基于业务特征的空间光通信网络业务调度方法①

赵 毅，李文屏，白鹤峰

(1.中国空间技术研究院 西安分院，西安 710000；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

0 引言

随着天地一体化信息网络重大工程的立项，作为天地一体化信息网络组成之一的空间光通信网络已经成为当前研究的热点，未来将成为我国空间基础设施的重要组成部分[1-3]。与地面光通信网络不同，空间光通信网络具有节点分布较为稀疏、信号传输时延较长、光链路信对较息速率相低、网络拓扑动态变换、连接容易中断、星上处理资源有限等特点，空间光通信网络的组网方式、交换体制和业务调度方法不能照搬地面光通信网络，需要根据空间光通信网络的业务特点有针对性地进行研究设计。

目前，国内外地面光通信网主要采用密集波分复用(DWDM)和超密集波分复用(UDWDM)技术，为各类业务提供数据格式透明的高速传输通道，在光交叉节点处采用光波长交换技术，利用电域高速路由器实现各类业务的适配[3]。地面光通信网络的发展趋势是更大的通信容量和更密集的波分复用，而不太注重光通信链路的统计复用程度。

在空间光通信网中，首先，受激光功率和光天线等因素的制约，无法实现密度程度较高的波分复用；其次，由于卫星光链路数量有限，多种业务需要在同一个星间链路上传输，空间光通信网络更加强调光通信链路的统计复用程度，而在地面光通信网中广泛应用的光波长交换技术在光链路统计复用方面存在短板；最后，在地面光通信网络中，实现传输组网灵活性的关键在于电域高速路由交换技术，受限于元器件的选用和处理资源的制约，在星上很难实现高性能路由交换机[4]。综上所述，空间光通信网络虽然采用了和地面光通信网络类似的激光通信技术，但二者在应用场景、组网规模、业务需求、约束条件等方面存在诸多不同，地面光通信网交换技术不能直接应用到空间光通信网络中。

空间光通信网络定位于下一代天基宽带信息传输网，实现星间星地超高速率业务传输，典型的网络规模包含数十个卫星节点和地面信关站节点，单个卫星的信息吞吐量达到100Gb/s量级，支持数百个波束，支持不同速率不同QoS要求的通信、测控、遥感等业务。由于单颗卫星配备的激光链路数量有限，且激光链路所能够提供的传输带宽远远高于单个业务的传输需求，因此如何实现星间星地激光链路的灵活高效统计复用成为下一代天基宽带信息传输网的研究重点。本文针对空间光通信网络的拓扑结构和业务特点，在分析对比了目前主流光交换技术的基础上，提出了能够高效应用OFS和OBS优点的混合交换体制业务调度方法，根据业务类型和业务带宽充分发挥两种不同交换体制的优势，提升整个空间光通信网络的光链路利用率和通信业务统计复用程度。

1 空间光通信网络

1.1 拓扑结构

空间光通信网络主要由空间段、地面段和用户段三部分构成，空间段包括位于各种轨道的航天器，其中高轨卫星构成环形拓扑结构的天基骨干网，中低轨卫星构成天基接入网，通过星间激光链路连接到天基骨干网；地面段由卫星信关站、卫星运行控制中心和地面网络管理中心等构成；用户段由地面终端和卫星网关等构成。地面段和用户段通过激光链路连接到卫星。

图1 空间光通信网络拓扑结构Fig.1 Topological structure of space optical network

星间激光链路采用多波长通信体制，其中包含一个控制/业务混合波长和若干个纯业务波长，其中混合波长采用光-电-光处理方式，作为光域交换单元的控制信道和低速业务信道；纯业务波长采用全光交换处理方式，作为光域交换单元的业务信道，光域交换业务可以承载在激光链路的任意业务波长上。

空间段由多颗卫星通过星间激光链路构成一个环形拓扑，每条激光链路包含一个控制/业务混合波长和若干个纯业务波长，空间段和地面段之间也采用了相同形式的激光链路。混合波长在每个光交换节点都要进行光-电-光变换处理，而纯业务波长在光交换节点进行透传，因此在设计光交换体制时需要着重考虑星上处理能力和星间链路传输时延的影响。

