戰術網絡中基于資源負載均衡和服務優先級的業務調度策略*

鄧偉華，張國華，文 軍，熊 博

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.中國人民解放軍93147 部隊，四川 成都 610000）

0 引言

隨著作戰部隊信息化進程不斷演進，作戰指揮信息的類型也在不斷豐富，已發展到“富媒體”時代，存在短信息、話音、靜態圖像、動態圖像、視頻、數據等多種業務形式。戰術通信系統網絡作為承載作戰指揮信息的媒介，雖然伴隨信息化進程在傳輸手段、傳輸帶寬、傳輸時延、組網控制和資源調度等方面有了長足進步，但其在強拒止環境下的異構性、弱連接、多鏈路備份等特性[1]和資源的約束特征原生存在。作戰指揮信息的各類業務的自身特點和對優先級、帶寬、時延等的需求也不盡相同，比如話音業務要求時延小、丟包率低，動態圖像、視頻業務要求帶寬大、抖動和時延小，而短信息、靜態圖像、數據業務則對帶寬、時延、丟包率的需求不是特別敏感，然而短信息和數據又往往是業務優先級較高的業務。如何在有限的通信資源上實現高優先級業務的可靠服務，并實現戰術通信系統資源的高效調度利用，是眾多戰術通信系統領域研究者的一個重要課題。

目前，部分研究者對業務傳輸過程如何提高通信資源利用率的研究集中在空閑鏈路、剩余能量等粗放式調度。鄭嵐[2]提出了多信道通信網絡環境下基于節點組簇技術的通信資源調度算法，基于節點剩余能量信息進行組簇和資源優先搶占，基于節點能量和最優距離提出組簇算法，提升了異常情況資源利用的穩定性。吳昊等人[3]研究了基于設備池的通信資源分布調配方法，通過通信計劃和通信設備選擇進行通信鏈路建鏈、維護和釋放，適用于通信計劃固定且通信設備整體調度的使用模式。以上兩個研究均未考慮當前可用的資源的合理分配，資源利用率不高。也有部分研究者對單一資源任務如何高效調度開展了相關研究。賀寅等人[4]提出了基于通信任務和資源匹配的靜止軌道衛星資源的分配方法，求解了通信資源與任務匹配的思路和流程，提供了一種很好的通信資源管理的建模和理論基礎方法，但算法采用的是傳統的蟻群算法，創新性不高。王智勇等人[5]研究了基于多種數據壓縮模式的衛星數傳調度問題，基于衛星資源的可用時間窗和業務優先級，實現了復雜約束的多背包算法求解，但該算法主要針對不同壓縮比的約束，對資源的約束考慮較少。武小年等人[6]針對云計算服務，提出了一種基于優先級和費用約束的任務調度算法，根據業務優先級和費效比進行任務調度，但對資源動態預測和調度有效性研究不足。

以上研究各有側重，既有設計上的優點，也有局限性。本文面向戰術網絡的特點，以及業務傳輸優先級與實際通信資源約束的關系，提出一種基于資源負載均衡和服務優先級的業務調度策略算法（Service Scheduling Policy Based upon Resource Load Balancing and Service Priority，SS-RBaSP）。該算法通過業務優先級和可用資源約束性調度，將任務調度到匹配的資源組上進行調度，保證戰術網絡資源的有效負載均衡和資源高效利用。最后，通過仿真驗證算法對數據吞吐量的性能提升。

1 戰術網絡內涵特點與約束分析

1.1 戰術網絡內涵特點

戰術網絡是指戰術兵團在上級編成內或獨立遂行戰斗任務中，根據所承擔的任務部署和指揮要求，使用編成內的裝備，基于科學的通信組織形式和方法建立的信息傳輸、交換網絡體系[7]，其任務定位是在戰斗過程中保證戰術兵團各種作戰指揮信息傳遞的及時性和可靠性。從先進系統的代表——美軍戰術網絡來看，戰術網絡主要有以下特點。

（1）異構性特征。美軍戰術網絡由數據鏈系統（Link4、Link11、Link16、、Link22 等）、戰 術無線電臺（AN/PRC-150C、AN/PRC-150C 等）、單信道地面與機載無線電系統（SINCGARS）、聯合戰術無線電系統（JTRS）、聯合戰術分發系統（JTIDS）、戰術衛星通信系統（WGS、MUOS、AEHF 等）、增強型定位報告系統（EPLRS）等多個體系的系統組成，各系統之間功能、用途和通信側重各有不同，多體系、多系統決定了系統的異構性[8]。

