【正文】 單元格式以及多路復(fù)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(yùn)行得到一些比較經(jīng)典的虛擬信道調(diào)度算法的長(zhǎng)短處和應(yīng)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(jí)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(yīng)用。1986年制定的CCSDS COS常規(guī)建議書重點(diǎn)關(guān)注了常規(guī)自由飛行科學(xué)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(shí)向下兼容常規(guī)空間數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[13]。 CCSDS協(xié)議結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)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(gè)空間機(jī)構(gòu)參與支持并逐步建立了一套基本的空間通信標(biāo)準(zhǔn)[14]。按照內(nèi)容劃分CCSDS的建議和報(bào)告主要有八類：遙測(cè)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(dǎo)航系統(tǒng)、信息獲取與交換系統(tǒng)、高級(jí)在軌系統(tǒng)、交互支持業(yè)務(wù)和結(jié)構(gòu)。 CCSDS件類型及相應(yīng)的封面顏色文件類型封面顏色說明建議CCSDS藍(lán)皮書(Blue Book,BB)CCSDS紅皮書(Red Book,RB)CCSDS粉皮書(Pink Book,PB)批準(zhǔn)發(fā)布的正式建議建議的初稿，技術(shù)委員會(huì)已原則同意，但最后還需要成員結(jié)構(gòu)審查通過對(duì)CCSDS藍(lán)皮書建議的修改方案，但最后還需有成員機(jī)構(gòu)審查通過報(bào)告CCSDS綠皮書(Green Book,GB) CCSDS報(bào)告，輔助性文件，補(bǔ)充相關(guān)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(bào)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)層、傳輸層和應(yīng)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(biāo)識(shí)符文件中注冊(cè)。遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用可變長(zhǎng)度的傳輸幀來保證長(zhǎng)度較短的信息(通常為命令信息)短時(shí)延的接收。因此在應(yīng)用這兩個(gè)協(xié)議時(shí)，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(jìn)行重傳控制。 高級(jí)在軌系統(tǒng) AOS的特點(diǎn) AOS協(xié)議是在CCSDS制定的COS分包遙測(cè)、遙控的基礎(chǔ)上發(fā)展并完善起來的。可利用一個(gè)物理信道綜合傳送數(shù)據(jù)、話音、電視圖像、靜止圖像、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、遙測(cè)、遙控等各種不同的信息。采用兩種多路復(fù)用機(jī)制，即包信道多路復(fù)用和虛擬信道多路復(fù)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(gè)數(shù)據(jù)流，從而在一條物理信道上進(jìn)行傳輸設(shè)置航天器標(biāo)識(shí)符。包括路徑業(yè)務(wù)和網(wǎng)間業(yè)務(wù)。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(wù)該業(yè)務(wù)是路徑業(yè)務(wù)的補(bǔ)充業(yè)務(wù)。該業(yè)務(wù)實(shí)際上是將商業(yè)支持的ISO8473無連接網(wǎng)絡(luò)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(wù) 該業(yè)務(wù)是將輸入的非CCSDS格式的定界、長(zhǎng)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(fù)用。其具體復(fù)用方法是將CCSDS包級(jí)連起來，直至其長(zhǎng)度達(dá)到復(fù)用業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU的最大長(zhǎng)度。位流業(yè)務(wù)主要用于高速率實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)傳送。(4)插入業(yè)務(wù) 該業(yè)務(wù)用來等時(shí)傳送話音或遠(yuǎn)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(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)。 (5)虛擬信道訪問業(yè)務(wù) 該業(yè)務(wù)是將由用戶提供的、長(zhǎng)度固定的數(shù)據(jù)單元VCASDU(其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)CPN是未知的)放入虛擬信道長(zhǎng)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(duì)它們按照統(tǒng)一格式進(jìn)行封裝。MPDU導(dǎo)頭MPDU包區(qū)備用首導(dǎo)頭指針第k個(gè)包的剩余部分第k+1個(gè)包……第m個(gè)包第m+1個(gè)包5bits11bits變長(zhǎng) MPDU數(shù)據(jù)單元(5)VCDU/CVCDU 數(shù)據(jù)單元為使同步過程簡(jiǎn)單可靠，SLS采用固定長(zhǎng)度的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，即虛擬信道數(shù)據(jù)單元。當(dāng)一個(gè)VC_PDU采用RS編碼時(shí)，稱為CVCDU。每一個(gè)CADU對(duì)應(yīng)于一個(gè)信道存取時(shí)隙，連續(xù)的并且首尾相連的CADU就構(gòu)成了PCA_PDU。對(duì)于較高速率的系統(tǒng)，可以采用較長(zhǎng)的VCDU 的長(zhǎng)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(wù)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(fù)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(jī)制。