【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 道的利用率。AOS采用多路復(fù)用機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶動(dòng)態(tài)分享同一信道，其具體的機(jī)制為虛擬信道調(diào)度機(jī)制。虛擬信道調(diào)度包括兩層復(fù)用機(jī)制。分別是包信道復(fù)用和虛擬信道復(fù)用。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。該模塊通過(guò)將來(lái)自具有相同或相似服務(wù)質(zhì)量要求、需要在同一虛擬信道中傳輸?shù)亩喾N數(shù)據(jù)包復(fù)用并分段裝入固定長(zhǎng)度的復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Multiplexed Protocol Data Unit，MPDU)的包區(qū)中，再分別加入MPDU主導(dǎo)頭、幀主導(dǎo)頭、幀尾，從而生成一幀，因此也可稱為幀生成模塊，而狹義虛擬信道復(fù)用是指多條虛擬信道共享一條物理信道。 虛擬信道調(diào)度 幀生成模塊 包處理虛擬信道調(diào)度算法信源 信源編碼 包封裝 信源 信源編碼 包封裝 虛擬 信道 幀生 完成 成信源 信源編碼 位流服務(wù) 封裝信源 信源編碼 VCA服務(wù) 封裝 虛擬信道幀服務(wù) 虛擬信道調(diào)度框圖虛擬信道(Virtual Channel簡(jiǎn)稱VC)是建立在一個(gè)物理信道上的多個(gè)“虛擬”通路，使一個(gè)物理上的空間信道可以被多個(gè)不同類型且具有不同需求的高層傳輸流所共享。虛擬信道的分配應(yīng)該按照數(shù)據(jù)包的類別而不是按照實(shí)際物理源進(jìn)行，因?yàn)楦黝惒煌瑪?shù)據(jù)需要提供不同的服務(wù)等級(jí)，而不同的物理源包往往包含相同類型的數(shù)據(jù)包。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]。根據(jù)信道利用率和緩存需求可將虛擬信道的復(fù)用方式分為，全同步多路復(fù)用、全異步多路復(fù)用、混合多路復(fù)用方式。(1)全同步多路復(fù)用在這種方式中各虛擬信道在指定時(shí)隙占用物理信道，每個(gè)虛擬信道的順序是固定的且不斷重復(fù)。這種方式適合于大多數(shù)業(yè)務(wù)是同步的且數(shù)據(jù)率固定的情況。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(méi)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)。(2)全異步多路復(fù)用 在這種方式下只有當(dāng)各虛擬信道被有效數(shù)據(jù)填滿后才開(kāi)始傳送。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上虛擬信道同時(shí)被填滿時(shí)，則需要根據(jù)一定的優(yōu)先級(jí)機(jī)制來(lái)決定各虛擬信道的傳輸。這種方式可以靈活地處理突發(fā)性業(yè)務(wù)，信道利用率較高，但對(duì)于那些優(yōu)先權(quán)較低的同步業(yè)務(wù)，有可能因?yàn)榕抨?duì)延遲過(guò)長(zhǎng)而超過(guò)它所規(guī)定的最大延遲。因此，這種方式較適合于輸入數(shù)據(jù)路數(shù)較少的情況。對(duì)于輸入數(shù)據(jù)路數(shù)較多且同步業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求很嚴(yán)格的情況則不宜采用全異步方式。(3)混合多路復(fù)用同步/異步混合多路復(fù)用將采用一個(gè)兩級(jí)多路復(fù)用的方式。第一級(jí)把信道分成同步方式和異步方式。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。采用這種方式，合理地分配同步與異步業(yè)務(wù)流占用物理信道的比率是關(guān)鍵。這必須根據(jù)同步虛擬信道和異步虛擬信道的個(gè)數(shù)以及同步業(yè)務(wù)流與異步業(yè)務(wù)流總數(shù)據(jù)率之比來(lái)確定。使用混合多路復(fù)用方式雖增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，但它能較好地避免前兩種方式的缺陷，因此這種方式適合于具有多數(shù)據(jù)源且各數(shù)據(jù)源特性相差較大的系統(tǒng)。 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)。因此，掌握多路復(fù)用技術(shù)的概念、思想和標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)AOS的基礎(chǔ)。 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了CCSDS AOS協(xié)議。分析了CCSDS協(xié)議結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用方式。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。對(duì)高級(jí)在軌系統(tǒng)進(jìn)行研究；并介紹了虛擬信道及虛擬信道調(diào)度的概念，從而為深入研究虛擬信道調(diào)度做鋪墊。 3 AOS虛擬信道的研究在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)虛擬信道可能對(duì)應(yīng)多個(gè)真實(shí)的物理信源。其入口處的信源模型是多個(gè)物理信源合路后的邏輯信源。，這一過(guò)程是由虛擬信道調(diào)度中的幀生成算法實(shí)現(xiàn)的。所謂幀生成算法是指為高層協(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，把來(lái)自具有相同或相似服務(wù)質(zhì)量要求、需要在同一虛擬信道中傳輸?shù)亩喾N數(shù)據(jù)包復(fù)用并分段裝入固定長(zhǎng)度的復(fù)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的包中，再分別加入MPDU主導(dǎo)頭、幀主導(dǎo)頭、幀尾，從而生成一幀。