有線無線融合的衛(wèi)星時間敏感網(wǎng)絡(luò)流調(diào)度研究

徐 川 劉俊斌 邢 媛 石 東 趙國鋒

(重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶 400065)

1 引言

隨著航空航天、移動通信等新技術(shù)的快速發(fā)展，空間信息網(wǎng)絡(luò)(Space Information Network,SIN)已經(jīng)成為未來網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向，也是我國“十四五”重大戰(zhàn)略規(guī)劃方向之一[1,2]。然而，隨著全球感知、應(yīng)急通信、遙感遙測、遠程指控等時間敏感型業(yè)務(wù)的不斷增長，星內(nèi)、星間航天信息系統(tǒng)通信性能要求日益嚴格[3]。一方面，要求航天器內(nèi)部有線網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和高實時性；另一方面，航天器之間通過星間鏈路組網(wǎng)，星間鏈路也應(yīng)具備低時延及高資源利用率。那么，如何同時保證星內(nèi)和星間鏈路的實時性是提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信性能的關(guān)鍵。當前，解決實時性傳輸問題的主流技術(shù)是IEEE 802.1工作組提出的時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)技術(shù)[4]。TSN通過集成時間同步、資源管理、門控制調(diào)度、搶占機制和無縫冗余等關(guān)鍵技術(shù)，不但能夠基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)實現(xiàn)時敏業(yè)務(wù)的實時傳輸，同時保證對盡力而為非時敏業(yè)務(wù)的兼容[5]。目前，TSN技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)和車載等有線網(wǎng)絡(luò)[6,7]，并逐步擴展至WiFi, 5G前傳網(wǎng)絡(luò)和航空航天等領(lǐng)域[8–10]。

工業(yè)界正著力推進TSN技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，2019年，國際自動機工程師學會負責航電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范制定的SAE AS-1A工作組開始尋求與IEEE 802.1 TSN工作組聯(lián)合，共同制定TSN在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的規(guī)范AS6675，標志著航空航天領(lǐng)域可能成為未來TSN重要的應(yīng)用場景。2020年1月，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)負責的星載網(wǎng)絡(luò)項目也啟動了時間敏感網(wǎng)絡(luò)的研究工作。Chaine等人[11]從支持終端數(shù)、數(shù)據(jù)速率、配置和管理難易程度和低時延等方面分析了TSN應(yīng)用在衛(wèi)星內(nèi)部對服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的支持，并且參考SAVOIR(Space AVionics Open Interface aRchitecture)架構(gòu)給出了一種基于以太網(wǎng)的星內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓撲連接圖。從已有文獻來看，現(xiàn)有空間任務(wù)實時傳輸?shù)慕鉀Q方案主要關(guān)注衛(wèi)星內(nèi)部有線網(wǎng)絡(luò)。

近年來，有線TSN與WiFi和5G無線網(wǎng)絡(luò)融合正成為學術(shù)界的研究熱點。文獻[12]提出了一種支持實時性的混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SHARP(Synchronous and Hybrid Architecture for Real-time Performance)，該架構(gòu)包含了有線TSN和基于IEEE 802.11的無線TSN兩部分，指出無線接入鏈路采用TDMA接入方式，同時給出了簡單的有線無線聯(lián)合分配方案，給定了每條流在每段鏈路的發(fā)送時刻，但靈活性差，且僅適用于少數(shù)節(jié)點聯(lián)合分配。關(guān)于5G與TSN網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合分配，文獻[13]分析了在工業(yè)閉環(huán)系統(tǒng)中5G與TSN集成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。文獻[14]基于上述融合架構(gòu)建立有線TSN和無線5G網(wǎng)絡(luò)的約束機制，并且通過啟發(fā)式算法求解出端到端的聯(lián)合優(yōu)化解。但現(xiàn)有有線無線融合調(diào)度的方法僅考慮了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合時，在不同網(wǎng)絡(luò)中采用不同的調(diào)度方法，并未考慮兩種網(wǎng)絡(luò)融合時進行一致性調(diào)度，而有線和無線鏈路特性以及調(diào)度機制的差異性將引起的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)不穩(wěn)定。不同于地面網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星節(jié)點傳輸，必須經(jīng)過內(nèi)部有線鏈路的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達無線鏈路進行轉(zhuǎn)發(fā)。然而，由于星內(nèi)和星間通信機制不同，星內(nèi)有線鏈路和星間無線鏈路傳輸特性差異大，時敏業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在星內(nèi)有線鏈路與星間無線鏈路交互時，容易引發(fā)節(jié)點擁塞；同時，時敏業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在有線鏈路與無線鏈路的傳輸時隙如不能有效匹配，會造成時敏數(shù)據(jù)延遲到下一個轉(zhuǎn)發(fā)周期，將無法保障時敏業(yè)務(wù)的實時傳輸。

