面向航天器有線無線混合場景的流調度機制研究

趙國鋒 盧奕杉 徐 川* 邢 媛 何熊文 崔釗婧

①(重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶 400065)

②(復雜環境通信重慶市重點實驗室 重慶 400065)

③(中國空間技術研究院北京空間飛行器總體設計部 北京 100094)

1 引言

近年來，各個國家積極開展太空探索、載人航天任務，航天器的功能也變得復雜。航天器作為一個高集成度和復雜度的空間體，其內外都部署大量的傳感器與監測設備，進行實時狀態數據監控，而航天器內部數據傳輸總線普遍使用1553B, CAN總線進行數據通信，其質量占比大影響航天器搭載更多有效載荷[1,2]；同時，航天員在艙內和艙外工作時的移動性通信需求不斷增加，需要保障通信的可靠性和實時性[3]。可見，將無線通信方式引入到航天器通信系統中，可以有效滿足其通信需求，并減少通信線束質量占比。但是在有線實時通信系統中，如何融合無線與有線方式，解決通信資源聯合調度，是實現端到端業務數據確定性傳輸的關鍵。

工業控制領域中的數據的確定性傳輸主流協議為IEEE802.1工作組提出的時間敏感網絡(Time Sensitive Network, TSN)技術[4–6]。TSN基于現有以太網接口，為時敏業務提供了低延時、高穩定性、低丟包率的傳輸服務[7,8]。工業界正著力推進TSN技術在航空航天領域的應用。2019年，ADCSS 2019/2020會議均討論了時間敏感網絡在航空航天領域中的通信架構形式[9]。2020年1月，歐洲航天局委托Relyum搭建TSN測試網絡，測試相應標準協議并規劃TSN網絡拓撲架構[10]。Sanchez-Garrido等人[11]使用FPGA搭建了應用于航天系統的TSN以太網總線系統，為時敏業務提供了有線連接下的確定性、可靠性的傳輸服務。Chaine等人[12]對比了傳統以太網、時間觸發網絡(Time Trigger Ethernet,TTE)以及時間敏感網在衛星網絡中的適用性，主要包括服務質量(Quality of Service, QoS)、同步能力以及容錯能力。目前TSN在航天器內部主要應用在有線網絡中，由于無線網絡傳輸特性復雜使得TSN應用很少。

為滿足未來航天器通信系統需求，針對星內傳感器采集網絡應用場景，本文提出一種基于時分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)的航天器內部有線無線融合傳輸機制。首先對各個節點數據周期以及其業務流特性進行分析，根據各節點業務流模型對超幀內各時隙長度進行刻畫；然后，構建以時敏業務端到端平均時延最小為目標函數，采用啟發式算法對全網時隙分配方案進行求解。為驗證方案的可行性，首先通過Pycharm平臺對本文時隙分配算法進行仿真分析，隨后在EXata網絡仿真平臺上設計并搭建航天器內部通信網絡，并對算法進行性能測試。

2 問題描述

航天器內部網絡中的節點可以分為傳感器節點、終端節點、有線無線融合網關、TSN交換機以及中心控制器，如圖1所示，某一區域內的傳感器與移動終端通過TDMA方式將數據匯集到有線無線融合網關上，艙室中融合網關與中心控制器之間通過有線方式傳輸數據。傳感器數據有周期性、業務量較固定并且對數據端到端延時較為敏感等特點[13]，移動節點以及客戶終端傳輸一些非時敏業務，如視頻、語音等信息，此類數據具有周期以及數據量不確定的特點，傳感器等終端生成的數據通過TDMA的方式傳輸至有線無線融合網關，因此如何合理地分配時隙資源，保證各類節點的時敏數據傳輸時延需求是本文所要解決的問題。

圖1 航天器確定性通信需求

在上述航天器內部通信網絡中，由于狀態監測等時敏數據需要低延時且時延穩定的傳輸，那么在數據到達融合網關時，如果TDMA時隙與數據到達的時刻并不匹配，則融合網關處的數據就需要等待屬于本節點的TDMA時隙到達才能進行發送，這樣就會導致數據端到端時延的延長且不確定。在航天器內部網絡中時延敏感業務轉發需要解決兩個問題：

(1) 無線傳輸時延不穩定

目前航天器內部無線通信網絡通常采用基于IEEE802.11標準的傳統無線局域網技術，其具備設備廉價、擴展性好等特點[14]，然而基于載波監聽(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)的接入方式雖然能夠提升網絡的靈活性，但是其規定節點之間發生數據碰撞后需要隨機退避一段時間，這就會導致數據轉發的時延不穩定，而完全基于TDMA的接入方式不能靈活地適應網絡負載變化，難以保證一些移動性較強的節點的接入請求。因此，需要在TDMA接入方式的基礎上，研究能應對節點動態接入請求的時隙分配方式。

