【正文】 單元格式以及多路復用技術(shù)，并做出了虛擬信道及信道調(diào)度的概念。通過仿真運行得到一些比較經(jīng)典的虛擬信道調(diào)度算法的長短處和應用情況，并采用分析和仿真相結(jié)合的方式著重研究了靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。例如，空間生命，空間材料，空間環(huán)境，空間天文等多方面的研究與應用。1986年制定的CCSDS COS常規(guī)建議書重點關注了常規(guī)自由飛行科學衛(wèi)星的要求。他為空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)帶來了極大的方便，同時向下兼容常規(guī)空間數(shù)據(jù)業(yè)務[13]。 CCSDS協(xié)議結(jié)構(gòu)分析與應用研究 CCSDS 協(xié)議層次模型 CCSDS自成立以來，經(jīng)過20多年的發(fā)展已有30多個空間機構(gòu)參與支持并逐步建立了一套基本的空間通信標準[14]。按照內(nèi)容劃分CCSDS的建議和報告主要有八類：遙測系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助數(shù)據(jù)、射頻與調(diào)制系統(tǒng)、跟蹤與導航系統(tǒng)、信息獲取與交換系統(tǒng)、高級在軌系統(tǒng)、交互支持業(yè)務和結(jié)構(gòu)。 CCSDS件類型及相應的封面顏色文件類型封面顏色說明建議CCSDS藍皮書(Blue Book,BB)CCSDS紅皮書(Red Book,RB)CCSDS粉皮書(Pink Book,PB)批準發(fā)布的正式建議建議的初稿，技術(shù)委員會已原則同意，但最后還需要成員結(jié)構(gòu)審查通過對CCSDS藍皮書建議的修改方案，但最后還需有成員機構(gòu)審查通過報告CCSDS綠皮書(Green Book,GB) CCSDS報告，輔助性文件，補充相關建議的原理，提供背景信息草稿管理CCSDS白皮書(White Book,WB)CCSDS黃皮書(YellowBook,YB)CCSDS所有技術(shù)報告和建議的原始草稿CCSDS 的內(nèi)部文件，大多是非技術(shù)性的管理文件與標準的OSI模型相似CCSDS協(xié)議的層次模型可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。例如，在鏈路層，可以采取COS和AOS的混合配置。如果需要在航天器和地面間的兩路在線通信[17]。PVN必須在空間鏈路標識符文件中注冊。遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用可變長度的傳輸幀來保證長度較短的信息(通常為命令信息)短時延的接收。因此在應用這兩個協(xié)議時，如果需要保證完整、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，需要由高層協(xié)議來進行重傳控制。 高級在軌系統(tǒng) AOS的特點 AOS協(xié)議是在CCSDS制定的COS分包遙測、遙控的基礎上發(fā)展并完善起來的。可利用一個物理信道綜合傳送數(shù)據(jù)、話音、電視圖像、靜止圖像、實驗數(shù)據(jù)、遙測、遙控等各種不同的信息。采用兩種多路復用機制，即包信道多路復用和虛擬信道多路復用。不同類型的用戶通過采用不同格式的數(shù)據(jù)單元可以合并為一個數(shù)據(jù)流，從而在一條物理信道上進行傳輸設置航天器標識符。包括路徑業(yè)務和網(wǎng)間業(yè)務。它以版本1的CCSDS包作為其協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)。(2)網(wǎng)間業(yè)務該業(yè)務是路徑業(yè)務的補充業(yè)務。該業(yè)務實際上是將商業(yè)支持的ISO8473無連接網(wǎng)絡協(xié)議中的ISO8473包封裝在CPN通用的CCSDS包內(nèi)，再經(jīng)空間鏈路傳送。它們的描述如下：(1)包裝業(yè)務 該業(yè)務是將輸入的非CCSDS格式的定界、長度可變的、按字節(jié)排列的數(shù)據(jù)單元(ESDU)包裝在版本1的CCSDS包內(nèi)，以便在虛擬信道內(nèi)復用。其具體復用方法是將CCSDS包級連起來，直至其長度達到復用業(yè)務協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU的最大長度。