一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法技术

本发明专利技术涉及有线无线融合的航天器内部时间敏感网络通信技术领域，具体涉及一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，包括将航天器内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中，根据数据帧的目的MAC地址和QoS字段将其存储到对应输出端口的缓存队列中；缓存队列中存入的数据包需小于此队列所能存储的最大数据量阈值，将非TSN流的数据包进行入队管理，为TSN流的数据包打上入队时间戳后进行入队管理；出队调度时判断当前时隙是否属于本无线节点，若是，则采用权值队列平均时延最小调度算法调度各类数据包；本发明专利技术能够确定性保障TSN流在网络中传输，而且公平地调度非TSN数据包，从而提升网络的整体吞吐量。从而提升网络的整体吞吐量。从而提升网络的整体吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法


[0001]本专利技术涉及有线无线融合的航天器内部时间敏感网络通信
，具体涉及一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法。

技术介绍

[0002]随着国际深空探索以及载人航天技术的发展，航天器数据通信从单一的传感网络发展为多类型、多设备结合的复杂数据交互系统，业务的多样性以及不同的端到端时延要求向现有的数据交换系统提出了新的挑战。而航天器内部数据传输总线普遍使用1553B、CAN总线进行数据通信，其质量占比大，影响航天器搭载更多有效载荷；同时，航天员在舱内和舱外工作时的移动性通信需求不断增加，需要保障通信的可靠性和实时性。可见，将无线通信方式引入到航天器通信系统中，可以有效满足其通信需求，并减少通信线束质量占比。但是在当前学术研究与工业实践中，主要关注如何为无线节点分配所需的无线传输时隙，而节点获得无线传输时隙后，如何调度缓存队列中的各类数据包，解决有线数据报文在无线时隙资源中的合理调度，是实现时敏业务端到端确定性传输的关键。
[0003]现实需求推动着有关标准协议产生，时间敏感网络(TSN)是由IEEE 802.1工作组提出的一种能够为时敏业务提供低时延、低抖动和极低数据丢失能力的高质量网络。它基于传统以太网，凭借时间同步、流量调度、路径冗余等多种优化机制，来保证对时敏业务实时高效的传输。近年来，时间敏感网络技术主要应用于工业以太网和车载以太网等有线网络，并逐渐扩展至5G前传网络和WiFi等无线网络。TSN具有以下目标：1)确保交换网络的报文时延得到保障；2)时间敏感数据流和非时间敏感数据流可以共网传输，并且非时间敏感数据流的传输不会对时间敏感数据流的传输时延造成影响。由此可见，TSN既能够为时间敏感业务提供可靠的服务质量(Quality of Service，QoS)保证，同时也能够支持非时敏业务在网络中的传输。因此，现有TSN标准可以很好地利用在星内网络中。
[0004]无线TSN技术研究处于初始化阶段，尚未形成标准。目前有研究对现有IEEE802.11协议进行改进，使无线网络具有可靠性和实时性能。因此可以将无线TSN技术引入航天器内部网络中。
[0005]综上所述，引入TSN技术来降低航天器线束重量占比的同时保障星内通信的时延确定性十分必要。然而当星内的终端设备通过有线传输将数据汇聚到无线输出端口时，会在输出端口出现排队现象，这样当有线的业务通过无线信道传输到网关设备时，会因传输数据量较大的业务而导致网络拥塞，从而无法满足空间时敏业务的时延要求，或者低优先级业务的数据完全堵塞无法传输，那么如何在无线输出端口进行队列调度保障各类业务时延成为研究重点。