(2) 有線無線如何融合傳輸

在航天器內部網絡中，融合網關主要用于匯集傳感器等終端的數據，而數據向中心控制器傳輸仍然需要通過有線的方式進行，如果融合網關沒有對數據進行有線無線融合調度，那么即使終端節點通過TDMA時隙將數據傳輸至網關處，在有線側的傳輸端口數據也不能進行及時的轉發。

3 系統建模及問題分析

按照時敏業務產生特性，本文將航天器網絡中的時敏業務數據流劃分為周期性業務以及非周期性業務。在航天器內部網絡中，時敏數據通常具有一定的周期性，其發包周期固定，并且數據量變化較小。那么此類數據的到達規律在網絡建立時就可確定，假定節點i周 期性時敏數據流表示為si，其數據產生周期為Tsi， 數據量大小為Bsi，數據流對時延的需求為Dsi。則周期性時敏數據在時隙資源調度中的需求可以表示為

3.1 超幀結構設計分析

為了保證時敏數據的端到端確定性傳輸，以及移動節點的靈活接入需求，本文提出一種基于TDMA的時隙分配方案，將無線信道劃分為beacon階段、CSMA接入階段與TDMA階段，其中beacon長度TB計算方式為

3.1.1 時隙長度設計分析

由于不同終端的數據量不同，而僅僅依據各終端自身業務量的大小進行時隙長度劃分，可能會導致某個節點時隙過長影響其余節點的數據傳輸，以及網絡中的時隙的嚴重碎片化，因此，網絡中TDMA時隙內時隙單位長度Tp需要滿足式(3)條件：

圖2 超幀結構設計

3.1.2 保護帶設計分析

3.1.3 競爭接入時隙設計分析

未入網的節點需要在接收beacon幀后向網關節點返回一個入網請求報文。因此，競爭接入階段的長度TC的設置需要考慮退出網絡的節點重新入網，以及新節點入網的請求時間。由于在競爭接入階段的數據發送需要進行沖突避免，如果在單一網關下的移動節點與常休眠節點數量為n，節點碰撞概率為pn， 成功接入網絡的期望碰撞次數為kn，節點數據重傳等待時間為[ 0,22+kn]范圍中選擇的隨機時間，那么節點j在完成接收beacon幀到結束發送入網請求所需的時間為

圖3 保護帶設置

3.2 有線IEEE802.1Qbv門控調度問題

4 航天器內有線無線融合流調度算法

4.1 端到端時延分析

4.2 目標函數

算法需要解決網絡的最優時隙分配方案，假設數據在接收方收到數據后視為數據發送完成，以網絡中的平均數據端到端時延為優化目標，那么其目標函數為

其中，約束C1表示超幀中的時隙個數最大為k，并且每一個時隙在同一個時刻只能分配給一個節點使用；約束C2、約束C3表示最小單位時隙Tp的長度設置應該滿足的條件，約束C4表示節點n的TSN數據流所需最小單位時隙的數目，約束C5表示數據端到端時延應小于節點本身所要求的最大端到端時延，約束C6表示所有節點業務量傳輸所需的時隙長度需小于或等于TDMA階段長度，約束C7表示超幀beacon時隙長度要求。

4.3 時隙分配算法

由于網絡時隙劃分問題是NP-hard問題，通常選用啟發式算法[15]。本文選用粒子群優化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)進行求解，PSO相比其他算法，有操作簡單、收斂速度快的特點[16]，本文時隙分配算法記為PSO-TSN(見算法1)。算法流程步驟如下：

算法1 PSO-TSN算法

步驟1 隨機初始化每個粒子的位置pi和 速度vi。

步驟2 評估粒子的適應度函數值。

步驟3 比較粒子適用值與其個體最優值pbest，如果適應值好于當前位置，將pbest設置為當前粒子位置。比較粒子適用值與全局最優值gbest，如果當前值優于gbest， 則將gbest設置為粒子當前的位置。

步驟4 結合粒子的慣性w，更新粒子的速度vi和位置pi。

步驟5 如果達到最大迭代次數或找到最優值，則輸出全局最優結果并結束算法，否則，轉向步驟2執行。

5 性能測試與分析

本文首先在Pycharm平臺對所提出的基于TDMA時隙劃分方案進行數值仿真驗證分析，隨后選擇國內外學者所提出的動態時隙分配方案實時WiFi (Realtime WiFi, RT-WiFi)[17]以及混合型時隙分配方案(Burst Traffic Support Slot Assignment,BTSA)[18]進行仿真性能對比，以此驗證本文所提方案的有效性，最后在EXata網絡仿真平臺中設計并搭建航天器內部網絡仿真場景，驗證本文所提方案的可行性。

5.1 算法性能仿真對比

將RT-WiFi, BTSA與本文所提出的PSO-TSN進行仿真性能對比，仿真過程中的TSN終端分別從1到20臺逐漸遞增，每一臺TSN終端的時敏發送數據量變化范圍由400 kbit/s至4000 kbit/s。