因此，針對時敏業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在星內(nèi)有線和星間無線鏈路調(diào)度的一致性問題，本文提出了一種有線無線融合的時敏網(wǎng)絡(luò)流調(diào)度方案，首先對無線基于TDMA時隙分配進行分析，其次結(jié)合無線時隙位置的放置對有線側(cè)門控位置進行刻畫，然后通過對無線與有線時隙位置放置的一致性刻畫來構(gòu)建時隙融合調(diào)度與時延關(guān)系模型，并以全網(wǎng)時敏業(yè)務(wù)端到端平均時延最小為優(yōu)化目標，對時隙融合分配問題進行建模，最后采用增強精英保留遺傳算法對時隙分配方案進行快速求解。為驗證所提方案有效性，首先通過Pycharm平臺對本文時隙分配算法進行對比測試，然后基于EXata網(wǎng)絡(luò)仿真平臺搭建低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場景，驗證本文流調(diào)度方案性能。實驗結(jié)果表明，相對于現(xiàn)有方法，本文時隙分配算法對時延能夠提升約40%，并針對當前典型的空間任務(wù)端到端時延需求，本文流調(diào)度方案能夠完全滿足其需求，且提供更加高效的傳輸保障。

2 有線無線融合調(diào)度問題

2.1 問題描述

如圖1所示，各衛(wèi)星以星群形式去執(zhí)行某種飛行任務(wù)，比如應(yīng)急通信、遙感回傳等。整個衛(wèi)星編隊由中心節(jié)點和成員節(jié)點兩類節(jié)點構(gòu)成，其中心節(jié)點一方面充當TSN控制器用于獲取網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的全局狀態(tài)信息并進行決策的下發(fā)；另一方面負責響應(yīng)地面信關(guān)站應(yīng)急、遙感等指令。衛(wèi)星之間采用TDMA的接入方式，一跳可達，構(gòu)成星間TSN網(wǎng)絡(luò)。星內(nèi)由TSN終端、TSN交換機、TSN網(wǎng)關(guān)以有線以太網(wǎng)方式組成星內(nèi)TSN網(wǎng)絡(luò)，其中TSN交換機負責完成時敏業(yè)務(wù)和普通業(yè)務(wù)優(yōu)先級區(qū)分、802.1Qbv門控調(diào)度等操作；TSN網(wǎng)關(guān)負責將星內(nèi)有線側(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到無線鏈路以及接收星間無線側(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 有線無線融合的多衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡(luò)

但在上述有線無線融合網(wǎng)絡(luò)中，由于衛(wèi)星內(nèi)部有線鏈路與星間無線鏈路差異性大，有線側(cè)速率要大于無線鏈路速率[15]，無線鏈路成為調(diào)度瓶頸，容易引起節(jié)點擁塞問題。因此，如何聯(lián)合分配有線和無線時隙，使得數(shù)據(jù)能無縫地從有線至無線雙向傳輸，達到無等待調(diào)度，是本文需要解決的關(guān)鍵問題，該聯(lián)合調(diào)度有以下兩個難點。

