戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中基于資源負載均衡和服務(wù)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)調(diào)度策略*

鄧偉華，張國華，文 軍，熊 博

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.中國人民解放軍93147 部隊，四川 成都 610000）

0 引言

隨著作戰(zhàn)部隊信息化進程不斷演進，作戰(zhàn)指揮信息的類型也在不斷豐富，已發(fā)展到“富媒體”時代，存在短信息、話音、靜態(tài)圖像、動態(tài)圖像、視頻、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)形式。戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)作為承載作戰(zhàn)指揮信息的媒介，雖然伴隨信息化進程在傳輸手段、傳輸帶寬、傳輸時延、組網(wǎng)控制和資源調(diào)度等方面有了長足進步，但其在強拒止環(huán)境下的異構(gòu)性、弱連接、多鏈路備份等特性[1]和資源的約束特征原生存在。作戰(zhàn)指揮信息的各類業(yè)務(wù)的自身特點和對優(yōu)先級、帶寬、時延等的需求也不盡相同，比如話音業(yè)務(wù)要求時延小、丟包率低，動態(tài)圖像、視頻業(yè)務(wù)要求帶寬大、抖動和時延小，而短信息、靜態(tài)圖像、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則對帶寬、時延、丟包率的需求不是特別敏感，然而短信息和數(shù)據(jù)又往往是業(yè)務(wù)優(yōu)先級較高的業(yè)務(wù)。如何在有限的通信資源上實現(xiàn)高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的可靠服務(wù)，并實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)資源的高效調(diào)度利用，是眾多戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)領(lǐng)域研究者的一個重要課題。

目前，部分研究者對業(yè)務(wù)傳輸過程如何提高通信資源利用率的研究集中在空閑鏈路、剩余能量等粗放式調(diào)度。鄭嵐[2]提出了多信道通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于節(jié)點組簇技術(shù)的通信資源調(diào)度算法，基于節(jié)點剩余能量信息進行組簇和資源優(yōu)先搶占，基于節(jié)點能量和最優(yōu)距離提出組簇算法，提升了異常情況資源利用的穩(wěn)定性。吳昊等人[3]研究了基于設(shè)備池的通信資源分布調(diào)配方法，通過通信計劃和通信設(shè)備選擇進行通信鏈路建鏈、維護和釋放，適用于通信計劃固定且通信設(shè)備整體調(diào)度的使用模式。以上兩個研究均未考慮當前可用的資源的合理分配，資源利用率不高。也有部分研究者對單一資源任務(wù)如何高效調(diào)度開展了相關(guān)研究。賀寅等人[4]提出了基于通信任務(wù)和資源匹配的靜止軌道衛(wèi)星資源的分配方法，求解了通信資源與任務(wù)匹配的思路和流程，提供了一種很好的通信資源管理的建模和理論基礎(chǔ)方法，但算法采用的是傳統(tǒng)的蟻群算法，創(chuàng)新性不高。王智勇等人[5]研究了基于多種數(shù)據(jù)壓縮模式的衛(wèi)星數(shù)傳調(diào)度問題，基于衛(wèi)星資源的可用時間窗和業(yè)務(wù)優(yōu)先級，實現(xiàn)了復(fù)雜約束的多背包算法求解，但該算法主要針對不同壓縮比的約束，對資源的約束考慮較少。武小年等人[6]針對云計算服務(wù)，提出了一種基于優(yōu)先級和費用約束的任務(wù)調(diào)度算法，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級和費效比進行任務(wù)調(diào)度，但對資源動態(tài)預(yù)測和調(diào)度有效性研究不足。

以上研究各有側(cè)重，既有設(shè)計上的優(yōu)點，也有局限性。本文面向戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的特點，以及業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級與實際通信資源約束的關(guān)系，提出一種基于資源負載均衡和服務(wù)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)調(diào)度策略算法（Service Scheduling Policy Based upon Resource Load Balancing and Service Priority，SS-RBaSP）。該算法通過業(yè)務(wù)優(yōu)先級和可用資源約束性調(diào)度，將任務(wù)調(diào)度到匹配的資源組上進行調(diào)度，保證戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)資源的有效負載均衡和資源高效利用。最后，通過仿真驗證算法對數(shù)據(jù)吞吐量的性能提升。

