面向衛(wèi)星編隊飛行的有線無線時隙融合調(diào)度方案研究

邢 媛 徐 川* 紀(jì)偉星 趙國鋒 程克非

①(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

②(重慶郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全與信息法學(xué)院 重慶 400065)

1 引言

衛(wèi)星編隊飛行因具有研制成本低、系統(tǒng)容錯性高和隊形靈活性強等優(yōu)勢而在未來移動通信系統(tǒng)中呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢[1]。在衛(wèi)星編隊飛行時，多顆衛(wèi)星之間按照一定隊形編組，通過共享信息、信號處理和共享載荷等，協(xié)作完成一顆大衛(wèi)星具備的功能。隨著導(dǎo)彈預(yù)警、衛(wèi)星測控、作戰(zhàn)響應(yīng)、遠程指控和指揮救援等時間敏感任務(wù)的快速增長，搭載不同功能載荷(如電子偵查、合成孔徑雷達和紅外載荷)的衛(wèi)星編隊能夠利用星內(nèi)有線和星間無線通信系統(tǒng)的相互協(xié)作，為時敏任務(wù)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。在有線無線融合的衛(wèi)星編隊中，該類時敏任務(wù)的出現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和確定性提出了嚴格要求[2]。確定性要求時敏業(yè)務(wù)在每次傳輸時時延可預(yù)測，且在規(guī)定時間內(nèi)到達目的端[3]。然而，現(xiàn)有衛(wèi)星編隊通信系統(tǒng)普遍采用盡力而為的時延容忍服務(wù)方式，無法滿足時敏任務(wù)的實時性和確定性傳輸要求[4]。

近年來，科研人員和技術(shù)人員嘗試將應(yīng)用在地面有線以太網(wǎng)的時間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Networking, TSN)[5]技術(shù)引入航空航天領(lǐng)域，解決航天器內(nèi)部有線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r延、高可靠、高帶寬以及確定性等問題[6,7]，以及驗證TSN技術(shù)在航天器內(nèi)部的可行性[8]。然而，在衛(wèi)星編隊飛行時，衛(wèi)星成員之間需要不斷地進行星間協(xié)作通信才能共同完成飛行任務(wù)，因而衛(wèi)星內(nèi)部載荷產(chǎn)生的時敏業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸范圍不應(yīng)該僅僅局限于衛(wèi)星內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。因此，極其有必要將TSN技術(shù)擴展至星間無線網(wǎng)絡(luò)，從而通過無線TSN技術(shù)實現(xiàn)星間確定性調(diào)度。針對測控類時敏任務(wù)調(diào)度，文獻[9]提出了一種衛(wèi)星需求偏好驅(qū)動的資源調(diào)度算法，結(jié)合衛(wèi)星需求偏好和地面測控資源，實現(xiàn)了在軌任務(wù)的快速響應(yīng)。文獻[10]針對空間時延敏感通信，提出了一種基于效用函數(shù)的信道資源分配方案，能夠兼容時敏業(yè)務(wù)低時延和盡力而為業(yè)務(wù)高吞吐量需求。然而，現(xiàn)有的星間時敏通信研究通常認為衛(wèi)星為單個個體，未涉及衛(wèi)星內(nèi)部各終端或有效載荷與星載交換機之間的連接情況以及調(diào)度機制。

