多衛星鏈路消息分發機制的設計與實現

劉曉鋒，崔宗星

（中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068）

0 引言

信息化作戰中，作戰態勢瞬息萬變；作戰節奏轉換迅速；作戰區域趨向廣闊，指揮控制也逐步延伸到全球范圍[1]。衛星數據鏈利用衛星鏈路作為傳輸媒介，對數據鏈消息進行加工與處理實現信息增值，提供面向各作戰單元的信息交鏈，滿足廣域范圍的作戰需求。隨著聯合作戰中指揮控制對消息時延、送達率及信道容量提出更高的要求，迫切需研究衛星鏈路信息分發處理技術，既要考慮異構衛星體制的技術特征，又要保證數據鏈消息快速可靠地送達，滿足消息QoS保障需求。服務質量QoS主要指標包括時延、丟包率及吞吐量[2]。本文主要圍繞多衛星鏈路消息分發處理機制展開研究。

1 衛星數據鏈消息分發處理系統結構

衛星數據鏈消息分發處理系統結構示意圖如圖1所示。衛星數據鏈消息源能夠依據作戰應用產生數據鏈消息。消息分發處理是依據衛星信道的速率、鏈路質量等特征對數據鏈消息進行處理，主要技術手段包括：拓撲關系維護、鏈路質量統計、消息協議轉換、消息發送控制等，能夠實現業務消息與衛星鏈路適配，提高信道利用率，滿足業務應用指標需求。消息分發處理還具備適應不同衛星鏈路的能力。下面介紹消息分發機制設計過程。

圖1 衛星數據鏈消息分發處理系統結構

2 成員狀態表建立與維護

首先，解析規劃文件，提取本次作戰任務中參與成員數目、成員ID、衛星信道類型等信息，組成拓撲關系表中的數據元素。其次，依據收到的網管消息判定成員在網/不在網狀態。每個成員都維護一張全網成員狀態表，具體見表1所示。

表1 成員狀態

常用衛星通信鏈路性能指標包括：比特誤碼率（BER）、鏈路信噪比（C/N0），影響著衛星通信鏈路服務質量[3]。本文的鏈路質量以60秒滑窗消息送達率Plq為評價標準。假設以60秒周期統計某個成員收到的網內其他成員周期廣播發送狀態類消息數目為Crecv。從規劃文件中獲取60秒周期各在網成員實際發送的消息數目Csend，消息的送達率計算公式：

對狀態類消息送達率Plq進行等級劃分，從而將鏈路質量劃分為優、良、中、差、無報告五個等級，消息送達率與鏈路質量之間映射關系如表2所示。

表2 消息送達率與鏈路質量映射關系

3 消息協議轉換

依據衛星信道幀格式、通信體制、信道容量等技術要素對應用系統產生的業務進行協議轉換。衛星信道協議幀格式如表3所示。

表3 衛星信道協議幀格式

消息協議轉換處理流程如圖2所示。收到業務消息先對其進行解碼處理，提取組建衛星幀所需的數據項。然后根據長度決定是否進行分包處理，再依據衛星幀格式對消息進行編碼，實現對衛星信道的協議適配。

圖2 消息協議轉換處理流程

4 鏈路選擇

在實際應用中，存在著多個衛星鏈路能夠滿足業務傳輸需求，因此需根據業務的特征和鏈路質量等因素選擇其中的一路或多路作為發送鏈路。首先以20秒為周期統計業務生成的平均速率（Kbps/s）然后將其與各信道速率相比，得到兩者的比率R（取整）。當R小于等于1時，在同類信道中選擇鏈路質量高的信道作為發送鏈路。若存在N路同等鏈路質量且消息均可達的鏈路時，按照1/N概率隨機選取其中一路作為發送鏈路。當R大于1時，選擇鏈路質量位次在前R的信道作為發送鏈路。具體處理流程如圖3所示。

對于尋址類消息，還需判定消息的可達性。查找成員狀態表，發送平臺與目的平臺不存在連通關系或不在網內，向應用系統上報發送不成功的原因。

圖3 鏈路選擇信息流程

5 消息發送控制

5.1 消息生命周期管理

對于時效性要求高的業務消息，周期計算該類消息出入隊列的時間差T，如果時間T大于標準時延，則丟棄該消息并上報應用系統；如果時間小于等于T，則消息進入發送處理流程。

5.2 消息優先級發送控制

將業務消息分為高、中、低三個優先級，并依據優先級創建不同的隊列。當有新業務產生時，依據消息類型插入不同的隊列。在業務向衛星鏈路發送時，按照高、中、低概率為3:2:1的比例隨機選出要發送消息的優先級，處理流程如圖4所示。若選擇發送的優先級為高時，則掃描高優先級消息隊列，隊列不為空在消息生命周期有效時，取出最大排隊時延的消息。隊列為空則按照先中優先級后低優先級的排序從隊列中選出發送的數據；若選擇發送的優先級為中時，隊列不為空時處理同高優先級。隊列為空時，隊列查找順序為先高后低；選擇發送的優先為低時，隊列為空時，查找順序為先高后中。

圖4 消息優先級選擇流程

5.3 重發機制

對于需應答的尋址類消息，在業務發送時同時將該消息保存在重發隊列中，如果在設定的時間閾值（20秒）下沒有收到對端平臺的應答消息，則進行重發處理，最大重發兩次。當發送三次后，還沒有收到應答消息，則將消息不發送成功的狀態上報應用系統。具體實現流程如圖5所示。

6 多衛星鏈路消息分發機制的實現

多衛星鏈路消息分發機制已應用在某型衛星控制設備中，硬件采用商用的信息處理板，軟件采用Qt+Vx?works總體設計架構。Qt主要負責圖形化界面的開發，完成參數信息的顯示及信息的輸入。Vxworks實現成員狀態表的建立和維護、消息協議轉換、鏈路選擇、消息發送控制等功能，主要功能信息流程如圖2~圖5所示。其中界面與后臺采用消息隊列的通信機制。

圖5 消息重發機制實現流程

7 結語

本文所提出多衛星鏈路消息分發機制的設計與實現能夠滿足應用系統對業務消息QoS的要求，綜合利用連通關系矩陣、衛星鏈路質量等要素，采用消息優先級和生命周期管理、重發機制等多重技術手段，同時對業務消息進行差異化處理，保證消息快速可靠送達，實現業務消息與衛星信道的適配，滿足實際工程需求。

參考文獻：

[1]邱洪云，關慧，田莉，張彥衛，彭江.衛星戰術數據鏈的應用及發展[J].空間電子技術，2012，3：1-4．

[2]易先清，趙陽，馮明月.滿足用戶與任務應用需求的衛星網絡服務質量QoS需求分析[J].計算機科學，2007，34(9)：27-34．

[3]李云，周旋，劉期烈.衛星通信鏈路性能分析[J].計算機科學，2015，51(12)：78-82．