胡富國，劉晨陽,黎 軍，王 佳，李靜玲，姚明旿

(1.西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，西安 710071；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實驗室，西安 710000)

0 引言

隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，衛(wèi)星通信技術(shù)[1-6]倍受關(guān)注。近年來，層出不窮的空天應(yīng)用和多種多樣的太空探索任務(wù)對多個衛(wèi)星或航天器之間的分布式協(xié)同提出了新的要求，例如太空垃圾的收集和躲避、分布式空間電力生產(chǎn)與傳輸?shù)膮f(xié)同調(diào)度等。但是，不論中低軌編隊衛(wèi)星還是高軌衛(wèi)星，星間鏈路都會隨著軌道運(yùn)動的變化而變化，使端到端通信時延與通信網(wǎng)絡(luò)的不確定性增強(qiáng)，從而帶來分布式平臺網(wǎng)絡(luò)不具備支持分布式協(xié)同工作所需的確定性。本文通過引入一種確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——時間敏感網(wǎng)絡(luò)[7-11]，來改善衛(wèi)星動平臺上通信系統(tǒng)的確定性服務(wù)能力。

TSN網(wǎng)絡(luò)以音視頻橋接技術(shù)(audio video bridging，AVB)為基礎(chǔ)，融合多種協(xié)議組成統(tǒng)一框架，使得交換式以太網(wǎng)具備時間同步、低時延和帶寬保證。同時，TSN作為一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議技術(shù)，具備優(yōu)秀的開放性與標(biāo)準(zhǔn)性，有利于工業(yè)控制領(lǐng)域中多種協(xié)議相互兼容[12]。除了保證高質(zhì)量的專業(yè)音視頻流服務(wù)，TSN在工業(yè)生產(chǎn)控制、車載智能技術(shù)、航空電子、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及5G前后傳等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景[12-16]。

TSN技術(shù)主要依賴固網(wǎng)光纖通信鏈路的確定性和可靠性，雖然一些衛(wèi)星或其它航天器之間的通信鏈路(如空間光)帶寬和質(zhì)量可與光纖鏈路媲美，要想將TSN技術(shù)應(yīng)用于動態(tài)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺，仍有大量基本問題需要解決。因此，本文重點(diǎn)研究了在衛(wèi)星分布式協(xié)同工作的動平臺上如何實現(xiàn)TSN門控調(diào)度的問題。結(jié)合動平臺上衛(wèi)星鏈路運(yùn)動特性，通過動態(tài)調(diào)整門控調(diào)度時刻，并設(shè)計周期性門控調(diào)度機(jī)制，我們初步證明通過鏈路層調(diào)度技術(shù)能夠提供一定程度的確定性服務(wù)能力[17]。動平臺下應(yīng)用TSN技術(shù)不僅開辟了衛(wèi)星組網(wǎng)應(yīng)用新領(lǐng)域，同時也為TSN技術(shù)未來發(fā)展提供了新思路。

1 門控調(diào)度技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)TAS算法中門控調(diào)度技術(shù)

在IEEE 802.1Qbv協(xié)議中提出了門控調(diào)度技術(shù)TAS。該算法基于時分復(fù)用原理，將網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)按照確定長度分為不斷重復(fù)的傳輸周期。一個周期時間內(nèi)，系統(tǒng)可以分配不同的時間片資源給一種優(yōu)先級業(yè)務(wù)類型，特別是時間敏感類業(yè)務(wù)。TAS的基本目的是保證時間敏感類業(yè)務(wù)(高優(yōu)先級幀)不會因為傳輸端口被低優(yōu)先級幀占用而增加傳輸時延。

圖1給出了簡單的TAS示意圖。系統(tǒng)把每一個周期分成兩個時間片，第一個時間片內(nèi)僅僅允許最高優(yōu)先級幀(優(yōu)先級為7)傳輸，其他7種優(yōu)先級幀在第二個時間片內(nèi)進(jìn)行傳輸。因為第二個時間片內(nèi)有多種業(yè)務(wù)幀，所以需要在該時間片內(nèi)按照嚴(yán)格優(yōu)先級調(diào)度算法處理數(shù)據(jù)幀。

