CN111163014B - 一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，首先根据恒定比特速率业务特征，计算恒定比特速率业务的链路传输时间，确定基本传输窗口，然后在基本传输窗口时间内通过统计预测获得可变比特速率业务的平均速率，进而得到可变比特速率业务相应的链路传输时间，最终动态调整基本传输窗口的大小，确定支持可变比特速率业务的调度窗口时间，生成一种同时支持恒定比特速率和可变比特速率业务传输的门控制列表，实现两种类型时间敏感业务的混合实时调度和确定性传输，降低时间敏感业务的传输时延。

Description

一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，属于通信技术领域。

背景技术

时间敏感网络交换与传统的存储转发式交换相比，在网络交换与传输资源不足甚至网络拥塞情况下，能够为不同优先级的时间敏感业务队列提供实时性和确定性传输。这种业务调度的特性通过门控制机制实现，门控制包含有多个门结构和一个门控制列表，如图1所示。其中门的数量与设备中的队列数量相等，每个队列后都接入一个门结构。利用门控制列表配置和改变门结构的开关状态来控制不同队列的输出和阻塞操作，从而保障了时间敏感业务队列的低时延传输。

目前采用门控制机制进行时间敏感业务调度的研究现状为：

(1)已经公布的时间敏感网络标准(IEEE 802.1Qbv)中提出了门控制调度机制，但没有给出明确的门控制列表的求解方式，即如何生成门控制列表对门结构进行控制完成时间敏感业务的调度；

(2)已有的研究文献中仅对单一队列的同一种数据包的应用场景下的门控制列表进行了研究；同时所研究的时间敏感业务队列为速率固定、周期固定的恒定比特速率业务(CBR)，缺乏不同数据帧长度和不同传输周期的可变比特速率业务(VBR)的研究。

但在时间敏感网络交换的空间应用中，时间敏感业务不仅具有恒定比特速率业务，同时具有突发的可变比特速率业务，两种时间敏感业务并存对如何生成门控制列表从而进行实时性和确定性调度造成很大挑战；而且当前的时间敏感业务调度方法不能适应可变比特速率业务场景的传输需求，尤其是空间应用环境中不同类型的突发业务的实时传输需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，首先根据恒定比特速率业务特征，计算恒定比特速率业务的链路传输时间，确定基本传输窗口，然后在基本传输窗口时间内通过统计预测获得可变比特速率业务的平均速率，进而得到可变比特速率业务相应的链路传输时间，最终动态调整基本传输窗口的大小，确定支持可变比特速率业务的调度窗口时间，生成一种同时支持恒定比特速率和可变比特速率业务传输的门控制列表，实现两种类型时间敏感业务的混合实时调度和确定性传输，降低时间敏感业务的传输时延。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，包括如下步骤：

S1、获取恒定比特速率业务的速率值和帧长；

S2、根据恒定比特速率业务的速率值和帧长、流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，确定基本带宽单元的数据长度；

S3、根据基本带宽单元的数据长度、输出链路速率，确定基本传输窗口；然后利用基本传输窗口、每种恒定比特速率业务流的传输时间，确定每种恒定比特速率业务包含的基本传输窗口的个数；

S4、计算可变比特速率业务流量均值；

S5、根据可变比特速率业务流量均值、基本带宽单元数据在输出链路上的最小传输时间、流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数、每种恒定比特速率业务流的传输时间，计算可变比特速率业务到来后的传输时间窗口；

S6、确定任一队列调度周期；

S7、重复S1～S6，获取不同队列的调度周期，根据不同队列的优先级，生成门控制列表并进行时间敏感业务调度。

优选的，S2中，所述基本带宽单元的数据长度L_φ为：

L_φ＝(v_φ/v_ci)L_ci,i∈(1,2,…,N)

式中，v_φ为流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，v_ci为恒定比特速率业务的速率值，L_ci为恒定比特速率业务的帧长，i为第一序数，i的最大值为N。

优选的，S3中，所述基本传输窗口W_tx为：

W_tx＝L_φ/R

式中，L_φ为基本带宽单元的数据长度，R为输出链路速率。

优选的，S3中，所述每种恒定比特速率业务包含的基本传输窗口的个数Num(i)为：

Num(i)＝W_tx(i)/W_tx；i＝(1,2,…,N)