（2）機動性特征。戰術通信系統面向戰術兵團戰場作戰，保證信息平臺、指揮平臺、武器平臺在高度機動條件下的不間斷信息傳遞，需提供高度機動過程中的“動中通”能力，并能快速部署、聯通和撤收轉移。機動性特征決定了戰術網絡多以無線通信手段為主、多種無線通信手段互補來形成此斷彼通的頑存網絡[9]。

（3）抗毀頑存性特征。癱敵毀敵的首要目標是使其成為“聾子、瞎子”，所以攻擊和毀傷通信設施以及通過干擾來降低通信能力，歷來是敵方首要實施的任務和目標。戰術通信系統因其前線暴露性和易受攻擊性，需要在作戰硬殺傷和干擾軟殺傷后能快速自組織恢復，從而實現抗毀頑存。

（4）拓撲多變性特征。引起網絡拓撲的多變性的原因主要包括內因和外因，內因主要是網絡機動性引起的拓撲變化和網絡按需重組引起的拓撲變化，外因主要是節點毀傷、鏈路毀傷引起的網絡拓撲變化。

以上4 個特征直接影響業務傳輸的路由變化和通信資源的約束改變，從而將直接影響戰術網絡的業務調度和通信資源匹配的復雜性，形成一系列通信資源調度的約束。

1.2 戰術網絡約束

1.2.1 通信資源調度約束

業務要在通信資源上進行調度首先要求通信鏈路是聯通的，鏈路資源要能被任務調度器使用，其次任務調度器根據通信資源的有、無及多、寡進行業務調度。

1.2.2 業務調度時間約束

某一業務的資源調度開始時間不能晚于該業務需要調度的開始時間，資源調度結束時間不能早于該業務調度的結束時間，且業務對通信資源的占用時間不能小于業務傳輸的持續時間。

1.2.3 通信資源能力約束

通信資源所具備的傳輸能力需要達到業務傳輸的最低要求，在戰術通信網絡中，某一鏈路的傳輸時間窗所能承載的信息數需要滿足一個業務幀分片傳輸的最低需求。

1.2.4 通信資源質量約束

強對抗環境下的戰術網絡通信資源受多種自然環境、自我電磁兼容性和外部干擾環境的影響，業務調度過程中需考慮鏈路因干擾導致的網絡時延、鏈路丟包率等會導致質量下降的因素。

1.2.5 業務優先級約束

業務的重要程度、緊迫程度和自身特點決定了業務本身的優先級，優先保證高優先級業務的傳輸是戰術網絡有限資源約束下首先要考慮的問題。

1.2.6 通信資源優先級約束

通信資源的價值、稀缺程度和傳輸能力決定了資源與業務存在的耦合和避讓關系。耦合的原則是高價值資源優先保障高優先級業務，避讓的原則是高價值資源在特定場景下拒絕低優先級業務調度使用。

2 模型構建

在戰術網絡環境下，用戶會提交系列業務傳輸的任務到網絡上進行業務傳輸調度，如圖1 所示。

圖1 業務調度框架

（1）用戶業務端的業務在通信控制器的任務隊列中收集排序，任務隊列將要傳輸的業務按排序推入業務幀分片器進行IP 分片。

（2）任務調度與負載均衡器根據按優先級排序的業務分片，將動態負載均衡到通信虛擬資源池可用的通信資源和匹配的通信資源上進行傳輸調度。

（3）通信虛擬資源池為根據鏈路探測器定時探測反饋的鏈路時延、擁塞、抖動、負載等特征信息綜合后得到的虛擬化資源池，虛擬化以后的資源池只表征可用的具有優先級調度的通信資源，不再與單個的信道質量特征相關。具有優先級的可用資源主要與業務的耦合和避讓有關，最優質資源只用于保障最高優先級業務調度使用。