圖1 TAS調(diào)度開啟保護(hù)窗口Fig.1 The TAS schedule opens the protection window

在圖1的基礎(chǔ)上，假如在周期n中的第二個時間片結(jié)束之前，隊列中新進(jìn)入一個數(shù)據(jù)幀，但是該幀的長度超過了預(yù)留的剩余時間，并且該幀不能夠被搶占，則只能占用下個周期內(nèi)的時間片，這就導(dǎo)致原先預(yù)定在下一個周期傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀時延增加。為此802.1Qbv協(xié)議提出保護(hù)帶概念。保護(hù)帶內(nèi)只允許正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀傳輸，其他新業(yè)務(wù)幀不可以進(jìn)行傳輸。保護(hù)帶的寬度必須能夠確保最大數(shù)據(jù)幀順利完成傳輸。帶有保護(hù)帶的TAS開啟保護(hù)窗口的情況如圖2所示。

圖2 TAS調(diào)度開啟帶有保護(hù)帶的保護(hù)窗口Fig.2. The TAS schedule opens a protected window with a protected band

每一個輸出端口都通過門控列表(gate control list，GCL)來控制對應(yīng)優(yōu)先級的發(fā)送許可。GCL表中，O代表門狀態(tài)為開，C代表門狀態(tài)為閉，從而控制各隊列中數(shù)據(jù)幀是否進(jìn)行傳輸。如圖3所示，反映了門控列表和門操作聯(lián)合作用的實現(xiàn)原理。

圖3 門控列表與門操作原理Fig.3 Gating control list and gate operation principle

結(jié)合上述內(nèi)容，可以采用門控調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)TAS保護(hù)窗口的開啟。如圖4所示，仍然以最高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀為例。

圖4 采用門控技術(shù)開啟保護(hù)窗口Fig.4 Using the gating technology to open a protection window

T1時刻通過門控列表配置8個隊列的門狀態(tài)，分別為OCCCCCCC(從左至右優(yōu)先級遞減)，隊列7的門狀態(tài)為開，其余門狀態(tài)均為閉；T2時刻再次配置8個隊列的門狀態(tài)，分別為COOOOOOO，隊列7的門狀態(tài)為閉，其余門狀態(tài)均為開。所以T1與T2時間段內(nèi)端口只傳輸了優(yōu)先級為7的數(shù)據(jù)幀，相當(dāng)于給傳輸隊列7開啟了數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)谋Ｗo(hù)窗口。

在傳統(tǒng)TAS算法的門控調(diào)度機(jī)制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究動平臺上TAS調(diào)度算法，改進(jìn)動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)。

1.2 動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)

基于動平臺上衛(wèi)星通信鏈路特征，將傳統(tǒng)門控調(diào)度技術(shù)改進(jìn)為動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)，充分利用TSN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，增加動平臺上通信網(wǎng)絡(luò)的確定性。在衛(wèi)星鏈路存在兩種鏈路時延——攝動等因素引起的隨機(jī)延遲以及軌道變化引起的距離周期性變化引入的傳播時延，本文將分別以兩種不同策略應(yīng)對兩種時延情況——通過保護(hù)帶寬吸收抖動時延，利用周期性延遲開門時間擬合鏈路距離動態(tài)變化來適應(yīng)周期性變化的遠(yuǎn)距離傳播時延。這樣兩種星間鏈路延遲，共同構(gòu)成鏈路總延遲時間 ，即在原有TAS調(diào)度技術(shù)基礎(chǔ)上，通過控制門狀態(tài)執(zhí)行時間來實現(xiàn)星間動態(tài)門控鏈路業(yè)務(wù)調(diào)度，如圖5所示。

