有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法组成比例

本发明专利技术涉及卫星时间敏感网络通信技术领域，具体涉及一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法；所述分配方法包括TSN控制器收集TSN终端的业务需求，为所有TSN终端确定无线时隙资源，根据无线时隙资源的分配结果确定有线链路资源；以网络中TSN终端之间端到端最小平均时延为优化目标，将无线时隙资源和有线链路资源分别与TSN终端的时延关系建立出时隙分配模型；采用整数非线性规划算法对时隙分配模型快速求解，求解有线无线融合的时隙分配方案；本发明专利技术首先为网络中所有TSN终端分配无线时隙资源，再根据其分配结果为每个TSN终端分配有线时隙资源，从而使有线侧调度出数据后刚好能无缝地从无线链路发送，达到无等待调度。

【技术实现步骤摘要】
有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法
本专利技术涉及卫星时间敏感网络通信
，具体涉及一种有线无线融合的卫星TSN网络时隙分配方法。
技术介绍
由于通信网络技术和航天技术的发展，目前地面的有线和无线通信技术不能满足人们日益增长的对信息和数据传输的需求。作为解决地面网络覆盖范围限制的有力补充，空间信息网(SpaceInformationNetwork，SIN)能够在空间、宇宙和地面之间进行通信。空间信息网的主干网是多颗卫星及其星座组成的卫星网络，以其覆盖范围广、全天候、高宽带的服务优势，在军事和民用领域都起着不可替代的作用。特别是近年来，多卫星编队飞行(MultipleSatelliteFormationFlying，MSFF)得到了相当大的关注，它提供了一种新颖的概念，可以将大型卫星的功能分配到几个较小的，较便宜的卫星中，以增强未来太空飞行的性能。多卫星编队一般执行任务多种多样，不同的任务会有不同的业务产生，而且业务的时延需求不尽相同，那么如何保证卫星编队系统中星内、星间链路网的实时性和确定性是提升网络通信性能的关键。时间敏感网络(timesensitivenetwork,TSN)通过集成时间同步、门控制调度、抢占机制等关键技术在链路层保证数据在网络中传输的确定性时延。为满足星内、星间时敏业务的通信需求，引入TSN技术来提升星内、星间通信的时延确定性十分必要。2019年，SAE开始制定TSN在航空航天领域的规范AS6675(ATP：AerospaceTSNprofile)，意味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，空客防务与空间(AirbusDefence&Space)部门以及法国宇航实验室(ONERA)的研究人员在2020年欧洲嵌入式实时软件与系统大会(ERTS2020)上发表论文，该论文针对航天器内部架构分析了TSN调度应用在卫星内部网络的可行性，以保障航天器内部时间敏感业务的传输时延。从现有技术来看，空间实时业务确定性传输的解决方案只能应用在航天器内部，也就是说，现有技术无法解决有线无线融合网络中实时业务传输时延的有效分配。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的问题，本专利技术构建出了有线无线融合的卫星时间敏感网络模型，并对此提出了一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法，所述时隙分配方法包括TSN控制器收集TSN终端的业务需求，为所有TSN终端分配无线时隙资源，根据无线时隙资源的分配结果确定有线链路资源；以网络中TSN终端之间端到端最小平均时延为优化目标，将无线时隙资源和有线链路资源分别与TSN终端的时延关系建立出时隙分配模型；采用整数非线性规划算法对所述时隙分配模型快速求解，求解出有线无线融合的时隙分配方案。本专利技术的有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法中，首先确定网络中所有需要执行飞行任务的TSN终端无线时隙资源，然后根据无线时隙分配结果确定出有线侧的发送端门控资源和接收端门控资源，最后通过整数非线性规划算法对其最小端到端平均时延进行求解；从而使得从有线侧调度出数据后刚好能无缝地从无线链路发出，达到无等待调度或者低等待时延调度。本专利技术的优点及有益效果如下：在有线无线融合的卫星时间敏感网络中，由于无线较有线资源较少，故本专利技术基于TSN控制器收集时敏终端业务的需求，首先对无线链路时隙分配、有线TSN时隙分配和任务端到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，本专利技术可以采用整数非线性规划算法进行方案的快速求解；本专利技术所提出的时隙分配方法不仅能够满足有线无线之间也就是卫星通信中星内星间的时隙分配策略，并且能够满足时间敏感业务的传输时延。附图说明图1是本专利技术实施例中所使用的有线无线融合的卫星TSN模型；图2是本专利技术实施例中有线无线融合的卫星TSN时隙分配方法的实施流程图；图3是本专利技术所采用的无线TDMA超帧结构；图4是本专利技术求解端到端最低平均时延的算法流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1是本专利技术实施例中所采用的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络模型图；本实施例考虑如图1所示有线、无线两种链路l∈L＝{LTDMA,LTSN}组成的系统模型，其中l∈LTDMA表示是无线TDMA链路，l∈LTSN表示是有线TSN链路。在上述有线、无线两种链路的前提下，图2给出了本专利技术实施例中的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法流程图，如图2所示，所述方法包括以下步骤：101、TSN控制器收集TSN终端的业务需求，为所有TSN终端确定无线时隙资源；TSN控制器实时收集TSN终端也就是时敏终端的业务需求，所述业务需求具体可以包括业务量大小、数据发送周期等。其中，所述业务量大小与网络中的流量相关，假设本专利技术实施例中考虑周期性的确定性流量，那么每条数据流s∈S由其循环时间Ts和有效负载Bs定义，并且端到端的时延要求上界为Ds，那么网络中的确定性流量可以定义为：R(S)＝{＜T,B,D>s|s∈S}假设卫星编队网络中有N个TSN终端，这些终端分别表示为d1,d2,…,dN。令每个终端di传输到终端dn对应的TSN数据流表示为si,n，其发送周期表示为Ti，每个周期Ti内终端发送的数据量表示为Bis。假设对于TSN数据流si,n在星内有线侧的时延大小表示为星间TDMA无线侧的时延大小表示为那么如何将有线无线融合调度以最小化每条数据流的端到端时延是本专利技术实施例所需要解决的关键问题。在收集完TSN终端的业务需求后，网络将会为所有TSN终端分配无线时隙资源，首先，来确定无线侧的资源，如图3是无线时隙资源构成的TDMA超帧结构，在一个TDMA超帧中，包括k个单个时隙，单个时隙长度为Tp，因此一个TDMA超帧的周期长度为H＝kTp。由于时间敏感数据流是一种周期性流量，卫星编队在执行某项任务时，该流量会循环往复地运行，因此直接计算出数据流在整个任务期间内的传输任务是不现实的；考虑到数据流的传输也是周期性的，因此需要先确定无线超帧TDMA周期长度H，只要在H内数据流的传输符合约束条件，那么在整个过程中数据流的传输都符合约束条件。因此，本专利技术将无线侧中超帧TDMA阶段设置为所有TSN数据流循环周期的最小公倍数，这样调度策略在每个周期长度H循环执行一次即可；即：H＝lcm{T1,…,TN}表示为N个相同或不同的TSN数据流循环周期{T1,…,TN}的最小公倍数。对于TSN终端di，无线侧中的TDMA阶段就可以包含个子周期，在每个子周期m中，TDMA的超帧假设有k个时隙；其单个时隙长度Tp由网络中每个终端的权值和数据量确定，其具体确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法，其特征在于，所述分配方法包括TSN控制器收集TSN终端的业务需求，为所有TSN终端分配无线时隙资源，根据无线时隙资源的分配结果确定有线链路资源；以网络中TSN终端之间端到端最小平均时延为优化目标，将无线时隙资源和有线链路资源分别与TSN终端的时延关系建立出时隙分配模型；采用整数非线性规划算法对所述时隙分配模型快速求解，求解出有线无线融合的时隙分配方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法，其特征在于，所述分配方法包括TSN控制器收集TSN终端的业务需求，为所有TSN终端分配无线时隙资源，根据无线时隙资源的分配结果确定有线链路资源；以网络中TSN终端之间端到端最小平均时延为优化目标，将无线时隙资源和有线链路资源分别与TSN终端的时延关系建立出时隙分配模型；采用整数非线性规划算法对所述时隙分配模型快速求解，求解出有线无线融合的时隙分配方案。


