SpaceFibre網(wǎng)絡服務質量時隙資源分配算法*

鄭靜雅，安軍社

(1. 中國科學院國家空間科學中心 復雜航天系統(tǒng)電子信息技術重點實驗室， 北京 100190;2. 中國科學院大學， 北京 100049)

隨著空間探測任務復雜度不斷提升，衛(wèi)星有效載荷通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量迅猛增長、數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高，現(xiàn)有SpaceWire[1]等星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡已不能滿足超高速率航天應用場景。因此歐洲航天局提出了新一代超高速星載數(shù)據(jù)鏈路SpaceFibre技術[2]，該技術具有高傳輸率、高帶寬、低誤碼率等特點[3-5]。SpaceFibre物理鏈路包含多條虛擬通道(Virtual Channel，VC)，每條VC可發(fā)送不同類型數(shù)據(jù)流。當數(shù)據(jù)流過載導致多條VC同時請求鏈路帶寬資源時，SpaceFibre網(wǎng)絡采用服務質量(Quality of Service，QoS)機制對各虛擬通道進行仲裁，該機制由優(yōu)先級優(yōu)先權、預留帶寬和調度三種子機制組成[6]。

SpaceFibre協(xié)議對優(yōu)先級優(yōu)先權子機制和預留帶寬子機制進行了詳細描述，但沒有說明調度子機制中時隙資源分配方法。時隙資源分配控制網(wǎng)絡帶寬分配，直接影響系統(tǒng)時延性能。由于星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡具有規(guī)模小、實時性和可靠性要求高等特點，不宜直接套用其他網(wǎng)絡調度算法[7-8]。目前對SpaceFibre時隙資源分配問題的研究尚少，文獻[9]提出一種簡單二進制序列均勻調度表生成方法，僅占用較少硬件資源即可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，但該方法在網(wǎng)絡兼容性、算法魯棒性和時延性能等方面還有待優(yōu)化；文獻[10]使用基本遺傳算法生成調度表，然而該方法存在操作復雜和收斂速度慢等問題。

本文給出無調度、無沖突和沖突調度矩陣定義，建立網(wǎng)絡QoS排隊模型分析時隙資源數(shù)量、位置和周期對網(wǎng)絡時延性能的影響。基于排隊模型給出包含改進二進制序列調度子算法和改進混合單親遺傳調度子算法的時隙資源分配算法，兩個子算法相輔相成、互為補充。前者通過改進時隙數(shù)目使算法向后兼容SpaceWire網(wǎng)絡；為提高算法魯棒性，增加時隙長度和鏈路帶寬約束，并改進初始時隙位置生成方式；通過改進時隙補償方法減少了時隙沖突。后者將前者生成的調度矩陣作為初始個體，在基因移動算子基礎上增加交叉算子，并使用基因移動算子對交叉子代進行二次遺傳操作。在Opnet平臺下自行搭建網(wǎng)絡QoS仿真模型，對算法有效性進行仿真分析。結果表明，該算法可根據(jù)不同數(shù)據(jù)流的特點生成具有航天工程實用價值的低延時SpaceFibre星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡時隙資源分配方案。

1 SpaceFibre網(wǎng)絡QoS性能分析模型

1.1 網(wǎng)絡服務質量機制分析

優(yōu)先級優(yōu)先權、預留帶寬和調度三種QoS子機制均集成于SpaceFibre介質訪問控制器(Medium Access Controller，MAC)中。

優(yōu)先級優(yōu)先權計算如式(1)所示[2]。

PriPrei=2B(Q-1-Ei)+B

(1)