1 戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵特點與約束分析

1.1 戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵特點

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)是指戰(zhàn)術(shù)兵團在上級編成內(nèi)或獨立遂行戰(zhàn)斗任務(wù)中，根據(jù)所承擔(dān)的任務(wù)部署和指揮要求，使用編成內(nèi)的裝備，基于科學(xué)的通信組織形式和方法建立的信息傳輸、交換網(wǎng)絡(luò)體系[7]，其任務(wù)定位是在戰(zhàn)斗過程中保證戰(zhàn)術(shù)兵團各種作戰(zhàn)指揮信息傳遞的及時性和可靠性。從先進系統(tǒng)的代表——美軍戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)來看，戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)主要有以下特點。

（1）異構(gòu)性特征。美軍戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)（Link4、Link11、Link16、、Link22 等）、戰(zhàn) 術(shù)無線電臺（AN/PRC-150C、AN/PRC-150C 等）、單信道地面與機載無線電系統(tǒng)（SINCGARS）、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS）、戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)（WGS、MUOS、AEHF 等）、增強型定位報告系統(tǒng)（EPLRS）等多個體系的系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)之間功能、用途和通信側(cè)重各有不同，多體系、多系統(tǒng)決定了系統(tǒng)的異構(gòu)性[8]。

（2）機動性特征。戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)面向戰(zhàn)術(shù)兵團戰(zhàn)場作戰(zhàn)，保證信息平臺、指揮平臺、武器平臺在高度機動條件下的不間斷信息傳遞，需提供高度機動過程中的“動中通”能力，并能快速部署、聯(lián)通和撤收轉(zhuǎn)移。機動性特征決定了戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)多以無線通信手段為主、多種無線通信手段互補來形成此斷彼通的頑存網(wǎng)絡(luò)[9]。

（3）抗毀頑存性特征。癱敵毀敵的首要目標是使其成為“聾子、瞎子”，所以攻擊和毀傷通信設(shè)施以及通過干擾來降低通信能力，歷來是敵方首要實施的任務(wù)和目標。戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)因其前線暴露性和易受攻擊性，需要在作戰(zhàn)硬殺傷和干擾軟殺傷后能快速自組織恢復(fù)，從而實現(xiàn)抗毀頑存。

（4）拓撲多變性特征。引起網(wǎng)絡(luò)拓撲的多變性的原因主要包括內(nèi)因和外因，內(nèi)因主要是網(wǎng)絡(luò)機動性引起的拓撲變化和網(wǎng)絡(luò)按需重組引起的拓撲變化，外因主要是節(jié)點毀傷、鏈路毀傷引起的網(wǎng)絡(luò)拓撲變化。

以上4 個特征直接影響業(yè)務(wù)傳輸?shù)穆酚勺兓屯ㄐ刨Y源的約束改變，從而將直接影響戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)調(diào)度和通信資源匹配的復(fù)雜性，形成一系列通信資源調(diào)度的約束。

1.2 戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)約束

1.2.1 通信資源調(diào)度約束

業(yè)務(wù)要在通信資源上進行調(diào)度首先要求通信鏈路是聯(lián)通的，鏈路資源要能被任務(wù)調(diào)度器使用，其次任務(wù)調(diào)度器根據(jù)通信資源的有、無及多、寡進行業(yè)務(wù)調(diào)度。

1.2.2 業(yè)務(wù)調(diào)度時間約束

某一業(yè)務(wù)的資源調(diào)度開始時間不能晚于該業(yè)務(wù)需要調(diào)度的開始時間，資源調(diào)度結(jié)束時間不能早于該業(yè)務(wù)調(diào)度的結(jié)束時間，且業(yè)務(wù)對通信資源的占用時間不能小于業(yè)務(wù)傳輸?shù)某掷m(xù)時間。

