有线无线融合的卫星时间敏感网络流调度研究

徐 川 刘俊斌 邢 媛 石 东 赵国锋

(重庆邮电大学通信与信息工程学院 重庆 400065)

1 引言

随着航空航天、移动通信等新技术的快速发展，空间信息网络(Space Information Network,SIN)已经成为未来网络的主要发展方向，也是我国“十四五”重大战略规划方向之一[1,2]。然而，随着全球感知、应急通信、遥感遥测、远程指控等时间敏感型业务的不断增长，星内、星间航天信息系统通信性能要求日益严格[3]。一方面，要求航天器内部有线网络的高带宽和高实时性；另一方面，航天器之间通过星间链路组网，星间链路也应具备低时延及高资源利用率。那么，如何同时保证星内和星间链路的实时性是提升卫星网络通信性能的关键。当前，解决实时性传输问题的主流技术是IEEE 802.1工作组提出的时间敏感网络(TSN)技术[4]。TSN通过集成时间同步、资源管理、门控制调度、抢占机制和无缝冗余等关键技术，不但能够基于传统以太网实现时敏业务的实时传输，同时保证对尽力而为非时敏业务的兼容[5]。目前，TSN技术主要应用于工业和车载等有线网络[6,7]，并逐步扩展至WiFi, 5G前传网络和航空航天等领域[8–10]。

工业界正着力推进TSN技术在航空航天领域的应用，2019年，国际自动机工程师学会负责航电系统网络规范制定的SAE AS-1A工作组开始寻求与IEEE 802.1 TSN工作组联合，共同制定TSN在航空航天领域应用的规范AS6675，标志着航空航天领域可能成为未来TSN重要的应用场景。2020年1月，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)负责的星载网络项目也启动了时间敏感网络的研究工作。Chaine等人[11]从支持终端数、数据速率、配置和管理难易程度和低时延等方面分析了TSN应用在卫星内部对服务质量(Quality of Service, QoS)的支持，并且参考SAVOIR(Space AVionics Open Interface aRchitecture)架构给出了一种基于以太网的星内网络拓扑连接图。从已有文献来看，现有空间任务实时传输的解决方案主要关注卫星内部有线网络。

近年来，有线TSN与WiFi和5G无线网络融合正成为学术界的研究热点。文献[12]提出了一种支持实时性的混合网络架构SHARP(Synchronous and Hybrid Architecture for Real-time Performance)，该架构包含了有线TSN和基于IEEE 802.11的无线TSN两部分，指出无线接入链路采用TDMA接入方式，同时给出了简单的有线无线联合分配方案，给定了每条流在每段链路的发送时刻，但灵活性差，且仅适用于少数节点联合分配。关于5G与TSN网络的联合分配，文献[13]分析了在工业闭环系统中5G与TSN集成的网络架构。文献[14]基于上述融合架构建立有线TSN和无线5G网络的约束机制，并且通过启发式算法求解出端到端的联合优化解。但现有有线无线融合调度的方法仅考虑了两种网络结合时，在不同网络中采用不同的调度方法，并未考虑两种网络融合时进行一致性调度，而有线和无线链路特性以及调度机制的差异性将引起的数据包转发不稳定。不同于地面网络，数据经卫星节点传输，必须经过内部有线链路的转发才能到达无线链路进行转发。然而，由于星内和星间通信机制不同，星内有线链路和星间无线链路传输特性差异大，时敏业务数据在星内有线链路与星间无线链路交互时，容易引发节点拥塞；同时，时敏业务数据在有线链路与无线链路的传输时隙如不能有效匹配，会造成时敏数据延迟到下一个转发周期，将无法保障时敏业务的实时传输。

因此，针对时敏业务数据在星内有线和星间无线链路调度的一致性问题，本文提出了一种有线无线融合的时敏网络流调度方案，首先对无线基于TDMA时隙分配进行分析，其次结合无线时隙位置的放置对有线侧门控位置进行刻画，然后通过对无线与有线时隙位置放置的一致性刻画来构建时隙融合调度与时延关系模型，并以全网时敏业务端到端平均时延最小为优化目标，对时隙融合分配问题进行建模，最后采用增强精英保留遗传算法对时隙分配方案进行快速求解。为验证所提方案有效性，首先通过Pycharm平台对本文时隙分配算法进行对比测试，然后基于EXata网络仿真平台搭建低轨卫星网络场景，验证本文流调度方案性能。实验结果表明，相对于现有方法，本文时隙分配算法对时延能够提升约40%，并针对当前典型的空间任务端到端时延需求，本文流调度方案能够完全满足其需求，且提供更加高效的传输保障。

