SLC-PDU分段后,根据其目的地址(通常是目的下行波束微小区)和相应的UDTS映射到队列当中,每个队列都对应一个PDS,根据每个PDS的队列状态,进行调度和发送。
RSM-A系统为终端提供了两种信道使用方式,一种是随机接入方式(RA方式),另一种是按需接入方式(DA方式),其中DA方式需要解决带宽的申请与分配问题。
RSM-A系统根据业务的不同需求进行了两级服务映射,第一级称为用户数据传输服务(UDTS),主要用于描述业务特性,用户终端按照一定规则将来自用户网络的业务流进行分类,每条业务流都分配一个相应的UDTS,根据实际情况也可能存在多个流对应同一个UDTS。终端根据业务的UDTS标识、当前队列长度和优先级,将数据包映射到不同的PDS上进行发送。第二级称为数据包传送服务(PDS),主要是描述数据包通过空中接口的传输方式,定义排队后的数据包如何通过空中接口进行发送。
1. UDTS分类
UDTS可分为面向连接(Connection-oriented service)业务和无连接(Connectionless services)业务两大类。
面向连接业务主要包括:
固定速率(CR)业务:主要针对固定速率业务(如VOIP),该UDTS的实例只有一个,在该实例中有多个队列,每个队列对应一个业务连接,连接通过连接ID进行区分。
带有突发的固定速率(CRWB)业务:该UDTS除了提供最小速率保障之外还可通过容量请求方式获得额外的系统资源。针对CRWB至少有四种实例,不同实例在突发门限(BoDTriggerThreshold)及突发容限(MaxQueueDepth)有所不同。每条CRWB业务连接都单独排队,并通过连接ID进行标识。
无连接业务主要包括:
高优先级/普通优先级突发(HPB/NPB):HPB和NPB主要通过容量请求方式获得系统资源进行数据传送。HPB及NPB至少有四种实例,相同UDTS不同实例之间的主要区别在于可使用的相对带宽不同,每个实例对应一个服务队列组,队列组内根据数据包目的下行波束区域ID不同进行区分。通常业务分类器会给出数据包对应的UDTS实例,然后根据数据包包头所标识的目的下行波束微小区ID,可得出其对应的目的区域ID,根据UDTS实例和目的区域ID将数据包排入指定的队列。
低容量低时延(LVLL):主要针对数据量较小但对即时性要求较高的交易数据传输。针对LVLL只有一种实例,该实例中只有一个队列,所有LVLL数据都在一个队列中进行排队。为了保证传输的可靠性,当收到标识为LVLL的数据包,而LVLL队列已满,则根据事先的配置,将该数据包转到另外的UDTS实例中。
ACK回传业务:主要针对TCP协议中回传的确认消息(ACK),针对ACK回传只有一个实例,该实例中只有一个队列,所有ACK回传数据包均在该队列中进行排队,该队列通过按需申请方式获得系统资源进行传输。在HVUL模式下,没有专门的ACK回传实例,所有ACK回传消息会按照事先的配置转换成其它UDTS,并排入指定的下行波束队列中。
一个UDTS可能有多个实例,每个实例可单独配置并提供不同的服务质量保障,每个实例对应多个服务队列(也称UDTS实例的“服务队列组”),此外每个UDTS实例都有一个可配置的“服务权重”,服务队列组中的每个队列可共享该权重值,该权重值描述了同一UDTS不同实例之间的比重关系。除此之外,用户终端中还有其它队列专门用于服务系统内部的信令消息(如带宽请求与分配、地址解析等)的传输。
2. PDS分类
PDS可为分基于分配(Allocation-based services)方式和基于争用(contention-based services)方式两大类。
基于分配方式的PDS主要包括基于速率分配和基于容量分配两种。基于速率分配进一步分为高优先级和低优先级速率(HPR/LPR)分配,基于容量分配进一步分为高优先级和普通优先级容量(HPV/NPV)分配。具体如下:
HPR/LPR:对于HPR/LPR来说,用户终端向卫星请求无线资源之前需先与NOCC进行协商(准入控制),经NOCC允许后,才能建立基于速率分配的PDS,终端需要在每个上行链路帧周期内对速率需求进行估计,系统需在每个上行链路帧内为其分配固定数目的时隙;
