一種基于CCSDS AOS的虛擬信道動態(tài)調(diào)度方案

0. 引言

近年來，空間科學(xué)技術(shù)得到了空前的發(fā)展，隨之而來的各種空間任務(wù)對數(shù)據(jù)的處理和傳輸提出了更高 的要求。除了傳統(tǒng)的遙測、遙控數(shù)據(jù)以外，音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、高速科學(xué)實驗數(shù)據(jù)等的傳輸在越來越多 的系統(tǒng)中被要求。其中，在空間通信中，科學(xué)數(shù)據(jù)、圖像信息被實時的傳輸?shù)降厍蛏系牡孛婵刂坪脱芯咳?員，供研究人員對飛行器進行遙控，以滿足人們的需求。然而不同的用戶要求不同的服務(wù)質(zhì)量，且如此大 量的數(shù)據(jù)的傳輸使得物理信道資源顯得非常緊張。為了保證各種實時數(shù)據(jù)中同步業(yè)務(wù)、異步業(yè)務(wù)的有效傳 輸，必須合理有效地利用物理信道資源。 采用 CCSDS(CONsultative Committee for Space Data Systems，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會)標(biāo)準(zhǔn)的AOS[1] (ADVANCED Orbiting Systems，高級在軌系統(tǒng))建立在OSI(Open System Interconnect，開放系統(tǒng)互聯(lián))七 層結(jié)構(gòu)模型上，各層之間交互支持又相互獨立。AOS 的SL 層(Space Link，空間鏈路層)對應(yīng)于OSI 模 型中的數(shù)據(jù)鏈路層，SL 層可以分成兩個子層：VCLC(Virtual Channel Link CONTROL，虛擬信道鏈路控制) 子層和VCA(Virtual Channel Access，虛擬信道訪問)子層。VCLC 子層將不同用戶包裝好的數(shù)據(jù)多路到 同一虛擬信道上，VCA 子層提供虛擬信道并對多個虛擬信道進行合理調(diào)度共用同一物理信道。

AOS 服務(wù)于空-空和空-地測控、通信及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以處理多種類型、不同速率的數(shù)據(jù)，支持 不同需要的許多用戶同時訪問。通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流，AOS 利用一個信道可以同時傳送數(shù)據(jù)、話音、電 視圖像、靜止圖像、實驗數(shù)據(jù)、遙測、遙控等各種不同信息。為了使不同類型的數(shù)據(jù)共享同一信道，滿足 他們對服務(wù)質(zhì)量的要求，AOS 提供了不同的傳輸機制(同步、異步、等時)，可以將具有不同特性和傳輸 要求的源包用多個虛擬信道分開，共用同一物理信道傳輸。由于用戶種類多，數(shù)據(jù)產(chǎn)生隨機性強，且對于 實時性和完整性要求也不一致，如何有效利用虛擬信道并選擇系統(tǒng)適用的調(diào)度方案成為系統(tǒng)設(shè)計的重點。 本文詳細論述了基于 CCSDS 標(biāo)準(zhǔn)的AOS 中的幾種虛擬信道調(diào)度方案，并著重分析了同步/異步混合 調(diào)度策略，針對同步/異步混合調(diào)度策略中同步業(yè)務(wù)流和異步業(yè)務(wù)流動態(tài)占用物理信道比率的問題，提出了 一種基于用戶需求的虛擬信道動態(tài)調(diào)度方案，并對其可行性進行了驗證。

1. 常用虛擬信道調(diào)度策略

1.1 CCSDS 主網(wǎng)簡介

CCSDS 主網(wǎng)(CCSDS Principal Network，CPN) 起空間計劃數(shù)據(jù)管理網(wǎng)的作用，提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸， 以支持空間任務(wù)用戶。該主網(wǎng)的主要任務(wù)是完成空一地或空一空之間的數(shù)字信息傳輸。CPN 的結(jié)構(gòu)是： 一個軌道段中的“星載網(wǎng)”通過CCSDS“空間鏈路子網(wǎng)”與一個“地面網(wǎng)”或另一個軌道區(qū)段中的“星載網(wǎng)”相連 接。如圖1 所示。

1.2 虛擬信道的復(fù)制方式

虛擬信道(VC)是空間鏈路子網(wǎng)中的一個關(guān)鍵的概念。一個物理信道可以被劃分成多個邏輯信道，每個 邏輯信道可以被單獨識別并傳輸一種數(shù)據(jù)流。虛擬信道使得一個物理空間信道被多個高層數(shù)據(jù)流以時分復(fù) 用的方式共享，多種不同類型的數(shù)據(jù)在一個物理信道上傳輸成為可能，從而奠定了復(fù)接的理論基礎(chǔ)。 由上一節(jié)可知，VCA 子層的重要功能，就是完成不同虛擬信道的多路。多路機制的選擇需要根據(jù)數(shù)據(jù) 的類型、速率、優(yōu)先級、發(fā)送時間限制、是否存在插入數(shù)據(jù)等因素決定。虛擬信道承載的用戶數(shù)據(jù)有兩種 基本類型：異步數(shù)據(jù)(如遙測數(shù)據(jù)、計算機數(shù)據(jù)文件)與等時數(shù)據(jù)(話音、圖像等)。等時數(shù)據(jù)對最小延 遲有嚴(yán)格限制。異步數(shù)據(jù)對實時性可能也有一定要求。這些都直接影響虛擬信道復(fù)用方式及其配置的選擇。

