AOS中不同星上信源類型下隊列管理算法研究

劉立士 胡俊超 馬玉峰

摘 要：高級在軌系統（Advanced Orbiting System，AOS）協議是空間數據咨詢委員會提出的新一代衛星通信網絡協議，用于解決空間鏈路中具有速率高、突發性強等特點的業務流的傳輸問題。為解決AOS中網絡擁塞的問題，本文對AOS中的隊列管理算法進行了研究。提出了一種基于權重參數反饋策略的隊列管理算法，給出了不同信源類型下AOS網絡擁塞控制策略，并采用MATLAB仿真方法進行了驗證。

關鍵詞：AOS 主動隊列管理 星上信源 擁塞控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0010-02

1 高級在軌系統

高級在軌系統[1]是一種適用于衛星通信網絡的數據傳輸協議，旨在解決當前衛星鏈路中復雜業務類型下數據的傳輸問題，以適應越來越多樣化和復雜化的空間業務需求。高級在軌系統中包含幀生成模塊和虛擬信道調度模塊，每個模塊負責不同的業務功能。為解決高級在軌系統網絡擁塞問題，本文以自相似流量模型作為源包到達模型，加入隊列管理模塊，形成的新模型如圖1所示。

2 多路復用機制

多路復用機制是高級在軌系統中的核心技術之一。對于資源比較緊張的衛星網絡，多路復用機制能解決不同用戶對資源的爭搶問題。AOS中通過兩級多路復用機制為用戶提供服務，第一級是通過幀生成模塊來實現的包復用，其中幀生成算法有多種具體的實現，本文采用的是高效率幀生成算法[2]。第二級是通過調度模塊實現的虛擬信道復用。調度算法很多，本文采用的是一種具有廣泛適用性的虛擬信道調度算法[3]（Scheduling Algorithm with Broad Applicability，SABA）。

3 基于權重參數反饋策略的隊列管理算法

在本研究中，采用了ON/OFF[4]模型作為信源模型，用來模擬不同的星上信源類型。星上信源的類型大致分為三類：第一類是負載差別很大的信源類型。此種類型的信源中，往往有若干條鏈路中的數據量遠大于其他鏈路中數據量，可能會出現壟斷物理信道的情況。第二類是差別小的信源類型，這種情況下的信源，一般不存在某條信道壟斷物理信道。第三類是負載均衡類信源。此種類型的信源數據量和數據速率都比較平均。

本文提出了一種基于權重參數反饋策略的主動隊列管理算法。該算法將ON/OFF模型中信源的到達看作是服從泊松分布的，每個到達的信源以恒定速率發送數據。發送數據的時間服從Pareto分布。如果發送數據的時間過長，則導致數據包丟棄，丟棄概率記為P1。在此基礎上，本文又對反饋機制進行了研究。在虛擬信道調度模塊中，幀緊迫度與虛擬信道傳輸緊迫度衡量了信道中數據幀的平均等待時間以及虛擬信道被調度的頻率。對于不同類型的星上信源，由于不同數據量的信道也具有不同的幀緊迫度， 所以本文設計一種反饋機制，將虛擬信道的幀緊迫度反饋給隊列管理模塊，計算出相應數據包丟棄概率P2。最終的數據包丟棄概率為P=αP1+（1-α）P2，0≤α≤1。根據不同的星上信源類型，可以調節α的大小以適應實際的環境。下文通過仿真實驗，來驗證該反饋策略的可行性。

4 仿真結果及分析

本文通過緩存中的平均隊列長度指標來進行仿真驗證。擁塞控制良好時，緩存中的平均隊列長度應該比較小，且變化平緩。仿真參數設置如下：平均包到達率λ為0.8，其指數分布參數μ，gpmd（X，K，σ，θ）為Pareto分布函數，其參數設置情況為X=0.2，K=0.5，σ=θ=1。

由仿真結果可知，加入權重參數調節的隊列管理算法，當信源負載差別很大時，取α=0.2時，對應的平均隊列長度和變異系數分別為159.6423和0.2295，取α=0.8時，所對應的平均隊列長度均值和變異系數分別為126.3629和0.1643，隊列長度減少20.85%，變異系數減少28.41%，系統擁塞情況得到明顯改善。所以當信源類型差別很大時，應當增加 的值，以減少平均隊列長度和相對方差，提升系統擁塞控制性能。

加入權重參數調節的隊列管理算法，當信源負載比較小，當α=0.2時，平均隊列長度和變異系數分別為134.2987和0.2514，當α=0.8，平均隊列長度和變異系數分別為129.7147和0.2172，隊列長度減少3.41%，變異系數減少 13.60%，系統擁塞情況有所改善，但效果不是十分明顯。

5 結語

本文研究了高級在軌系統中的隊列管理算法，在基于時間的主動隊列管理算法的基礎上，加入了基于權重參數的反饋機制，將虛擬信道調度模塊的幀緊迫度反饋給隊列管理模塊，并通過參數來調節，以適用于不同的星上信源類型。仿真結果表明，當信源類型比較大時，通過調節權重參數，增加α的取值，能明顯減少平均隊列長度和變異系數，擁塞控制效果提升明顯。

參考文獻

[1] Tian Ye，Wang Ruonan，Jiang Yueqiu，et al A novel multiple-channels scheduling algorithm based on timeslot optimization in the advanced orbiting systems[J].Multimedia Tools and Applicatio-ns，2017，76（3）：4523-4551.

[2] 趙曉曦.有限緩存下基于自相似業務流的AOS數據幀生成技術研究[D].沈陽理工大學，2017.

[3] 張艷琴.基于高級在軌系統的虛擬信道調度算法研究.[D].沈陽理工大學，2010.

[4] 胡嚴，張光昭.重尾ON/OFF源模型生成自相似業務流研究[J].電路與系統學報，2001（3），72-76.