應(yīng)用動(dòng)態(tài)流量控制的天地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法

楊佳欣 ,禹 航

0 引 言

隨著航天器通信技術(shù)的發(fā)展，航天器天地?cái)?shù)據(jù)通信速率、靈活性、信道利用率等性能得到了顯著提高，國內(nèi)外航天器正逐步實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)[1-2]，在提升天地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)，為航天器內(nèi)提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，由航天器平臺(tái)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的天地鏈路，實(shí)現(xiàn)航天器局域網(wǎng)與地面測(cè)控系統(tǒng)局域網(wǎng)雙向接入，支持任意類型的載荷設(shè)備接入航天器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，與地面測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意測(cè)控設(shè)備進(jìn)行雙向通信，有效提升天地通信的靈活性.

由于航天器天地通信鏈路的限制，上下行雙向鏈路帶寬不對(duì)稱[3]，并且天地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率低于航天器內(nèi)數(shù)據(jù)通信總線或數(shù)據(jù)傳輸接口的速率[4]，導(dǎo)致天地通信鏈路成為天地一體化通信系統(tǒng)的瓶頸[5]，天地通信各種業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)共享天地鏈路資源，為確保天地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约皩?shí)時(shí)性，通常對(duì)航天器飛行程序進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)重要業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)預(yù)留相應(yīng)的鏈路資源，導(dǎo)致天地信道利用率存在進(jìn)一步提升的空間[6].

本文研究了天地信道利用率方法，在某大型航天器型號(hào)任務(wù)實(shí)踐中，航天器天地通信平臺(tái)節(jié)點(diǎn)設(shè)備與載荷終端設(shè)備可自主交互，在保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信優(yōu)先可靠的條件下，對(duì)載荷終端設(shè)備進(jìn)行了動(dòng)態(tài)流量控制和以太網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)終端與天地網(wǎng)關(guān)之間采用動(dòng)態(tài)流量控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由網(wǎng)關(guān)根據(jù)緩存區(qū)狀態(tài)對(duì)終端的傳輸速率進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)速率調(diào)整，確保緩存區(qū)處于健康平穩(wěn)的閾值范圍，實(shí)現(xiàn)了在保證終端數(shù)據(jù)可靠下傳的同時(shí)，提升了天地鏈路下行資源的利用率，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.本文采用的方法同樣適用于地面指控中心系統(tǒng)對(duì)上行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

1 天地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型

航天器天地網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)常采用節(jié)點(diǎn)式通信結(jié)構(gòu)，對(duì)于單獨(dú)一條通信鏈路，航天器內(nèi)統(tǒng)一配置一臺(tái)天地網(wǎng)關(guān)設(shè)備，對(duì)航天器內(nèi)各類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并按照天地接口協(xié)議組成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸，典型的天地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示.

天地網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集中采集和分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地?cái)?shù)據(jù)通信主干鏈路節(jié)點(diǎn)功能，支持終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)平臺(tái)、1533B總線、直連接口等方式接入主干鏈路，天地之間可采用國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)的分包傳輸體制[7]，對(duì)不同業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)采用虛擬信道標(biāo)識(shí)(VCID)進(jìn)行劃分，并按照VCID制定相應(yīng)的優(yōu)先級(jí).

天地網(wǎng)關(guān)對(duì)下行數(shù)據(jù)通常采用緩存調(diào)度策略，對(duì)航天器內(nèi)下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集、緩存，并通過統(tǒng)一的調(diào)度策略對(duì)緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀下行，調(diào)度策略可根據(jù)任務(wù)需求按照VCID執(zhí)行、或直接輪詢.天地網(wǎng)關(guān)對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀分析，根據(jù)VCID將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的航天器內(nèi)接口鏈路.