1.2.3 通信資源能力約束

通信資源所具備的傳輸能力需要達到業(yè)務(wù)傳輸?shù)淖畹鸵螅趹?zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中，某一鏈路的傳輸時間窗所能承載的信息數(shù)需要滿足一個業(yè)務(wù)幀分片傳輸?shù)淖畹托枨蟆?/p>

1.2.4 通信資源質(zhì)量約束

強對抗環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信資源受多種自然環(huán)境、自我電磁兼容性和外部干擾環(huán)境的影響，業(yè)務(wù)調(diào)度過程中需考慮鏈路因干擾導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)時延、鏈路丟包率等會導(dǎo)致質(zhì)量下降的因素。

1.2.5 業(yè)務(wù)優(yōu)先級約束

業(yè)務(wù)的重要程度、緊迫程度和自身特點決定了業(yè)務(wù)本身的優(yōu)先級，優(yōu)先保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的傳輸是戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)有限資源約束下首先要考慮的問題。

1.2.6 通信資源優(yōu)先級約束

通信資源的價值、稀缺程度和傳輸能力決定了資源與業(yè)務(wù)存在的耦合和避讓關(guān)系。耦合的原則是高價值資源優(yōu)先保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)，避讓的原則是高價值資源在特定場景下拒絕低優(yōu)先級業(yè)務(wù)調(diào)度使用。

2 模型構(gòu)建

在戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，用戶會提交系列業(yè)務(wù)傳輸?shù)娜蝿?wù)到網(wǎng)絡(luò)上進行業(yè)務(wù)傳輸調(diào)度，如圖1 所示。

圖1 業(yè)務(wù)調(diào)度框架

（1）用戶業(yè)務(wù)端的業(yè)務(wù)在通信控制器的任務(wù)隊列中收集排序，任務(wù)隊列將要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)按排序推入業(yè)務(wù)幀分片器進行IP 分片。

（2）任務(wù)調(diào)度與負載均衡器根據(jù)按優(yōu)先級排序的業(yè)務(wù)分片，將動態(tài)負載均衡到通信虛擬資源池可用的通信資源和匹配的通信資源上進行傳輸調(diào)度。

（3）通信虛擬資源池為根據(jù)鏈路探測器定時探測反饋的鏈路時延、擁塞、抖動、負載等特征信息綜合后得到的虛擬化資源池，虛擬化以后的資源池只表征可用的具有優(yōu)先級調(diào)度的通信資源，不再與單個的信道質(zhì)量特征相關(guān)。具有優(yōu)先級的可用資源主要與業(yè)務(wù)的耦合和避讓有關(guān)，最優(yōu)質(zhì)資源只用于保障最高優(yōu)先級業(yè)務(wù)調(diào)度使用。

（4）接收端的任務(wù)調(diào)度與負載均衡器對接收到的數(shù)據(jù)分片進行緩存、排序、重組和恢復(fù)處理，最后將恢復(fù)出的完整應(yīng)用數(shù)據(jù)遞交給接收端的用戶業(yè)務(wù)終端。

2.1 任務(wù)隊列模型

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)相互獨立，不存在依賴關(guān)系，設(shè)業(yè)務(wù)集合為T={T1,T2,T3,…,Tn}，為簡化研究模型，假設(shè)業(yè)務(wù)與一個傳輸任務(wù)對應(yīng)不再進行分包。對于每一項業(yè)務(wù)Ti，用一個9 元組Ti={Tid,Ttype,Tlength,Tsrc,Tdes,Tstart,Tend,Tqos,Tnr}來表示，其中，Tid表示業(yè)務(wù)編號，Ttype表示業(yè)務(wù)類型，Tlength表示業(yè)務(wù)長度，Tsrc表示業(yè)務(wù)源地址，Tdes表示業(yè)務(wù)目的地址，Tstart表示業(yè)務(wù)開始時間，Tend表示業(yè)務(wù)結(jié)束時間，Tqos表示業(yè)務(wù)優(yōu)先級，按照重要程度分為1～5共5個等級，1 為最高優(yōu)先級，Tnr表示業(yè)務(wù)需要的通信資源能力要求。