虛擬信道有下述 3 種基本的復(fù)用方式：1)完全同步的調(diào)度策略：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)。各虛擬信道的數(shù)據(jù)單元在指定的時隙內(nèi)發(fā)送， 等同于傳統(tǒng)的時分體制。這種方式適用于大多數(shù)業(yè)務(wù)用戶的數(shù)據(jù)速率較固定且同步的場合，每一虛擬信道 按照固定時隙發(fā)送。各虛擬信道無論是否有數(shù)據(jù)要發(fā)，到時均要發(fā)送。即使在某一時刻沒有有效數(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。這種策略處理突發(fā)數(shù)據(jù)時效率較低。

2)完全異步的調(diào)度策略：各虛擬信道數(shù)據(jù)單元僅在被填滿有效數(shù)據(jù)時才會被發(fā)送。如果兩個虛擬信 道數(shù)據(jù)單元同時準(zhǔn)備好，將根據(jù)優(yōu)先級裁決誰先發(fā)送。即使在用戶數(shù)據(jù)量不斷變化的情況下，這種方式的 效率也很高。

但這種方式會因等待訪問物理信道而引入排隊延遲，延遲量也會依用戶數(shù)據(jù)量的變化而變化， 從而導(dǎo)致等時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的抖動。在某些場合，這種抖動可能難以忍受。假定各虛擬信道的輸入數(shù)據(jù)率相同， 均為X(b/s)，傳輸一個虛擬信道的時隙為T(secs)，N 路虛擬信道有N 個優(yōu)先級，則緩存大小Y(b/s) 為：Y = N ×T (sec s)× X (b / s) (1)

這種方式可以靈活的處理突發(fā)性業(yè)務(wù)，信道利用率較高，但對于那些優(yōu)先權(quán)較低的同步業(yè)務(wù)，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(shù)據(jù)路數(shù)較少的情況，對于 輸入數(shù)據(jù)路數(shù)較多且同步業(yè)務(wù)對時延要求很嚴(yán)格的情況則不宜采用全異步方式。

3)同步與異步結(jié)合的調(diào)度策略：同步/異步混合調(diào)度將采用一個兩級多路復(fù)用的方式。第一級先區(qū)分 同步和異步虛擬信道，將信道劃分為同步虛擬信道與異步虛擬信道兩部分，即分配某些時隙用于傳送同步 數(shù)據(jù)、而分配其余時隙用于傳送異步數(shù)據(jù);第二級則對同步數(shù)據(jù)按照全同步的調(diào)度策略調(diào)度，對異步數(shù)據(jù) 按照全異步的調(diào)度策略調(diào)度。如圖2 所示，同步虛擬信道分別為VC1、VC2、VC3，異步虛擬信道分別為 VC4、VC5、VC6 、VC7、VC8。在本例中，同步和異步業(yè)務(wù)流的比率固定為1 比2。每3 個周期S1 與 S2 連接1 個周期，與S3 連接2 個周期，即同步業(yè)務(wù)流占總業(yè)務(wù)流的三分之一，異步業(yè)務(wù)流占三分之二。 當(dāng)S1 與S2 相連時，按固定時隙從VC1、VC2 與VC3 中選擇需要傳輸?shù)腣CDU;當(dāng)S1 與S3 相連時，根 據(jù)優(yōu)先級從VC4、VC5、VC6 、VC7、VC8 中選擇需要傳輸?shù)腣CDU。

使用這種方式，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。具體的配置將根據(jù)總的數(shù) 據(jù)速率、等時數(shù)據(jù)量相對于總數(shù)據(jù)量的比率以及同步數(shù)據(jù)的實時性要求而定。

使用同步/異步混合調(diào)度策略雖然增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，但它既能滿足等時數(shù)據(jù)的固定時隙要求，又適應(yīng) 各異步數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)量的調(diào)整，是適合AOS 系統(tǒng)采用的虛擬信道調(diào)度策略。對其中的同步數(shù)據(jù)來說，由于 數(shù)據(jù)速率是固定的，傳輸時隙是固定的，因而傳輸延時也是固定的;對異步數(shù)據(jù)來說，由于同步數(shù)據(jù)占用 的是固定時隙，相當(dāng)于降低了異步數(shù)據(jù)的碼速率。所以，合理的分配同步與異步業(yè)務(wù)流占用物理信道的比 率是關(guān)鍵，既要盡可能減少同步數(shù)據(jù)的延時，又要盡可能的增加異步數(shù)據(jù)的碼速率。由于星載系統(tǒng)信源的 復(fù)雜多變性，上圖中采用的固定分配方案無法使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。下面將根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的不同數(shù)據(jù)速 率、突發(fā)度和延遲限制提出一種動態(tài)分配方案，以同時滿足同步數(shù)據(jù)的延時要求和異步數(shù)據(jù)的碼速率要求。