有線和無線混合TSN網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度研究主要包括TSN技術(shù)與地面WiFi網(wǎng)絡(luò)以及5G前傳網(wǎng)絡(luò)的融合。針對無線WiFi與有線TSN融合的研究，文獻[11-13]分別提出并實現(xiàn)了一種面向?qū)崟r性的同步和混合架構(gòu)(Synchronous and Hybrid Architecture for Real-time Performance, SHARP)，該架構(gòu)旨在為有線和無線混合TSN網(wǎng)絡(luò)提供高精度、低時延和高可靠性服務(wù)。為了驗證SHARP架構(gòu)的可行性，文獻[14]通過硬件平臺驗證了有線和無線網(wǎng)絡(luò)之間能夠滿足TSN所需的同步性能，文獻[15,16]通過時延測量的方法以確定時敏業(yè)務(wù)流在每段鏈路的發(fā)送時刻，實驗結(jié)果表明SHARP架構(gòu)可以為混合網(wǎng)絡(luò)中時敏業(yè)務(wù)流提供端到端確定性時延保障。然而，這種基于時延測量的固定時隙分配方法僅適用于少量業(yè)務(wù)流，當(dāng)業(yè)務(wù)流增多時該方法無法逐一為其分配時隙，具有較差的靈活性。為了滿足5G無線網(wǎng)絡(luò)中的確定性通信，文獻[17]指出將TSN技術(shù)集成到5G以實現(xiàn)端到端時延的確定性。文獻[18]針對有線TSN與無線5G融合網(wǎng)絡(luò)，提出了一種集中式調(diào)度方法，分別建立有線和無線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度約束機制，然后通過約束規(guī)劃方法求得提高資源利用率的端到端調(diào)度可行解。但是，該方法將有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度機制分開考慮，并未涉及有線無線融合網(wǎng)關(guān)的一體化調(diào)度問題。在衛(wèi)星編隊飛行中，星內(nèi)有線和星間無線鏈路調(diào)度機制以及傳輸速率的差異性使得星內(nèi)有線時隙發(fā)送的數(shù)據(jù)包無法得到星間無線時隙的及時調(diào)度，這將會增加時敏業(yè)務(wù)在星上的轉(zhuǎn)發(fā)時延，從而無法保障時敏業(yè)務(wù)在衛(wèi)星編隊網(wǎng)絡(luò)中傳輸時端到端時延的確定性。

為了解決上述問題，本文以傳輸時敏任務(wù)的衛(wèi)星編隊飛行為應(yīng)用場景，提出一種有線無線融合的時隙調(diào)度方案，通過聯(lián)合考慮有線和無線鏈路的傳輸速率以及二者時隙位置關(guān)系，從而確保時敏業(yè)務(wù)每次在星上以確定性時延完成轉(zhuǎn)發(fā)。主要貢獻總結(jié)如下：

(1)為了精準(zhǔn)地刻畫有線和無線融合調(diào)度對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延帶來的影響，首先對影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的因素包括：星間無線鏈路傳輸速率、星間無線鏈路調(diào)度機制和星內(nèi)有線鏈路調(diào)度機制進行分析與建模；其次聯(lián)合有線和無線鏈路傳輸速率以及二者時隙位置關(guān)系，構(gòu)建有線無線融合調(diào)度與星上轉(zhuǎn)發(fā)時延關(guān)聯(lián)分析模型。

(2)為了確保時敏業(yè)務(wù)每次在星上轉(zhuǎn)發(fā)時時延的穩(wěn)定性，在時延關(guān)聯(lián)分析模型基礎(chǔ)上，以抖動最小為融合調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)；該融合調(diào)度問題屬于典型的0-1規(guī)劃問題，因此，采用遺傳禁忌搜索啟發(fā)式算法進行求解；仿真結(jié)果表明，所提融合調(diào)度算法可保障抖動不高于40 μs，并且使得轉(zhuǎn)發(fā)時延平均降低了20%。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

衛(wèi)星編隊飛行網(wǎng)絡(luò)模型由衛(wèi)星節(jié)點v ∈V和鏈路e ∈E={Ew,Ewl}組成，其中ew∈Ew表示星內(nèi)有線鏈路，ewl∈Ewl表示星間無線鏈路。星內(nèi)有線鏈路ew由一系列的TSN終端和TSN交換機連接的邊構(gòu)成。星間無線鏈路ewl={(u,v)|u,v ∈V,u ?=v}由相鄰衛(wèi)星節(jié)點組成的邊構(gòu)成。在衛(wèi)星編隊飛行中，假設(shè)時敏業(yè)務(wù)流fi ∈F的循環(huán)周期為Ti，數(shù)據(jù)量大小為Bi，星上轉(zhuǎn)發(fā)時延需求為FDi，其中i ∈[1,N]，N表示網(wǎng)絡(luò)中時敏業(yè)務(wù)流的數(shù)目，F(xiàn)為時敏業(yè)務(wù)流集合。時敏業(yè)務(wù)流fi可以用5元組＜S,DS,T,B,FD＞fi表示，其中S表示時敏業(yè)務(wù)流的源端，DS表示時敏業(yè)務(wù)流的目的端。