圖5 動態(tài)門控延遲圖Fig.5 Dynamic gating delay diagram

保護(hù)帶的動態(tài)變化，可減少帶寬資源的浪費(fèi)，對攝動等因素引起的隨機(jī)時延進(jìn)行吸收，如圖6所示。通過調(diào)整保護(hù)窗口開始時間，增加保護(hù)帶寬度，每次在門控列表開始執(zhí)行之前，加入鏈路隨機(jī)延遲時間，以緩沖衛(wèi)星攝動引入的時延變化。圖中不同的窗口代表不同時間段的延時，同時窗口持續(xù)時間保持不變。另外，隨機(jī)時延在真實衛(wèi)星場景下并不能準(zhǔn)確預(yù)測，在保護(hù)窗口中間或保護(hù)窗口開啟之前，數(shù)據(jù)幀已在隊列中等待，影響鏈路的不可控因素造成無法精確吸收抖動時延，只能最大程度上削弱由抖動帶來的時延誤差。工程實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)幀進(jìn)入保護(hù)帶之前需要判斷能否完整傳輸，此時需要獲取隊列信息中下一幀幀長信息并將其轉(zhuǎn)換為時鐘計數(shù)。

圖6 保護(hù)帶動態(tài)吸收隨機(jī)抖動時延Fig.6 Dynamic absorption of random jitter by the protection band

在動平臺下由于攝動等因素引起的隨機(jī)時延抖動會影響數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)的傳輸，所以采用上述動態(tài)調(diào)整的門控調(diào)度可以非常有效的吸收隨機(jī)時延抖動，保證數(shù)據(jù)幀可以在保護(hù)窗口開啟時間段內(nèi)完成傳輸，改善系統(tǒng)的傳輸性能。

2 周期性門控調(diào)度技術(shù)

對于由距離變化引起的時延，可通過調(diào)整門控起始時間來接收數(shù)據(jù)幀。這種時延變化可以通過星間距離感知模塊來預(yù)測。如圖7所示，假設(shè)門控開門周期為T，傳統(tǒng)802.1Qbv門控只需在固定時間點(diǎn)開啟門控列表執(zhí)行，而動態(tài)門控開門時間則可在距離變化的影響下呈現(xiàn)周期性變化，如圖中門控延遲t可根據(jù)星間傳播時延進(jìn)行周期性調(diào)整。

圖7 調(diào)整開門時間吸收可預(yù)測距離變化時延Fig.7 Adjusting the opening time to absorb the predicted distance variation delay

3 動態(tài)門控調(diào)度的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 動態(tài)門控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

基于上述內(nèi)容，我們對動態(tài)門控調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了初步的設(shè)計實現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 動平臺上門控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.8 Design diagram of gate control scheduling system of dynamic platform

其中，距離檢測模塊主要對當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判斷，判斷當(dāng)前鏈路跨距；門操作控制模塊在相關(guān)信號控制下執(zhí)行門控列表，并將各個隊列當(dāng)前的門狀態(tài)信息送至選擇傳輸模塊；選擇傳輸模塊根據(jù)協(xié)議使能信號，執(zhí)行相應(yīng)的傳輸選擇算法將當(dāng)前時刻最符合發(fā)送條件的隊列信息放入寄存器中；傳輸控制模塊從寄存器標(biāo)識的隊列中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，同時將當(dāng)前執(zhí)行傳輸操作的隊列信息送出；門操作調(diào)節(jié)模塊利用經(jīng)過改進(jìn)的802.1Qbv狀態(tài)機(jī)，在準(zhǔn)動態(tài)平臺上的通信鏈路中利用保護(hù)帶寬的變化來吸收由攝動、抖動等因素產(chǎn)生的隨機(jī)時間延遲；準(zhǔn)動態(tài)平臺上TAS調(diào)度主要由門操作控制模塊調(diào)整開門時間來精確控制。

3.2 動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)

通過FPGA開發(fā)板進(jìn)行了實際仿真測試，獲得傳統(tǒng)門控調(diào)度技術(shù)和動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)的實驗結(jié)果。