位流業(yè)務主要用于高速率實時同步數(shù)據(jù)傳送。(4)插入業(yè)務 該業(yè)務用來等時傳送話音或遠程操作控制信息等按字節(jié)排列的采樣數(shù)據(jù)，適用于傳輸對實時性要求較高的數(shù)據(jù)。 (5)虛擬信道訪問業(yè)務 該業(yè)務是將由用戶提供的、長度固定的數(shù)據(jù)單元VCASDU(其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對CPN是未知的)放入虛擬信道長度固定的數(shù)據(jù)域(VCDU/CVCDU)內(nèi)，通過空間鏈路傳輸，傳輸可同步或異步且有序。為了能夠在同一條虛擬信道中傳輸這些數(shù)據(jù)，需要對它們按照統(tǒng)一格式進行封裝。MPDU導頭MPDU包區(qū)備用首導頭指針第k個包的剩余部分第k+1個包……第m個包第m+1個包5bits11bits變長 MPDU數(shù)據(jù)單元(5)VCDU/CVCDU 數(shù)據(jù)單元為使同步過程簡單可靠，SLS采用固定長度的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，即虛擬信道數(shù)據(jù)單元。當一個VC_PDU采用RS編碼時，稱為CVCDU。每一個CADU對應于一個信道存取時隙，連續(xù)的并且首尾相連的CADU就構(gòu)成了PCA_PDU。對于較高速率的系統(tǒng)，可以采用較長的VCDU 的長度以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和效率。為有效傳輸這些多信源多用戶且業(yè)務質(zhì)量要求各不相同的信息，提高空間數(shù)據(jù)信道的利用率。其中，包信道復用是指為高層協(xié)議產(chǎn)生的各種類型的數(shù)據(jù)包提供一種共享虛擬信道(幀)的機制。只有按類組織虛擬信道，才能有效防止某一虛擬信道對物理信道的壟斷[23]。因為各個虛擬信道在固定時隙傳送，即使在某一時隙沒有有效數(shù)據(jù)也必須發(fā)送填充數(shù)據(jù)以保持虛擬信道的順序和數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，因此這種方式不適于處理突發(fā)性業(yè)務。因此，這種方式較適合于輸入數(shù)據(jù)路數(shù)較少的情況。第二級分別采用前面提到的方法對兩種方式進行相應的處理。 虛擬信道調(diào)度技術(shù)是AOS的關鍵技術(shù)之一，正是在這種技術(shù)的支持下，AOS在網(wǎng)絡層提供了路徑業(yè)務和網(wǎng)間業(yè)務，在空間鏈路層提供了包裝業(yè)務、多路復用業(yè)務、位流業(yè)務、虛擬信道存取業(yè)務、虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務、及插入業(yè)務等多種業(yè)務，從而AOS可以傳輸多信源、多用戶、多目標的高速率數(shù)據(jù)。接著從AOS的特點、服務類型、AOS數(shù)據(jù)單元格式以及多路復用技術(shù)等方面。這一過程是由虛擬信道調(diào)度中的幀生成算法實現(xiàn)的。 CCSDS包區(qū) MPDU主導頭MPDU包區(qū)VCDU主導頭VCDU數(shù)據(jù)區(qū)CADU同步標志信道尋去時隙 多路復用中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變化本章主要對幀生成模塊進行研究，分析了在幀長、包長比值一定的前提下成幀等待時間與MPDU復用效率(MPDU復用效率是指在一個MPDU中，有CCSDS包的總長度與MPDU包區(qū)長度之比)的關系。 源包模型 星上數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型有兩種：一是生成的數(shù)據(jù)量較小且分散的空間數(shù)據(jù)，如遙控響應數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)等。分散數(shù)據(jù)包和集中數(shù)據(jù)塊的生成均符合泊松過程規(guī)律。在模型2中包長度不是一個固定值，允許包長度為一隨機變量。 虛擬信道的劃分 虛擬信道的劃分 在空間鏈路子層中，CCSDS的一個重要特征就是虛擬信道(VC)的概念。此外，VC9用于產(chǎn)生并傳輸填充VCDU[31]。