HPV/NPV:对于HPV/NPV来说,无需经NOCC的准入控制,可直接通过动态带宽分配协议(BCP)动态的通过卫星获取无线资源,BCP协议以帧为周期根据终端的申请进行时隙资源的分配。
基于争用方式的PDS主要包括S-ALOHA接入(SA)和P-ALOHA(PA)两种,仅适用于512kbps或128kbps信道。具体如下:
时隙ALOHA(SA):通过共享的上行链路时隙以S-ALOHA方式进行发送,每次发送一个RSM-A分组。
坚持ALOHA(PA):通过共享的上行链路时隙以P-ALOHA方式进行发送,每次发送一个RSM-A 分组。根据实现方式不同分为PA-1spnf和PA-1spf两种,在PA-1spnf信道中,终端若在某一时隙发送成功,则n帧之后的同一时隙仍为该终端预留。PA-1spf与PA-1spnf类似,在某一时隙成功发送的终端,其后连续n(n=N_ulpc)帧的同一时隙都将为该终端预留。这两种协议在具体使用时也有所不同。PA无法使用128kbps信道。
3. UDTS到PDS映射
UDTS与PDS之间存在映射关系,每个UDTS都有一个主用PDS(即默认采用的PDS)和备用PDS,备用PDS主要在主用PDS不可用或业务积压至一定门限值时使用。根据用户终端的配置,在完成映射时,在无线资源可用的情况下,一些UDTS还可以变为其它UDTS。在特定情况下,一些标记为某些UDTS的数据包还可以强占标记为其它UDTS的数据包的发送时机(Packet Transmission Opportunities PTO)具体映射算法如下:
(1)CR映射
CR业务仅将高优先级速率PDS(HPR)作为主用PDS无备用PDS,而且其PDS的PTO不能被其它PDS强占。
(2)HPB/NPB映射
HPB和NPB都属于突发性业务,通常这种突发业务有四种实例,每种对应相应的实例ID和优先级(高/正常)。每个实例对应的队列组都有相应的权重(也称服务权重),当基于容量的PTO到达时该权重可用于不同队列组之间的调度。基于容量的请求是根据目的区域不同的所有实例聚合的总体需求而确定的。
HPB是由HPV提供服务,NPB是由NPV提供服务。当终端处于HVUL工作模式时,PDS中不区分HPV和NPV统一用基于容量的PDS提供服务。
当PA1spf可用时,也可以对某一HPB/NPB队列提供PA1spf服务,但这种方式仅针对单个队列,而不能是某种实例对应的队列组。
(3)CRWB映射
CRWB将基于速率的服务作为主PDS,在BoD模式下,将HPV/NPV作为备用PDS,在HVUL模式下,将基于容量PDS作为备用PDS。对于每个CRWB队列都有一个最大队列长度MaxQueueDepth,如果新到达的数据包超过了该值则会被丢弃。如果新到达的数据包没有超过MaxQueueDepth但超过了BoDTriggerThreshold,则终端会发送基于容量的资源请求,请求值为当前队列长度与BoDTriggerThreshold之差,根据该差值的大小,请求的次数可为一次或多次。注意:虽然CRWB有可能对应两个PDS,但对其数据包的服务仍然采用单队列FIFO的方式。
(4)LVLL映射
LVLL将S-ALOHA作为主PDS,每个LVLL都有一个对应的最大队列长度MaxQueueDepth,如果超过该长度,根据配置新到达的数据包可重新映射为HPB/NPB业务进行相应的服务。如果终端当前正在进行基于速率的服务,无法进行SA发送,则LVLL数据包通过强占速率PTO的方式获得服务,如果基于容量的PTO过剩(即大于当前基于容量队列中的数据包数),则也可以用于服务LVLL,这种方式称为回填(fallback),同样,过剩的速率PTO也可以进行回填。
(5)ACK Return映射
针对Ack Return只有一个队列,默认采用PA-1spnf方式进行接入,如果PA-1spnf信道不可用,则Ack Return作为一个单独的LVLL队列。通常情况下Ack Return的优先级高于LVLL。因此当PA不可用时,Ack Return业务将先于LVLL使用SA PTO。
由于业务组成复杂,并不是一一映射,一个UDTS可以映射到多个PDS上,两者具体的映射关系如表 1所示:
结束语
RSM-A系统SMAC层通过对业务的两级服务映射实现带宽资源的管理和控制,能够解决宽带多媒体中存在的业务调度问题,很大程度上满足了用户传输多媒体业务的需求。