2.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法，其特征在于，所述分配方法按照无线时隙资源中超帧的周期长度循环执行，其中所述超帧的周期长度设置为所有TSN数据流循环周期的最小公倍数。


3.根据权利要求1或2所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法，其特征在于，所述时隙分配模型的建立过程包括分别计算出任意TSN数据流在一个超帧内所有数据包在有线侧和无线侧的时延；计算出TSN终端之间端到端的平均时延；最小化所述TSN终端之间端到端的平均时延下，建立出包括无线阶段中单个时隙的长度的第一约束条件，时隙与TSN终端关系的第二约束条件，TSN终端在每个子周期内分配的时隙数量的第三约束条件，以及TSN终端的TSN数据流的平均时延与TSN终端之间端到端的平均时延之间的第四约束条件。


4.根据权利要求3所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法，其特征在于，所述TSN终端之间端到端的平均时延的计算公式表示为：



其中，表示TSN终端di传输到TSN终端dn之间端到端的平均时延；表示TSN终端di传输到TSN终端dn所对应的在一个超帧内所有数据包在有线侧的时延；表示TSN终端di传输到TSN终端dn所对应的在一个超帧内所有数据包在无线侧的时延；H表示无线时隙资源中超帧的周期长度；Ti表示TSN数据流的发送周期。


5.根据权利要求4所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络时隙分配方法，其特征在于，所述TSN终端di传输到TSN终端dn所对应的在一个超帧内所有数据包在有线侧的时延的计算公式表示为：



其中，h表示路由跳数；xi,m为网络给每个终端di在子周期m内分配的时隙个数；表示交换机内部处理时延；表示有线侧的传播时延；B表示带宽；为TSN终端di在其循环周期内的数据量。


6.根据权利要求4所述的一种有线无线融合的卫星时间敏感网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐川，刘俊斌，赵国锋，邢媛，石东，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50