图2 空间段连接示意图Fig.2 Connection schematic diagram of space segment

1.2 业务类型

根据空间光通信网络的功能定位，网内业务主要包括：高速信息获取类业务、宽带通信类业务和测控类业务。业务特点分析总结如下：

(1)高速信息获取类业务

高速信息获取类业务主要为遥感、测绘类数据，此类业务具有传输速率高(Gb/s数量级)，持续时间相对较长，传输路径相对固定的特点，空间光交换需为其提供一段时间内连续高速固定路径的传输服务保证。

(2)宽带通信类业务

宽带通信类业务主要为数字信道化半透明业务和IP分组业务，信道化业务跨星传输费效比很低，此类业务通常不进行跨星传输。IP分组业务包括视频、语音、文件、短消息、控制信令等。按ITU分类标准可映射为6类：实时对抖动敏感高质量互动类业务；实时对抖动敏感互动类业务；事务数据、高度互动(信令)类业务；事务数据、互动类业务；低丢失率业务和尽力而为类业务。空间光交换需对各种宽带通信业务进行分类映射，并按照优先级提供区分服务保证。

(3)测控类业务

测控类业务主要为跨星传输的卫星测控类数据，此类业务具有传输速率低、可靠性要求高，对丢包率、误包率和时延敏感等特性。空间光交换需保证测控类业务传输的优先级及可靠性。

根据高速信息获取类业务、宽带通信类业务和测控类业务的不同特点，从持续时间、通信速率、QoS保障要求和路由复杂程度四个维度进行分类，结果如表1所示。

表1 三类主要业务类型分析Table 1 Analysis of three main traffic types

持续时间越长的业务对光通信链路建立时间的要求就越低；QoS保障要求越高的业务对光链路的稳定性要求就越高；路由复杂程度越低的业务就越容易进行汇聚和端到端传输链路的建立。不同的光交换体制满足不同类型业务需求的能力也不同，很难采用一种光交换体制满足所有业务的需求，因此需要具体问题具体分析，针对具体业务选择适合的光交换体制。

2 光交换技术

2.1 主流光交换

目前主流的光交换体制主要有光线路交换(OCS)、光流交换(OFS)、光分组交换(OPS)、光突发交换(OBS)等[8]。

光线路交换(OCS)是以一个波长通道上的业务流量作为最小交换单元。在OCS中每个连接请求都会通过端到端的光通道进行通信，光通道的建立采用了双向预留方式，源节点发出建立连接请求的数据分组，只有源节点在接收到来自目的节点的确认信息后才开始发送数据，光交换粒度为一个波长，适合高速率、高带宽的业务传输，并且要求业务的生存时间相对于光通道的建立时间足够长。

光流交换(OFS)是以从源端到目的端的流作为最小交换单元，流是指从源端到目的端单向传输的有序分组。以IP分组为例，其中的源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、TOS域等均可以作为流的标识。在OFS中，为每个流的传输建立特定的光传输通道，传输通道的建立依赖于双向的资源预留机制。OFS的交换粒度为一个流，光链路的统计复用水平和实际链路利用率高于OCS，特别适合于高带宽、持续时间较长而又对交换灵活性有一定要求的业务。

光分组交换(OPS)采用“存储-转发”式交换方式，类似于电域分组交换。在光链路资源使用上，OPS可以采用单向预约或不预约方式，实现了光学层面上的细粒度信息交换，达到与电域分组交换相同水平的带宽资源的统计复用程度，具有较高的带宽利用率。OPS以光分组作为最小的交换单元，在任何业务类型下均能够达到较高的光链路利用率和统计复用程度，相比于其他交换体制，OPS特别适合于持续时间较短的业务。

光突发交换(OBS)结合了OCS和OPS的优点的同时又克服了相应不足：相对于OCS，克服其统计复用程度较低的缺点；相对于OPS，克服了光交换控制开销较大可实现程度较低的缺点。OBS在光链路资源使用上采用单向预留机制，数据包和控制包独立传输，以光突发包作为最小的交换单元。OBS具有中等的交换粒度和较低的控制开销，支持带宽统计复用，具有较高的带宽利用率；采用控制信道和数据信道分离传输方式，避免了光交换节点的缓存处理，能够有效地降低处理时间和端到端时延。