2 有线无线融合调度问题

2.1 问题描述

如图1所示，各卫星以星群形式去执行某种飞行任务，比如应急通信、遥感回传等。整个卫星编队由中心节点和成员节点两类节点构成，其中心节点一方面充当TSN控制器用于获取网络中各节点的全局状态信息并进行决策的下发；另一方面负责响应地面信关站应急、遥感等指令。卫星之间采用TDMA的接入方式，一跳可达，构成星间TSN网络。星内由TSN终端、TSN交换机、TSN网关以有线以太网方式组成星内TSN网络，其中TSN交换机负责完成时敏业务和普通业务优先级区分、802.1Qbv门控调度等操作；TSN网关负责将星内有线侧数据转发到无线链路以及接收星间无线侧数据。

图1 有线无线融合的多卫星编队网络

但在上述有线无线融合网络中，由于卫星内部有线链路与星间无线链路差异性大，有线侧速率要大于无线链路速率[15]，无线链路成为调度瓶颈，容易引起节点拥塞问题。因此，如何联合分配有线和无线时隙，使得数据能无缝地从有线至无线双向传输，达到无等待调度，是本文需要解决的关键问题，该联合调度有以下两个难点。

(1) 星间无线时隙分配。为了保障时敏业务的时延要求，低轨卫星编队网络可以采用TDMA的接入方式[16]，目前研究仅侧重于时隙数量分配方法，对时隙如何放置研究甚少。但是不合理的时隙位置放置，会对业务造成严重的等待时延，因此首先需要为卫星内部各个时敏终端合理地分配无线时隙位置。

(2) 星内有线时隙分配。为卫星内部各时敏终端分配好无线时隙后，还需要为卫星内部TSN终端匹配到达卫星输出端口。采用IEEE802.1Qbv调度机制后，虽然能够让星内时敏业务传输确定，但是如不能根据无线时隙分配控制门开关，其时延还是无法保障。

如图2所示，d1为一个卫星内部TSN终端，在TDMA超帧中为其分配了如图2所示时隙，有线门控位置如下，由于有线和无线时隙分配的不连续，从有线侧调度出的数据需要等待一定的时间才能发送出去。可见，联合分配有线和无线时隙，使数据能无缝地从有线至无线链路传输，达到无等待调度，是业务数据实时性保障的关键。

图2 有线无线时隙位置不匹配

2.2 融合系统模型

图3 系统模型图

3 有线无线时隙匹配与时延关系分析

当有线和无线时隙不匹配时，从有线侧调度出的数据需要等待一定的时间才能从无线链路发送出去，由此可见，数据在有线侧和无线侧的融合时隙位置会严重影响业务时延。本节将详细分析无线和有线时隙与时延的关系。

3.1 无线TDMA时隙

为了确保时延有界传输和终端需求反馈，本文在星间链路采用混合TDMA/CSMA接入机制。在TDMA阶段传输数据，保证时延有界传输，在CSMA阶段各终端进行时隙协商和任务切换，满足不同终端需求反馈。在卫星编队执行某项任务前，将进入CSMA阶段，各卫星内部需要执行无线通信任务的时敏终端将其业务量大小、发送周期等信息上报给TSN控制器，随后TSN控制器为终端计算出最优时隙表。而后，卫星进入TDMA阶段，此时各终端开始产生业务并进行数据的发送和接收，将该阶段划分为若干等长的时隙，每个时隙只允许1个卫星内部终端进行数据传输。在本次任务还未执行完成前，卫星编队将重复TDMA阶段，直至任务结束。下一任务开始时，卫星编队将重新进入CSMA阶段协商，重新进行TDMA阶段的数据发送。

图4 超帧结构

3.2 有线IEEE802.1Qbv门控列表

4 有线无线融合的时敏网络流调度

4.1 有线无线融合时隙分配与时延计算

图5 有线无线融合时隙

4.2 问题建模

建立的目标规划问题包括：制定一个多终端的有线无线融合的卫星时间敏感网络场景，考虑一体化地分配TSN终端无线和有线的时隙，以其端到端平均时延最小为目标，获得最优的分配策略。其目标函数为

4.3 时隙分配快速求解算法

由于上述问题属于NP-hard问题，此类问题一般采用启发式算法进行求解，故本文为了快速计算最优网络时延，采用基于增强精英保留遗传算法进行时隙分配方案求解，相比普通遗传算法，该算法可以能够避免遗传算法中最优个体因选择、交叉等操作被破坏的问题，从而能够有效改进收敛速度[18]，记为TSN-GA。其伪代码如表1所示，算法流程步骤如下：

表1 TSN-GA算法

步骤6 判断进化代数是否达到最大值，若达到则输出最优网络平均时延和最佳时隙位置，否则返回步骤3，对应伪代码中的(11)～(16)行。

5 性能测试及分析

由于类似于本文提出的有线无线融合的流调度方法还未见报道，故本文首先通过Pycharm平台对所提的流调度策略中的无线时隙分配方法进行理论验证分析，通过将本文时隙分配方法与实时WiFi(Real-Time WiFi, RT-WiFi)时隙分配方案[19]和自适应时隙分配方案[20](ADaptive WiFi, ADWIFI)进行仿真对比，验证本文方案的有效性；其次，在网络仿真平台EXata中开发实现本文所提流调度方案的各功能模块，设计卫星编队网络仿真场景，对所提方案的可行性进行实验验证。