技术实现思路

[0006]为了保证TSN流在网络中传输，并且公平地调度其他类型的数据包，本专利技术提出一
种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，包括将航天器内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中，根据数据帧的目的MAC地址和QoS字段将其存储到对应输出端口的缓存队列中；缓存队列中存入的数据包需小于此队列所能存储的最大数据量阈值，将非TSN流的数据包进行入队管理，为TSN流的数据包打上入队时间戳后进行入队管理；出队调度时判断当前时隙是否属于本无线节点，若是，则采用权值队列平均时延最小调度算法调度各类数据包。
[0007]进一步的，将航天器内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中包括：有线TSN帧为一个带有VLAN标签的以太网帧，TDMA帧为自定义的802.11帧，自定义的802.11帧包括采用802.11头部、序号、数据长度QoS字段、最大存活时间、负载以及32位的CRC校验；航天器内部有线侧数据经过TSN交换机到达TSN网关接收端口时，将有线TSN帧转换为802.11无线帧，将VLAN标签中的pcp优先级字段映射到无线TDMA帧的QoS字段，并且将自定义的数据包最大存活依次映射到无线TDMA帧中。
[0008]进一步的，根据数据帧的目的MAC地址和QoS字段将其存储到对应输出端口的缓存队列中，即根据无线TDMA帧的目的MAC地址和QoS字段将无线TDMA帧存储到对应缓存队列中，即若TDMA帧的QoS字段为特定数值，即该数据包为时敏数据，则存储到TSN列表；否则，即该数据包为非时敏数据，则将该数据包存储到非TSN列表。
[0009]进一步的，非TSN流的数据包和TSN流的数据包在进行入队管理之前，按照网络中优先级值范围设置出门控循环列表数量，判断TSN列表和非TSN列表中的缓存队列占用的总存储空间，若该总存储空间没有超过全局限制阈值，则对TSN列表和非TSN列表中的缓存队列进行入队操作；否则对非TSN列表中最长的缓存队列进行数据包的丢弃，直到总存储空间没有超过全局限制阈值，再对TSN列表和非TSN列表中的缓存队列进行入队操作。
[0010]进一步的，将非TSN流的数据包进行入队管理，即提取非TSN流的数据包最大存活字段，获取本数据包过期的时间阈值，计算数据包的剩余存活时间能否完成数据报文的传输，若数据包的传输时延小于或等于数据包的剩余存活时间，则将此数据包压入队列，若大于数据包的剩余存活时间，则丢弃该数据包。
[0011]进一步的，数据包的传输时延表示为：
[0012][0013]其中，为数据包的传输时延；h
i
为数据传输链路中需要经过的节点总数；为数据通过在第n个节点内的传输时延；为有线链路的数据传播时延；节点n的数据处理时间。
[0014]进一步的，若TSN流到达概率服从泊松分布，服务时间服从指数分布，则TSN流的排队时延表示为：
[0015][0016]其中，D
nomal
为TSN流到达概率服从泊松分布、服务时间服从指数分布的排队时延；M为TSN列表中队列数目；B
is
表示TSN流s在每个发送周期T
i
的数据量；为TSN流终端d
i
在周期T
i
内数据量发送时延；V为无线传输速率；B
is
为TSN流终端d
i
在每个周期T
i
产生的业务量。
[0017]进一步的，TSN流终端d
i
在周期T
i
内数据量发送时延表示为：
[0018][0019]其中，h
i
为数据传输链路中需要经过的节点总数；为交换机内部处理时延；为有线的传输时延；为有线的传播时延。
[0020]进一步的，采用动态权值调度算法调度各类数据包的过程包括以下步骤：
[0021]101、TSN网关在收到网关下发的时隙表后，根据时隙表设定的本节点发送时隙，设定相应的计时器，根据计时器触发本节点发送状态；
[0022]102、本地计时器触发本节点的发送状态，节点对自身TSN列表进行轮询，循环检测各队列的发送权值；
[0023]103、若轮询队列的权值p
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，将航天器内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中，根据数据帧的目的MAC地址和QoS字段将其存储到对应输出端口的缓存队列中；缓存队列中存入的数据包需小于此队列所能存储的最大数据量阈值，将非TSN流的数据包进行入队管理，为TSN流的数据包打上入队时间戳后进行入队管理；出队调度时判断当前时隙是否属于本无线节点，若是，则采用权值队列平均时延最小调度算法调度各类数据包。2.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，将航天器内部数据包中的有线TSN帧映射到无线TDMA帧中包括：有线TSN帧为一个带有VLAN标签的以太网帧，TDMA帧为自定义的802.11帧，自定义的802.11帧包括采用802.11头部、序号、数据长度QoS字段、最大存活时间、负载以及32位的CRC校验；航天器内部有线侧数据经过TSN交换机到达TSN网关接收端口时，将有线TSN帧转换为802.11无线帧，将VLAN标签中的pcp优先级字段映射到无线TDMA帧的QoS字段，并且将自定义的数据包最大存活依次映射到无线TDMA帧中。3.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，根据数据帧的目的MAC地址和QoS字段将其存储到对应输出端口的缓存队列中，即根据无线TDMA帧的目的MAC地址和QoS字段将无线TDMA帧存储到对应缓存队列中，即若TDMA帧的QoS字段为特定数值，即该数据包为时敏数据，则存储到TSN列表；否则，即该数据包为非时敏数据，则将该数据包存储到非TSN列表。4.根据权利要求3所述的一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，非TSN流的数据包和TSN流的数据包在进行入队管理之前，按照网络中优先级值范围设置出门控循环列表数量，判断TSN列表和非TSN列表中的缓存队列占用的总存储空间，若该总存储空间没有超过全局限制阈值，则对TSN列表和非TSN列表中的缓存队列进行入队操作；否则对非TSN列表中最长的缓存队列进行数据包的丢弃，直到总存储空间没有超过全局限制阈值，再对TSN列表和非TSN列表中的缓存队列进行入队操作。5.根据权利要求1所述的一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，将非TSN流的数据包进行入队管理，即提取非TSN流的数据包最大存活字段，获取本数据包过期的时间阈值，计算数据包的剩余存活时间能否完成数据报文的传输，若数据包的传输时延小于或等于数据包的剩余存活时间，则将此数据包压入队列，若大于数据包的剩余存活时间，则丢弃该数据包。6.根据权利要求5所述的一种有线无线融合的航天器内时间敏感网络队列管理调度方法，其特征在于，数据包的传输时延表示为：其中，为数据包的传输时延；h
i
为数据传输链路中需要经过的节点总数；为数据通过在第n个节点内的传输时延；为有线链路的数据传播时延...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国锋，卢奕杉，徐川，韩珍珍，邢媛，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：