(1) 星間無線時隙分配。為了保障時敏業(yè)務(wù)的時延要求，低軌衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡(luò)可以采用TDMA的接入方式[16]，目前研究僅側(cè)重于時隙數(shù)量分配方法，對時隙如何放置研究甚少。但是不合理的時隙位置放置，會對業(yè)務(wù)造成嚴重的等待時延，因此首先需要為衛(wèi)星內(nèi)部各個時敏終端合理地分配無線時隙位置。

(2) 星內(nèi)有線時隙分配。為衛(wèi)星內(nèi)部各時敏終端分配好無線時隙后，還需要為衛(wèi)星內(nèi)部TSN終端匹配到達衛(wèi)星輸出端口。采用IEEE802.1Qbv調(diào)度機制后，雖然能夠讓星內(nèi)時敏業(yè)務(wù)傳輸確定，但是如不能根據(jù)無線時隙分配控制門開關(guān)，其時延還是無法保障。

如圖2所示，d1為一個衛(wèi)星內(nèi)部TSN終端，在TDMA超幀中為其分配了如圖2所示時隙，有線門控位置如下，由于有線和無線時隙分配的不連續(xù)，從有線側(cè)調(diào)度出的數(shù)據(jù)需要等待一定的時間才能發(fā)送出去?？梢?，聯(lián)合分配有線和無線時隙，使數(shù)據(jù)能無縫地從有線至無線鏈路傳輸，達到無等待調(diào)度，是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實時性保障的關(guān)鍵。

圖2 有線無線時隙位置不匹配

2.2 融合系統(tǒng)模型

圖3 系統(tǒng)模型圖

3 有線無線時隙匹配與時延關(guān)系分析

當有線和無線時隙不匹配時，從有線側(cè)調(diào)度出的數(shù)據(jù)需要等待一定的時間才能從無線鏈路發(fā)送出去，由此可見，數(shù)據(jù)在有線側(cè)和無線側(cè)的融合時隙位置會嚴重影響業(yè)務(wù)時延。本節(jié)將詳細分析無線和有線時隙與時延的關(guān)系。

3.1 無線TDMA時隙

為了確保時延有界傳輸和終端需求反饋，本文在星間鏈路采用混合TDMA/CSMA接入機制。在TDMA階段傳輸數(shù)據(jù)，保證時延有界傳輸，在CSMA階段各終端進行時隙協(xié)商和任務(wù)切換，滿足不同終端需求反饋。在衛(wèi)星編隊執(zhí)行某項任務(wù)前，將進入CSMA階段，各衛(wèi)星內(nèi)部需要執(zhí)行無線通信任務(wù)的時敏終端將其業(yè)務(wù)量大小、發(fā)送周期等信息上報給TSN控制器，隨后TSN控制器為終端計算出最優(yōu)時隙表。而后，衛(wèi)星進入TDMA階段，此時各終端開始產(chǎn)生業(yè)務(wù)并進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，將該階段劃分為若干等長的時隙，每個時隙只允許1個衛(wèi)星內(nèi)部終端進行數(shù)據(jù)傳輸。在本次任務(wù)還未執(zhí)行完成前，衛(wèi)星編隊將重復(fù)TDMA階段，直至任務(wù)結(jié)束。下一任務(wù)開始時，衛(wèi)星編隊將重新進入CSMA階段協(xié)商，重新進行TDMA階段的數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖4 超幀結(jié)構(gòu)

3.2 有線IEEE802.1Qbv門控列表

4 有線無線融合的時敏網(wǎng)絡(luò)流調(diào)度

4.1 有線無線融合時隙分配與時延計算

圖5 有線無線融合時隙

4.2 問題建模

建立的目標規(guī)劃問題包括：制定一個多終端的有線無線融合的衛(wèi)星時間敏感網(wǎng)絡(luò)場景，考慮一體化地分配TSN終端無線和有線的時隙，以其端到端平均時延最小為目標，獲得最優(yōu)的分配策略。其目標函數(shù)為