其中：B表示帶寬信用限制；Q為優(yōu)先級數(shù)；Ei表示編號為i的VC優(yōu)先級值，Ei越小優(yōu)先級越高。

預留帶寬是一種依據(jù)虛擬通道預留帶寬和VC帶寬使用率計算帶寬信用的QoS機制。帶寬信用BWCredit計算如式(2)所示[2]，n為虛擬通道發(fā)送數(shù)據(jù)字的數(shù)目，可用帶寬AvailBW指自上次帶寬信用更新起網(wǎng)絡節(jié)點所有虛擬通道發(fā)送字數(shù)總和。已用帶寬UsedBW指自上次帶寬信用更新后VCi發(fā)送數(shù)據(jù)字的數(shù)目。標準化期望帶寬Fi指VCi分配帶寬占鏈路總帶寬的比例。

(2)

優(yōu)先權為PriPre與BWCredit之和。通常優(yōu)先級越高，優(yōu)先權越大。當高優(yōu)先級虛擬通道帶寬信用達到B時，低優(yōu)先級VC優(yōu)先權才可能較大。

調度QoS子機制為鏈路的確定性傳輸提供保障。SpaceFibre網(wǎng)絡中時間軸被劃分為若干固定長度的時幀，作為基本周期性時間單元。每個時幀又包含若干時隙，時隙是網(wǎng)絡最小時間單位。

各虛擬通道均具有時幀調度向量，該向量記錄本VC在一個時幀的各時隙中是否被允許參與調度。所有VC的時幀調度向量構成網(wǎng)絡節(jié)點二進制調度矩陣，該矩陣行數(shù)目為VC數(shù)，列數(shù)目為時幀內總時隙數(shù)。調度矩陣中1表示有效時隙，即指定時隙允許該VC參與調度；0表示空閑時隙，即在指定時隙不允許該VC發(fā)送任何數(shù)據(jù)。當同一時隙中允許多條虛擬通道參與調度時，MAC選擇優(yōu)先權較大的虛擬通道進行數(shù)據(jù)傳輸。典型的SpaceFibre服務質量機制混合使用實例如表1[11]所示，該表可抽象為二進制8×8調度矩陣。

表1 SpaceFibre網(wǎng)絡QoS機制混合使用實例Tab.1 SpaceFibre QoS mechanism mixed instance

VC0和VC1優(yōu)先級最高，其他VC具有較低且相同的優(yōu)先級。在時隙1，除VC1外其他虛擬通道均可參與調度。優(yōu)先級最高的VC0擁有最高優(yōu)先權，所以在時隙1優(yōu)先選擇VC0發(fā)送數(shù)據(jù)。當VC0無發(fā)送數(shù)據(jù)請求時，MAC在VC2～VC7中選擇具有待發(fā)送數(shù)據(jù)且BWCredit最高的虛擬通道發(fā)送數(shù)據(jù)。每進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送操作，各VC均需更新帶寬信用和優(yōu)先權。優(yōu)先級不變時，被調度VC的帶寬信用降低，該虛擬通道優(yōu)先權也降低，有效避免了單一VC持續(xù)搶占帶寬資源的問題。三種QoS子機制的混合使用保證了關鍵衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，為網(wǎng)絡的可靠傳輸提供了保障。

在星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中，主要從數(shù)據(jù)傳輸延時、帶寬和可靠性三方面對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的服務質量進行評估[12]。不同空間任務流量對網(wǎng)絡QoS的要求不同。例如控制類流量典型特征是數(shù)據(jù)包生成具有隨機性、數(shù)據(jù)包較小和實時性要求較高，實時視頻顯示業(yè)務同時具有較高實時性需求和帶寬需求。因此，需采取有效算法合理分配SpaceFibre網(wǎng)絡時隙資源，以滿足各有效載荷數(shù)據(jù)流的帶寬需求，從而減少數(shù)據(jù)傳輸延時并保障數(shù)據(jù)可靠傳輸。