式中，W_tx为基本传输窗口，W_tx(i)为每种恒定比特速率业务流的传输时间，i为第一序数，i的最大值为N。

优选的，S4中，利用业务流量统计预测算法计算每种恒定比特速率业务对应的基本窗口时间内可变速率业务的平均业务流量。

优选的，S5中，可变比特速率业务到来后的传输时间窗口W_tx′为：

W_tx'(i)＝[1+v^m(n)/v_φ]W_tx,i＝(1,2,…N),n＝(1,2,…,Num(i))

式中，v_φ为流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，v^m(n)为每种恒定比特速率业务对应的基本窗口时间内可变速率业务的平均业务流量，n第二序数。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明方法能够根据业务流量变化动态调整不同时间敏感业务的传输窗口，保证了时间敏感业务的确定性和低延时传输，优化时间敏感业务传输的时延抖动；

(2)本发明方法基于时分复用思想，提出一种基本传输窗口的计算方式，通过计算所有恒定比特速率业务的最小传输粒度确定基本带宽单元，并与输出链路传输速率计算得到基本传输窗口，能够实现恒定比特速率时间敏感业务的低时延传输；

(3)本发明方法在基本传输窗口时间内利用统计预测算法对可变比特速率时间敏感业务进行预测得到平均速率值，从而能够通过调整基本窗口的大小实现可变比特速率时敏业务的确定性传输；

(4)本发明方法能够支持可变比特速率和恒定比特速率时间敏感业务的混合调度，扩展了时间敏感网络的应用范围；

(5)依据统计预测算法的准确性，该方法将可变比特速率时间敏感业务的时延最大降低T_GCL(CBR)(即恒定比特速率时间敏感业务队列的门控制列表调度时间)。

附图说明

图1为现有技术门控制调度结构图。

图2为本发明的步骤流程图。

图3为基本传输窗口内可变比特速率业务流量均值数据。

图4为不同业务传输时间窗口大小。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，如图2所示，包括步骤如下：

(1)获取业务参数，时间敏感业务队列支持传输的业务类型为恒定比特速率业务(CBR)和可变比特速率业务(VBR)，其中CBR业务流为f_i，其业务特征为速率等级为N，且为整数倍关系，速率值分别为v_c1,v_c2,…,v_cN，帧长分别为L_c1,L_c2,…,L_cN；

(2)确定基本带宽单元φ，基本带宽单元作为链路容量和CBR业务流f_i速率量化为整数的基本粒度，其值的选取为流入系统的CBR业务流速率与链路容量的最大公约数v_φ，对应数据长度为L_φ＝(v_φ/v_ci)L_ci,i∈(1,2,…,N)；

(3)确定基本传输窗口W_tx，基本传输窗口是步骤(2)得到的基本带宽单元数据在输出链路上的最小传输时间，若输出链路速率为R，则W_tx＝L_φ/R，相应地每种CBR业务流的传输时间为W_tx(i)＝(v_ci/v_φ)W_tx,i∈(1,2,…,N)；每种CBR业务包含的基本传输窗口的个数Num(i)＝W_tx(i)/W_tx；i＝(1,2,…,N)；

(4)计算可变比特速率业务流量均值v^m，利用业务流量统计预测算法计算每种CBR业务对应的基本窗口时间内可变速率业务的平均业务流量v^m(n),n＝(1,2,…,Num(k),k∈[1,N])；

(5)计算VBR业务到来后的传输时间窗口W_tx′，其值为基本传输窗口传输时间与VBR业务的数据传输时间之和，即W_tx'(i)＝W_tx+[v^m(n)/v_φ]W_tx＝[1+v^m(n)/v_φ]W_tx,i＝(1,2,…N),n＝(1,2,…,Num(i))；

(6)确定队列调度周期T_cycle，其值为所有业务传输时间之和，即

(7)计算每个队列的调度周期，不同时间敏感业务按照优先级整形为不同队列，优先级数目为N_p，则队列数目为N_p，每个队列中的业务流按照步骤(1)-(6)计算各队列调度周期T_cycle(N_p)，即每个队列所连接的门结构的开关时间；