4.3 時隙分配快速求解算法

由于上述問題屬于NP-hard問題，此類問題一般采用啟發(fā)式算法進行求解，故本文為了快速計算最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)時延，采用基于增強精英保留遺傳算法進行時隙分配方案求解，相比普通遺傳算法，該算法可以能夠避免遺傳算法中最優(yōu)個體因選擇、交叉等操作被破壞的問題，從而能夠有效改進收斂速度[18]，記為TSN-GA。其偽代碼如表1所示，算法流程步驟如下：

表1 TSN-GA算法

步驟6 判斷進化代數(shù)是否達到最大值，若達到則輸出最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)平均時延和最佳時隙位置，否則返回步驟3，對應(yīng)偽代碼中的(11)～(16)行。

5 性能測試及分析

由于類似于本文提出的有線無線融合的流調(diào)度方法還未見報道，故本文首先通過Pycharm平臺對所提的流調(diào)度策略中的無線時隙分配方法進行理論驗證分析，通過將本文時隙分配方法與實時WiFi(Real-Time WiFi, RT-WiFi)時隙分配方案[19]和自適應(yīng)時隙分配方案[20](ADaptive WiFi, ADWIFI)進行仿真對比，驗證本文方案的有效性；其次，在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺EXata中開發(fā)實現(xiàn)本文所提流調(diào)度方案的各功能模塊，設(shè)計衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡(luò)仿真場景，對所提方案的可行性進行實驗驗證。

5.1 算法性能理論仿真對比

本小節(jié)分別對本文TSN-GA, RT-WiFi, ADWiFi進行了仿真對比，為了進行公平的比較，本文選擇了20個不同的TSN終端，數(shù)據(jù)量從350 kbps增大至4000 kbps，且整個網(wǎng)絡(luò)中僅有TSN流量，無任何干擾流量。

如圖6(a)所示，在采用本文時隙分配方案后，隨著設(shè)備數(shù)的上升，網(wǎng)絡(luò)平均時延相對于其他兩種方案提升明顯增加，當設(shè)備數(shù)量為20時，本文方案平均時延控制在11 ms，而RT-WiFi平均時延25 ms，ADWiFi超過了40 ms。當設(shè)備數(shù)增多時，ADWiFi方案平均時延劇烈上升，這是由于ADWiFi使用CSMA時隙傳輸TSN流，設(shè)備數(shù)較少時，其效率更高，但設(shè)備數(shù)增多時，其碰撞概率增大，無法保障其時延。圖6(b)所示為采用本文TSN-GA, RT-WiFi以及ADWiFi方案時，網(wǎng)絡(luò)中TSN分組過期率，當分組在各自發(fā)送周期內(nèi)未成功調(diào)度出去時，稱該分組過期。TSN-GA的分組過期率為零，這是由于采用本文流調(diào)度策略后，TSN終端在發(fā)送周期內(nèi)一定會分到時隙將其調(diào)度出去，而RT-WiFi采用連續(xù)分配的方式，當前周期內(nèi)的分組可能會等到下一周期才能被調(diào)度出去。ADWiFi由于采用CSMA方式傳輸TSN流，在網(wǎng)絡(luò)負載較少的情況下，其碰撞少，分組能在發(fā)送周期內(nèi)調(diào)度出去，但是當負載增大時，碰撞增多，其分組過期率將會增大。

圖6 時隙分配方案性能對比

5.2 網(wǎng)絡(luò)仿真平臺驗證分析

根據(jù)文獻[21]給出如表2所示的衛(wèi)星編隊初始化參數(shù)。其中a, e, i,Ω, w, f依次為半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點俯角、真近點交角。

