统计多路复用带宽和控制卫星广播的方法

文摘

领域的卫星数据广播、数据广播带宽的管理质量直接关系到广播系统的吞吐量和扮演着一个重要的角色在卫星的性能。本文对太阳同步轨道气象卫星的广播传统产品文件和紧急信息,广播带宽统计复用和控制方法适用于带宽管理。它可以用于常规产品之间广播和紧急信息的管理,以及内部广播常规产品。本文首次应用常见的PID和多路复用模式(CMPCM)卫星广播频道。测试验证的广播信道参数和广播调度管理频道资源统计复用带宽,实现渠道管理功能,比和数据广播控制。广播职业比(BOR)和广播文件错误率(BER)显著改善。这是显著改善卫星上行传播的效率。

1。介绍

天气是发挥着越来越重要的作用在人们的日常生活和整个国民经济的运行。气象灾害对人们的生活造成巨大损失,财产,每年国民经济发展。

现在随着中国的气象服务的发展,气象灾害监测和预警过程中,卫星数据广播系统作为一个整体系统中是一个重要的子系统;不仅是一个重要的国内外气象数据传输分配系统,而且地面观测数据的分布,平台雷达数据、卫星数据和其他数据,以及广播和常规气象产品和紧急信息的传播。卫星数据广播系统可以提供风韵系列气象卫星观测数据和产品为不同级别的气象部门和用户广播在亚太地区。包装,产品数据和格式化的调制,upconverted,实时放大。卫星数据广播系统自动操作的双向驱动下数据和任务安排和高度可靠,全天候服务操作能力。

广播卫星带宽是一个重要的稀缺资源,尤其是对地球同步卫星。地球同步卫星转发器的链接的总带宽是非常有限的1]。与太阳同步轨道上的遥感卫星的速度相比,这通常是几百兆字节,甚至几个字节,它的利率通常只有几兆字节的字节。连续播放,甚至724小时,广播方法变得非常重要。因此,数据广播系统是否可以合理利用卫星带宽变得尤为重要。数据广播效率水平的关键系统完成每日广播任务的能力。如何使用这些数以兆字节的数据带宽效率是一个重要的内容在卫星数据广播系统的开发和应用气象学中发挥着关键作用。

为了应对卫星链路的信号延迟,唐纳et al。2)提出并分析了一个合适的解决方案基于使用性能增强代理(PEP)和IP报头压缩语音(VoIP)流保存卫星带宽。公园和金正日提出一种自适应的带宽分配方案根据交通需求和受到信号衰减,可以达到一个合理的解决方案之间的总容量的最大化和梁之间的比例公平的支持卫星下行(3]。在[4],Lei和Vazquez-Castro提出分析解决方案的最佳载波分配和提高它的功率增益,频谱效率,和交通匹配率与传统的系统相比,基于均匀设计带宽和功率分配。多波束功率分配问题的基于交通需求和信道条件在卫星下行与权力和延迟约束是解决5]。李等人。6]研究了智能电网的能量收获方案基于认知中继协议,开发分析最优带宽分配策略,最大限度地提高网格的总额率网络。Bahnasse等人的文章包含了一个新的智能带宽分配模型的信息对未来网络(智能分配)7]。包括数据描述的拓扑网络的实验和结果。

施等人提出的两个关节功率和带宽分配方案(8)基于intercluster正交频率复用,认为信道条件和交通需求的用户。它给在频带利用率和效率之间的良好折中cochannel减轻干扰。联合带宽和功率分配基于对偶理论的迭代算法(9)来获得最优解的卫星multi-spot-beam卫星通信系统中的功率和带宽资源。QoS支持联合功率和带宽分配算法提出的苗族(10异构无线网络使用凸优化方法。它满足时延约束的最小速度约束服务交通流量和比例公平的最优服务。的帮助下古典multiknapsack问题,启发式算法以及一些创新扩展计划(11)提出了优化资源配置的系统使用DVB-S2链接。

