AOS中不同星上信源类型下队列管理算法研究

刘立士 胡俊超 马玉峰

摘 要：高级在轨系统（Advanced Orbiting System，AOS）协议是空间数据咨询委员会提出的新一代卫星通信网络协议，用于解决空间链路中具有速率高、突发性强等特点的业务流的传输问题。为解决AOS中网络拥塞的问题，本文对AOS中的队列管理算法进行了研究。提出了一种基于权重参数反馈策略的队列管理算法，给出了不同信源类型下AOS网络拥塞控制策略，并采用MATLAB仿真方法进行了驗证。

关键词：AOS 主动队列管理 星上信源 拥塞控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0010-02

1 高级在轨系统

高级在轨系统[1]是一种适用于卫星通信网络的数据传输协议，旨在解决当前卫星链路中复杂业务类型下数据的传输问题，以适应越来越多样化和复杂化的空间业务需求。高级在轨系统中包含帧生成模块和虚拟信道调度模块，每个模块负责不同的业务功能。为解决高级在轨系统网络拥塞问题，本文以自相似流量模型作为源包到达模型，加入队列管理模块，形成的新模型如图1所示。

2 多路复用机制

多路复用机制是高级在轨系统中的核心技术之一。对于资源比较紧张的卫星网络，多路复用机制能解决不同用户对资源的争抢问题。AOS中通过两级多路复用机制为用户提供服务，第一级是通过帧生成模块来实现的包复用，其中帧生成算法有多种具体的实现，本文采用的是高效率帧生成算法[2]。第二级是通过调度模块实现的虚拟信道复用。调度算法很多，本文采用的是一种具有广泛适用性的虚拟信道调度算法[3]（Scheduling Algorithm with Broad Applicability，SABA）。

3 基于权重参数反馈策略的队列管理算法

在本研究中，采用了ON/OFF[4]模型作为信源模型，用来模拟不同的星上信源类型。星上信源的类型大致分为三类：第一类是负载差别很大的信源类型。此种类型的信源中，往往有若干条链路中的数据量远大于其他链路中数据量，可能会出现垄断物理信道的情况。第二类是差别小的信源类型，这种情况下的信源，一般不存在某条信道垄断物理信道。第三类是负载均衡类信源。此种类型的信源数据量和数据速率都比较平均。

本文提出了一种基于权重参数反馈策略的主动队列管理算法。该算法将ON/OFF模型中信源的到达看作是服从泊松分布的，每个到达的信源以恒定速率发送数据。发送数据的时间服从Pareto分布。如果发送数据的时间过长，则导致数据包丢弃，丢弃概率记为P1。在此基础上，本文又对反馈机制进行了研究。在虚拟信道调度模块中，帧紧迫度与虚拟信道传输紧迫度衡量了信道中数据帧的平均等待时间以及虚拟信道被调度的频率。对于不同类型的星上信源，由于不同数据量的信道也具有不同的帧紧迫度， 所以本文设计一种反馈机制，将虚拟信道的帧紧迫度反馈给队列管理模块，计算出相应数据包丢弃概率P2。最终的数据包丢弃概率为P=αP1+（1-α）P2，0≤α≤1。根据不同的星上信源类型，可以调节α的大小以适应实际的环境。下文通过仿真实验，来验证该反馈策略的可行性。

4 仿真结果及分析

本文通过缓存中的平均队列长度指标来进行仿真验证。拥塞控制良好时，缓存中的平均队列长度应该比较小，且变化平缓。仿真参数设置如下：平均包到达率λ为0.8，其指数分布参数μ，gpmd（X，K，σ，θ）为Pareto分布函数，其参数设置情况为X=0.2，K=0.5，σ=θ=1。

由仿真结果可知，加入权重参数调节的队列管理算法，当信源负载差别很大时，取α=0.2时，对应的平均队列长度和变异系数分别为159.6423和0.2295，取α=0.8时，所对应的平均队列长度均值和变异系数分别为126.3629和0.1643，队列长度减少20.85%，变异系数减少28.41%，系统拥塞情况得到明显改善。所以当信源类型差别很大时，应当增加 的值，以减少平均队列长度和相对方差，提升系统拥塞控制性能。

加入权重参数调节的队列管理算法，当信源负载比较小，当α=0.2时，平均队列长度和变异系数分别为134.2987和0.2514，当α=0.8，平均队列长度和变异系数分别为129.7147和0.2172，队列长度减少3.41%，变异系数减少 13.60%，系统拥塞情况有所改善，但效果不是十分明显。

5 结语

本文研究了高级在轨系统中的队列管理算法，在基于时间的主动队列管理算法的基础上，加入了基于权重参数的反馈机制，将虚拟信道调度模块的帧紧迫度反馈给队列管理模块，并通过参数来调节，以适用于不同的星上信源类型。仿真结果表明，当信源类型比较大时，通过调节权重参数，增加α的取值，能明显减少平均队列长度和变异系数，拥塞控制效果提升明显。

参考文献

[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] 赵晓曦.有限缓存下基于自相似业务流的AOS数据帧生成技术研究[D].沈阳理工大学，2017.

[3] 张艳琴.基于高级在轨系统的虚拟信道调度算法研究.[D].沈阳理工大学，2010.

[4] 胡严，张光昭.重尾ON/OFF源模型生成自相似业务流研究[J].电路与系统学报，2001（3），72-76.