2.2 任務(wù)隊列模型

業(yè)務(wù)幀分片為任務(wù)隊列業(yè)務(wù)分割的原子數(shù)據(jù)，必須封裝在通信資源池一次完成傳輸。設(shè)集合為F={F1,F2,F3,…,Fp}，對于每一項數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)Fk用一個10 元組Fk={Ftid,Fttype,Fδ,Flength,Ftsrc,Ftdes,Fsrart,Fend,Ftqos,Fnr}來表示，其中：Ftid表示數(shù)據(jù)幀分片對應(yīng)業(yè)務(wù)Ti的Tid傳導(dǎo)值，F(xiàn)tid=Tid；Fttype表示數(shù)據(jù)幀分片對應(yīng)業(yè)務(wù)的Ttype傳導(dǎo)值，F(xiàn)ttype=Ttype；Fδ表示數(shù)據(jù)幀分片在對應(yīng)業(yè)務(wù)Ti的分片序號；Flength表示數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)長度，?為固定值，Tlength與Flength和Fδ的關(guān)系為maxFδ=INT(Tlength/Flength)+MOD(Tlength/Flength)；Ftsrc表示數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)源地址，F(xiàn)tsrc=Tsrc；Ftdes表示數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)目的地址，F(xiàn)tdes=Tdes；Fsrart表示數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)開始時間；Fend表示數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)結(jié)束時間；Ftqos表示數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)優(yōu)先級，F(xiàn)tqos=Tqos；Fnr表示數(shù)據(jù)幀分片業(yè)務(wù)需要的通信資源能力要求。

2.3 通信資源調(diào)度模型

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信資源是基于信道探測反饋并通過虛擬化得到的時間和空間連續(xù)資源，現(xiàn)實情況和本文假設(shè)一致，即虛擬化資源池的資源永遠為正且大于一個業(yè)務(wù)幀分片的傳輸資源需求量。設(shè)資源集合R={R1,R2,R3,…,Rm}，對于每一項業(yè)務(wù)Rj，用一個7 元組來表示Rj={Rnum,Rθ,Rtu,Rtis,Rtie,Rωi,Rλ}，其中：Rnum表示資源編號；Rθ表示資源優(yōu)先級，分為1 和2 兩個等級，1 為最高優(yōu)先級，只用于保證業(yè)務(wù)優(yōu)先級為1 的業(yè)務(wù)調(diào)度使用；Rtu表示資源可用時間；Rtis表示資源執(zhí)行任務(wù)Ti的起始時刻；Rtie表示資源執(zhí)行任務(wù)Ti的結(jié)束時刻；Rωi表示資源執(zhí)行任務(wù)Ti的分配變量，若資源分配給任務(wù)Ti則Rωi=1，否則Rωi=0；Rλ表示資源可承載業(yè)務(wù)幀分片的數(shù)量值，0 ≤Rλ≤p。

2.4 業(yè)務(wù)調(diào)度約束條件

2.4.1 通信資源優(yōu)先級與業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度約束

如果任務(wù)Ti為最高優(yōu)先級，所有資源皆可被調(diào)度，如果Ti不是最高優(yōu)先級，則最高優(yōu)先級資源不能被調(diào)度。任務(wù)優(yōu)先級和資源分配關(guān)系為：

2.4.2 業(yè)務(wù)調(diào)度時間約束

資源Rj調(diào)度起始時間不能晚于任務(wù)Ti的開始時間，Rtisj≤Tstarti。

資源Rj調(diào)度結(jié)束時間不能早于任務(wù)Ti的結(jié)束時間，Rtiej≥Tendi。

任務(wù)Ti持續(xù)時間必須在資源Rj可用時間之內(nèi)，Tstarti～Tendi?Rtuj。

2.4.3 通信資源能力約束

通信資源Rj必須滿足能夠傳輸一個原子任務(wù)的量，且全部通信資源至少能夠完成一次任務(wù)Ti，表示為

2.5 動態(tài)負載均衡目標函數(shù)