1.2 網(wǎng)絡服務質量數(shù)學模型

1.2.1 網(wǎng)絡條件約束及參數(shù)定義

以SpaceFibre網(wǎng)絡QoS機制分析為基礎，建立網(wǎng)絡排隊模型定量分析時隙分配對網(wǎng)絡時延性能的影響。網(wǎng)絡模型相應約束如下：網(wǎng)絡運行期間鏈路無故障；網(wǎng)絡運行時虛擬通道的數(shù)目保持不變；網(wǎng)絡運行期間虛擬通道優(yōu)先級值不變。為便于形式化描述，網(wǎng)絡參數(shù)說明如表2所示。

表2 模型參數(shù)表Tab.2 Parameter list of model

根據(jù)SpaceFibre網(wǎng)絡約束條件及參數(shù)定義引入調度矩陣相關定義。

定義1給定網(wǎng)絡節(jié)點調度矩陣SN×L，對任意i∈[0,N-1]，j∈[1,L]均有si,j=1，則稱SN×L為無調度矩陣。

根據(jù)網(wǎng)絡服務質量分析和參數(shù)定義得到如圖1所示的SpaceFibre網(wǎng)絡時幀結構。

圖1 SpaceFibre時幀結構Fig.1 Time frame structure of SpaceFibre

1.2.2 網(wǎng)絡排隊模型

SpaceFibre星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡服務質量可以抽象為單服務臺、多虛擬通道隊列的排隊問題，排隊模型如圖2所示。每個隊列代表一條虛擬通道，介質訪問控制器MAC被抽象為服務臺。虛擬通道數(shù)目N∈[1,32]，VCi(i∈[0,N-1])數(shù)據(jù)流符合到達速率為λi的泊松分布。VC0至VCN-1優(yōu)先級依次降低。為排除緩存容量[13]對網(wǎng)絡時延性能的影響，排隊系統(tǒng)最大隊列長度為無窮大。

圖2 SpaceFibre網(wǎng)絡QoS排隊模型Fig.2 Queuing model for SpaceFibre QoS

網(wǎng)絡服務質量排隊模型服務速率為：

μ=Vlink/Lframe

(3)

VCi平均端到端延時為：

(4)

若SN×L為無調度矩陣，MAC不使用調度子機制，網(wǎng)絡QoS機制可進一步抽象為帶有非搶占優(yōu)先級的M/G/1排隊模型，平均等待時間為[14]：

(5)

無調度矩陣隊列平均延時與時隙分配無關，僅與排隊系統(tǒng)參數(shù)有關。在高優(yōu)先級隊列長期占用鏈路帶寬的極端情況下，低優(yōu)先級隊列平均延時可能會超出可接受范圍。當高優(yōu)先級帶寬需求較大時，應采用調度子機制保障數(shù)據(jù)的確定性傳輸。

若SN×L為無沖突調度矩陣，雖使用調度子機制，但不考慮高優(yōu)先級搶占時隙的情況。平均等待時間如式(6)所示，ρiWi為VCi數(shù)據(jù)包傳輸時間。

(6)

VCi數(shù)據(jù)包到達時有服務臺正在服務VCi和排隊模型處于VCi空閑時隙兩種可能，相應Ri為：

(7)

VCi有效時隙間隔為Di，第k個數(shù)據(jù)包到達時刻為εk，N(Di)為Di時間內達到的數(shù)據(jù)包總數(shù)，則數(shù)據(jù)包有效時隙等待時間為過濾泊松過程：

(8)

過濾泊松過程的特征函數(shù)為[15]：

(9)

(10)

設隨機變量X(t)=Y2(t)，類似可得：

(11)

當時隙位置均勻分布時，有效時隙間隔為：

Di=TF/Hi

(12)

且時幀長度TF滿足：

TF=Lτ

(13)

所以SN×L為無沖突調度矩陣時，SpaceFibre服務質量排隊模型中VCi平均等待時間為：

(14)

若SN×L為沖突調度矩陣，平均延時需考慮優(yōu)先級占用。 VCi最大平均等待時間為：

(15)

(16)

經(jīng)整理得：

(17)