只有按類組織虛擬信道，才能有效防止某一虛擬信道對(duì)物理信道的壟斷[23]。因?yàn)楦鱾€(gè)虛擬信道在固定時(shí)隙傳送，即使在某一時(shí)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(wù)。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(jí)分別采用前面提到的方法對(duì)兩種方式進(jìn)行相應(yīng)的處理。 虛擬信道調(diào)度技術(shù)是AOS的關(guān)鍵技術(shù)之一，正是在這種技術(shù)的支持下，AOS在網(wǎng)絡(luò)層提供了路徑業(yè)務(wù)和網(wǎng)間業(yè)務(wù)，在空間鏈路層提供了包裝業(yè)務(wù)、多路復(fù)用業(yè)務(wù)、位流業(yè)務(wù)、虛擬信道存取業(yè)務(wù)、虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)、及插入業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)，從而AOS可以傳輸多信源、多用戶、多目標(biāo)的高速率數(shù)據(jù)。接著從AOS的特點(diǎn)、服務(wù)類型、AOS數(shù)據(jù)單元格式以及多路復(fù)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(shí)現(xiàn)的。 CCSDS包區(qū) MPDU主導(dǎo)頭MPDU包區(qū)VCDU主導(dǎo)頭VCDU數(shù)據(jù)區(qū)CADU同步標(biāo)志信道尋去時(shí)隙 多路復(fù)用中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變化本章主要對(duì)幀生成模塊進(jìn)行研究，分析了在幀長(zhǎng)、包長(zhǎng)比值一定的前提下成幀等待時(shí)間與MPDU復(fù)用效率(MPDU復(fù)用效率是指在一個(gè)MPDU中，有CCSDS包的總長(zhǎng)度與MPDU包區(qū)長(zhǎng)度之比)的關(guān)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(yīng)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(zhǎng)度不是一個(gè)固定值，允許包長(zhǎng)度為一隨機(jī)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(gè)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(dāng)前傳輸實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行調(diào)度的，靜態(tài)優(yōu)先級(jí)(即靜態(tài)傳輸實(shí)時(shí)性)只決定于未開始傳送前的傳輸實(shí)時(shí)性[32]。傳送緊迫度基數(shù)B：一個(gè)虛擬信道從申請(qǐng)傳送開始到虛擬信道調(diào)度時(shí)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(gè)虛擬信道對(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí)間，而且考慮了調(diào)度模塊中每個(gè)虛擬信道中幀所允許的最大時(shí)延。 基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法 本文提出來的基于幀的緊迫度的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法涉及到3個(gè)因素：VC允許的最大調(diào)度時(shí)延、VC中幀已經(jīng)等待的時(shí)間、靜態(tài)優(yōu)先級(jí)。VC中幀已經(jīng)等待的時(shí)間，虛擬信道當(dāng)前調(diào)度時(shí)與虛擬信道中當(dāng)前第一個(gè)幀的到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差，結(jié)果被定義為VC中幀已經(jīng)等待的時(shí)間，即： ()靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，把各個(gè)虛擬信道在開始傳輸前的傳輸實(shí)時(shí)性稱為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的虛擬信道可賦予一個(gè)數(shù)值較小的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，反之，可賦予一個(gè)數(shù)值較大的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，體現(xiàn)了不同VC對(duì)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(dòng)態(tài)調(diào)度方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)提出了一種新的基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度方案，與傳統(tǒng)動(dòng)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(shí)間，也考慮了調(diào)度模塊中每個(gè)虛擬信道中幀所允許的最大時(shí)延。 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的性能分析所謂靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法是指，在調(diào)度傳送之前，根據(jù)各個(gè)虛擬信道對(duì)實(shí)時(shí)性和重要性要求的不同，為每個(gè)虛擬信道分配一個(gè)靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，然后按照靜態(tài)優(yōu)先級(jí)來調(diào)度選擇虛擬信道進(jìn)行傳送，即首先調(diào)度選擇具有最高優(yōu)先級(jí)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(shè)虛擬信道數(shù)據(jù)源包到達(dá)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(jìn)而按照靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度發(fā)送。