【正文】 reliable。consultative mittee for space data systems (CCSDS)。本次設(shè)計能夠順利完成，首先我要感謝我的母校——理工大學(xué)，是她為我們提供了學(xué)習(xí)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(xué)與工程學(xué)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(shè)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(shè)計中去；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€良好的環(huán)境，使本次設(shè)計圓滿完成。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。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(fù)用效率關(guān)系，指出對于一個動態(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)行時間足夠長時，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間均值。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。 本章小結(jié)本章主要對經(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)從理論分析角度對靜態(tài)優(yōu)先級調(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。 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法時延。 先來先服務(wù)調(diào)度算法延遲。 靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法時延。 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(jìn)行調(diào)度仿真，仿真參數(shù)設(shè)置如下：（1）下行速率 ；（2）傳輸時延(單位：)；（3）包長度(單位：)；（4）到達(dá)率（單位：）。反之VC2不能占用物理信道。即有： () （）其中，表示在時間內(nèi)到達(dá)的新包數(shù)，表示上個時刻剩余的包數(shù)，表示在（即當(dāng)前一個調(diào)度時間)內(nèi)，新到達(dá)個包的概率。 在第二個調(diào)度時刻，當(dāng)上個調(diào)度時刻剩余的包數(shù)和在時間內(nèi)到達(dá)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。故有： ()而當(dāng)?shù)竭_(dá)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。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。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)先級調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度發(fā)送。由于隨著調(diào)度模塊運(yùn)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(fù)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。 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(shí)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(jìn)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。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。 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(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。這是因?yàn)閹木o迫度的值F越小，其VC對實(shí)時性的要求越高。VC中幀已經(jīng)等待的時間，虛擬信道當(dāng)前調(diào)度時與虛擬信道中當(dāng)前第一個幀的到達(dá)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(shí)時性稱為靜態(tài)優(yōu)先級，對于實(shí)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。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。 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。在任一調(diào)度時刻，首先調(diào)度傳送具有最高緊迫度的幀。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。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(wù)。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)。 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。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)。本節(jié)重點(diǎn)對虛擬信道動態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行研究。合路器的調(diào)度策略是根據(jù)當(dāng)前傳輸實(shí)時性要求進(jìn)行調(diào)度的，靜態(tài)優(yōu)先級(即靜態(tài)傳輸實(shí)時性)只決定于未開始傳送前的傳輸實(shí)時性[32]。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(jìn)行傳輸。此外，VC9用于產(chǎn)生并傳輸填充VCDU[31]。通過對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)。 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。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。在模型2中包長度不是一個固定值，允許包長度為一隨機(jī)變量。在模型1中對包長度的限制使得到達(dá)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(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。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。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。 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。針對高效率幀生成算法中可能出現(xiàn)的在較長時間內(nèi)沒有足夠多的包到達(dá)，導(dǎo)致幀生成時間過長，從而造成幀生成時延超過業(yè)務(wù)所允許的最大時延情況。 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)志信道尋去時隙 多路復(fù)用中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變化本章主要對幀生成模塊進(jìn)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(fù)用效率(MPDU復(fù)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(guān)系。 ……CCSDS包 CCSDS包區(qū)在特定的任務(wù)內(nèi)MPDU的長度是固定的，并恰好能裝入固定長度的虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)， 所示。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。 3 AOS虛擬信道的研究在實(shí)際應(yīng)用中，一個虛擬信道可能對應(yīng)多個真實(shí)的物理信源。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。 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了CCSDS AOS協(xié)議。 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)。這必須根據(jù)同步虛擬信道和異步虛擬信道的個數(shù)以及同步業(yè)務(wù)流與異步業(yè)務(wù)流總數(shù)據(jù)率之比來確定。第二級分別采用前面提到的方法對兩種方式進(jìn)行相應(yīng)的處理。(3)混合多路復(fù)用同步/異步混合多路復(fù)用將采用一個兩級多路復(fù)用的方式。因此，這種方式較適合于輸入數(shù)據(jù)路數(shù)較少的情況。當(dāng)兩個或兩個以上虛擬信道同時被填滿時，則需要根據(jù)一定的優(yōu)先級機(jī)制來決定各虛擬信道的傳輸。因?yàn)楦鱾€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(wù)。(1)全同步多路復(fù)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(fù)。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]。 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。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。虛擬信道調(diào)度包括兩層復(fù)用機(jī)制。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。 多路復(fù)用技術(shù)與虛擬信道 由于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)為大量動態(tài)用戶提供服務(wù)。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。固定虛擬信道數(shù)據(jù)單元的長度有利于系統(tǒng)同步，有利于控制系統(tǒng)延時量及存儲量，有利于采用統(tǒng)一的糾錯編碼，也便于防止大容量用戶獨(dú)占信道。每一個CADU對應(yīng)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。每個VCDU和CVCDU的長度，在一個特定的任務(wù)當(dāng)中都是相同的。當(dāng)一個VC_PDU采用RS編碼時，稱為CVCDU。并利用同步頭進(jìn)行定界。MPDU導(dǎo)頭MPDU包區(qū)備用首導(dǎo)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。主導(dǎo)頭E_PDU數(shù)據(jù)域包標(biāo)識符包序列控制包長度版本號類型副導(dǎo)頭標(biāo)識應(yīng)用過程標(biāo)識符順序標(biāo)識報序列標(biāo)識311112141616比特16比特16比特可變 EPDU數(shù)據(jù)單元(3)位流業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元位流業(yè)務(wù)將用戶提供的位流數(shù)據(jù)順序地填入位流數(shù)據(jù)單元(BPDU)的數(shù)據(jù)域。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(jìn)行封裝。此業(yè)務(wù)只適用