若SN×L為沖突調度矩陣且排隊模型參數(shù)，同時隙隊列數(shù)目一定時，Di越小平均延時越低，因此應盡量減少有效時隙間隔。此外，同時隙VC數(shù)不宜過多，否則會因增加平均等待時間而增加Ti。

2 SpaceFibre網(wǎng)絡QoS時隙分配算法設計

根據(jù)網(wǎng)絡QoS性能分析模型，提出SpaceFibre網(wǎng)絡服務質量時隙資源分配算法。該算法包含兩個子算法：改進的二進制序列調度(Improved Binary Sequence Scheduling，IBSS)子算法和改進的混合單親遺傳調度(Improved Hybrid Partheno-Genetic Scheduling，IHPGS)子算法。IBSS子算法是IHPGS子算法的初始種群之一， IHPGS進一步降低了IBSS的網(wǎng)絡延時。若IBSS生成的調度矩陣滿足可接受延時要求，可不進行IHPGS操作，但兩子算法相互配合可獲得網(wǎng)絡時延性能更優(yōu)的時隙資源分配方案。

2.1 改進的二進制序列調度IBSS

IBSS在簡單二進制序列算法[9](Simple Binary Sequence Algorithm，SBSA)基礎上根據(jù)實際工程應用場景進行修正。

為向后兼容SpaceWire時間碼，IBSS改進了時隙數(shù)目。SpaceWire網(wǎng)絡是先于SpaceFibre網(wǎng)絡的上一代星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡設置6 bit時間碼以實現(xiàn)時間同步。為組建SpaceWire高速-SpaceFibre超高速星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，時幀TF內的時隙數(shù)目L固定為64。這一修正可能會使時幀長度增加而導致平均延時增加，但由式(13)知，可通過調整時隙長度τ以保證TF不變。

IBSS增加了時隙長度約束以降低誤碼率。若完整數(shù)據(jù)幀傳輸時間大于τ，則在單個有效時隙內MAC無法發(fā)送完整數(shù)據(jù)段，導致節(jié)點組幀失敗，進而，引起數(shù)據(jù)傳輸錯誤。因此，τ應大于最長TF數(shù)據(jù)幀傳輸時間以保障所有VC數(shù)據(jù)正確傳輸，設nlane為SpaceFibre網(wǎng)絡節(jié)點物理通道數(shù)，Lfmax為網(wǎng)絡最大數(shù)據(jù)幀長度，則τ應滿足：

(18)

IBSS考慮了廣播通道占用帶寬對時隙資源分配的影響。除進行數(shù)據(jù)包傳輸外，SpaceFibre網(wǎng)絡還需分配部分帶寬給廣播通道以用于整個網(wǎng)絡的監(jiān)管。設廣播消息預留帶寬占鏈路總帶寬比例為pb，則每條虛擬通道期望帶寬Fi修正為：

(19)

其中，Pi/Qi為期望帶寬Fi的最簡分式表達式。當Qi大于L時，要對Fi進行修正，具體修正方式為Pi逐1增加，Qi保持不變，直至新的最簡分式滿足：

(20)

VCi時幀調度向量為：

si=(si,1,si,2,…，si,L)

(21)

Btotal為鏈路在時幀TF內的總帶寬，VCi在TF內分配帶寬為Bi，則分配給VCi的帶寬比Ri為：

(22)

令F′i=Ri[9]，得VCi有效時隙數(shù)為：

(23)

(24)

IBSS子算法對低優(yōu)先級補償和控制流量補償操作進行改進。極端情況下，簡單二進制序列算法的補償操作可能會因時隙沖突而無法完成。為滿足各流量帶寬需求、減少時隙沖突，IBSS在進行時隙補償時，選擇最接近待補償位置且沖突最少的空閑時隙位置進行置1處理。

IBSS子算法具有硬件資源占用較少、延時較低、魯棒性和兼容性較好等特點，為SpaceFibre網(wǎng)絡時隙資源的合理分配提供了基本保障。IBSS描述示意如圖3所示，具體算法流程見算法1。

