衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)跨層資源管理方法研究.pdf

1、隨著全球網(wǎng)絡(luò)化、信息化需求的不斷發(fā)展，地面通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的多媒體通信需求，利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的高效傳輸成為了重要的解決方法。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了可以承載多種新業(yè)務(wù)的載體，包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、E-mail電郵服務(wù)、FTP文件下載、Web瀏覽等。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們又對衛(wèi)星所能提供的帶寬資源提出了新的要求。無線網(wǎng)絡(luò)資源管理的目標(biāo)是在有限資源的條件下，為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線用戶終端提供業(yè)務(wù)質(zhì)量保障，它的出發(fā)點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)

2、動態(tài)變化的情況下，靈活分配和動態(tài)調(diào)整無線傳輸部分和固定網(wǎng)絡(luò)部分的可用資源，最大程度地提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。它包括頻率資源、時間資源、碼資源、空間資源等，通過合理的資源管理方法可以為業(yè)務(wù)提供滿意的QoS。
　　業(yè)務(wù)的QoS需要相應(yīng)協(xié)議的支持，傳統(tǒng)的無線資源管理設(shè)計(jì)方式是基于分層的協(xié)議設(shè)計(jì)方式，這種方式較適合于在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對固定，信道穩(wěn)定的環(huán)境中應(yīng)用。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動態(tài)變化，并且信道狀態(tài)具有時變性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，仍然使用分層協(xié)議設(shè)計(jì)

3、方式會使得數(shù)據(jù)傳輸性能不能達(dá)到最佳優(yōu)化狀態(tài)。為了解決上述問題，人們提出了跨層協(xié)議設(shè)計(jì)的思想?？鐚訁f(xié)議設(shè)計(jì)方式打破了分層協(xié)議結(jié)構(gòu)的壁壘，層與層之間通過跨層交互信息優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，提高無線網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，為用戶提供滿意的QoS服務(wù)。
　　本論文在吸收了最新研究成果的基礎(chǔ)之上，利用跨層協(xié)議設(shè)計(jì)思想針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無線資源管理的方法進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，其中包括MAC接入控制、下行鏈路數(shù)據(jù)包調(diào)度以及帶寬資源分配等問題，并獲得了一些新的研究結(jié)

4、論。本文的主要工作如下：
　　首先，在詳細(xì)分析了混合隨機(jī)按需/自由多址接入（CFDAMA-CR:Combined/Free Demand Assignment Medium Access-Combined Random）協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對由于衛(wèi)星信道動態(tài)變化引起MAC性能下降的問題，提出了結(jié)合信道狀態(tài)的混合按需/自由多址接入策略(CFDAMA-CCSI:Combined Channel State Information）。在MA

5、C層的接入策略中，接入節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星調(diào)度器根據(jù)衛(wèi)星信道可以實(shí)時調(diào)整策略。在GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，通過仿真證明，這種結(jié)合了信道狀態(tài)的MAC策略相對于傳統(tǒng)的單層MAC協(xié)議在時延、吞吐量性能上都有了明顯的改進(jìn)。
　　其次，在分析了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，針對可以承載多種業(yè)務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提出了結(jié)合業(yè)務(wù)效用函數(shù)的跨層數(shù)據(jù)包調(diào)度算法。該算法可以根據(jù)動態(tài)變化的信道狀態(tài)傳輸模式來滿足業(yè)務(wù)的時延和誤碼率要求，通過對優(yōu)化公式的求解提高了業(yè)務(wù)的整體效

6、用。通過仿真證明，相對于傳統(tǒng)的基于分層協(xié)議設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)包調(diào)度算法，該算法在保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)QoS性能的同時，提高了低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的性能。
　　再次，在詳細(xì)分析了寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的帶寬分配算法和TCP協(xié)議性能與帶寬之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，針對帶有可同時承載話音業(yè)務(wù)和基于TCP的Internet業(yè)務(wù)的接入節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，利用跨層設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行帶寬分配算法的優(yōu)化。基于跨層設(shè)計(jì)的帶寬分配算法根據(jù)話音業(yè)務(wù)和基于TCP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的各自特點(diǎn)，推導(dǎo)出表征各

7、業(yè)務(wù)性能的QoS指標(biāo)。同時針對動態(tài)變化的衛(wèi)星信道，利用動態(tài)規(guī)劃算法列出代價函數(shù)，將帶寬作為消耗的代價，以QoS指標(biāo)作為獲得的效用。通過對代價函數(shù)的優(yōu)化求解，可以得到優(yōu)化的帶寬分配結(jié)果。仿真結(jié)果證明，該算法可以在保證話音業(yè)務(wù)性能的前提下，顯著提高了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的吞吐量。
　　最后，在詳細(xì)分析常用TCP協(xié)議在DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)中適用性的基礎(chǔ)上，針對DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議性能下降的問題，聯(lián)合TCP-MAC-PHY三個協(xié)議層進(jìn)行跨層T

8、CP協(xié)議優(yōu)化。TCP協(xié)議在DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)中的性能同MAC層和物理層都密切相關(guān)。根據(jù)DVB-RCS網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，將MAC層的資源申請同TCP的擁塞窗口變化相結(jié)合，解決了由于衛(wèi)星鏈路的長延時導(dǎo)致的信息交互時延過大，從而影響TCP協(xié)議性能下降的問題。根據(jù)物理層的信道狀態(tài)，TCP發(fā)送端在不同的傳輸模式下切換，可以在整個信道狀態(tài)內(nèi)獲得優(yōu)化的吞吐量性能。通過將三個協(xié)議層進(jìn)行跨層結(jié)合達(dá)到了優(yōu)化TCP性能的目標(biāo)，同其它接入策略相比，在信道利用率、信道