合路器的調(diào)度策略是根據(jù)當前傳輸實時性要求進行調(diào)度的，靜態(tài)優(yōu)先級(即靜態(tài)傳輸實時性)只決定于未開始傳送前的傳輸實時性[32]。傳送緊迫度基數(shù)B：一個虛擬信道從申請傳送開始到虛擬信道調(diào)度時刻的延遲定義為傳送緊迫度基數(shù)。緊迫度加權(quán)系數(shù)，用來體現(xiàn)各個虛擬信道對傳輸延遲不同要求的加權(quán)系數(shù)被定義為緊迫度加權(quán)系數(shù)。與傳統(tǒng)的虛擬信道動態(tài)調(diào)度算法相比，本章所提出來的基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動態(tài)調(diào)度算法不僅考慮了虛擬信道中幀已經(jīng)等待的時間，而且考慮了調(diào)度模塊中每個虛擬信道中幀所允許的最大時延。 基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動態(tài)調(diào)度算法 本文提出來的基于幀的緊迫度的動態(tài)調(diào)度算法涉及到3個因素：VC允許的最大調(diào)度時延、VC中幀已經(jīng)等待的時間、靜態(tài)優(yōu)先級。VC中幀已經(jīng)等待的時間，虛擬信道當前調(diào)度時與虛擬信道中當前第一個幀的到達時刻的時間差，結(jié)果被定義為VC中幀已經(jīng)等待的時間，即： ()靜態(tài)優(yōu)先級，把各個虛擬信道在開始傳輸前的傳輸實時性稱為靜態(tài)優(yōu)先級，對于實時性要求高的虛擬信道可賦予一個數(shù)值較小的靜態(tài)優(yōu)先級，反之，可賦予一個數(shù)值較大的靜態(tài)優(yōu)先級，體現(xiàn)了不同VC對傳輸延遲的不同要求。 本章小結(jié) 本章研究分析了傳統(tǒng)的虛擬信道動態(tài)調(diào)度方案，并在此基礎上進行改進提出了一種新的基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動態(tài)調(diào)度方案，與傳統(tǒng)動態(tài)調(diào)度算法相比，該算法不僅考慮了虛擬信道中幀已經(jīng)等待的時間，也考慮了調(diào)度模塊中每個虛擬信道中幀所允許的最大時延。 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法的性能分析所謂靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法是指，在調(diào)度傳送之前，根據(jù)各個虛擬信道對實時性和重要性要求的不同，為每個虛擬信道分配一個靜態(tài)優(yōu)先級，然后按照靜態(tài)優(yōu)先級來調(diào)度選擇虛擬信道進行傳送，即首先調(diào)度選擇具有最高優(yōu)先級的虛擬信道占用物理信道并發(fā)送數(shù)據(jù)幀。本節(jié)的理論分析中，假設虛擬信道數(shù)據(jù)源包到達率服從泊松分布，且采用高效率幀生成算法生成虛擬信道數(shù)據(jù)幀，進而按照靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法進行調(diào)度發(fā)送。故有： ()而當?shù)竭_的包數(shù)小于時，此時沒有形成完整的一幀，因此VC2不能占用物理信道。即有： () （）其中，表示在時間內(nèi)到達的新包數(shù)，表示上個時刻剩余的包數(shù)，表示在（即當前一個調(diào)度時間)內(nèi)，新到達個包的概率。 性能分析與仿真 算法流程圖如下：開始 比較數(shù)據(jù)包和下行速率下行速率較大 Y延遲等于1延遲等于0剩余量加到下一個包數(shù)據(jù)延遲結(jié)束 調(diào)度算法基于前面的內(nèi)容，對虛擬信道調(diào)度過程進行調(diào)度仿真，仿真參數(shù)設置如下：（1）下行速率 ；（2）傳輸時延(單位：)；（3）包長度(單位：)；（4）到達率（單位：）。 先來先服務調(diào)度算法延遲。 本章小結(jié)本章主要對經(jīng)典的虛擬信道調(diào)度算法進行研究，首先建立虛擬信道調(diào)度的仿真模型，通過仿真實驗得到各經(jīng)典虛擬信道調(diào)度算法的優(yōu)缺點和適用條件，接著重點從理論分析角度對靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法進行了深入研究，通過嚴格的理論推導得出了靜態(tài)優(yōu)先級最高的虛擬信道部分性能參數(shù)的精確表達式，并通過仿真實驗驗證了理論推導的正確性，從而能夠為工程實現(xiàn)提供參考作用。