圖3 IBSS描述示意Fig.3 Description of IBSS

算法1 改進二進制序列調度IBSSAlg.1 Improved binary sequence scheduling

2.2 改進的混合單親遺傳調度IHPGS

單親遺傳算法是一種取消了交叉操作并使用變異操作替代的特殊遺傳算法。改進單親遺傳算法[16](Improved Partheno-Genetic Algorithm，IPGA)消除了變異概率，修改了選擇和變異操作使算法更加高效穩(wěn)定，但該算法的遺傳操作均在單條染色體上進行，易陷入“進化瓶頸”。

面向SpaceFibre星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡應用的改進混合單親遺傳調度IHPGS子算法在IPGA遺傳算子的基礎上增加最優(yōu)個體與次優(yōu)個體交叉算子并使用基因倒位、基因換位、基因右移和基因左移等基因移動算子對交叉后的染色體進行二次遺傳操作，增加了個體間的基因交互、有效克服了個體早熟的問題。IHPGS子算法運行時只需設置初始種群規(guī)模和迭代終止條件，無須設置其他參數(shù)，具有遺傳操作簡單、運算速度快的特點。

IHPGS子算法將IBSS生成的調度矩陣作為初始個體。整個初始種群包含IBSS生成的優(yōu)良個體和按帶寬需求生成的普通個體，進化過程中兩者相互競爭并進行基因交換。一定進化程度的初始種群提高了IHPGS收斂速度，降低了算法對種群多樣性的依賴。IHPGS子算法描述如圖4所示。

圖4 IHPGS描述示意Fig.4 Description of IHPGS

VCi優(yōu)先級值為Ei，平均延時為Ti，則IHPGS子算法適應度函數(shù)Cfit為最小化調度矩陣個體中各虛擬通道平均延時加權和：

(25)

十種遺傳算子詳細描述如下。基因移動算子在每次操作前需隨機獲取基因段首尾位置I、J(1≤I

遺傳算子1：組內最優(yōu)個體保持不變。

遺傳算子2：對組內最優(yōu)調度矩陣個體每行執(zhí)行基因倒位。基因倒位：將I到J段的基因序列倒序，并將倒序后的選定基因段插入位置P。

遺傳算子3：對組內最優(yōu)調度矩陣個體每行執(zhí)行基因換位操作。基因換位：僅交換位置I和J的基因，將交換后的選定基因段插入位置P。

遺傳算子4：對組內最優(yōu)個體每行執(zhí)行基因左移操作。基因左移：位置I+1到J的基因段向左移一個基因位，位置I基因放至J原位置，將移位后基因段插入位置P，具體操作見圖5(b)。

遺傳算子5：對組內最優(yōu)個體每行執(zhí)行基因右移操作。基因右移：位置I到J-1的基因段右移一個基因位，位置J基因放至I原位置，將移位后基因段插入位置P，具體操作見圖5(c)。

(a) 初始基因序列(a) Initial gene sequence

(b) 基因左移結果(b) Result of left-shift operator

(c) 基因右移結果(c) Result of right-shift operator圖5 基因移位算子示意Fig.5 Description of shift operators

遺傳算子7：對交叉子代每行執(zhí)行基因倒位。

遺傳算子8：對交叉子代每行執(zhí)行基因換位。

遺傳算子9：對交叉子代每行執(zhí)行基因左移。

遺傳算子10：對交叉子代執(zhí)行基因右移。

迭代終止條件可以是最優(yōu)調度矩陣個體各虛擬通道平均延時均在可接受范圍內，也可以是迭代次數(shù)限制，還可以是適應度函數(shù)開始保持不變。具體終止條件需結合實際工程應用按需選擇。