動態(tài)負載均衡是戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)首要關(guān)心的傳輸技術(shù)。基于通信資源情況，在發(fā)送端將業(yè)務(wù)幀分片均衡到通信資源上調(diào)度傳輸，盡可能避免出現(xiàn)有的資源總是處于工作狀態(tài)，而有的資源總是處于閑置狀態(tài)的現(xiàn)象，來提升系統(tǒng)的端到端吞吐量[10]。戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中，資源負載平均值=需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀分片數(shù)量p/資源數(shù)量m。

設(shè)通信資源Rj分配的任務(wù)數(shù)量為ERj，則資源負載均衡度表示Rj分配任務(wù)與平均值之間的接近程度，E表示所有資源分配任務(wù)與平均值之間的接近程度的量化綜合，E的值越小，表示業(yè)務(wù)負載在網(wǎng)絡(luò)中越均衡。

2.6 業(yè)務(wù)優(yōu)先級目標函數(shù)

在戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)調(diào)度的最大收益函數(shù)由業(yè)務(wù)的重要性優(yōu)先級和業(yè)務(wù)幀分片后經(jīng)負載均衡傳輸再完成組幀所需的時間共同決定。首先是成功調(diào)度的業(yè)務(wù)優(yōu)先級高，其次是完成業(yè)務(wù)傳輸?shù)臅r間短。按照業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)優(yōu)先級和數(shù)量，結(jié)合業(yè)務(wù)幀分片，定義業(yè)務(wù)傳輸目標函數(shù)為。目標函數(shù)體現(xiàn)了對業(yè)務(wù)調(diào)度產(chǎn)生的效益，傳輸時延越小、優(yōu)先級越高（數(shù)值越小），則效益越高。

3 算法設(shè)計

依據(jù)構(gòu)建的模型、約束條件和目標函數(shù)，戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)資源負載均衡和服務(wù)優(yōu)先級的業(yè)務(wù)調(diào)度策略算法的主要思想為：依據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級進行排序并調(diào)用適配資源執(zhí)行業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)。如果當前網(wǎng)絡(luò)資源大于當前所有業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)所需資源，則按照優(yōu)先級直接調(diào)度任務(wù)進行傳輸；如果當前網(wǎng)絡(luò)資源小于當前所有業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)所需資源，則暫停優(yōu)先級低的任務(wù)并放入緩存區(qū)，等待下一資源安排。當所有業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)分配完畢或者沒有可用資源調(diào)度時，算法結(jié)束。如圖2 所示，算法設(shè)計考慮業(yè)務(wù)優(yōu)先級和資源優(yōu)先級的耦合/避讓關(guān)系，以及業(yè)務(wù)資源需求和實際可用資源的匹配關(guān)系。

圖2 算法流程

開始，判斷業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)隊列是否為空，若是，進入開始繼續(xù)循環(huán)，若否，進入步驟1。

步驟1，業(yè)務(wù)與資源預(yù)處理。根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸任務(wù)和通信資源進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，若為任務(wù)起始，包括但不限于描述每項任務(wù)的編號、優(yōu)先級、業(yè)務(wù)大小、源和目的地址、所需資源等信息，描述每項可用資源的編號、是否為優(yōu)質(zhì)資源、可用時間、資源大小等屬性，進而得到業(yè)務(wù)集合T和資源集合R；若為第二次及以后的循環(huán)，則將新任務(wù)進行相關(guān)描述，并將完成任務(wù)后釋放的資源以及主動動態(tài)探測形成的新資源信息進行描述。進入步驟2。

步驟2，業(yè)務(wù)與資源匹配計算。對照2.4 節(jié)，從業(yè)務(wù)集合T中選出可調(diào)度的任務(wù)集合Tα。判斷Tα是否為空，若是，進入開始繼續(xù)循環(huán)，若否，進入步驟3。