具體內(nèi)容包括： 分析了等時幀生成算法中成幀等待時間與MPDU復用效率關系，指出對于一個動態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)中不同幀的MPDU復用效率是不同的，且當系統(tǒng)運行時間足夠長時，MPDU的復用效率將趨于一定值，分析了高效率幀生成算法的幀生成時間均值。本次設計能夠順利完成，首先我要感謝我的母?！砉ご髮W，是她為我們提供了學習知識的土壤，使我們在這里茁壯成長；其次我要感謝信息科學與工程學院的老師們，他們不僅教會我們專業(yè)方面的知識，而且教會我們做人做事的道理；尤其要感謝在本次設計中給與我大力支持和幫助的老師，每有問題，老師總是耐心的解答，使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設計中去；還要感謝我的同學們，他們熱心的幫助，使我感到了來自兄弟姐妹的情誼；最后還要感謝相關資料的編著者，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€良好的環(huán)境，使本次設計圓滿完成。reliable。consultative mittee for space data systems (CCSDS)。分析了傳統(tǒng)的虛擬信道動態(tài)調(diào)度算法，最后做出了幾種算法的仿真結(jié)果。其中，虛擬信道調(diào)度策略是AOS空間站數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心是AOS空間站能夠傳輸多任務、高速率不同數(shù)據(jù)的關鍵。 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法時延。 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法時延。反之VC2不能占用物理信道。 在第二個調(diào)度時刻，當上個調(diào)度時刻剩余的包數(shù)和在時間內(nèi)到達的新包數(shù)總和大于等于時，則至少形成一個完整幀，此時VC2即可占用物理信道，發(fā)送數(shù)據(jù)幀。在下述性能分析的公式推導中所用到的物理量的意義如下： :表示在第個調(diào)度時刻VC2能夠占用物理信道的概率；:表示在第個調(diào)度時刻VC2不能占用物理信道的概率；:表示在第個調(diào)度時刻VC2剩余個包的概率；:表示系統(tǒng)緩存容量為時，在第k個調(diào)度時刻VC2丟個包的概率。由于隨著調(diào)度模塊運行時間的增加，按照靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法分析信源中各個虛擬信道在任一調(diào)度時刻占用物理信道的概率和丟包率將會變得非常復雜，因此本文僅從理論上分析靜態(tài)優(yōu)先級最高的虛擬信道在任一調(diào)度時刻占用物理信道的概率和丟包率。虛擬信道調(diào)度策略一直以來都是AOS研究的重要內(nèi)容之一。這是因為幀的緊迫度的值F越小，其VC對實時性的要求越高。VC允許的最大調(diào)度時延，每個VC都有一個允許的最大調(diào)度時延，不同的信源對最大時延的要求各不相同。在任一調(diào)度時刻，首先調(diào)度傳送具有最高緊迫度的幀。傳送緊迫度定義為： ()在調(diào)度過程中，在任一異步調(diào)度時刻，首先調(diào)度傳送具有最高傳送緊迫度D的虛擬信道，如果出現(xiàn)兩個或更多虛擬信道同時具有最高傳送緊迫度的情況，這時，需要比較這些虛擬信道的緊迫度加權(quán)系數(shù)，優(yōu)先調(diào)度選擇緊迫度加權(quán)系數(shù)最高的虛擬信道，如果緊迫度加權(quán)系數(shù)相同的信道也不止一個，則優(yōu)先調(diào)度選擇序號小的信道并為之提供服務。 在任一調(diào)度時刻，對于有完整傳送幀的虛擬信道，若它得不到傳輸，則每延遲一幀的時間，該虛擬信道的傳送緊迫度基數(shù)加1。本節(jié)重點對虛擬信道動態(tài)調(diào)度算法進行研究。在任一調(diào)度時刻，如果其他VC中都為空，則將在VC9中產(chǎn)生一個空幀(VCDU)并通過物理信道進行傳輸。通過對載人航天器的用戶和業(yè)務需求的分析，選擇9路虛擬信道(VC)下行傳輸航天器用戶所需要的全部數(shù)據(jù)。