為支持終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的靈活性，可在航天器內(nèi)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)平臺(tái)，采用二層、三層路由轉(zhuǎn)發(fā)體制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)于天地通信數(shù)據(jù)采用三層路由機(jī)制送天地網(wǎng)關(guān)，天地網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包(IP)包頭及上層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝處理，天地之間數(shù)據(jù)傳輸保留了路由數(shù)據(jù)信息[8]，通過航天器網(wǎng)關(guān)與地面網(wǎng)關(guān)的配合，實(shí)現(xiàn)了航天器內(nèi)任意終端與地面網(wǎng)絡(luò)中任意終端直接網(wǎng)絡(luò)通信，具體通信機(jī)制可參見空間鏈路承載互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議業(yè)務(wù)(IP over CCSDS)通信協(xié)議.

2 基于動(dòng)態(tài)流量控制的數(shù)據(jù)傳輸方法

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

在天地通信模型中，天地網(wǎng)關(guān)采用緩存調(diào)度機(jī)制，對(duì)于天地射頻鏈路之間始終維護(hù)固定信道，通常按照航天器飛行任務(wù)期間天地傳輸最大資源需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，或在有限的信道資源下對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行限制[9].根據(jù)飛行程序安排，當(dāng)航天器內(nèi)某一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)停止天地傳輸時(shí)，天地鏈路會(huì)釋放一定鏈路資源.傳統(tǒng)的飛行方案中，通常采用三種應(yīng)對(duì)方案[10]：

(1)對(duì)該部分信道資源進(jìn)行填充幀傳輸，導(dǎo)致信道利用率下降；

(2)通過地面控制指令或航天器固化的飛行程序開啟其他業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)模式靈活性下降；

(3)開啟其他類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)替代當(dāng)前關(guān)閉的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，由于不同設(shè)備傳輸速率存在一定的差異性，同時(shí)為保證信道資源不會(huì)出現(xiàn)沖突，信道資源分配通常會(huì)預(yù)留一定的余量，導(dǎo)致不可避免會(huì)填充一定的傳輸幀，信道利用率有待提高.

基于以上方案，由于天地鏈路帶寬高于航天器內(nèi)各類型業(yè)務(wù)總平均速率，天地網(wǎng)關(guān)的集中采集緩存的數(shù)量通常較小，緩存區(qū)僅用于對(duì)接口突發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，防止數(shù)據(jù)溢出，當(dāng)緩存區(qū)處于空狀態(tài)，天地鏈路將進(jìn)行填充幀處理，當(dāng)緩存區(qū)持續(xù)增長(zhǎng)使緩存區(qū)滿時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)總量超過天地鏈路資源，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)丟失.由于終端數(shù)據(jù)傳輸通常設(shè)置為固定速率或有限幾個(gè)檔位速率，導(dǎo)致緩存區(qū)未達(dá)到最優(yōu)使用.

由于緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)是衡量天地鏈路利用率的直接參量，為提升系統(tǒng)傳輸效率，可對(duì)天地網(wǎng)關(guān)緩存區(qū)使用策略進(jìn)一步研究，對(duì)緩存區(qū)設(shè)置不同的安全閾值，利用天地網(wǎng)關(guān)對(duì)緩存區(qū)占用量進(jìn)行自檢測(cè)，當(dāng)緩存區(qū)超過高安全閾值時(shí)，自主控制終端降低傳輸速率，當(dāng)緩存區(qū)低于低安全閾值時(shí)，自主控制終端增加傳輸速率，使天地網(wǎng)關(guān)的緩存區(qū)始終在安全區(qū)間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證天地信道“有數(shù)可傳、數(shù)據(jù)不丟”.

網(wǎng)關(guān)與終端之間動(dòng)態(tài)可采用多種方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)流量控制，常用的方式包括：

1)采用串行數(shù)據(jù)通信接口的終端，可采用時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、使能的三線制接口，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置高于天地鏈路帶寬，由天地網(wǎng)關(guān)根據(jù)緩存區(qū)狀態(tài)對(duì)使能信號(hào)進(jìn)行控制，終端根據(jù)使能信號(hào)開啟或停止傳輸數(shù)據(jù)；

2)采用總線或網(wǎng)絡(luò)接口的終端，可通過總線或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制終端傳輸速率.