（4）接收端的任務調度與負載均衡器對接收到的數據分片進行緩存、排序、重組和恢復處理，最后將恢復出的完整應用數據遞交給接收端的用戶業務終端。

2.1 任務隊列模型

戰術網絡所承載的業務相互獨立，不存在依賴關系，設業務集合為T={T1,T2,T3,…,Tn}，為簡化研究模型，假設業務與一個傳輸任務對應不再進行分包。對于每一項業務Ti，用一個9 元組Ti={Tid,Ttype,Tlength,Tsrc,Tdes,Tstart,Tend,Tqos,Tnr}來表示，其中，Tid表示業務編號，Ttype表示業務類型，Tlength表示業務長度，Tsrc表示業務源地址，Tdes表示業務目的地址，Tstart表示業務開始時間，Tend表示業務結束時間，Tqos表示業務優先級，按照重要程度分為1～5共5個等級，1 為最高優先級，Tnr表示業務需要的通信資源能力要求。

2.2 任務隊列模型

業務幀分片為任務隊列業務分割的原子數據，必須封裝在通信資源池一次完成傳輸。設集合為F={F1,F2,F3,…,Fp}，對于每一項數據幀分片業務Fk用一個10 元組Fk={Ftid,Fttype,Fδ,Flength,Ftsrc,Ftdes,Fsrart,Fend,Ftqos,Fnr}來表示，其中：Ftid表示數據幀分片對應業務Ti的Tid傳導值，Ftid=Tid；Fttype表示數據幀分片對應業務的Ttype傳導值，Fttype=Ttype；Fδ表示數據幀分片在對應業務Ti的分片序號；Flength表示數據幀分片業務長度，?為固定值，Tlength與Flength和Fδ的關系為maxFδ=INT(Tlength/Flength)+MOD(Tlength/Flength)；Ftsrc表示數據幀分片業務源地址，Ftsrc=Tsrc；Ftdes表示數據幀分片業務目的地址，Ftdes=Tdes；Fsrart表示數據幀分片業務開始時間；Fend表示數據幀分片業務結束時間；Ftqos表示數據幀分片業務優先級，Ftqos=Tqos；Fnr表示數據幀分片業務需要的通信資源能力要求。

2.3 通信資源調度模型

戰術網絡通信資源是基于信道探測反饋并通過虛擬化得到的時間和空間連續資源，現實情況和本文假設一致，即虛擬化資源池的資源永遠為正且大于一個業務幀分片的傳輸資源需求量。設資源集合R={R1,R2,R3,…,Rm}，對于每一項業務Rj，用一個7 元組來表示Rj={Rnum,Rθ,Rtu,Rtis,Rtie,Rωi,Rλ}，其中：Rnum表示資源編號；Rθ表示資源優先級，分為1 和2 兩個等級，1 為最高優先級，只用于保證業務優先級為1 的業務調度使用；Rtu表示資源可用時間；Rtis表示資源執行任務Ti的起始時刻；Rtie表示資源執行任務Ti的結束時刻；Rωi表示資源執行任務Ti的分配變量，若資源分配給任務Ti則Rωi=1，否則Rωi=0；Rλ表示資源可承載業務幀分片的數量值，0 ≤Rλ≤p。

2.4 業務調度約束條件

2.4.1 通信資源優先級與業務優先級調度約束

如果任務Ti為最高優先級，所有資源皆可被調度，如果Ti不是最高優先級，則最高優先級資源不能被調度。任務優先級和資源分配關系為：

2.4.2 業務調度時間約束

資源Rj調度起始時間不能晚于任務Ti的開始時間，Rtisj≤Tstarti。

資源Rj調度結束時間不能早于任務Ti的結束時間，Rtiej≥Tendi。

任務Ti持續時間必須在資源Rj可用時間之內，Tstarti～Tendi?Rtuj。

2.4.3 通信資源能力約束

通信資源Rj必須滿足能夠傳輸一個原子任務的量，且全部通信資源至少能夠完成一次任務Ti，表示為

2.5 動態負載均衡目標函數

動態負載均衡是戰術網絡首要關心的傳輸技術?；谕ㄐ刨Y源情況，在發送端將業務幀分片均衡到通信資源上調度傳輸，盡可能避免出現有的資源總是處于工作狀態，而有的資源總是處于閑置狀態的現象，來提升系統的端到端吞吐量[10]。戰術網絡中，資源負載平均值=需傳輸的數據幀分片數量p/資源數量m。