在特定的任務(wù)內(nèi)MPDU的長(zhǎng)度是固定的，并恰好能裝入固定長(zhǎng)度的虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)， 所示。 CCSDS包區(qū) ……CCSDS包 ……CCSDS包 …… 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。并分析了高效率幀生成算法的幀生成時(shí)間均值。針對(duì)高效率幀生成算法中可能出現(xiàn)的在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有足夠多的包到達(dá)，導(dǎo)致幀生成時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而造成幀生成時(shí)延超過(guò)業(yè)務(wù)所允許的最大時(shí)延情況。對(duì)虛擬信道進(jìn)行了分析研究，并研究了相關(guān)的虛擬信道調(diào)度算法。 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。正常狀態(tài)下的工程數(shù)據(jù)也可屬于此類，稱為分散數(shù)據(jù)，二是大容量下卸的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)往往隨機(jī)發(fā)生，而且數(shù)量巨大，如系統(tǒng)不加以限制。會(huì)對(duì)物理信道產(chǎn)生壟斷，稱為集中數(shù)據(jù)。分散數(shù)據(jù)包和集中數(shù)據(jù)塊的生成均符合泊松過(guò)程規(guī)律。根據(jù)包到達(dá)率、包長(zhǎng)的不同選擇，可以建立以下兩種信源模型： 模型1：CCSDS包到達(dá)過(guò)程服從泊松無(wú)記憶過(guò)程，平均到達(dá)率為，包長(zhǎng)固定為，MPDU包區(qū)長(zhǎng)度為，且有，其中為整數(shù)。在模型1中對(duì)包長(zhǎng)度的限制使得到達(dá)的包不會(huì)被分割到下一個(gè)MPDU中，也就是包串恰好能放入到MPDU的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。 模型2：CCSDS包到達(dá)過(guò)程服從泊松無(wú)記憶過(guò)程，平均到達(dá)率為，包長(zhǎng)是服從均值為的指數(shù)分布隨機(jī)變量，MPDU包區(qū)長(zhǎng)度為。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。因此有可能出現(xiàn)包串長(zhǎng)度不能恰好放入MPDU的數(shù)據(jù)域內(nèi)的情況，此時(shí)就需要分割包并將包剩余的部分放入下一個(gè)MPDU內(nèi)。泊松分布的定義為：設(shè)隨機(jī)變量X 所有可能取的值為0，1，2，…且概率分布為： k=0，1，2... ()其中是常數(shù)，則稱服從參數(shù)為的泊松分布，記作。假定一個(gè)MPDU中包含足夠多數(shù)量的包，即值足夠大，則采用模型1時(shí)進(jìn)行分析的性能與采用模型2進(jìn)行分析的性能是相近的，因此只需采用較簡(jiǎn)單的源包模型1 來(lái)分析系統(tǒng)的性能，所得到的結(jié)論同樣適用于采用模型2的系統(tǒng)。 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。虛擬信道用于區(qū)分各類不同數(shù)據(jù)以提供各自所需的服務(wù)等級(jí)，同時(shí)防止某一虛擬信道對(duì)物理信道的壟斷。通過(guò)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)。其中VC1~VC6屬于異步虛擬信道，VC7和VC8屬于同步虛擬信道。此外，VC9用于產(chǎn)生并傳輸填充VCDU[31]。虛擬信道的劃分如下：VC1：采用路徑業(yè)務(wù)，傳輸平臺(tái)系統(tǒng)網(wǎng)數(shù)據(jù)，重要性最高，實(shí)時(shí)性高(要求延時(shí)小)，數(shù)據(jù)比特率為10Mbps；VC2：采用路徑業(yè)務(wù)，傳輸生理遙測(cè)數(shù)據(jù)，重要性較高，數(shù)據(jù)比特率為10Mbps；VC3：采用路徑業(yè)務(wù)，傳輸延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，重要性一般；數(shù)據(jù)比特率為35Mbps；VC4：采用網(wǎng)間業(yè)務(wù)，傳輸網(wǎng)間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，重要性一般，數(shù)據(jù)比特率為2Mbps；VC5：采用路徑業(yè)務(wù)，傳輸高速有效載荷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，重要性一般，數(shù)據(jù)比特率為75Mbps；VC6：采用位流業(yè)務(wù)，傳輸高速有效載荷的CCD圖像類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)比特率為95Mbps；VC7：采用位流業(yè)務(wù)，傳輸視頻監(jiān)視的操作監(jiān)視數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)比特率為44 Mbps；VC8：采用位流業(yè)務(wù)，傳輸話音和視頻等視頻會(huì)議數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)比特率11Mbps；VC9：產(chǎn)生并傳輸填充VCDU。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(guò)物理信道進(jìn)行傳輸。 虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法虛擬信道調(diào)度決定數(shù)據(jù)幀(VCDU)在發(fā)送到物理信道時(shí)的先后排序，也即是決定著整個(gè)合路傳輸?shù)男?。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(kāi)始傳送前的傳輸實(shí)時(shí)性[32]。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)已經(jīng)填滿一幀后，能否被調(diào)度傳輸，不僅取決于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，更決定于虛擬信道對(duì)當(dāng)前傳輸實(shí)時(shí)性的要求，所謂當(dāng)前傳輸實(shí)時(shí)性要求，即“動(dòng)態(tài)”，是指當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送的進(jìn)展情況。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。 傳統(tǒng)的虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法 文獻(xiàn)中傳統(tǒng)的虛擬信道調(diào)度策略涉及到2個(gè)因素：傳送緊迫度基數(shù)、傳送緊迫度加權(quán)系數(shù)。傳送緊迫度基數(shù)B：一個(gè)虛擬信道從申請(qǐng)傳送開(kāi)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)。以一幀的傳送時(shí)間為單位，傳送緊迫度基數(shù)的值設(shè)置如下：如果一個(gè)虛擬信道的緩存中沒(méi)有完整的傳送幀，則該虛擬信道的傳送緊迫度基數(shù)定義為0，否則當(dāng)一個(gè)虛擬信道有完整的傳送幀時(shí)，該虛擬信道的傳送緊迫度基數(shù)就定義為1。 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。當(dāng)一個(gè)虛擬信道被服務(wù)過(guò)后，如果其虛擬信道緩存中沒(méi)有完整的傳送幀那么它的傳送緊迫度基數(shù)自動(dòng)降為0，否則其傳送緊迫度基數(shù)就自動(dòng)變?yōu)?。緊迫度加權(quán)系數(shù)，用來(lái)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)。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的虛擬信道可賦予一個(gè)較大的加權(quán)系數(shù)，反之，可賦予一個(gè)較小的加權(quán)系數(shù)。傳送緊迫度定義為： ()在調(diào)度過(guò)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)。由于傳統(tǒng)的虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法在進(jìn)行調(diào)度時(shí)，只考慮了虛擬信道中幀已經(jīng)等待的時(shí)間，而沒(méi)有考慮到每個(gè)虛擬信道中幀所允許的最大時(shí)延，所以不能充分反映幀的真實(shí)的傳送緊迫度，為了克服這個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)上面的傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，即基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法。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(lái)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?！皫木o迫度”被定義為上述兩個(gè)物理量的差值與虛擬信道靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的乘積[23]。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。仿真實(shí)驗(yàn)表明本文所提出的基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的虛擬信道動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，更適于在空間鏈路中傳輸多種不同類型的數(shù)據(jù)。 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(lái)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)。該算法的流程圖如下圖所示。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。當(dāng)VC緩存中的幀等待的時(shí)間超過(guò)它允許的最大調(diào)度時(shí)延，則這些幀將會(huì)丟失。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(kāi)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。幀的緊迫度F可定義如下： （） 從而得到： （）在調(diào)度過(guò)程中，在任一異步調(diào)度時(shí)刻，首先調(diào)度傳送幀的緊迫度的值F最小的VC。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。如果出現(xiàn)兩個(gè)或更多VC同時(shí)具有最小幀的緊迫度的值的情況，這時(shí)需要考慮這些VC的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先調(diào)度傳送靜態(tài)優(yōu)先級(jí)數(shù)值最小的VC，如果同時(shí)出現(xiàn)最小靜態(tài)優(yōu)先級(jí)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)。