有線無線融合調(diào)度研究思路如圖1所示。為了有效地避免時敏任務(wù)在傳輸時因信道競爭而在發(fā)送時間上產(chǎn)生數(shù)據(jù)碰撞或沖突，星內(nèi)有線鏈路采用TSN中最具時延保障的IEEE 802.1Qbv調(diào)度機制[19]，星間無線鏈路采用時分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)調(diào)度機制，以便通過時間段隔離的方式為時敏業(yè)務(wù)提供確定性時延保障服務(wù)。衛(wèi)星編隊飛行執(zhí)行任務(wù)之前，主衛(wèi)星負責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)中時敏業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量、發(fā)送周期和時延要求等；然后結(jié)合有線和無線調(diào)度機制、鏈路傳輸特性以及衛(wèi)星編隊飛行的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一計算出有線和無線時隙調(diào)度方案，并將計算的有線時隙調(diào)度集合O和無線時隙調(diào)度集合R下發(fā)至編隊中所有衛(wèi)星；編隊中衛(wèi)星只需按照計算結(jié)果中分配的時隙進行時敏業(yè)務(wù)傳輸。

2.2 星間無線鏈路傳輸速率

星間鏈路的存在是時變且動態(tài)的，這將會影響星間無線鏈路的傳輸速率，從而影響時敏業(yè)務(wù)在無線鏈路的傳輸時延。參考文獻[20-22]，星間無線鏈路ewl在時間t的可達傳輸速率為

其中，Luv(t)為自由空間衰落，表達式為

其中，Puv表示衛(wèi)星u到衛(wèi)星v的星間鏈路傳輸功率，Gu和Gv分別為衛(wèi)星u的傳輸功率增益和衛(wèi)星v的接收功率增益，b為玻爾茲曼常量，TP為系統(tǒng)總噪聲溫度，Eb為傳輸1 bit的信號功率，N0為噪聲功率譜密度，且N0=b·TP，c為光速，f為星間鏈路中心頻率，Suv(t)為衛(wèi)星u和衛(wèi)星v在時刻t的星間鏈路斜距。

依據(jù)文獻[23]，星間無線鏈路在單個時隙內(nèi)的信道狀態(tài)保持不變，故傳輸速率保持不變。因此，星間無線鏈路ewl傳輸數(shù)據(jù)量大小為Bi的時敏業(yè)務(wù)fi所花費的傳輸時延為

2.3 星間無線TDMA調(diào)度

星間無線鏈路采用TDMA調(diào)度機制，該機制將連續(xù)時間劃分為若干個等長時隙Lwl，多個時隙構(gòu)成一個TDMA超幀。依據(jù)IEEE 802.1Qat標(biāo)準(zhǔn)中定義的時敏業(yè)務(wù)流到達特性，可知時敏業(yè)務(wù)流的到達呈現(xiàn)周期性分布特征。為了使所有時敏業(yè)務(wù)流在TDMA超幀中整數(shù)倍出現(xiàn)，TDMA超幀長度H被設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)中所有時敏業(yè)務(wù)流周期Ti的最小公倍數(shù)Tcom，即

為確保終端產(chǎn)生的時敏業(yè)務(wù)能夠被無線鏈路及時調(diào)度，這里引入子周期時隙分配的思想，使得時敏業(yè)務(wù)在其產(chǎn)生周期內(nèi)被及時調(diào)度，從而避免數(shù)據(jù)積壓。對于周期為Ti的流fi，一個超幀H內(nèi)總共包含Mi=H/Ti個子周期。TDMA周期H與流fi子周期Ti之間的關(guān)系如圖2所示。超幀長度H=lcm{6, 8,12}=24，那么，這些流對應(yīng)的子周期個數(shù)分別為{M1,M2,M3}={4,3,2}。時敏業(yè)務(wù)流fi在第m個子周期的時隙號取值范圍為[ai,m,bi,m]，其中m ∈[1,Mi]。依據(jù)無線時隙編號的順序，可知子周期開始時隙號ai,m=(m-1)Ti/Lwl+1，結(jié)束時隙號bi,m=mTi/Lwl。