以上兩種方式中網(wǎng)絡(luò)接口可同時(shí)支持對(duì)多個(gè)業(yè)務(wù)終端進(jìn)行流量控制，數(shù)據(jù)傳輸更靈活，是未來航天器發(fā)展趨勢(shì).在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要考慮網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)架構(gòu)、路徑傳輸時(shí)延、多終端控制響應(yīng)等影響因素，本研究重點(diǎn)對(duì)航天器內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信方法進(jìn)行研究，對(duì)基于動(dòng)態(tài)流量控制的網(wǎng)絡(luò)傳輸方法進(jìn)行闡述.

2.2 算法設(shè)計(jì)

為確保流量控制機(jī)制可靠性不依賴于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑪?shù)據(jù)通信采用周期傳輸機(jī)制，在網(wǎng)關(guān)和終端分別進(jìn)行狀態(tài)維護(hù)，以網(wǎng)關(guān)內(nèi)緩存區(qū)運(yùn)行狀態(tài)為主，由終端進(jìn)行周期(Tp)匯報(bào)，由網(wǎng)關(guān)周期性(Ts)進(jìn)行自主流量控制，緩存區(qū)參數(shù)設(shè)置具備一定魯棒性，當(dāng)終端異常時(shí)，可在一個(gè)或幾個(gè)Ts周期進(jìn)行有效控制，具體的實(shí)現(xiàn)方式如下：

(1)對(duì)于有實(shí)時(shí)性傳輸要求的終端業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)始終開啟數(shù)據(jù)傳輸，航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)需保證天地鏈路帶寬大于關(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的總量，并且始終為關(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分配高優(yōu)先級(jí)，天地網(wǎng)關(guān)對(duì)緩存區(qū)調(diào)取過程優(yōu)先將該數(shù)據(jù)傳輸至地面，對(duì)于天地鏈路其他資源采用動(dòng)態(tài)流量控制策略進(jìn)行最優(yōu)傳輸.

(2)終端開啟業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸后，將初始速率設(shè)置為0，向網(wǎng)關(guān)周期性發(fā)送匯報(bào)信息(見上節(jié)標(biāo)識(shí)為55(H)的數(shù)據(jù)包)，發(fā)送周期為Tp，計(jì)數(shù)位從0開始按序加1.終端同時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)送入的網(wǎng)關(guān)流量控制信息(見上節(jié)標(biāo)識(shí)為00(H)的數(shù)據(jù)包)，當(dāng)終端接收到流量設(shè)置數(shù)據(jù)包后，按照數(shù)據(jù)包中的檔位取值對(duì)自身的傳輸速率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后匯報(bào)速率進(jìn)行相應(yīng)更新.終端數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2示.

(3)天地網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口接入的終端設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行流量控制，網(wǎng)關(guān)開啟后，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部維護(hù)一張終端傳輸速率控制表，對(duì)終端的IP地址標(biāo)識(shí)(Tab-A)、網(wǎng)關(guān)設(shè)置檔位(Tab-B)、終端匯報(bào)檔位(Tab-C)、接入次序(Tab-D)等信息進(jìn)行記錄.初始狀態(tài)下，該表為空，記錄無終端接入.對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送的流量匯報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)接收到終端主動(dòng)匯報(bào)的流量信息時(shí)，對(duì)該終端的狀態(tài)進(jìn)行記錄.當(dāng)終端首次向網(wǎng)關(guān)發(fā)送流量匯報(bào)信息時(shí)，網(wǎng)關(guān)在流量控制列表中增加該終端項(xiàng)，IP地址信息(Tab-A)為該網(wǎng)絡(luò)終端IP地址，網(wǎng)關(guān)設(shè)置檔位(Tab-B)初始值與終端匯報(bào)速率檔位一致，終端匯報(bào)檔位(Tab-C)初始值與網(wǎng)絡(luò)包中終端匯報(bào)速率檔位一致，接入次序(Tab-D)按照流量控制列表中各終端接入的先后順序進(jìn)行排序.終端接入后將等周期向網(wǎng)關(guān)發(fā)送傳輸速率檔位，網(wǎng)關(guān)記錄的終端匯報(bào)檔位(Tab-C)根據(jù)終端發(fā)送的匯報(bào)狀態(tài)進(jìn)行更新，當(dāng)網(wǎng)關(guān)在時(shí)間(Tq)未接收到終端匯報(bào)信息時(shí)，將該終端從狀態(tài)列表中清除.

