【文章內容簡介】 道的利用率。AOS采用多路復用機制來實現(xiàn)多用戶動態(tài)分享同一信道，其具體的機制為虛擬信道調度機制。虛擬信道調度包括兩層復用機制。分別是包信道復用和虛擬信道復用。其中，包信道復用是指為高層協(xié)議產生的各種類型的數據包提供一種共享虛擬信道(幀)的機制。該模塊通過將來自具有相同或相似服務質量要求、需要在同一虛擬信道中傳輸的多種數據包復用并分段裝入固定長度的復用協(xié)議數據單元(Multiplexed Protocol Data Unit，MPDU)的包區(qū)中，再分別加入MPDU主導頭、幀主導頭、幀尾，從而生成一幀，因此也可稱為幀生成模塊，而狹義虛擬信道復用是指多條虛擬信道共享一條物理信道。 虛擬信道調度 幀生成模塊 包處理虛擬信道調度算法信源 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 封裝信源 信源編碼 VCA服務 封裝 虛擬信道幀服務 虛擬信道調度框圖虛擬信道(Virtual Channel簡稱VC)是建立在一個物理信道上的多個“虛擬”通路，使一個物理上的空間信道可以被多個不同類型且具有不同需求的高層傳輸流所共享。虛擬信道的分配應該按照數據包的類別而不是按照實際物理源進行，因為各類不同數據需要提供不同的服務等級，而不同的物理源包往往包含相同類型的數據包。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]。根據信道利用率和緩存需求可將虛擬信道的復用方式分為，全同步多路復用、全異步多路復用、混合多路復用方式。(1)全同步多路復用在這種方式中各虛擬信道在指定時隙占用物理信道，每個虛擬信道的順序是固定的且不斷重復。這種方式適合于大多數業(yè)務是同步的且數據率固定的情況。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據也必須發(fā)送填充數據以保持虛擬信道的順序和數據流的連續(xù)性，因此這種方式不適于處理突發(fā)性業(yè)務。(2)全異步多路復用 在這種方式下只有當各虛擬信道被有效數據填滿后才開始傳送。當兩個或兩個以上虛擬信道同時被填滿時，則需要根據一定的優(yōu)先級機制來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，信道利用率較高，但對于那些優(yōu)先權較低的同步業(yè)務，有可能因為排隊延遲過長而超過它所規(guī)定的最大延遲。因此，這種方式較適合于輸入數據路數較少的情況。對于輸入數據路數較多且同步業(yè)務對時延要求很嚴格的情況則不宜采用全異步方式。(3)混合多路復用同步/異步混合多路復用將采用一個兩級多路復用的方式。第一級把信道分成同步方式和異步方式。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。采用這種方式，合理地分配同步與異步業(yè)務流占用物理信道的比率是關鍵。這必須根據同步虛擬信道和異步虛擬信道的個數以及同步業(yè)務流與異步業(yè)務流總數據率之比來確定。使用混合多路復用方式雖增加了系統(tǒng)的復雜度，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據源且各數據源特性相差較大的系統(tǒng)。 虛擬信道調度技術是AOS的關鍵技術之一，正是在這種技術的支持下，AOS在網絡層提供了路徑業(yè)務和網間業(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、虛擬信道數據單元業(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、多目標的高速率數據。因此，掌握多路復用技術的概念、思想和標準，是實現(xiàn)AOS的基礎。 本章小結本章詳細介紹了CCSDS AOS協(xié)議。分析了CCSDS協(xié)議結構及其應用方式。接著從AOS的特點、服務類型、AOS數據單元格式以及多路復用技術等方面。對高級在軌系統(tǒng)進行研究；并介紹了虛擬信道及虛擬信道調度的概念，從而為深入研究虛擬信道調度做鋪墊。 3 AOS虛擬信道的研究在實際應用中，一個虛擬信道可能對應多個真實的物理信源。其入口處的信源模型是多個物理信源合路后的邏輯信源。，這一過程是由虛擬信道調度中的幀生成算法實現(xiàn)的。