这些结论不能直接扩展到气象卫星广播,特别是对于数据广播。在卫星广播系统中,逻辑信道是用于管理不同类型的广播数据。类型的信息在不同的广播频道广播及时性,有不同的需求,可以传播几分钟至几小时。同时,动态分配的带宽需要改变随着时间的推移和实时调整。信道的带宽没有unbroadcast数据需要通过其他渠道及时释放资源重用。

2。需求的介绍

带宽复用数据是最重要的一个功能在数据广播系统。带宽复用统计功能具有重要的影响是否可以充分利用宝贵的卫星频道资源(12),天气数据能否到达目的地第一次和是否正确地传输数据。系统必须传送气象常规文件和紧急信息同时确保卫星的带宽是尽可能充分利用。内容交付需要优先的控制,以确保紧急任务可以尽快发布。卫星数据广播的总率应达到或接近的最大带宽尽可能卫星频道和卫星频道资源的充分利用,因此所有类型的气象数据可以在最短的时间内达到接收站。

基于渠道的概念最大带宽、最小带宽,和信道优先级,CMACast广播系统设计和实现带宽分配策略模式随时间改变而改变13,14),这对本文有指导意义。

2.1。功能需求

卫星广播系统需要的数据分发属于多个不同的pid和通道,在不同的数据层次和不同优先级和带宽限制。为了实现高性能的广播,系统必须使用一个优化带宽统计算法和调整每个数据包的播放速度,使其达到或接近实时的理论上限。

文件的渠道参与本文包括五类:HRIT-1(高速信息传输1),HRIT-2, HRIT-3, LRIT(低频率信息传输),和EWAIB(紧急天气警报信息广播)。其中,HRIT-1 HRIT-3包括常规文件和紧急信息,HRIT-2只包含常规文件,EWAIB包含紧急信息(15]。表1显示详细的信息。

数据广播系统软件完成信道的参数的配置,调度管理,和广播频道资源,实现带宽统计多路复用功能,通道比管理功能,数据广播控制功能。具体功能如下:(1)统计多路复用带宽。带宽统计多路复用功能可以调整每个频道的播放速度实时根据带宽统计多路复用策略集和每个通道的优先级,以及最高和最低带宽参数在数据广播的过程。它还可以分配传统广播频道广播和紧急信息。渠道之间的传输速度保证卫星频道带宽的合理使用。(2)通道比例管理。通道比管理功能可以根据计算的统计复用带宽理论利率渠道每个文件和相应的频道数数据混合的过程。(3)数据广播控制。数据广播控制功能可以控制每个播出的广播编码速率的线程,以确保线程数据编码速率可以播放。

带宽统计复用包括统计复用在常规文件之间的通道和统计复用常规文件和紧急信息。常规文件之间的统计多路复用通道主要是计算每个通道的理论速度实时根据文件的优先级频道,最高(最低)带宽设置,和信道的动态变化数据。普通文件的播放给应急所需的带宽信息广播通过其内部统计复用通过减少常规文件的总编码速率广播。紧急广播信息完成时,常规文件播放率自动恢复。

带宽复用统计的功能是计算每个通道的实时广播占用带宽和重新分配剩余带宽根据每个信道的优先级。达到动态平衡时,总带宽会占据尽可能多的卫星频道带宽,这样整个数据广播性能是最优的。

统计多路复用带宽和速度控制是一个反馈控制过程,在常规数据广播和紧急数据调整实时速度由于可用带宽,如图1。

紧急信息和常规文件通道带宽复用和控制相结合,这就需要优先确保紧急信息渠道有足够的带宽,然后剩余的带宽分配每个常规文件通道之一。

2.2。非功能性需求

对于带宽统计和多路复用控制方法,广播系统需要达到以下指标:(1)紧急广播消息的速度和一般文件是HRIT-1 12 Mbps, HRIT-2 10 Mbps, HRIT-3 2 Mbps, LRIT 256 Kbps, 2为EWAIB Kbps。(2)带宽的利用率是96%以上。在一个独立的环节,不同的pid和通道的带宽总和不应少于96%的总带宽。(3)同时,文件的安全也需要满足,和广播成功率应该是100%。每个广播文件必须完全处理,接收到的数据通过小站广播之前完全相同的数据。