5.1 算法性能理论仿真对比

本小节分别对本文TSN-GA, RT-WiFi, ADWiFi进行了仿真对比，为了进行公平的比较，本文选择了20个不同的TSN终端，数据量从350 kbps增大至4000 kbps，且整个网络中仅有TSN流量，无任何干扰流量。

如图6(a)所示，在采用本文时隙分配方案后，随着设备数的上升，网络平均时延相对于其他两种方案提升明显增加，当设备数量为20时，本文方案平均时延控制在11 ms，而RT-WiFi平均时延25 ms，ADWiFi超过了40 ms。当设备数增多时，ADWiFi方案平均时延剧烈上升，这是由于ADWiFi使用CSMA时隙传输TSN流，设备数较少时，其效率更高，但设备数增多时，其碰撞概率增大，无法保障其时延。图6(b)所示为采用本文TSN-GA, RT-WiFi以及ADWiFi方案时，网络中TSN分组过期率，当分组在各自发送周期内未成功调度出去时，称该分组过期。TSN-GA的分组过期率为零，这是由于采用本文流调度策略后，TSN终端在发送周期内一定会分到时隙将其调度出去，而RT-WiFi采用连续分配的方式，当前周期内的分组可能会等到下一周期才能被调度出去。ADWiFi由于采用CSMA方式传输TSN流，在网络负载较少的情况下，其碰撞少，分组能在发送周期内调度出去，但是当负载增大时，碰撞增多，其分组过期率将会增大。

图6 时隙分配方案性能对比

5.2 网络仿真平台验证分析

根据文献[21]给出如表2所示的卫星编队初始化参数。其中a, e, i,Ω, w, f依次为半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点俯角、真近点交角。

将表2的各类参数分别导入卫星工具包(Satellite Tool Kit, STK)中，然后生成可以在EXata运行的config文件，再将config文件导入EXata，而后在EXata中搭建有线侧场景，从而构成如图7所示的有线无线融合的卫星编队仿真场景。

表2 编队卫星的参数设置

如图7所示，星间有7颗卫星，卫星之间以TDMA的方式组成一个卫星子网，传输速率为11 Mbps，星间距离最长设置为60 km。星内通过TSN交换机以有线以太网方式组网，交换机输出端口运行802.1Qbv协议，靠近卫星输出端口有TSN网关，网关无线MAC层开发了TDMA协议，有线侧MAC层开发了802.1Qbv协议。卫星内部带宽设置为100 Mbps，链路传播时延设置为1 μs。其分组大小参考文献[22]中北斗卫星中的各种业务量大小，为了测试本文提出的流调度策略的有效性，网络中除了表3的TSN流外，加入部分非TSN流：终端30向终端16、终端16向终端29发送速率为1 Mbps的非TSN流，且一直增加至20 Mbps。

表3 实验参数设置

图7 有线无线融合的卫星时间敏感网络仿真场景

如图8(a)所示，当增大非TSN流时，TSN流时延基本稳定不变，这是由于采用TSN-GA算法后，能够联合调度有线和无线资源，优先保障了TSN流发送。其次快速位置报告信息平均时延要略低于其他两种业务，这是由于在发送周期内业务量低于其余两种任务；最后从图中可以看出3种任务的时延性能均远超过文献[17]提到的国际电信联盟标准TS22.105协议中规定的卫星任务端到端时延要求。如图8(b)所示，随着星间链路速率的上升，TSN流时延呈现一个下降趋势，特别是星间速率为30 Mbps和40 Mbps时，其时延下降较为明显。这是由于星间链路在30 Mbps时，各业务在单个时隙内可以传输完周期内的数据量，故所需时隙个数下降，从而降低业务时延。在40 Mbps时，其单个时隙长度减小，故可以降低业务等待时延。当星间链路速率再次提高时，其时延变化不大，这是由于此时时隙长度稳定为250 μs，只能降低整个网络的传输时延。

图8 有线无线融合流调度性能测试

6 结束语

针对时敏业务数据在星内有线和星间无线链路调度的一致性问题，本文提出了一种有线无线融合的时敏网络流调度方案，基于TSN控制器收集时敏终端业务的需求，对有线和无线链路资源与终端时延关系进行分析和建模，并以此构建以全网时敏业务端到端最小平均时延为优化目标，为满足实时计算要求，采用基于增强精英保留遗传算法进行时隙分配方案的快速求解。理论仿真和网络仿真测试均表明，本文提出的流调度方案通过联合调度有线和无线资源后能够保障空间任务流的实时性要求。在未来的研究工作中，将进一步研究多跳卫星节点之间业务实时传输问题。