圖2 TDMA周期H與子周期Ti關(guān)系

對于周期為H的TDMA超幀，一個超幀總共被劃分為K=個時隙，表示向上取整。一個超幀內(nèi)的無線時隙調(diào)度用集合R={ri,j|i ∈[1,N],j ∈[1,K]}表示。決策變量ri,j ∈{0,1}表示無線時隙j是否被分配給流fi。若ri,j=1，則表示時隙j被分配給流fi；反之表示未被分配。為了避免時敏業(yè)務(wù)在無線鏈路傳輸時發(fā)生沖突，每個時隙j僅能被分配給1個時敏業(yè)務(wù)流fi，即

此外，分配給所有時敏業(yè)務(wù)流fi的時隙總數(shù)不能超過超幀中總的時隙數(shù)K，即

時敏業(yè)務(wù)流fi在第m個子周期內(nèi)需要的時隙個數(shù)si,m由其數(shù)據(jù)量大小Bi,m和單位無線時隙能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量Bmax決定，si,m具體計算公式為

星間無線鏈路調(diào)度時，TDMA機制以時隙長度Lwl對時敏業(yè)務(wù)進行分時隙發(fā)送，數(shù)據(jù)量大小為Bi,m的流fi分別需要si,m個時隙。為了確保時敏業(yè)務(wù)在有界時間內(nèi)調(diào)度且不會產(chǎn)生較大流量積壓，時敏業(yè)務(wù)流fi對應(yīng)的數(shù)據(jù)包必須在其子周期內(nèi)完成調(diào)度，也就是說子周期內(nèi)分配的時隙數(shù)應(yīng)等于時敏業(yè)務(wù)需要的時隙數(shù)，二者之間關(guān)系為

相應(yīng)地，TDMA超幀中分配的時隙總數(shù)不能超過總時隙數(shù)K，結(jié)合式(5)和式(7)可得

2.4 星內(nèi)有線IEEE 802.1Qbv調(diào)度

衛(wèi)星內(nèi)部有線終端和交換機均采用IEEE 802.1Qbv調(diào)度機制。為了在融合調(diào)度中保持調(diào)度的統(tǒng)一性，星內(nèi)有線調(diào)度的門控列表周期長度設(shè)置方式與星間無線調(diào)度中超幀長度的設(shè)置方式類似，其周期長度同樣被設(shè)置為時敏業(yè)務(wù)流周期的最小公倍數(shù)H。由于時敏業(yè)務(wù)對時延和抖動要求較高，而非時敏業(yè)務(wù)對時延和抖動無要求，故這里重點考慮時敏業(yè)務(wù)隊列的門控開關(guān)狀態(tài)。時敏業(yè)務(wù)流fi在星內(nèi)有線鏈路的調(diào)度集合用O={oi,g|i ∈[1,N],g ∈[1,G]}表示，其中oi,g ∈{0,1}表示有線時隙g是否被分配給流fi，取值為1時表示門開，隊列中的數(shù)據(jù)允許在時隙g中被調(diào)度；否則，相反。在有線鏈路時隙調(diào)度中，分配的時隙總數(shù)不能超過總的有線時隙數(shù)G，即

時敏業(yè)務(wù)流fi在一個子周期內(nèi)的有線時隙數(shù)目等于Ti/Lw，其中Lw為單位有線時隙長度。類似于TDMA中定義的子周期起止時隙號，時敏業(yè)務(wù)流fi在第m個子周期內(nèi)的有線時隙號取值范圍為[,] ，其中開始時隙號結(jié)束時隙號

