多卫星链路消息分发机制的设计与实现

刘晓锋，崔宗星

（中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068）

0 引言

信息化作战中，作战态势瞬息万变；作战节奏转换迅速；作战区域趋向广阔，指挥控制也逐步延伸到全球范围[1]。卫星数据链利用卫星链路作为传输媒介，对数据链消息进行加工与处理实现信息增值，提供面向各作战单元的信息交链，满足广域范围的作战需求。随着联合作战中指挥控制对消息时延、送达率及信道容量提出更高的要求，迫切需研究卫星链路信息分发处理技术，既要考虑异构卫星体制的技术特征，又要保证数据链消息快速可靠地送达，满足消息QoS保障需求。服务质量QoS主要指标包括时延、丢包率及吞吐量[2]。本文主要围绕多卫星链路消息分发处理机制展开研究。

1 卫星数据链消息分发处理系统结构

卫星数据链消息分发处理系统结构示意图如图1所示。卫星数据链消息源能够依据作战应用产生数据链消息。消息分发处理是依据卫星信道的速率、链路质量等特征对数据链消息进行处理，主要技术手段包括：拓扑关系维护、链路质量统计、消息协议转换、消息发送控制等，能够实现业务消息与卫星链路适配，提高信道利用率，满足业务应用指标需求。消息分发处理还具备适应不同卫星链路的能力。下面介绍消息分发机制设计过程。

图1 卫星数据链消息分发处理系统结构

2 成员状态表建立与维护

首先，解析规划文件，提取本次作战任务中参与成员数目、成员ID、卫星信道类型等信息，组成拓扑关系表中的数据元素。其次，依据收到的网管消息判定成员在网/不在网状态。每个成员都维护一张全网成员状态表，具体见表1所示。

表1 成员状态

常用卫星通信链路性能指标包括：比特误码率（BER）、链路信噪比（C/N0），影响着卫星通信链路服务质量[3]。本文的链路质量以60秒滑窗消息送达率Plq为评价标准。假设以60秒周期统计某个成员收到的网内其他成员周期广播发送状态类消息数目为Crecv。从规划文件中获取60秒周期各在网成员实际发送的消息数目Csend，消息的送达率计算公式：

对状态类消息送达率Plq进行等级划分，从而将链路质量划分为优、良、中、差、无报告五个等级，消息送达率与链路质量之间映射关系如表2所示。

表2 消息送达率与链路质量映射关系

3 消息协议转换

依据卫星信道帧格式、通信体制、信道容量等技术要素对应用系统产生的业务进行协议转换。卫星信道协议帧格式如表3所示。

表3 卫星信道协议帧格式

消息协议转换处理流程如图2所示。收到业务消息先对其进行解码处理，提取组建卫星帧所需的数据项。然后根据长度决定是否进行分包处理，再依据卫星帧格式对消息进行编码，实现对卫星信道的协议适配。

图2 消息协议转换处理流程

4 链路选择

在实际应用中，存在着多个卫星链路能够满足业务传输需求，因此需根据业务的特征和链路质量等因素选择其中的一路或多路作为发送链路。首先以20秒为周期统计业务生成的平均速率（Kbps/s）然后将其与各信道速率相比，得到两者的比率R（取整）。当R小于等于1时，在同类信道中选择链路质量高的信道作为发送链路。若存在N路同等链路质量且消息均可达的链路时，按照1/N概率随机选取其中一路作为发送链路。当R大于1时，选择链路质量位次在前R的信道作为发送链路。具体处理流程如图3所示。

对于寻址类消息，还需判定消息的可达性。查找成员状态表，发送平台与目的平台不存在连通关系或不在网内，向应用系统上报发送不成功的原因。

图3 链路选择信息流程

5 消息发送控制

5.1 消息生命周期管理

对于时效性要求高的业务消息，周期计算该类消息出入队列的时间差T，如果时间T大于标准时延，则丢弃该消息并上报应用系统；如果时间小于等于T，则消息进入发送处理流程。

5.2 消息优先级发送控制

将业务消息分为高、中、低三个优先级，并依据优先级创建不同的队列。当有新业务产生时，依据消息类型插入不同的队列。在业务向卫星链路发送时，按照高、中、低概率为3:2:1的比例随机选出要发送消息的优先级，处理流程如图4所示。若选择发送的优先级为高时，则扫描高优先级消息队列，队列不为空在消息生命周期有效时，取出最大排队时延的消息。队列为空则按照先中优先级后低优先级的排序从队列中选出发送的数据；若选择发送的优先级为中时，队列不为空时处理同高优先级。队列为空时，队列查找顺序为先高后低；选择发送的优先为低时，队列为空时，查找顺序为先高后中。

图4 消息优先级选择流程

5.3 重发机制

对于需应答的寻址类消息，在业务发送时同时将该消息保存在重发队列中，如果在设定的时间阈值（20秒）下没有收到对端平台的应答消息，则进行重发处理，最大重发两次。当发送三次后，还没有收到应答消息，则将消息不发送成功的状态上报应用系统。具体实现流程如图5所示。

6 多卫星链路消息分发机制的实现

多卫星链路消息分发机制已应用在某型卫星控制设备中，硬件采用商用的信息处理板，软件采用Qt+Vx⁃works总体设计架构。Qt主要负责图形化界面的开发，完成参数信息的显示及信息的输入。Vxworks实现成员状态表的建立和维护、消息协议转换、链路选择、消息发送控制等功能，主要功能信息流程如图2~图5所示。其中界面与后台采用消息队列的通信机制。

图5 消息重发机制实现流程

7 结语

本文所提出多卫星链路消息分发机制的设计与实现能够满足应用系统对业务消息QoS的要求，综合利用连通关系矩阵、卫星链路质量等要素，采用消息优先级和生命周期管理、重发机制等多重技术手段，同时对业务消息进行差异化处理，保证消息快速可靠送达，实现业务消息与卫星信道的适配，满足实际工程需求。

参考文献：

[1]邱洪云，关慧，田莉，张彦卫，彭江.卫星战术数据链的应用及发展[J].空间电子技术，2012，3：1-4．

[2]易先清，赵阳，冯明月.满足用户与任务应用需求的卫星网络服务质量QoS需求分析[J].计算机科学，2007，34(9)：27-34．

[3]李云，周旋，刘期烈.卫星通信链路性能分析[J].计算机科学，2015，51(12)：78-82．