如圖4所示，本文所提時隙分配方案PSO-TSN在設備數上升后數據的端到端平均時延相對于其他兩種時隙分配方案更低。從仿真結果中可以看到，在設備數增加到20時，PSO-TSN的平均端到端時延維持在10 ms左右，而BTSA的平均時延在17 ms,RT-WiFi的平均時延在23 ms。由于PSO-TSN在進行時隙劃分時采用最小單位時隙作為劃分單位，這樣的劃分方式可以防止長數據幀發送過程中節點擁擠的情況，控制器可以將時隙進行交替分配，這樣可以保證節點均滿足最大端到端時延約束前提下的全網轉發時延最小化。

圖4 時隙分配算法性能對比

5.2 EXata仿真平臺驗證分析

首先在Exata中搭建仿真場景，場景中的參數如表1所示。根據表1中的參數在Exata中搭建的有線無線融合的網絡仿真場景如下：

表1 網絡場景參數

如圖5所示，一個航天器艙室中有3個有線無線融合網關對本艙室內所有終端節點進行無線連接覆蓋，而融合網關將采集的所有終端數據通過有線的方式傳輸至航天器控制中心。無線傳輸速率設置為10 Mbit/s，終端節點與融合網關無線連接距離最長設置為10 m，融合網關與航天器控制中心之間的有線鏈路帶寬設置為100 Mbit/s。終端傳感器所傳輸時敏業務周期以及業務量大小根據參考文獻[19]設置如表2所示，其中包括2條屬于客戶端信息的非周期性業務流，根據參考文獻[20]，將其設置為到達強度λ泊松分布模型：

表2 仿真業務參數

圖5 有線無線融合的航天器TSN仿真場景

為了測試PSO-TSN時隙分配策略對時敏業務流的穩定性時延傳輸，仿真中加入3條非TSN干擾流：終端38至終端22、終端21至終端22、終端36至終端22，干擾流數據帶寬從0 Mbit/s增加至20 Mbit/s。

圖6(a)為無線采集網絡中3種周期性TSN業務以及一種非周期性業務的端到端時延，在非TSN流發送速率逐漸增大的情況下的平均端到端時延變化情況，可以看到TSN流的端到端時延并沒有出現較大的波動，均滿足TSN局域網標準中關于時敏業務的端到端時延要求[21]，這是因為PSO-TSN算法在TDMA時隙分配時首先考慮TSN數據在終端的產生時間，并為其劃分相應的無線時隙，所以TSN數據在網絡中的等待時延較小。而非周期性數據的時延波動較大，這是因為非周期性數據到達無線輸出端口的時間具有一定的隨機性，控制節點無法在數據到來之前為其分配準確的時隙位置，因此等待時延較大。圖中溫度傳感信息端到端時延最小，這是因為溫度傳感器的數據產生周期較長，在單位時間內所要傳輸的數據量更低。

在圖6(b)中，選取在無線局域網中應用較多的CSMA/CA以及固定時隙劃分的TDMA時隙分配算法與本文所提時隙分配算法進行端到端時延對比，可以看到PSO-TSN在干擾流的發送速率增加后仍能維持穩定的傳輸時延。CSMA/CA協議在網絡負載較小時能維持較小的端到端時延，當負載上升后，節點發送數據開始產生碰撞，因此端到端延時出現較大增幅。固定時隙劃分的TDMA時隙分配算法，在網絡負載上升時，端到端時延波動較小，但是無線時隙的分配并未考慮有線端數據的到達規律，那么數據在無線輸出端口處存在一定的等待時延。

圖6(c)為3種無線傳輸協議的分組過期率對比，本文的分組過期率定義為在一個超幀周期內到達無線輸出端口的數據包數與未在此超幀周期內成功轉發此數據包數的比值，可以看到，采用PSO-TSN算法的TSN分組過期率在網絡負載升高后仍然保持較低的水平，這是因為控制節點為TSN數據劃分的時隙位置能保證TSN數據在此超幀內傳輸完成。

圖6 有線無線融合流調度性能測試

6 結束語

本文針對航天器內終端采集網絡的有線無線融合調度問題，提出了一種基于TDMA的融合時隙分配方案，首先分析終端設備的TSN流業務特征，建立了端到端傳輸時延與時隙分配的關系，并以時敏業務的平均端到端時延最小為目標函數，采用粒子群算法對無線時隙分配方案進行求解。最后使用數值仿真以及EXata網絡仿真平臺對算法進行性能測試，測試結果表明所提算法在有線無線融合傳輸的網絡中，能夠保障時敏數據的確定性轉發時延。在下一步研究中，將進一步研究在保證時敏業務的端到端時延的前提下，如何提升網絡整體吞吐量的問題。