3 有線無線融合調(diào)度問題建模

3.1 融合調(diào)度與轉(zhuǎn)發(fā)時延關(guān)聯(lián)分析

3.1.1 基于融合調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)時延構(gòu)成分析

對于時敏業(yè)務(wù)流fi而言，其在有線無線融合調(diào)度機制下的星上轉(zhuǎn)發(fā)時延主要受到星內(nèi)有線調(diào)度時隙、星間無線調(diào)度時隙、有線和無線鏈路傳輸速率等多種因素的共同影響，因此，轉(zhuǎn)發(fā)時延建模時需要綜合考慮這些因素。基于有線無線融合調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)時延構(gòu)成示意圖如圖3所示，以時敏業(yè)務(wù)流fi所在的第1個子周期為例，轉(zhuǎn)發(fā)時延Di,1由有線鏈路時間偏移δi,1、鏈路傳輸時延和無線鏈路排隊時延構(gòu)成。

圖3 基于有線無線融合調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)時延構(gòu)成

基于以上分析，可以得到時敏業(yè)務(wù)流fi在第m個子周期內(nèi)經(jīng)有線無線融合網(wǎng)關(guān)調(diào)度的轉(zhuǎn)發(fā)時延為

那么，時敏業(yè)務(wù)流fi在1個超幀內(nèi)的平均轉(zhuǎn)發(fā)時延為

在第m個子周期內(nèi)，有線鏈路時間偏移δi,m被定義為時敏業(yè)務(wù)流fi的產(chǎn)生時刻與分配給該流的有線時隙位置之間的時間偏差，具體計算公式為

傳輸時延指節(jié)點發(fā)送每個數(shù)據(jù)包至通信鏈路上所需要的時間，取決于數(shù)據(jù)包大小和傳輸速率之比。時敏業(yè)務(wù)流fi在第m個子周期內(nèi)的傳輸時延由有線鏈路傳輸時延和無線鏈路傳輸時延構(gòu)成，即

3.1.2 無線鏈路排隊時延分析

無線鏈路排隊時延被定義為數(shù)據(jù)包到達無線端口的時刻與分配給該包的無線發(fā)送時隙之間的時間偏差。為了實現(xiàn)有線和無線時隙的融合調(diào)度，時敏業(yè)務(wù)流fi的同一數(shù)據(jù)包p在星內(nèi)有線時隙的調(diào)度時刻必須優(yōu)先于星間無線時隙的調(diào)度時刻，二者之間關(guān)系表示為

當(dāng)有線時隙和無線時隙的調(diào)度達到融合時，時敏業(yè)務(wù)流fi在第m個子周期的無線排隊時延可以表示為

其中，p表示時敏業(yè)務(wù)流fi的第p個數(shù)據(jù)包，則在第m個子周期內(nèi)p的取值范圍為。布爾型變量和分別表示無線時隙j和有線時隙g是否被分配給時敏業(yè)務(wù)流fi的第p個數(shù)據(jù)包。有線時隙位置和無線時隙位置之間的時間差決定了數(shù)據(jù)包p的無線鏈路排隊時延，通過累加方式得到。

3.2 融合調(diào)度問題建模

為確保時敏業(yè)務(wù)在星上轉(zhuǎn)發(fā)時時延的穩(wěn)定性，結(jié)合有線無線融合調(diào)度與轉(zhuǎn)發(fā)時延關(guān)聯(lián)分析模型，將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為最小化衛(wèi)星編隊中所有時敏業(yè)務(wù)經(jīng)星上轉(zhuǎn)發(fā)的平均抖動

約束C1為布爾型決策變量，表示有線時隙g和無線時隙j是否被分配給時敏業(yè)務(wù)流fi。約束C2表示每個時隙j僅能被分配給一個時敏業(yè)務(wù)流fi。約束C3表示分配給所有時敏業(yè)務(wù)流fi的時隙總數(shù)不能超過單個超幀中總的時隙數(shù)K。約束C4表示有線時隙和無線時隙在融合調(diào)度中的位置關(guān)系，即分配給同一個數(shù)據(jù)包的有線時隙位置必須先于無線時隙。約束C5表示時敏業(yè)務(wù)流fi在任意一個子周期內(nèi)經(jīng)過有線無線融合網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)時延不大于規(guī)定的轉(zhuǎn)發(fā)時延要求。約束C6表示抖動Ji被定義為時敏業(yè)務(wù)流fi經(jīng)星上轉(zhuǎn)發(fā)的最壞時延max{Di,m}和最好時延min{Di,m}之差。