(4)網(wǎng)關(guān)內(nèi)部開辟存儲(chǔ)緩存區(qū)，緩存區(qū)大小V，緩存區(qū)設(shè)置3個(gè)安全閾值V-、V+1、V+2，V-為控制終端提高傳輸速度標(biāo)志、V+1為控制終端降低傳輸速率標(biāo)志、V+2為控制終端暫停傳輸速度標(biāo)志，網(wǎng)關(guān)按固定周期Ts查詢當(dāng)前緩存區(qū)狀態(tài)，根據(jù)緩存區(qū)的狀態(tài)對(duì)終端檔位進(jìn)行調(diào)整，具體的速率調(diào)整策略如下：

1)若緩存區(qū)低于V-，則將網(wǎng)關(guān)將流量控制列表中“網(wǎng)關(guān)設(shè)置檔位”(Tab-B)最低的終端增加一個(gè)檔位，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)終端相同檔位時(shí)，可按照接入的順序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)整；

2)若緩存區(qū)高于V-且低于V+1，①若記錄表“網(wǎng)關(guān)設(shè)置檔位”(Tab-B)中最高檔位與最低檔位差不超過1，則不進(jìn)行處理，②若最高檔位與最低檔位差超過1，則將最高的終端降低一個(gè)檔位，將最低的終端提高一個(gè)檔位，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)終端相同檔位時(shí)，可按照接入的順序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)整；

3)若緩存區(qū)高于V+1且低于V+2，則將網(wǎng)關(guān)將流量控制列表中“網(wǎng)關(guān)設(shè)置檔位”(Tab-B)最高的終端降低一個(gè)檔位，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)終端相同檔位時(shí)，可按照接入的順序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)整；

4)若緩存區(qū)高于V+2，則將網(wǎng)關(guān)將流量控制列表中所有終端設(shè)置為速度為0的檔位.

網(wǎng)關(guān)記錄終端的初始狀態(tài)和終端傳輸數(shù)據(jù)的初始狀態(tài)均設(shè)置為0，網(wǎng)關(guān)以自身記錄的“網(wǎng)關(guān)設(shè)置檔位”(Tab-B)為準(zhǔn)，對(duì)終端的傳輸速率進(jìn)行控制，“終端匯報(bào)檔位”(Tab-C)主要用于狀態(tài)記錄，不參與網(wǎng)關(guān)自主流量控制的狀態(tài)控制.

以上給出了對(duì)多個(gè)終端同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)流量控制時(shí)，多個(gè)終端的傳輸速率優(yōu)先級(jí)是一致的，盡量保證各終端處于相同的傳輸速率，穩(wěn)定狀態(tài)下，終端之間速率差異不超過一個(gè)檔位.當(dāng)有一個(gè)新的終端接入時(shí)，可通過幾個(gè)網(wǎng)關(guān)控制周期Ts內(nèi)，將各終端速率進(jìn)行均勻調(diào)整.在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)任務(wù)需求確定相應(yīng)的策略，對(duì)終端進(jìn)行優(yōu)先級(jí)差異控制調(diào)整.

2.3 協(xié)議設(shè)計(jì)

由于航天器產(chǎn)品用元器件性能及軟件工程化的限制，選用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要簡(jiǎn)單可靠，并且狀態(tài)可控，本研究采用UDP/IP協(xié)議傳輸，在對(duì)流量控制機(jī)制本身進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，給出一種可行的應(yīng)用層協(xié)議格式.

應(yīng)用層協(xié)議格式包括標(biāo)識(shí)、計(jì)數(shù)、速率指示等信息，其格式如圖3所示，字段取值定義如表1所示.