3所示。系统设计

统计多路复用的数据广播系统提供了原则和优先级设置不同的卫星数据广播,广播频道,可以很容易地设置通道和优先级。当通道进入和退出,其他渠道的速度可以自动根据当前的带宽使用情况和调整的优先级不同的渠道来实现卫星频道带宽资源的充分利用。

对于带宽统计复用的设计,需要考虑的因素包括以下几点:(1)卫星频道带宽应该最大化的使用。统计多路复用的过程中,首先考虑是卫星数据广播的总速率应该达到或接近最大速率所允许的卫星频道尽可能充分利用卫星频道,并能够以最快的速度播放气象产品。(2)在带宽统计复用的过程中,总带宽是稳定和自由从波动。在统计复用,它是必要的,以确保整体的卫星数据广播是稳定的和瞬时总代码不会增加或减少由于利率调整常规文件或紧急信息,导致数据丢失或浪费带宽。(3)带宽统计多路复用响应快和时效。带宽复用统计的目的是调整编码速率相关的频道播出的频道时常规文件或紧急信息的变化,确保连续和稳定的每个通道的数据广播。因此,带宽复用数据需要确保高时效性和快速响应每个通道的状态的变化。(4)统计多路复用带宽不影响数据的准确性。带宽统计复用的过程中,改变每个通道的编码速率不会导致数据广播错误或数据丢失代码速度控制不当所致。

完全理解的带宽的要求和原则统计复用,本文设计了各种算法的带宽统计多路复用机制,可以让所有常规文件或紧急信息渠道使用相同的带宽统计多路复用机制。基于一个统一的优先级,每个文件通道和每个紧急信息通道分配带宽根据不同的机制。

通道是一个逻辑的数据。当数据是最终发送,不同渠道数据组合成一个频道和网络数据包的形式发出。每个通道的带宽(码率)表示为一个统计平均利率在一段时间内。在实现中,设置的通道采用网络数据包匹配信道的编码速率的比例在整个带宽。具体的算法如下:(我)我们的速度N渠道是和总率 ,每个通道的总带宽的比例 (2)它有米网络数据包作为工作时间。(3)在每一个时期,每一个频道参与基于整个包。(iv)通道我发送P_我包在一个匹配的时期:

带宽统计多路复用和信道带宽控制流图所示2。

4所示。常规文件之间的内部带宽复用

本文根据常规文件的特点,不考虑PID,带宽统计多路复用通道主要是设计如下。

4.1。绝对优先级

绝对优先级算法的原理是,当带宽复用被执行时,分配是完全基于优先级。当带宽分配,首先分配给优先级最高的频道的最大带宽,和剩余的带宽分配给下一个优先级。

4.2。优先级权重分配机制

优先级权重分配机制是一个绝对优先级机制的改进策略。绝对优先级机制只是相关优先级的水平,和特定的价值优先级没有实际意义的机制。优先权重的分配机制,每个优先级都有重量,这表明带宽的比例分配优先级。当执行实际的多路复用数据,重点是量化的价值作为一个重量。为每个通道带宽通道权重分配。

4.3。频道设定的带宽分配机制

带宽分配算法根据频道设置类似于之前的体重分配机制。所不同的是,带宽分配的重量是由一组信道带宽。带宽分配是基于优先级从高到低。为每个通道带宽通道权重分配。

显然,这三种机制的特点如下:(我)基于绝对优先级机制,一个通道与一个更高的优先级可以获得高带宽,和一个通道低优先级可以获得额外的带宽只有当所有其他渠道获得最高的带宽。(2)基于优先级的体重分配机制,剩余的带宽可以按比例分配给每个通道。即使与低优先级通道,可以通过设置额外的带宽的重量。(3)根据设定的带宽比例分配渠道机制,每个通道的实际利率接近其最大带宽,带宽相对充足。

总之,当不考虑PID,每个机构都有自己的优势。当系统运行时,可以选择不同的优先级机制来满足数据广播的需求。与此同时,它可以自定义优先级机制不同于上面的策略。

统计多路复用系统PID进行考虑后,通道两级统计复用,即。、PID和通道。为了适应不同的广播需求,本方案设计两种带宽PID和通道之间的统计复用模式,如下所述。

4.4。PID,然后渠道模式(PFM)