傳統(tǒng)門控調(diào)度測試結(jié)果如圖9所示，門控列表中包含兩條表項，并且每條表項持續(xù)相同時間(可根據(jù)需求配置門控列表)，當(dāng)門控使能(Gate_Enabled)信號有效時，調(diào)度系統(tǒng)隨即產(chǎn)生周期開始(CycleStart)信號并開始執(zhí)行門控；退出定時器(ExitTimer)表示當(dāng)前表項持續(xù)時長，當(dāng)其值遞減為0，預(yù)示當(dāng)前表項執(zhí)行完成并切換至下一表項。

圖9 傳統(tǒng)門控調(diào)度執(zhí)行結(jié)果Fig.9 Execution results of traditional gating scheduling

如圖10所示，CycleStart信號呈周期性脈沖變化，表項序號(ListPointer)呈周期輪換。由于工程中僅設(shè)置SR_A類數(shù)據(jù)流，因此當(dāng)執(zhí)行第一個表項時數(shù)據(jù)幀無法進(jìn)行傳輸(SR_A類對應(yīng)進(jìn)入7隊列，其門控開關(guān)為0，處于關(guān)閉狀態(tài))，當(dāng)執(zhí)行至第二個表項時，數(shù)據(jù)開始傳輸，由下圖結(jié)果可知，傳統(tǒng)門控系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖10 周期性產(chǎn)生CycleStart信號Fig.10 Periodically generating a CycleStart signal

動態(tài)門控測試結(jié)果如圖11所示，CycleStart并沒有在第一時間置高，等待鏈路時延完成之后，產(chǎn)生脈沖信號激勵門控表項執(zhí)行。從圖中ListPoniter可見，延遲狀態(tài)正常輪轉(zhuǎn)，并在當(dāng)前延時結(jié)束后，利用標(biāo)志信號(flag)時刻更新當(dāng)前衛(wèi)星鏈路所處運(yùn)行位置，以便確定下一階段開啟時的延遲時間。同時，在保護(hù)窗口傳輸中必須考慮剩余傳輸時間能否傳輸下一幀數(shù)據(jù)，通過門狀態(tài)定時器與下一幀幀長即可判斷。

圖11 動態(tài)門控調(diào)度執(zhí)行結(jié)果Fig.11 Execution results of dynamic gating scheduling

針對動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)，CycleStart信號也需要相應(yīng)的動態(tài)周期性產(chǎn)生，保證有效控制狀態(tài)機(jī)變化，從而實現(xiàn)保護(hù)窗口開啟時刻的動態(tài)調(diào)整功能。CycleStart信號的動態(tài)周期性產(chǎn)生如圖12所示。

圖12 動態(tài)周期性產(chǎn)生CycleStart信號Fig.12 CycleStart signal is generated dynamically and periodically

圖9到圖12的測試結(jié)果表明，動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)比現(xiàn)有門控調(diào)度技術(shù)能更好的適應(yīng)衛(wèi)星鏈路動態(tài)性，同時體現(xiàn)了動態(tài)門控調(diào)度技術(shù)在動平臺場景下的可行性。

4 結(jié)論

本文研究了動平臺上時間敏感網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)門控調(diào)度系統(tǒng)。針對動態(tài)門控調(diào)度的鏈路時延問題，分別從通過保護(hù)帶寬GuardBand吸收隨機(jī)抖動時延和周期性控制門控調(diào)度這兩個方面，提出在鏈路動態(tài)性變化條件下的確定性傳輸方案，一方面，更好的對高優(yōu)先級確定性業(yè)務(wù)提供保護(hù)；另一方面，能夠更多的節(jié)省帶寬用于低優(yōu)先級業(yè)務(wù)。最后，對兩種改進(jìn)的調(diào)度方法分別進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，本設(shè)計方案符合項目需求且各功能模塊符合預(yù)期結(jié)果。本文提出的上述動態(tài)鏈路確定性業(yè)務(wù)控制的概念和方法之前未見報道，希望對動平臺上的確定性服務(wù)質(zhì)量保證技術(shù)研究有所啟發(fā)。