表1 流量控制協(xié)議應(yīng)用層格式字段定義Tab.1 The definition of application layer format field of flux control

2.4 性能分析

在動(dòng)態(tài)流量控制機(jī)制中，終端匯報(bào)周期Tp、網(wǎng)關(guān)控制周期Ts、緩存區(qū)3個(gè)安全閾值V-、V+1、V+2均為配置參數(shù)，參數(shù)的選取需根據(jù)實(shí)際通信系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)，參數(shù)的選取對(duì)傳輸性能的影響主要包括：

(1)終端匯報(bào)周期Tp帶來比較少的網(wǎng)絡(luò)開銷，終端的硬件性能影響該參數(shù)較大，建議將Tp設(shè)置的較小，應(yīng)保證低于網(wǎng)關(guān)控制周期Ts的一半，確保網(wǎng)關(guān)及時(shí)對(duì)終端狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控.

(2)網(wǎng)關(guān)控制周期Ts直接影響緩存區(qū)大小的選擇和安全閾值的確定，一次網(wǎng)關(guān)控制周期為ΔT=Ts+τ發(fā)送+T響應(yīng)+τ接收+T處理，其中τ發(fā)送為網(wǎng)關(guān)向終端發(fā)送控制數(shù)據(jù)的鏈路時(shí)延，T響應(yīng)為終端接收控制數(shù)據(jù)到調(diào)整速率的響應(yīng)的時(shí)間，τ發(fā)送為終端向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路時(shí)延、T處理為網(wǎng)關(guān)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制處理的時(shí)間，后四個(gè)時(shí)間相比于控制周期Ts可忽略不計(jì).

(3)當(dāng)緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)在V-與V+1之間動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)，天地信道可百分百利用，達(dá)到通信穩(wěn)定狀態(tài)下最優(yōu).當(dāng)?shù)陀赩-、在V+1～V+2之間、高于V+2時(shí)，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)速率的調(diào)整，調(diào)整時(shí)需確保狀態(tài)穩(wěn)定可控.

(4)當(dāng)緩存區(qū)超過V+1后，表明當(dāng)前速率總和超過了天地鏈路的傳輸能力，需要通過降低某一個(gè)終端的傳輸速率降低整個(gè)鏈路的傳輸數(shù)據(jù)，正常情況下，緩存區(qū)在V-與V+1之間應(yīng)達(dá)到速率平衡，當(dāng)超過V+1時(shí)表明總速率相比于天地傳輸能力超過1個(gè)速率檔位ΔS以內(nèi)，網(wǎng)關(guān)可通過一次調(diào)整將總速率控制到鏈路帶寬以下，應(yīng)確保V+1到V+2緩存區(qū)可以存儲(chǔ)ΔTΔS的數(shù)據(jù)，為容忍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸控制包的丟失導(dǎo)致某一控制周期失效等問題，在緩存區(qū)設(shè)置時(shí)可要求V+2-V+1≥kΔTΔS，其中k為安全系數(shù).

5)當(dāng)緩存區(qū)超過V+2后，表明當(dāng)前總速率超出鏈路資源較多，適用于航天器內(nèi)其他平臺(tái)數(shù)據(jù)、或按飛行計(jì)劃傳輸?shù)母邇?yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)開機(jī)情況，網(wǎng)關(guān)需優(yōu)先傳輸這類數(shù)據(jù)，對(duì)于動(dòng)態(tài)可控的數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行大量存儲(chǔ)，網(wǎng)關(guān)會(huì)將所有終端速率清零，需確保V+2以上的存儲(chǔ)區(qū)可以存儲(chǔ)所有終端一個(gè)控制周期ΔTSmax的數(shù)據(jù)，其中Smax可選取為與天地鏈路帶寬一致，即對(duì)緩存區(qū)的具體要求Vmax-V+2≥kΔTSmax，其中k為安全系數(shù)，Vmax為緩存區(qū)的上限.