PID第一然后渠道指的是计算每个PID的理论利率根据带宽范围内,优先级,和统计复用策略设置每个PID,然后计算所有渠道的理论速度下PID根据每个PID的理论带宽。在这种模式下,PID之间的通道不直接参与多路复用数据和可以更好地控制每个PID的速度。

4.5。常见的PID和信道复用模式(CMPCM)

这种模式并不单独计算PID速度而是替代PID的优先级为全球多路复用通道它下面的统计数据。这种方法使高优先级通道获得更高的利率,而不受制于PID带宽范围内。

以下是实验测试两种带宽统计复用的方法设计。参与设备的配置信息如表所示2。

在这个实验中,两个PID设计,与两个渠道在每个PID 64 Mbps的总带宽。PID和渠道的具体配置如表所示3和4。

实际播出的测试结果统计后每个PID和通道带宽复用率以不同的方式在图所示3,统计复用算法使用绝对优先级机制。

职业的总带宽的四个频道,可以得出以下结论:(我)通道后的第一个PID对PID理论率在PID控制的水平,以确保PID带宽,以便每个PID有高优先级通道内得到额外的带宽。(2)在CMPCM PID优先考虑。PID的优先级高于通道优先级。在这个实验中,订单一个>B>C>D。

5。常规文件之间的带宽复用紧急信息

为了确保及时的紧急广播信息,首先必须保证紧急信息的带宽之间的统计复用常规文件和紧急信息。根据这一原理,本文设计以下三个统计复用算法之间的常规文件和紧急信息。

5.1。没有延迟机制(NDM)

为了保证接收站可以接收和处理紧急信息广播到主站,主站广播信息立即及时和缓冲。

然而,由于紧急信息的编码速率可能不会提前获得,以确保最大的广播带宽不超过通道带宽容量,当主站开始接收和转发紧急信息,它需要紧急信息的带宽分配根据设置的最大带宽紧急信息通道。主站软件计算后的紧急信息,它需要释放紧急信息最高带宽和紧急信息之间的差异和实际带宽。

这样,没有时间延迟从主站接收紧急信息数据和它几乎可以开始广播,但这可能导致短时间内信道带宽浪费由于紧急信息计算数据符号率。如果从调制器编码器接收数据,数据广播系统软件可以获得调制器提前凝固速度和相应调整最大广播带宽,可有效避免带宽浪费。

5.2。没有带宽浪费机制(NBWM)

没有通道带宽浪费机制不同于开始的处理流程。当收到紧急信息,主站广播不是表演,而是数据缓冲,直到计算实际码率。带宽分配根据紧急信息的实际利率,和广播从缓冲区尾部的开始。

这种机制不会引起信道带宽的浪费,但它将会有一个延迟,当接收端站获取紧急信息。延迟时间等于编码速率的计算时间紧急信息。

5.3。没有延迟,没有浪费机制(NDNM)

没有延迟,没有浪费NBWM类似机制。当主站接收紧急信息开始,没有广播或缓冲;只有紧急信息计算实际码率。根据实际的速度、带宽分配,然后最近收到的数据直接播放。以前收到的数据不再播放和直接丢弃。

这种机制可以实现不延迟和不浪费带宽,但它会丢失一些数据的紧急信息数据流。

总之,这三种类型的常规文件和紧急信息之间的带宽统计多路复用机制都有自己的特点,和相应的机制需要根据实际情况选择,可以充分利用信道带宽和减少延迟。

一般来说,及时广播机制适用于紧急信息流动。大多数的数据需要直播,延时越短,效果越好。没有通道带宽浪费机制适用于广播提前做好应急信息文件;紧急广播前信息文件可能不会得到一个精确的播放速度,不容易避免浪费带宽的带宽设置,和这些数据需要更少的时间延迟,所以它是合理的使用没有通道带宽浪费的机制。没有延迟和带宽浪费机制适用于当紧急信息开始不重要的数据,例如冗余数据等等。