2.2 技术比较

上述几种光交换体制的主要区别在于光交换的粒度不同。OCS的交换粒度为波长，OFS的交换粒度是一个流，OBS的交换粒度是一个突发，OPS的交换粒度为一个光分组。交换粒度越小，光链路统计复用程度越高，光链路资源利用率越高，光交换的控制就越复杂。

图3 主流光交换技术比较Fig.3 Comparison of main optical switching technologies

OCS主要缺点在于激光链路的统计复用程度较低，对用户数量较少，且传输业务速率较高的场景适应性较好，但面对低速、多用户等通信业务时承载效率较低。由于下一代天基宽带信息传输网不仅定位于实现高速数传，也定位于实现广域通信，为了更好地支持多用户的通信业务，仅仅依靠OCS交换体制是不够的。由于目前OPS技术尚未大规模应用，面向星上使用的光缓存器件也尚未成熟，因此在空间光通信网络中也不适合采用OPS交换体制。从面向空间光通信网络需求出发，考虑到技术成熟度等工程实现因素，空间光通信网络应采用OFS和无光缓存的OBS交换体制。

3 光交换体制及业务调度方法

3.1 OFS交换体制

OFS交换体制类似于电路交换，采用双向资源预留策略，主要分为建链、通信、拆链三个步骤。OFS的数据平面和控制平面是分离的，来自混合业务波长的分组经过电光转换后进行电域处理，主要完成光传输链路的建立控制，纯业务波长则直接在端到端的光通道中进行透明传输和交换。在业务通信开始之前，需要完成建链过程；在业务通信结束之后，需要完成拆链过程；在业务通信过程中，源端独占一个完整的光信道(某个波长)进行业务传输。

图4 OFS交换体制链路建立流程Fig.4 Link establishment flow of OFS

假设相邻卫星节点间的光信号传输时延为Tr，控制分组经过节点电域处理所用时间为Tp，通信业务持续时间为TD，整个空间光通信网络最大跳数为2N，在环状拓扑下的平均跳数为N，则通信业务持续时间占整个通信过程的比例为

(1)

若该通信业务的速率为SD，光链路传输带宽为ST，则在通信业务持续过程中光链路的信道利用率为

(2)

δ与ξ的乘积为OFS交换体制下的光链路利用率

(3)

3.2 OBS交换体制

OBS交换体制引入了业务汇聚策略，将不同类型的业务汇聚成相互独立的突发进行传输，单个突发的传输持续时间较短，提高了光通信链路的资源利用率；由于单个突发传输时间较短，更适合采用单向资源申请策略，降低业务传输等待时间的同时也降低QoS保障能力，但可以采用支持QoS和区分服务的调度策略进行一定程度上的弥补。

OBS的业务通信分为两个阶段，第一个阶段是发送资源预约分组BCP(Burst Control Packet)进行单向资源预约，第二个阶段是发送汇聚后的突发业务BDP(Burst Data Packet)。由于采用了单向资源预约机制，第二个阶段的开始时刻只需要考虑光交换节点对BCP的处理延迟，无需等待第一个阶段的应答，因此OBS交换体制传输延迟较低，但由于在没有确认光链路资源得到保证的前提下就进行第二阶段的传输，传输的BDP会存在一定的碰撞冲突概率，造成对通信业务QoS保障能力的降低。

图5 OBS交换体制通信流程Fig.5 Communication flow of OBS

对于某一个输出端口而言，能够成功完成光突发交换的条件是对应的BDP在开始传输时刻T0到传输之前的时刻T0-T区间内，没有其他BDP到来。

图6 OBS交换体制成功交换条件Fig.6 Successful switching condition of OBS

pj=e-μj

(4)

输出端口j的业务吞吐率为

Sj=μjpj=μje-μj

(5)

(6)