3.3 基于遺傳禁忌搜索的融合調(diào)度算法

在有線無線融合調(diào)度中，分配給時敏業(yè)務(wù)的有線和無線時隙均由布爾型變量確定，因而該類問題屬于典型的0-1規(guī)劃問題，且被證明為NP-Hard問題[18]。為了有效地求解融合調(diào)度優(yōu)化解，采用遺傳禁忌搜索啟發(fā)式算法。遺傳算法具有較好的全局尋優(yōu)能力，禁忌搜索算法具有良好的鄰域搜索能力，能夠打破局部最優(yōu)，加快新解的發(fā)現(xiàn)和搜索速度。因此，在遺傳算法全局優(yōu)化基礎(chǔ)上結(jié)合禁忌搜索算法鄰域搜索能力進行快速求解。基于遺傳禁忌搜索的融合調(diào)度算法(Converged Scheduling Algorithm based on Genetic Tabu Search, GTS-CSA)如算法1所示。

算法1 基于遺傳禁忌搜索的融合調(diào)度算法(GTS-CSA)

4 實驗驗證與結(jié)果分析

4.1 仿真場景設(shè)置

為了驗證有線無線融合的時隙調(diào)度方案的可行性和有效性，聯(lián)合衛(wèi)星工具包(Satellite Tool Kit,STK)和EXata網(wǎng)絡(luò)仿真工具搭建如圖4所示有線無線融合的衛(wèi)星編隊飛行仿真場景。編隊成員之間按照星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，并且保持編隊形狀和星間距離相對穩(wěn)定。編隊中的中心衛(wèi)星稱為主衛(wèi)星，其余為從衛(wèi)星，所有從衛(wèi)星通過星間鏈路將數(shù)據(jù)傳輸至主衛(wèi)星。在仿真實驗中，每顆衛(wèi)星內(nèi)部均有時敏終端周期性產(chǎn)生時敏業(yè)務(wù)，其余終端以泊松分布規(guī)律產(chǎn)生非時敏業(yè)務(wù)，其中時敏業(yè)務(wù)對時延和抖動要求極高，而非時敏業(yè)務(wù)對時延和抖動無要求。依據(jù)文獻[21]中星間鏈路可達速率計算公式，對于所設(shè)置的衛(wèi)星編隊飛行仿真場景，星間無線鏈路傳輸速率范圍為10～15 Mbit/s。為了避免流量積壓，仿真時將轉(zhuǎn)發(fā)時延需求設(shè)置為時敏業(yè)務(wù)的產(chǎn)生周期。根據(jù)文獻[1,6]對仿真實驗參數(shù)進行設(shè)置，主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖4 有線無線融合的衛(wèi)星編隊飛行仿真場景

4.2 性能對比與分析

為了驗證所提方案的效果，將GTS-CSA分別與動態(tài)TDMA系統(tǒng)(Dynamic TDMA System,DTS)[24]和實時WiFi(Real-Time WiFi, RT-WiFi)[25]時隙分配方案進行對比。接下來，本節(jié)將重點從時敏業(yè)務(wù)的平均抖動和衛(wèi)星節(jié)點的平均轉(zhuǎn)發(fā)時延兩大方面對比與分析不同時隙分配方案的性能。