所謂幀生成算法是指為高層協(xié)議產生的各種類型的數據包提供一種共享虛擬信道(幀)的機制，把來自具有相同或相似服務質量要求、需要在同一虛擬信道中傳輸的多種數據包復用并分段裝入固定長度的復用協(xié)議數據單元(MPDU)的包中，再分別加入MPDU主導頭、幀主導頭、幀尾，從而生成一幀。在特定的任務內MPDU的長度是固定的，并恰好能裝入固定長度的虛擬信道數據單元(VCDU)的數據區(qū)內， 所示。 CCSDS包區(qū) ……CCSDS包 ……CCSDS包 …… MPDU主導頭MPDU包區(qū)VCDU主導頭VCDU數據區(qū)CADU同步標志信道尋去時隙 多路復用中數據結構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。并分析了高效率幀生成算法的幀生成時間均值。針對高效率幀生成算法中可能出現(xiàn)的在較長時間內沒有足夠多的包到達，導致幀生成時間過長，從而造成幀生成時延超過業(yè)務所允許的最大時延情況。對虛擬信道進行了分析研究，并研究了相關的虛擬信道調度算法。 源包模型 星上數據源產生的數據類型有兩種：一是生成的數據量較小且分散的空間數據，如遙控響應數據和故障數據等。正常狀態(tài)下的工程數據也可屬于此類，稱為分散數據，二是大容量下卸的數據。這種數據往往隨機發(fā)生，而且數量巨大，如系統(tǒng)不加以限制。會對物理信道產生壟斷，稱為集中數據。分散數據包和集中數據塊的生成均符合泊松過程規(guī)律。根據包到達率、包長的不同選擇，可以建立以下兩種信源模型： 模型1：CCSDS包到達過程服從泊松無記憶過程，平均到達率為，包長固定為，MPDU包區(qū)長度為，且有，其中為整數。在模型1中對包長度的限制使得到達的包不會被分割到下一個MPDU中，也就是包串恰好能放入到MPDU的數據區(qū)內。 模型2：CCSDS包到達過程服從泊松無記憶過程，平均到達率為，包長是服從均值為的指數分布隨機變量，MPDU包區(qū)長度為。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。因此有可能出現(xiàn)包串長度不能恰好放入MPDU的數據域內的情況，此時就需要分割包并將包剩余的部分放入下一個MPDU內。泊松分布的定義為：設隨機變量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，則稱服從參數為的泊松分布，記作。假定一個MPDU中包含足夠多數量的包，即值足夠大，則采用模型1時進行分析的性能與采用模型2進行分析的性能是相近的，因此只需采用較簡單的源包模型1 來分析系統(tǒng)的性能，所得到的結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)分各類不同數據以提供各自所需的服務等級，同時防止某一虛擬信道對物理信道的壟斷。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據。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，傳輸平臺系統(tǒng)網數據，重要性最高，實時性高(要求延時小)，數據比特率為10Mbps；VC2：采用路徑業(yè)務，傳輸生理遙測數據，重要性較高，數據比特率為10Mbps；VC3：采用路徑業(yè)務，傳輸延時遙測數據，重要性一般；數據比特率為35Mbps；VC4：采用網間業(yè)務，傳輸網間業(yè)務數據，重要性一般，數據比特率為2Mbps；VC5：采用路徑業(yè)務，傳輸高速有效載荷的試驗數據，重要性一般，數據比特率為75Mbps；VC6：采用位流業(yè)務，傳輸高速有效載荷的CCD圖像類數據，數據比特率為95Mbps；VC7：采用位流業(yè)務，傳輸視頻監(jiān)視的操作監(jiān)視數據，數據比特率為44 Mbps；VC8：采用位流業(yè)務，傳輸話音和視頻等視頻會議數據，數據比特率11Mbps；VC9：產生并傳輸填充VCDU。在任一調度時刻，如果其他VC中都為空，則將在VC9中產生一個空幀(VCDU)并通過物理信道進行傳輸。 虛擬信道動態(tài)調度算法虛擬信道調度決定數據幀(VCDU)在發(fā)送到物理信道時的先后排序，也即是決定著整個合路傳輸的效率。合路器的調度策略是根據當前傳輸實時性要求進行調度的，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]。