(8)生成门控制列表并进行时间敏感业务调度，将步骤(7)得到的各队列调度周期按照顺序排列生成门控制列表，即GCL＝{T_cycle(1),T_cycle(2),…,T_cycle(N_p)}，然后不同时间敏感业务队列按照门控制列表控制的门开关时间进行调度传输。

实施例1：

这里以应用于空间飞行器舱内通信的时间敏感网络系统为例进行说明一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法具体实施方式。

(1)获取业务参数，所支持的传输业务类型包括：固定速率CBR业务，速率等级为3级，其速率分别为1000Mbps、100Mbps、10Mbps，数据帧长度分别为1000字节、500字节、100字节；

(2)确定基本带宽单元，基本带宽单元作为链路容量和CBR业务流速率量化为整数的基本粒度，其值的选取为流入系统的CBR业务流速率与链路容量(若输出链路速率为R＝1000Mbps)的最大公约数v_φ＝10Mbps，对应数据长度为L_φ＝(v_φ/v_c3)L_c3＝100字节；

(3)确定基本传输窗口W_tx，基本传输窗口是步骤(2)得到的基本带宽单元数据在输出链路上的最小传输时间，则W_tx＝L_φ/R＝0.8us，相应地每种CBR业务流的传输时间为

W_tx(1)＝(v_c1/v_φ)W_tx＝(1000/10)0.8＝80us

W_tx(2)＝(v_c2/v_φ)W_tx＝(100/10)0.8＝8us

W_tx(3)＝(v_c3/v_φ)W_tx＝(10/10)0.8＝0.8us；

(4)计算可变比特速率业务流量均值v^m，利用线性最小平均平方误差估计算法(LMMSE)计算每种CBR业务对应的基本窗口时间(即0.8us)内可变速率业务的平均业务流量v^m(n),n＝(1,2,…,Num(i),i∈[1,2,3])，其中，

Num(1)＝100,Num(2)＝10,Num(3)＝1，

计算方法如下：

(a)用离散时间样本v(t)代表当一个基本传输窗口时间间隔中到达的业务流量，且v^m(n)表示每种CBR业务调度周期时间内不同基本传输时间间隔的业务流量均值，在一个基本传输窗口时间内包含10个抽样时间，相应的抽样速率为v(i)，则则第1种CBR业务(1000Mbps)的传输时间中包含100个基本传输窗口；第2种CBR业务(100Mbps)的传输时间中包含10个基本传输窗口；第3种CBR业务(10Mbps)的传输时间中包含1个基本传输窗口，由此得到3种业务基本传输窗口时间内的可变速率业务流量均值v^m(1),v^m(2),…v^m(111)；

(b)通过前n个基本传输窗口时间间隔的业务流量均值预估下一个基本传输窗口时间间隔内的业务流量均值v^m(n+1)，预测值为已知的前n个数据包数的加权和，其中，a₁,a₂,…,a_n为线性最小平均平方误差估计参数，其值可以通过数学方法计算得到，

其中R(n)是离散序列的协方差函数，可通过以下公式得到：

通过以上统计预测方法可以分别计算出每个基本传输时间内的可变速率均值如图3所示。

(5)计算VBR业务到来后的传输时间窗口W_tx′，其值为基本传输窗口传输时间与VBR业务的数据传输时间之和，即W_tx'(i)＝[1+v^m(n)/v_φ]W_tx,i＝(1,2,…N),n＝(1,2,…,Num(i))，所得结果如图4所示；

(6)计算调度周期T_cycle，即所有业务传输时间之和，

(7)计算每个队列的调度周期，不同时间敏感业务按照优先级整形为不同队列，这里取优先级数目为1，则队列数目为1，每个队列中的业务流按照步骤(1)-(6)计算各队列调度周期T_cycle(1)＝292.45us，即该队列的门结构“开”的时间。

(8)生成门控制列表并进行时间敏感业务调度，将步骤(7)的队列调度周期生成门控制列表GCL＝{T_cycle(1)}＝292.45us，该敏感业务队列在292.45us时间内进行调度传输。

实施例2：

一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1、获取恒定比特速率业务的速率值和帧长。

S2、根据恒定比特速率业务的速率值和帧长、流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，确定基本带宽单元的数据长度。

所述基本带宽单元的数据长度L_φ为：

L_φ＝(v_φ/v_ci)L_ci,i∈(1,2,…,N)