設通信資源Rj分配的任務數量為ERj，則資源負載均衡度表示Rj分配任務與平均值之間的接近程度，E表示所有資源分配任務與平均值之間的接近程度的量化綜合，E的值越小，表示業務負載在網絡中越均衡。

2.6 業務優先級目標函數

在戰術網絡中，業務調度的最大收益函數由業務的重要性優先級和業務幀分片后經負載均衡傳輸再完成組幀所需的時間共同決定。首先是成功調度的業務優先級高，其次是完成業務傳輸的時間短。按照業務傳輸任務優先級和數量，結合業務幀分片，定義業務傳輸目標函數為。目標函數體現了對業務調度產生的效益，傳輸時延越小、優先級越高（數值越?。?，則效益越高。

3 算法設計

依據構建的模型、約束條件和目標函數，戰術網絡資源負載均衡和服務優先級的業務調度策略算法的主要思想為：依據業務優先級進行排序并調用適配資源執行業務傳輸任務。如果當前網絡資源大于當前所有業務傳輸任務所需資源，則按照優先級直接調度任務進行傳輸；如果當前網絡資源小于當前所有業務傳輸任務所需資源，則暫停優先級低的任務并放入緩存區，等待下一資源安排。當所有業務傳輸任務分配完畢或者沒有可用資源調度時，算法結束。如圖2 所示，算法設計考慮業務優先級和資源優先級的耦合/避讓關系，以及業務資源需求和實際可用資源的匹配關系。

圖2 算法流程

開始，判斷業務傳輸任務隊列是否為空，若是，進入開始繼續循環，若否，進入步驟1。

步驟1，業務與資源預處理。根據業務傳輸任務和通信資源進行數據預處理，若為任務起始，包括但不限于描述每項任務的編號、優先級、業務大小、源和目的地址、所需資源等信息，描述每項可用資源的編號、是否為優質資源、可用時間、資源大小等屬性，進而得到業務集合T和資源集合R；若為第二次及以后的循環，則將新任務進行相關描述，并將完成任務后釋放的資源以及主動動態探測形成的新資源信息進行描述。進入步驟2。

步驟2，業務與資源匹配計算。對照2.4 節，從業務集合T中選出可調度的任務集合Tα。判斷Tα是否為空，若是，進入開始繼續循環，若否，進入步驟3。

步驟3，任務選擇。從Tα中選出優先級最高（數值最?。┖途幪栔底钚〉娜蝿誘i，并將Ti從集合Tα中刪除，進入步驟4。

步驟4，根據資源優先級和可分配原則，為Ti分配資源，進入開始繼續循環。

4 仿真試驗結果與分析

為驗證本文提出算法的性能，選用業界成熟且被廣泛應用的網絡仿真工具軟件——OPNET（版本：OPNET 14.5.A PL5）開展仿真試驗。

仿真試驗構建了兩種模型：一種是分別構建兩個節點之間、信道之間相互獨立傳輸業務和多個信道之間相互協同傳輸業務；另一種是分別構建基于業務優先級未采用資源調度策略和采用資源調度策略的模型。通過兩種模型，分別針對多通信資源是否協同負載均衡和業務調度是否采用優先級標記進行了仿真。

4.1 多信道協同傳輸仿真

仿真在兩個節點之間布設3 條異質約束的傳輸鏈路，1 路4G 信道、1 路衛星信道、1 路天通信道。通過節點之間的不同數據業務加載，分析業務傳輸性能，業務配置信息見表1。

表1 業務配置

報文業務對比統計如圖3 所示，其中，左側的上半部分的統計量表示業務發送量，下半部分的統計量表示業務接收量，最大流量大致為3.2 Mbit/s，發送與接收一致，傳輸成功率為100%。右側傳輸時延欄為業務傳輸時延，未采用多信道協同傳輸策略，主要分布在50～71 s 的區域內，平均傳輸時延為57 s 左右。采用多信道協同傳輸策略，主要分布在25～38 s 的區域內，平均傳輸時延為33 s左右。