4.2.1 時敏業(yè)務(wù)平均抖動分析

抖動性能指標(biāo)能夠很好地反映時敏業(yè)務(wù)在星上轉(zhuǎn)發(fā)時延變化的劇烈程度。為了驗證所提融合調(diào)度方案能夠確保時敏業(yè)務(wù)在星上獲得穩(wěn)定轉(zhuǎn)發(fā)時延，分別測試了不同時隙分配方案下的抖動。如圖5所示，隨著時敏業(yè)務(wù)流數(shù)目的增加，GTS-CSA平均抖動變化范圍為23～40 μs, DTS平均抖動變化范圍為21～75 μs, RT-WiFi平均抖動則呈現(xiàn)線性遞增趨勢。這是由于GTS-CSA預(yù)先按照時敏業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大小和時延需求進行時隙分配，并在時隙分配過程中優(yōu)先選取抖動最小的位置放置時延要求高的時敏業(yè)務(wù)。DTS按照變化的時敏業(yè)務(wù)量周期性動態(tài)分配時隙，從而導(dǎo)致每次時隙分配獲得的時延值均不相同，因而抖動變化范圍較大。RT-WiFi按照終端編號從小到大依次為時敏業(yè)務(wù)分配時隙，然而，實際過程中終端產(chǎn)生的業(yè)務(wù)并非按照終端編號順序依次產(chǎn)生。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中時敏業(yè)務(wù)流的數(shù)目增加時，RT-WiFi這種基于編號順序的固定時隙分配方法無法適應(yīng)變化的業(yè)務(wù)量需求，分配的時隙無法與業(yè)務(wù)到達規(guī)律匹配，必然會帶來較大抖動。

4.2.2 衛(wèi)星節(jié)點平均轉(zhuǎn)發(fā)時延分析

時敏業(yè)務(wù)流在衛(wèi)星節(jié)點的平均轉(zhuǎn)發(fā)時延如圖6所示。隨著時敏業(yè)務(wù)流數(shù)目的增加，3種時隙分配方案的轉(zhuǎn)發(fā)時延均呈現(xiàn)上升趨勢。原因在于時敏業(yè)務(wù)流數(shù)目增加時會使得編隊中總的數(shù)據(jù)量增大，需要分配的時隙總數(shù)增加，從而導(dǎo)致傳輸時延和排隊時延增加，那么，時敏業(yè)務(wù)的平均時延也會相應(yīng)增加。此外，當(dāng)時敏業(yè)務(wù)流數(shù)目相同時，GTS-CSA的平均時延相比另外兩種方案平均降低了20%。這是由于GTS-CSA引入子周期時隙分配思想，確保時敏業(yè)務(wù)在其發(fā)送周期內(nèi)完成調(diào)度，避免跨周期傳輸帶來的額外時延。RT-WiFi和DTS方案未聯(lián)合分配有線和無線時隙，這可能導(dǎo)致有線鏈路到達的數(shù)據(jù)包錯過為其分配的無線時隙，無法在其發(fā)送周期內(nèi)被及時調(diào)度，需要延遲到下一個無線調(diào)度周期，因而無線鏈路的排隊時延增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)時延增加。由此可見，GTS-CSA能夠有效地減小時敏業(yè)務(wù)在衛(wèi)星節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)時延。

圖6 時敏業(yè)務(wù)的平均轉(zhuǎn)發(fā)時延

5 結(jié)束語

針對衛(wèi)星編隊飛行時星內(nèi)有線和星間無線鏈路傳輸特性和調(diào)度機制不同而引起的時敏業(yè)務(wù)在星上轉(zhuǎn)發(fā)時延不穩(wěn)定的問題，本文提出了一種有線無線融合的時隙調(diào)度方案。首先建立了星內(nèi)有線和星間無線時隙融合調(diào)度與衛(wèi)星節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時延關(guān)聯(lián)分析模型；然后以該時延分析模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了抖動最小的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以確保時敏業(yè)務(wù)在星上穩(wěn)定轉(zhuǎn)發(fā)；最后通過遺傳禁忌搜索算法求解融合調(diào)度優(yōu)化解。仿真結(jié)果表明，所提時隙融合調(diào)度方案能夠有效地為時敏業(yè)務(wù)提供確定性和低時延保障。未來研究工作將探討面向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的無線多跳時隙分配方案，以獲得端到端確定性時延保障。