紧急信息摘要包含闪电数据和地震、洪水、泥石流等气象灾害的预测信息。与小的数据量和低延迟的要求,及时广播机制用于广播。

由于卫星数据周期是一个小时,一个小时的测试时间。具体的测试结果如图4。

图4表明NBWM有时间延迟,NDNM丢弃数据开始。所有这些情况在广播是不可接受的。因此,我们得出这样的结论:NDM比其他的机制。

6。实验

6.1。环境介绍

为了验证设计的广播策略在这篇文章中,我们使用常见的PID和信道复用模式在常规文件,及时和广播机制之间的常规文件和紧急信息。数据广播软件和接收软件开发和风韵4颗卫星是用于实验。

我们传播广播数据通过DVB-S2调制器卫星转发器,频率升频器,功率放大器设备,和一个13米天线,最后收到的数据通过一个频率下变频器和DVB-S2解调器使用一个小天线,如图5。

HRIT-1的设计原则和机制以来,HRIT-2, HRIT-3, LRIT,和EWAIB没有区别,本文以HRIT-1测试的部分为一个典型的对象,及其测试结果可以代表其他文件通道的测试条件。设备的性能配置参与测试表是一致的2。

广播HRIT-1是12 Mbps的速度;然后一个小时数据大约是42 Gb。实验需要378 5637144576的文件总字节。本文采用四个组合HRIT-1的实验。

以下四个测试场景设计:测试1包含了一个single-PID文件播放12 Mbp。测试2包含常规pid文件播放4。每个率3 Mbps和总率12 Mbps。测试3包含常规文件播放不同编码速率pid: 1 Mbps, 2 Mbps, 4 Mbps, 5 Mbps。测试4包含常规文件播放3 PID,每个率3.3 Mbps, 1 PID用于紧急信息广播率0.1 Mbps,和总率10 Mbps。

6.2。为评价指标

在测试期间,以下指标用于评估和比较带宽统计和多路复用的结果。

广播职业比(BOR)被定义为总带宽之间的比例分配信道和允许的最大带宽的网络:

广播文件比(BFR)被定义为收到的文件数量的比值小电台播放文件的总数:

广播文件大小比(BSR)被定义为文件的总数的比例小站收到的字节的字节总数播放:

广播文件错误率(BER)的定义是错误的总和的比例收到文件中的字节的小电台播放的字节总数:

6.3。实验结果

HRIT-1气象产品,HRIT-2、HRIT-3 LRIT循环一次一个小时,所以所有的测试持续一个小时,结果如表所示5。

根据表5一些数据可以从这些数字,如数字6- - - - - -8。

从上面的数据中,可以得出结论,总播放率是非常稳定,没有明显的波动,和BOR也很准确,近97%。

6.4。绩效评估

从表可以得出结论5BFR是1,BSR 1,数量是0,这证明了常规文件和紧急信息可以完全和安全设备和卫星频道播放。

数据6- - - - - -8表明four-combination测试期间,是否single-PID multi-PID组合,每个通道的带宽占用率大约是97%,这比要求部分中描述的利用率为96%2.2。

因此,这个带宽统计和多路复用控制方法满足广播系统非功能性需求。

7所示。结论

卫星带宽复用数据是最重要的一个功能的卫星数据广播平台。带宽复用的统计功能具有重要影响卫星频道资源能否充分利用,气象数据能否到达目的地的第一次,和是否正确地传输数据。

介绍了广播带宽统计复用和控制方法。常见的PID和多路复用机制用于常规文件数据广播频道。及时广播机制用于紧急广播信息。然而,广播时间表,跟踪数据、用户授权、和其他信息不考虑;他们不属于常规或紧急信息。

这个广播带宽管理提高卫星广播效率。它已成为一个有效的传播气象信息广播服务的手段。它也有有意义的参考太阳同步轨道上的卫星通信。

我们未来的工作将包括所有广播数据的特点,分析考虑上行和下行质量监控4),并添加自适应调整功能的传动功率的背包分配问题(8),为了实现广播资源的优化配置。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢中国气象局国家卫星气象中心的合作。这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金青年基金资助下51608209和18 btj031。

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