步驟3，任務(wù)選擇。從Tα中選出優(yōu)先級最高（數(shù)值最小）和編號值最小的任務(wù)Ti，并將Ti從集合Tα中刪除，進入步驟4。

步驟4，根據(jù)資源優(yōu)先級和可分配原則，為Ti分配資源，進入開始繼續(xù)循環(huán)。

4 仿真試驗結(jié)果與分析

為驗證本文提出算法的性能，選用業(yè)界成熟且被廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)仿真工具軟件——OPNET（版本：OPNET 14.5.A PL5）開展仿真試驗。

仿真試驗構(gòu)建了兩種模型：一種是分別構(gòu)建兩個節(jié)點之間、信道之間相互獨立傳輸業(yè)務(wù)和多個信道之間相互協(xié)同傳輸業(yè)務(wù)；另一種是分別構(gòu)建基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級未采用資源調(diào)度策略和采用資源調(diào)度策略的模型。通過兩種模型，分別針對多通信資源是否協(xié)同負載均衡和業(yè)務(wù)調(diào)度是否采用優(yōu)先級標記進行了仿真。

4.1 多信道協(xié)同傳輸仿真

仿真在兩個節(jié)點之間布設(shè)3 條異質(zhì)約束的傳輸鏈路，1 路4G 信道、1 路衛(wèi)星信道、1 路天通信道。通過節(jié)點之間的不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)加載，分析業(yè)務(wù)傳輸性能，業(yè)務(wù)配置信息見表1。

表1 業(yè)務(wù)配置

報文業(yè)務(wù)對比統(tǒng)計如圖3 所示，其中，左側(cè)的上半部分的統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)發(fā)送量，下半部分的統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)接收量，最大流量大致為3.2 Mbit/s，發(fā)送與接收一致，傳輸成功率為100%。右側(cè)傳輸時延欄為業(yè)務(wù)傳輸時延，未采用多信道協(xié)同傳輸策略，主要分布在50～71 s 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為57 s 左右。采用多信道協(xié)同傳輸策略，主要分布在25～38 s 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為33 s左右。

圖3 報文業(yè)務(wù)對比

4.2 基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度仿真

仿真中主要配置了報文業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)和文件業(yè)務(wù)，配置信息見表2，并配置背景流量信息，流量配置信息見表3。

表2 業(yè)務(wù)配置

表3 背景流量配置

（1）報文業(yè)務(wù)未采用資源調(diào)度和采用資源調(diào)度的仿真結(jié)果比較。報文業(yè)務(wù)對比統(tǒng)計如圖4 所示，其中，左側(cè)發(fā)送/接收量欄的上半部分的統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)發(fā)送量，下半部分的統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)接收量，發(fā)送與接收基本一致，傳輸成功率為100%。右側(cè)傳輸時延欄為業(yè)務(wù)傳輸時延，未采用資源調(diào)度策略的時延主要分布在5.4～16 s 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為9 s 左右；采用資源調(diào)度策略的時延主要分布在4.5～12 s 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為6.5 s左右。

圖4 報文業(yè)務(wù)對比

（2）視頻業(yè)務(wù)未采用資源調(diào)度和采用資源調(diào)度的仿真結(jié)果比較。視頻業(yè)務(wù)對比統(tǒng)計如圖5 所示，其中，左側(cè)發(fā)送/接收量欄的上半部分統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)發(fā)送量，下半部分統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)接收量，未采用資源調(diào)度策略，173 KB/s（約1.4 Mbit/s）接收統(tǒng)計稍有抖動，傳輸成功率為99.3%；采用資源調(diào)度策略，173 KB/s（約1.4 Mbit/s）發(fā)送與接收一致，傳輸成功率為100%。右側(cè)傳輸時延欄為業(yè)務(wù)傳輸時延，未采用資源調(diào)度策略，主要分布在100～137 ms 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為120 ms 左右。采用資源調(diào)度策略，主要分布在20～76 ms 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為35 ms 左右。