3.3 业务调度方法

从实现复杂度、多用户组网和多粒度业务传输需求等方面考虑，空间光通信网络的交换体制需要围绕OBS、OFS及相关衍生体制进行构建，面对多样化的空间光通信网络的业务，很难单独采用一种交换体制覆盖全部的业务需求，因此根据不同的业务特点，如何选择适合的光交换体制成为关键。

通过上述分析，采用OFS和OBS相结合的混合交换体制的业务调度方法如下：

对于单一业务的情况，若业务带宽较大，则选择OFS交换体制；若业务带宽较小，则优先选择OBS交换体制。

对于同时存在多个业务的情况，且总业务带宽较小，则选择OBS交换体制；若总业务带宽较大，则采用OFS交换体制支持其中一个业务。

4 仿真分析

4.1 性能仿真

对于OFS交换体制，由式(3)给出光链路利用率与通信业务的速率成正比，在业务速率一定的前提下，持续时间越长，光链路的利用率越高，在空间光通信网络环形拓扑条件下，NTp可达0.5s左右，常见通信业务的通信速率一般不超过2Gbps，持续时间从数秒到数十分钟，可以仿真出OFS交换体制下的光链路资源利用率一般不超过20%。此外，在OFS交换体制下，同一条光链路只能支持一种通信业务，在该通信业务结束之前，不能为其他通信业务提供服务。

图7 BDP成功传输概率、吞吐率与业务到达率的关系Fig.7 Relationship among BDP successful transmission probability, throughput and traffic arrival rate

业务对空间光通信网络的需求主要体现在端到端传输延迟和业务带宽两方面，对于OFS交换体制，端到端传输延迟包括双向资源预约时延和业务传输时延，与业务带宽无关，是恒定值NTr+2N(Tp+Tr)，光链路利用率主要由业务带宽和持续时间决定。

对于OBS交换体制，端到端的传输延迟由式(6)给出，BDP的成功传输延迟与端到端的成功传输概率成反比，降低成功传输延迟需要减小系统业务到达率以获取较高的成功交换概率；OBS交换体制的业务吞吐量随着系统业务到达率增加而单调递增；当通信业务到达率不为0时，OBS交换始终存在一定的失败概率。

4.2 仿真结果分析

OFS交换体制具有链路建立时间长、资源复用程度低、光链路资源利用率较低、QoS保障能力高等特点，OBS交换体制具有链路建立时间短、资源复用程度高、QoS保障能力有限等特点。根据上述仿真结果，可采用OBS交换体制业务吞吐率的最大值0.368作为业务调度方法的判决门限。对于单一业务的情况，若业务带宽超过光链路通信带宽的36.8%，则选择OFS交换体制；若业务带宽不超过光链路通信带宽的36.8%，则优先选择OBS交换体制。对于同时存在多个业务的情况，且总业务带宽不超过光链路通信带宽的36.8%，则选择OBS交换体制；若总带宽超过光链路通信带宽的36.8%，则采用OFS交换体制支持其中一个业务。相较于实际的光通信网络，不同卫星节点中光交换单元的端口数量和波长数量可能不同，且光突发业务的持续时间也不尽相同，在这种情况下需要根据实际的网络节点配置和业务分布特征，利用本文的分析方法，借助于网络仿真和数值分析得出更为精确的OFS和OBS业务调度的判决准则。

图8 OBS交换体制与OFS交换体制的传输时延对比Fig.8 Transmission delay comparison of OBS and OFS

5 结束语

空间光通信网络是未来空间信息网络的重要组成部分，相比于地面成熟应用的光网络技术，空间光通信网更强调光链路利用率和通信业务统计复用程度，更适合采用OFS和OBS相结合的混合交换体制。本文在对这两种交换体制的性能进行分析和对比的基础上，提出了一种基于业务特征的空间光通信网络业务调度方法，该方法采用OFS和OBS相结合的混合交换体制，根据通信业务的不同特点和带宽大小灵活选择交换方式，仿真结果表明采用混合交换体制能够避免OBS交换体制中大带宽业务传输时延较高的问题以及OFS交换体制中小带宽业务传输时延较高的问题，提升光链路利用率和空间光通信网络的效益。