圖3 報文業務對比

4.2 基于業務優先級調度仿真

仿真中主要配置了報文業務、視頻業務和文件業務，配置信息見表2，并配置背景流量信息，流量配置信息見表3。

表2 業務配置

表3 背景流量配置

（1）報文業務未采用資源調度和采用資源調度的仿真結果比較。報文業務對比統計如圖4 所示，其中，左側發送/接收量欄的上半部分的統計量表示業務發送量，下半部分的統計量表示業務接收量，發送與接收基本一致，傳輸成功率為100%。右側傳輸時延欄為業務傳輸時延，未采用資源調度策略的時延主要分布在5.4～16 s 的區域內，平均傳輸時延為9 s 左右；采用資源調度策略的時延主要分布在4.5～12 s 的區域內，平均傳輸時延為6.5 s左右。

圖4 報文業務對比

（2）視頻業務未采用資源調度和采用資源調度的仿真結果比較。視頻業務對比統計如圖5 所示，其中，左側發送/接收量欄的上半部分統計量表示業務發送量，下半部分統計量表示業務接收量，未采用資源調度策略，173 KB/s（約1.4 Mbit/s）接收統計稍有抖動，傳輸成功率為99.3%；采用資源調度策略，173 KB/s（約1.4 Mbit/s）發送與接收一致，傳輸成功率為100%。右側傳輸時延欄為業務傳輸時延，未采用資源調度策略，主要分布在100～137 ms 的區域內，平均傳輸時延為120 ms 左右。采用資源調度策略，主要分布在20～76 ms 的區域內，平均傳輸時延為35 ms 左右。

（3）文件業務采用資源調度和未采用資源調度的仿真結果比較。文件業務對比統計如圖6 所示，其中，左側發送/接收量欄的上半部分統計量表示業務發送量，下半部分統計量表示業務接收量，發送與接收基本一致，傳輸成功率為100%。右側傳輸時延欄為業務傳輸時延，未采用資源調度策略的時延主要分布在50～79 s 的區域內，平均傳輸時延為69 s 左右；采用資源調度策略的時延主要分布在43～62 s 的區域內，平均傳輸時延為50 s 左右。

圖6 電報業務對比

4.3 仿真結果分析

通過第4 節中的兩組仿真試驗，可以看到多信道協同傳輸技術和業務優先級通信資源調度技術對業務傳輸性能都有明顯的提升，具體如下文所述。

4.3.1 多信道協同傳輸技術分析

在未采用多信道協同技術的仿真試驗中，業務傳輸成功率可達到100%，平均傳輸時延為57 s左右，傳輸時延較大；采用多信道協同傳輸技術后，業務傳輸成功率可達到100%，業務傳輸時延減小到33 s。業務在多個信道協同傳輸，實現了負載均衡，提升了業務吞吐量，降低了傳輸時延。

4.3.2 基于業務優先級的調度技術分析

在未采用業務優先級調度技術的仿真試驗中，所有業務均按照時間順序排列在發送隊列中，依次發送，在信道帶寬足夠的情況下，業務傳輸成功率基本達到100%，報文業務傳輸時延為9 s，視頻業務傳輸時延為120 ms，文件業務傳輸時延為69 s 左右。采用業務優先級調度技術后，業務調度隊列優先發送QoS 級別較高的業務報文，所有業務成功率均能達到100%，報文業務傳輸時延為6.5 s，視頻業務傳輸時延為35 ms，文件業務傳輸時延為50 s左右。因此，采用業務優先級調度技術后，QoS 級別高的業務傳輸時延明顯降低，業務傳送更及時。

5 結語

本文通過分析戰術網絡內涵特點及通信服務的約束條件，提出了高優先級業務優先保障和有限資源負載均衡的需求，即需要將業務進行分級調度，對可用資源進行分級調度使用?；谠撔枨?，首先構建了任務隊列、業務幀分片、通信資源調度模型，其次分析提出了業務與資源的耦合避讓和合理高效利用的約束條件，再次分析提出了動態負載均衡和業務優先級的目標函數，最后基于模型、約束條件和目標函數設計了算法流程。通過專用網絡仿真工具OPNET 對系統進行了仿真驗證，以驗證多信道協同負載均衡和基于業務優先級的調度策略對提高網絡吞吐量、傳輸時延的效果。仿真結果表明，SS-RBaSP 算法提高了網絡吞吐量，降低了業務傳輸時延，并部分提高了業務傳輸的成功率，能夠實現很好的負載均衡和通信服務效果。該算法為戰術通信系統骨干到戰術末端網絡及應急通信系統等以無線通信為主的資源受限網絡，提供了一種業務和資源高效匹配利用的策略方法。