（3）文件業(yè)務(wù)采用資源調(diào)度和未采用資源調(diào)度的仿真結(jié)果比較。文件業(yè)務(wù)對比統(tǒng)計如圖6 所示，其中，左側(cè)發(fā)送/接收量欄的上半部分統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)發(fā)送量，下半部分統(tǒng)計量表示業(yè)務(wù)接收量，發(fā)送與接收基本一致，傳輸成功率為100%。右側(cè)傳輸時延欄為業(yè)務(wù)傳輸時延，未采用資源調(diào)度策略的時延主要分布在50～79 s 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為69 s 左右；采用資源調(diào)度策略的時延主要分布在43～62 s 的區(qū)域內(nèi)，平均傳輸時延為50 s 左右。

圖6 電報業(yè)務(wù)對比

4.3 仿真結(jié)果分析

通過第4 節(jié)中的兩組仿真試驗，可以看到多信道協(xié)同傳輸技術(shù)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級通信資源調(diào)度技術(shù)對業(yè)務(wù)傳輸性能都有明顯的提升，具體如下文所述。

4.3.1 多信道協(xié)同傳輸技術(shù)分析

在未采用多信道協(xié)同技術(shù)的仿真試驗中，業(yè)務(wù)傳輸成功率可達到100%，平均傳輸時延為57 s左右，傳輸時延較大；采用多信道協(xié)同傳輸技術(shù)后，業(yè)務(wù)傳輸成功率可達到100%，業(yè)務(wù)傳輸時延減小到33 s。業(yè)務(wù)在多個信道協(xié)同傳輸，實現(xiàn)了負載均衡，提升了業(yè)務(wù)吞吐量，降低了傳輸時延。

4.3.2 基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的調(diào)度技術(shù)分析

在未采用業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度技術(shù)的仿真試驗中，所有業(yè)務(wù)均按照時間順序排列在發(fā)送隊列中，依次發(fā)送，在信道帶寬足夠的情況下，業(yè)務(wù)傳輸成功率基本達到100%，報文業(yè)務(wù)傳輸時延為9 s，視頻業(yè)務(wù)傳輸時延為120 ms，文件業(yè)務(wù)傳輸時延為69 s 左右。采用業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度技術(shù)后，業(yè)務(wù)調(diào)度隊列優(yōu)先發(fā)送QoS 級別較高的業(yè)務(wù)報文，所有業(yè)務(wù)成功率均能達到100%，報文業(yè)務(wù)傳輸時延為6.5 s，視頻業(yè)務(wù)傳輸時延為35 ms，文件業(yè)務(wù)傳輸時延為50 s左右。因此，采用業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度技術(shù)后，QoS 級別高的業(yè)務(wù)傳輸時延明顯降低，業(yè)務(wù)傳送更及時。

5 結(jié)語

本文通過分析戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵特點及通信服務(wù)的約束條件，提出了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)優(yōu)先保障和有限資源負載均衡的需求，即需要將業(yè)務(wù)進行分級調(diào)度，對可用資源進行分級調(diào)度使用。基于該需求，首先構(gòu)建了任務(wù)隊列、業(yè)務(wù)幀分片、通信資源調(diào)度模型，其次分析提出了業(yè)務(wù)與資源的耦合避讓和合理高效利用的約束條件，再次分析提出了動態(tài)負載均衡和業(yè)務(wù)優(yōu)先級的目標函數(shù)，最后基于模型、約束條件和目標函數(shù)設(shè)計了算法流程。通過專用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET 對系統(tǒng)進行了仿真驗證，以驗證多信道協(xié)同負載均衡和基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的調(diào)度策略對提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸時延的效果。仿真結(jié)果表明，SS-RBaSP 算法提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了業(yè)務(wù)傳輸時延，并部分提高了業(yè)務(wù)傳輸?shù)某晒β剩軌驅(qū)崿F(xiàn)很好的負載均衡和通信服務(wù)效果。該算法為戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)骨干到戰(zhàn)術(shù)末端網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)急通信系統(tǒng)等以無線通信為主的資源受限網(wǎng)絡(luò)，提供了一種業(yè)務(wù)和資源高效匹配利用的策略方法。