6)當(dāng)緩存區(qū)低于V-后，表明當(dāng)前速率總和低于天地鏈路的傳輸能力，鏈路傳輸會(huì)填充一定的填充幀，需要通過提高某一個(gè)終端的傳輸速率提升整個(gè)鏈路的傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)陀赩-時(shí)表明總速率相比于天地傳輸能力降低1個(gè)速率檔位ΔS以內(nèi)，網(wǎng)關(guān)可通過一次調(diào)整將總速率控制到鏈路帶寬以上，應(yīng)確保0到V-緩存區(qū)可以存儲(chǔ)ΔTΔS的數(shù)據(jù)，即對(duì)緩存區(qū)設(shè)置要求V-≥kΔTΔS，其中k為安全系數(shù).

7)緩存區(qū)V-與V+1之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡，緩存區(qū)會(huì)由于高出V+1后降低速率處理使其進(jìn)入平衡區(qū)后總速率低于天地鏈路帶寬一個(gè)速率檔位ΔS以內(nèi)，緩存區(qū)低于V-后提高速率處理使其進(jìn)入平衡區(qū)后總速率高于天地鏈路帶寬一個(gè)速率檔位ΔS以內(nèi)，建議緩存區(qū)大小不低于3～4個(gè)控制周期，即V+1-V-≥(3～4)kΔTΔS.

8)當(dāng)由于平臺(tái)數(shù)據(jù)或高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)開啟，導(dǎo)致緩存區(qū)超過V+2后，會(huì)立刻關(guān)閉終端數(shù)據(jù)傳輸，緩存區(qū)數(shù)據(jù)很快會(huì)被讀空，網(wǎng)關(guān)在緩存區(qū)讀空后會(huì)逐漸開啟終端數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到平衡狀態(tài)，該段時(shí)間內(nèi)天地鏈路會(huì)有一定的填充幀，持續(xù)時(shí)間為mod(ΔB，ΔS)ΔT，其中ΔB為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)開啟后天地鏈路帶寬剩余的資源，緩存區(qū)會(huì)在mod(ΔB，ΔS)輪調(diào)整后重新達(dá)到平衡.

3 仿真驗(yàn)證

針對(duì)本研究提出的動(dòng)態(tài)流量控制方案，采用opnet仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)仿真模型如圖4所示.其中右邊4個(gè)模塊代表高優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，傳輸速率分別為8 Mb/s、40 Mb/s、8 Mb/s、60 Mb/s，左邊12個(gè)為載荷終端設(shè)備，具備動(dòng)態(tài)速率調(diào)整功能.網(wǎng)關(guān)對(duì)外天地鏈路速率設(shè)置為600 Mb/s，速率檔位ΔS設(shè)置為10 Mb/s，V-設(shè)置為10 Mb，V+1設(shè)置為200 Mb，V+2設(shè)置為300 Mb，Vmax設(shè)置為1 Gb，網(wǎng)關(guān)控制周期Ts設(shè)置為0.1 s.

仿真運(yùn)行后，網(wǎng)關(guān)緩存區(qū)內(nèi)的使用情況如圖5所示.

通過仿真結(jié)果可以看出，緩存區(qū)內(nèi)始終未空，緩存區(qū)占用率基本維持在10 Mb與240 Mb之內(nèi)，與預(yù)設(shè)的(V-=10 Mb、V+2=300 Mb)保持一致，緩存區(qū)始終保持在健康平穩(wěn)的狀態(tài)，天地信道率有效利用，并且無數(shù)據(jù)丟失.

4 結(jié) 論

本文提出了基于動(dòng)態(tài)流量控制的天地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方法，通過網(wǎng)關(guān)對(duì)緩存區(qū)自主檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端設(shè)備輸出速率的動(dòng)態(tài)控制，并給出了網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議格式及運(yùn)行機(jī)制，分析了緩存區(qū)安全閾值、控制周期等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響，并給出一個(gè)系統(tǒng)仿真實(shí)例，仿真結(jié)果證明該方法在保證數(shù)據(jù)不丟失的前提下，提升天地信道利用率，可以為后續(xù)航天器提升通信系統(tǒng)效率、增加系統(tǒng)靈活性提供借鑒.