3 仿真與分析

3.1 仿真與驗證

為深入探討算法有效性，使用Opnet軟件搭建網(wǎng)絡仿真模型，對比不同算法生成調度矩陣的時延性能。Opnet平臺沒有適用于SpaceFibre標準的仿真模塊，在Opnet Modeler 14.5平臺下自行搭建如圖6所示網(wǎng)絡QoS仿真模塊，該模塊包含數(shù)據(jù)包源、虛擬通道緩沖區(qū)、MAC和發(fā)射機四部分。src0～src5數(shù)據(jù)包源生成指定速率的數(shù)據(jù)包并存儲在相應VC緩沖區(qū)queue0～queue5中。MAC根據(jù)調度矩陣給定的傳輸方案進行仲裁，數(shù)據(jù)最終通過發(fā)射機傳輸?shù)絊paceFibre網(wǎng)絡。

圖6 SpaceFibre網(wǎng)絡QoS仿真模型Fig.6 Simulation model of SpaceFibre QoS

仿真過程中各VC采用如表3[9]所示的流量特征。不同流量類型依次對應SpaceFibre網(wǎng)絡節(jié)點不同虛擬通道VC0～VC5。網(wǎng)絡節(jié)點廣播通道預留帶寬為10%，SpaceFibre網(wǎng)絡鏈路速率為2.5 Gbit/s。

表3 網(wǎng)絡流量特征Tab.3 The characteristics of each traffic in the network

簡單二進制算法時隙數(shù)L1為50而IBSS子算法時隙數(shù)L2=64，由網(wǎng)絡QoS排隊模型知，需在相同時幀下對比兩算法時延性能。分別設置時幀TF為25 μs、50 μs、100 μs、200 μs、400 μs、800 μs和1600 μs并編號為0～6組。計算不同L下7組TF對應的時隙長度，計算結果如表4所示。

表4 時隙長度Tab.4 Time-slot length

為驗證IHPGS子算法時延性能，將IHPGS子算法與IBSS子算法、基本遺傳算法(Classic Genetic Algorithm，CGA)[10]、IPGA算法、二進制粒子群優(yōu)化(Binary Particle Swarm Optimization，BPSO)[17]算法和二進制入侵雜草優(yōu)化(Binary Invasive Weed Optimization，BIWO)[18]算法進行對比分析。為比較各算法收斂速度，設置CGA、IPGA、BPSO、BIWO和IHPGS迭代終止條件均為循環(huán)數(shù)目達迭代次數(shù)限制值30。各算法其他參數(shù)見表5。

表5 不同算法參數(shù)Tab.5 Parameters of different algorithms

SpaceFibre網(wǎng)絡單通道節(jié)點的最大數(shù)據(jù)幀長度為256 B，由式(18)可得，時隙長度需滿足τ≥0.819 2 μs。根據(jù)網(wǎng)絡QoS排隊模型可知，τ越大平均延時越大，因此選擇τ=2 μs進行不同算法調度矩陣的仿真驗證。

3.2 結果與分析

圖7為SpaceFibre網(wǎng)絡時隙資源分配IBSS子算法與簡單二進制算法在7組時幀長度TF下各虛擬通道平均延時對比圖。實線為簡單二進制序列算法仿真結果，虛線表示IBSS子算法仿真結果。由分析結果可知，二者均實現(xiàn)了確定性延時。各VC平均延時隨TF的增加而增大，與網(wǎng)絡排隊模型分析結果一致。兩種算法中控制流量隊列VC0的延時均維持在較低值。對比分析兩種調度機制下VC1～VC5平均延時曲線可知，IBSS子算法對應虛擬通道平均延時曲線均低于簡單二進制序列算法，且隨TF的增大IBSS子算法的優(yōu)勢越明顯。