將表2的各類參數(shù)分別導(dǎo)入衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit, STK)中，然后生成可以在EXata運行的config文件，再將config文件導(dǎo)入EXata，而后在EXata中搭建有線側(cè)場景，從而構(gòu)成如圖7所示的有線無線融合的衛(wèi)星編隊仿真場景。

表2 編隊衛(wèi)星的參數(shù)設(shè)置

如圖7所示，星間有7顆衛(wèi)星，衛(wèi)星之間以TDMA的方式組成一個衛(wèi)星子網(wǎng)，傳輸速率為11 Mbps，星間距離最長設(shè)置為60 km。星內(nèi)通過TSN交換機以有線以太網(wǎng)方式組網(wǎng)，交換機輸出端口運行802.1Qbv協(xié)議，靠近衛(wèi)星輸出端口有TSN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)無線MAC層開發(fā)了TDMA協(xié)議，有線側(cè)MAC層開發(fā)了802.1Qbv協(xié)議。衛(wèi)星內(nèi)部帶寬設(shè)置為100 Mbps，鏈路傳播時延設(shè)置為1 μs。其分組大小參考文獻[22]中北斗衛(wèi)星中的各種業(yè)務(wù)量大小，為了測試本文提出的流調(diào)度策略的有效性，網(wǎng)絡(luò)中除了表3的TSN流外，加入部分非TSN流：終端30向終端16、終端16向終端29發(fā)送速率為1 Mbps的非TSN流，且一直增加至20 Mbps。

表3 實驗參數(shù)設(shè)置

圖7 有線無線融合的衛(wèi)星時間敏感網(wǎng)絡(luò)仿真場景

如圖8(a)所示，當增大非TSN流時，TSN流時延基本穩(wěn)定不變，這是由于采用TSN-GA算法后，能夠聯(lián)合調(diào)度有線和無線資源，優(yōu)先保障了TSN流發(fā)送。其次快速位置報告信息平均時延要略低于其他兩種業(yè)務(wù)，這是由于在發(fā)送周期內(nèi)業(yè)務(wù)量低于其余兩種任務(wù)；最后從圖中可以看出3種任務(wù)的時延性能均遠超過文獻[17]提到的國際電信聯(lián)盟標準TS22.105協(xié)議中規(guī)定的衛(wèi)星任務(wù)端到端時延要求。如圖8(b)所示，隨著星間鏈路速率的上升，TSN流時延呈現(xiàn)一個下降趨勢，特別是星間速率為30 Mbps和40 Mbps時，其時延下降較為明顯。這是由于星間鏈路在30 Mbps時，各業(yè)務(wù)在單個時隙內(nèi)可以傳輸完周期內(nèi)的數(shù)據(jù)量，故所需時隙個數(shù)下降，從而降低業(yè)務(wù)時延。在40 Mbps時，其單個時隙長度減小，故可以降低業(yè)務(wù)等待時延。當星間鏈路速率再次提高時，其時延變化不大，這是由于此時時隙長度穩(wěn)定為250 μs，只能降低整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延。

圖8 有線無線融合流調(diào)度性能測試

6 結(jié)束語

針對時敏業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在星內(nèi)有線和星間無線鏈路調(diào)度的一致性問題，本文提出了一種有線無線融合的時敏網(wǎng)絡(luò)流調(diào)度方案，基于TSN控制器收集時敏終端業(yè)務(wù)的需求，對有線和無線鏈路資源與終端時延關(guān)系進行分析和建模，并以此構(gòu)建以全網(wǎng)時敏業(yè)務(wù)端到端最小平均時延為優(yōu)化目標，為滿足實時計算要求，采用基于增強精英保留遺傳算法進行時隙分配方案的快速求解。理論仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真測試均表明，本文提出的流調(diào)度方案通過聯(lián)合調(diào)度有線和無線資源后能夠保障空間任務(wù)流的實時性要求。在未來的研究工作中，將進一步研究多跳衛(wèi)星節(jié)點之間業(yè)務(wù)實時傳輸問題。