式中，v_φ为流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，v_ci为恒定比特速率业务的速率值，L_ci为恒定比特速率业务的帧长，i为第一序数，i的最大值为N。

S3、根据基本带宽单元的数据长度、输出链路速率，确定基本传输窗口；然后利用基本传输窗口、每种恒定比特速率业务流的传输时间，确定每种恒定比特速率业务包含的基本传输窗口的个数。

所述基本传输窗口W_tx为：

W_tx＝L_φ/R

式中，L_φ为基本带宽单元的数据长度，R为输出链路速率。

所述每种恒定比特速率业务包含的基本传输窗口的个数Num(i)为：

Num(i)＝W_tx(i)/W_tx；i＝(1,2,…,N)

式中，W_tx为基本传输窗口，W_tx(i)为每种恒定比特速率业务流的传输时间，i为第一序数，i的最大值为N。

S4、利用业务流量统计预测算法计算每种恒定比特速率业务对应的基本窗口时间内可变速率业务的平均业务流量。

S5、根据可变比特速率业务流量均值、基本带宽单元数据在输出链路上的最小传输时间、流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数、每种恒定比特速率业务流的传输时间，计算可变比特速率业务到来后的传输时间窗口。

可变比特速率业务到来后的传输时间窗口W_tx′为：

W_tx'(i)＝[1+v^m(n)/v_φ]W_tx,i＝(1,2,…N),n＝(1,2,…,Num(i))

式中，v_φ为流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，v^m(n)为每种恒定比特速率业务对应的基本窗口时间内可变速率业务的平均业务流量，n第二序数。

S6、确定任一队列调度周期。

S7、重复S1～S6，获取不同队列的调度周期，根据不同队列的优先级，生成门控制列表并进行时间敏感业务调度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取恒定比特速率业务的速率值和帧长；

S2、根据恒定比特速率业务的速率值和帧长、流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，确定基本带宽单元的数据长度；

S3、根据基本带宽单元的数据长度、输出链路速率，确定基本传输窗口；然后利用基本传输窗口、每种恒定比特速率业务流的传输时间，确定每种恒定比特速率业务包含的基本传输窗口的个数；

S4、计算可变比特速率业务流量均值；具体为利用业务流量统计预测算法计算每种恒定比特速率业务对应的基本窗口时间内可变速率业务的平均业务流量；

S5、根据可变比特速率业务流量均值、基本带宽单元数据在输出链路上的最小传输时间、流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数、每种恒定比特速率业务流的传输时间，计算可变比特速率业务到来后的传输时间窗口；

S6、确定任一队列调度周期；

S7、重复S1～S6，获取不同队列的调度周期，根据不同队列的优先级，生成门控制列表并进行时间敏感业务调度。

2.根据权利要求1所述的一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，其特征在于，S2中，所述基本带宽单元的数据长度L_φ为：

L_φ＝(v_φ/v_ci)L_ci,i∈(1,2,…,N)

式中，v_φ为流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，v_ci为恒定比特速率业务的速率值，L_ci为恒定比特速率业务的帧长，i为第一序数，i的最大值为N。

3.根据权利要求2所述的一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，其特征在于，S3中，所述基本传输窗口W_tx为：

W_tx＝L_φ/R

式中，L_φ为基本带宽单元的数据长度，R为输出链路速率。

4.根据权利要求3所述的一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，其特征在于，S3中，所述每种恒定比特速率业务包含的基本传输窗口的个数Num(i)为：

Num(i)＝W_tx(i)/W_tx；i＝(1,2,…,N)

式中，W_tx为基本传输窗口，W_tx(i)为每种恒定比特速率业务流的传输时间，i为第一序数，i的最大值为N。

5.根据权利要求4所述的一种基于门控制的可变比特速率业务调度方法，其特征在于，S5中，可变比特速率业务到来后的传输时间窗口W′_tx为：

W′_tx(i)＝[1+v^m(n)/v_φ]W_tx,i＝(1,2,…N),n＝(1,2,…,Num(i))

式中，v_φ为流入系统的恒定比特速率业务流速率与链路容量的最大公约数，v^m(n)为每种恒定比特速率业务对应的基本窗口时间内可变速率业务的平均业务流量，n第二序数。