圖7 SBSA與IBSS平均延時Fig.7 Average delay under SBSA and IBSS

τ=2 μs時，IHPGS子算法與IBSS子算法、CGA、IPGA、BPSO和BIWO算法在Opnet網(wǎng)絡仿真模型中的運行結果如圖8所示。由圖8可知，各調度機制下對時延性能要求較高的控制流量曲線都保持在較低位置。相比其他算法，IBSS子算法和IHPGS子算法在30 h仿真時間內各VC延時均趨于平穩(wěn)。因此，在收斂速度方面IHPGS要優(yōu)于CGA、 IPGA、BPSO和BIWO算法。IHPGS子算法最高延時曲線VC4要明顯低于CGA、 IPGA、BPSO和BIWO最高延時曲線。所以無論是收斂速度還是時延性能，IHPGS均優(yōu)于CGA、 IPGA、BPSO和BIWO。對比IBSS子算法和IHPGS子算法， 后者相比前者其延時曲線更加集中，這意味著各虛擬通道平均延時更加均衡。當高優(yōu)先級VC平均延時在可接受范圍內時，低優(yōu)先級虛擬通道數(shù)據(jù)傳輸機會增多。

(a) CGA各虛擬通道延時(a) Delay of virtual channels under CGA

(b) BPSO各虛擬通道延時(b) Delay of virtual channels under BPSO

(c) IPGA各虛擬通道延時(c) Delay of virtual channels under IPGA

(d) BIWO各虛擬通道延時(d) Delay of virtual channels under BIWO

(e) IBSS各虛擬通道延時(e) Delay of virtual channels under IBSS

(f) IHPGS各虛擬通道延時(f) Delay of virtual channels under IHPGS

計算圖8不同算法各VC平均延時及平均延時加權和，如表6所示。各虛擬通道平均延時加權和計算方法與式(25)相同，式中VCi優(yōu)先級越高，相應優(yōu)先級值Ei越小，則VCi權重αi越大。分析可知，CGA、BPSO、IPGA、BIWO算法、IBSS子算法和IHPGS子算法虛擬通道平均延時加權和依次降低。相比CGA、BPSO和 IPGA算法，IHPGS子算法中VC0平均延時略有增加但小于1.1 μs。對比CGA、BPSO、IPGA和BIWO算法，IHPGS子算法中VC1～VC5平均延時明顯降低。相比CGA，IHPGS各虛擬通道平均延時分別下降53.51%、78.81%、99.75%、83.92%和58.41%。IHPGS各VC平均延時與BPSO相比分別下降35.14%、60.76%、99.63%、96.86%和78.24%。相比IPGA，IHPGS子算法虛擬通道平均延時分別下降67.58%、91.68%、54.80%、58.21%和91.94%。IHPGS子算法中VC1～VC5平均延時對比BIWO分別下降61.11%、38.71%、72.22%、55.62%和46.50%。比較IBSS子算法和IHPGS子算法， VC0～VC2平均延時基本相同，IHPGS子算法VC4和VC5平均延時降低是以VC3略微增加為代價的。若各VC可接受延時為15 μs，這種均衡可使所有VC平均延時均在可接受范圍內。

表6 不同算法時延性能對比Tab.6 Delay performance under different algorithms

4 結論

對SpaceFibre網(wǎng)絡服務質量機制進行分析并建立SpaceFibre網(wǎng)絡QoS排隊模型，定量分析時隙資源分配對虛擬通道平均延時的影響。基于時延性能分析模型，提出包含IBSS和IHPGS兩子算法的SpaceFibre網(wǎng)絡時隙資源分配算法。利用Opnet平臺搭建網(wǎng)絡服務質量仿真模型，對IBSS子算法、IHPGS子算法、CGA、BPSO、IPGA和BIWO生成的調度矩陣進行仿真驗證并對比分析仿真結果。結果表明，該算法可明顯降低網(wǎng)絡平均延時，有效改善網(wǎng)絡時延性能，為今后SpaceFibre星載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡設計實現(xiàn)中的時隙資源分配提供理論依據(jù)。該算法基于靜態(tài)參數(shù)，在今后的研究中將分析VC數(shù)據(jù)流和物理傳輸參數(shù)的時變特征。