當用戶數據已經填滿一幀后，能否被調度傳輸，不僅取決于靜態(tài)優(yōu)先級，更決定于虛擬信道對當前傳輸實時性的要求，所謂當前傳輸實時性要求，即“動態(tài)”，是指當前數據傳送的進展情況。本節(jié)重點對虛擬信道動態(tài)調度算法進行研究。 傳統(tǒng)的虛擬信道動態(tài)調度算法 文獻中傳統(tǒng)的虛擬信道調度策略涉及到2個因素：傳送緊迫度基數、傳送緊迫度加權系數。傳送緊迫度基數B：一個虛擬信道從申請傳送開始到虛擬信道調度時刻的延遲定義為傳送緊迫度基數。以一幀的傳送時間為單位，傳送緊迫度基數的值設置如下：如果一個虛擬信道的緩存中沒有完整的傳送幀，則該虛擬信道的傳送緊迫度基數定義為0，否則當一個虛擬信道有完整的傳送幀時，該虛擬信道的傳送緊迫度基數就定義為1。 在任一調度時刻，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加1。當一個虛擬信道被服務過后，如果其虛擬信道緩存中沒有完整的傳送幀那么它的傳送緊迫度基數自動降為0，否則其傳送緊迫度基數就自動變?yōu)?。緊迫度加權系數，用來體現(xiàn)各個虛擬信道對傳輸延遲不同要求的加權系數被定義為緊迫度加權系數。對于實時性要求高的虛擬信道可賦予一個較大的加權系數，反之，可賦予一個較小的加權系數。傳送緊迫度定義為： ()在調度過程中，在任一異步調度時刻，首先調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系數，優(yōu)先調度選擇緊迫度加權系數最高的虛擬信道，如果緊迫度加權系數相同的信道也不止一個，則優(yōu)先調度選擇序號小的信道并為之提供服務。由于傳統(tǒng)的虛擬信道動態(tài)調度算法在進行調度時，只考慮了虛擬信道中幀已經等待的時間，而沒有考慮到每個虛擬信道中幀所允許的最大時延，所以不能充分反映幀的真實的傳送緊迫度，為了克服這個問題，本文對上面的傳統(tǒng)動態(tài)調度算法進行改進，提出一種新的動態(tài)調度算法，即基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動態(tài)調度算法。與傳統(tǒng)的虛擬信道動態(tài)調度算法相比，本章所提出來的基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動態(tài)調度算法不僅考慮了虛擬信道中幀已經等待的時間，而且考慮了調度模塊中每個虛擬信道中幀所允許的最大時延?！皫木o迫度”被定義為上述兩個物理量的差值與虛擬信道靜態(tài)優(yōu)先級的乘積[23]。在任一調度時刻，首先調度傳送具有最高緊迫度的幀。仿真實驗表明本文所提出的基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動態(tài)調度算法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的虛擬信道動態(tài)調度算法，更適于在空間鏈路中傳輸多種不同類型的數據。 基于幀的緊迫度的AOS虛擬信道動態(tài)調度算法 本文提出來的基于幀的緊迫度的動態(tài)調度算法涉及到3個因素：VC允許的最大調度時延、VC中幀已經等待的時間、靜態(tài)優(yōu)先級。該算法的流程圖如下圖所示。VC允許的最大調度時延，每個VC都有一個允許的最大調度時延，不同的信源對最大時延的要求各不相同。當VC緩存中的幀等待的時間超過它允許的最大調度時延，則這些幀將會丟失。VC中幀已經等待的時間，虛擬信道當前調度時與虛擬信道中當前第一個幀的到達時刻的時間差，結果被定義為VC中幀已經等待的時間，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值較小的靜態(tài)優(yōu)先級，反之，可賦予一個數值較大的靜態(tài)優(yōu)先級，體現(xiàn)了不同VC對傳輸延遲的不同要求。幀的緊迫度F可定義如下： （） 從而得到： （）在調度過程中，在任一異步調度時刻，首先調度傳送幀的緊迫度的值F最小的VC。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。如果出現(xiàn)兩個或更多VC同時具有最小幀的緊迫度的值的情況，這時需要考慮這些VC的靜態(tài)優(yōu)先級，優(yōu)先調度傳送靜態(tài)優(yōu)先級數值最小的VC，如果同時出現(xiàn)最小靜態(tài)優(yōu)先級的信道也不止一個，則優(yōu)先調度選擇序號小的信道并為之提供服務。