故有： ()而當(dāng)?shù)竭_(dá)的包數(shù)小于時(shí)，此時(shí)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(shí)間內(nèi)到達(dá)的新包數(shù)，表示上個(gè)時(shí)刻剩余的包數(shù)，表示在（即當(dāng)前一個(gè)調(diào)度時(shí)間)內(nèi)，新到達(dá)個(gè)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(gè)包數(shù)據(jù)延遲結(jié)束 調(diào)度算法基于前面的內(nèi)容，對(duì)虛擬信道調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)度仿真，仿真參數(shù)設(shè)置如下：（1）下行速率 ；（2）傳輸時(shí)延(單位：)；（3）包長(zhǎng)度(單位：)；（4）到達(dá)率（單位：）。 先來先服務(wù)調(diào)度算法延遲。 本章小結(jié)本章主要對(duì)經(jīng)典的虛擬信道調(diào)度算法進(jìn)行研究，首先建立虛擬信道調(diào)度的仿真模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到各經(jīng)典虛擬信道調(diào)度算法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，接著重點(diǎn)從理論分析角度對(duì)靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法進(jìn)行了深入研究，通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)得出了靜態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的虛擬信道部分性能參數(shù)的精確表達(dá)式，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，從而能夠?yàn)楣こ虒?shí)現(xiàn)提供參考作用。具體內(nèi)容包括： 分析了等時(shí)幀生成算法中成幀等待時(shí)間與MPDU復(fù)用效率關(guān)系，指出對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)中不同幀的MPDU復(fù)用效率是不同的，且當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，MPDU的復(fù)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(shí)間均值。本次設(shè)計(jì)能夠順利完成，首先我要感謝我的母?！砉ご髮W(xué)，是她為我們提供了學(xué)習(xí)知識(shí)的土壤，使我們?cè)谶@里茁壯成長(zhǎng)；其次我要感謝信息科學(xué)與工程學(xué)院的老師們，他們不僅教會(huì)我們專業(yè)方面的知識(shí)，而且教會(huì)我們做人做事的道理；尤其要感謝在本次設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中去；還要感謝我的同學(xué)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(guān)資料的編著者，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€(gè)良好的環(huán)境，使本次設(shè)計(jì)圓滿完成。reliable。consultative mittee for space data systems (CCSDS)。分析了傳統(tǒng)的虛擬信道動(dòng)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(wù)、高速率不同數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法時(shí)延。 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法時(shí)延。反之VC2不能占用物理信道。 在第二個(gè)調(diào)度時(shí)刻，當(dāng)上個(gè)調(diào)度時(shí)刻剩余的包數(shù)和在時(shí)間內(nèi)到達(dá)的新包數(shù)總和大于等于時(shí)，則至少形成一個(gè)完整幀，此時(shí)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(dǎo)中所用到的物理量的意義如下： :表示在第個(gè)調(diào)度時(shí)刻VC2能夠占用物理信道的概率；:表示在第個(gè)調(diào)度時(shí)刻VC2不能占用物理信道的概率；:表示在第個(gè)調(diào)度時(shí)刻VC2剩余個(gè)包的概率；:表示系統(tǒng)緩存容量為時(shí)，在第k個(gè)調(diào)度時(shí)刻VC2丟個(gè)包的概率。由于隨著調(diào)度模塊運(yùn)行時(shí)間的增加，按照靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法分析信源中各個(gè)虛擬信道在任一調(diào)度時(shí)刻占用物理信道的概率和丟包率將會(huì)變得非常復(fù)雜，因此本文僅從理論上分析靜態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的虛擬信道在任一調(diào)度時(shí)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?yàn)閹木o迫度的值F越小，其VC對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越高。VC允許的最大調(diào)度時(shí)延，每個(gè)VC都有一個(gè)允許的最大調(diào)度時(shí)延，不同的信源對(duì)最大時(shí)延的要求各不相同。在任一調(diào)度時(shí)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(shí)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(gè)或更多虛擬信道同時(shí)具有最高傳送緊迫度的情況，這時(shí)，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(gè)，則優(yōu)先調(diào)度選擇序號(hào)小的信道并為之提供服務(wù)。 在任一調(diào)度時(shí)刻，對(duì)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(shí)間，該虛擬信道的傳送緊迫度基數(shù)加1。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行研究。在任一調(diào)度時(shí)刻，如果其他VC中都為空，則將在VC9中產(chǎn)生一個(gè)空幀(VCDU)并通過物理信道進(jìn)行傳輸。通過對(duì)載人航天器的用戶和業(yè)務(wù)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)。