2. 基于用戶需求的動態(tài)調(diào)度方案

星上信源有實時數(shù)據(jù)和回放數(shù)據(jù)。對于實時數(shù)據(jù)，根據(jù)各個虛擬信道的數(shù)據(jù)速率為同步業(yè)務(wù)流和異步 業(yè)務(wù)流分配相應(yīng)物理信道的時隙，速率高的分配較多的傳送時隙。對于回放數(shù)據(jù)，根據(jù)各個用戶數(shù)據(jù)單元 的剩余數(shù)據(jù)量為同步和異步業(yè)務(wù)流分配相應(yīng)物理信道的時隙，剩余數(shù)據(jù)量大的分配較多的傳送時隙。

2.1 實時數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度

以圖2 為例，實時地統(tǒng)計各條虛擬信道上數(shù)據(jù)流動情況，即在給定的時間間隔內(nèi)統(tǒng)計流過的數(shù)據(jù)包， 得出各條虛擬信道的實時速率R1,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8。

則同步業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)速率為： Rs = R1 + R2 + R3 (2)

異步業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)速率為： Ra = R4 + R5 + R6 + R7 + R8 (3)

同步業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)速率與總數(shù)據(jù)速率的比率為： Rs/ (Rs+ Ra )。

同步業(yè)務(wù)具有實時性的要求，一般可以用最大延遲時間來衡量。最大延遲時間的物理含義是：從用戶 數(shù)據(jù)單元開始傳送(即進入傳送層)的那一刻起，到地面站接收到該用戶數(shù)據(jù)單元為止的最大容許延遲時 間。延遲時間主要由三部分組成：系統(tǒng)處理(封裝、復(fù)用、組幀等)時間，虛擬信道調(diào)度延遲時間，以及 物理信道傳輸時間。其中，系統(tǒng)處理時間和物理信道傳輸時間與系統(tǒng)性能相關(guān)，較為固定，本文主要分析 虛擬信道調(diào)度延遲時間。設(shè)同步業(yè)務(wù)平均每幀數(shù)據(jù)的虛擬信道調(diào)度延遲時間最大容許值為T ，則為滿足同 步業(yè)務(wù)的實時性要求，同步業(yè)務(wù)流占用的物理信道比率至少為： δ (T +δ )。

其中δ 為物理信道發(fā)送一幀CADU(Channel Access Data Unit，信道訪問數(shù)據(jù)單元)所需的時間間隔， 定義如下:δ = LCADU×8 / R

LCADU為的長度;R 為物理信道的數(shù)據(jù)速率。

同步業(yè)務(wù)流和異步業(yè)務(wù)流占用的物理信道的比率為 : C s Ca ，該比率隨著各個虛擬信道的數(shù)據(jù)速率的實時 變化而動態(tài)調(diào)整，能較好的滿足同步數(shù)據(jù)的實時性要求和異步數(shù)據(jù)的碼速率要求。

2.2 回放數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度

仍以圖2 為例，實時統(tǒng)計各虛擬信道對應(yīng)用戶的剩余數(shù)據(jù)量D1 ,D2 ,D3 ,D4 ,D 5,D 6,D 7,D8 。 其中：剩余數(shù)據(jù)量=總數(shù)據(jù)量-已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量

3.仿真分析

隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，不同信源對數(shù)據(jù)傳輸提出了不同的服務(wù)質(zhì)量QoS 要求。本節(jié)對于上述同步 業(yè)務(wù)和異步業(yè)務(wù)合理有效的共享物理信道的基于用戶需求的虛擬動態(tài)調(diào)度方式進行了驗證。

參照同步/異步混合調(diào)度策略的思想，根據(jù)各個虛擬信道的數(shù)據(jù)速率以及延時要求為同步業(yè)務(wù)流和異步 業(yè)務(wù)流分配相應(yīng)物理信道的時隙，在保證同步數(shù)據(jù)的延時要求的條件下，盡可能增加異步數(shù)據(jù)的碼速率。

取速率為 1M b/s 信源模擬同步業(yè)務(wù)流，物理信道信道容量設(shè)為10M b/s，同步業(yè)務(wù)流要求的最大延遲 為0.005s。同步業(yè)務(wù)流虛擬信道調(diào)度延遲曲線如圖3?？梢钥闯?，當(dāng)異步業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)量不大時，同步業(yè)務(wù) 流的延時較小;當(dāng)異步業(yè)務(wù)流達到某一值時，同步業(yè)務(wù)流的延遲達到最大，保證了同步業(yè)務(wù)流的傳輸要求。

異步業(yè)務(wù)流占物理信道的比率曲線如圖 4，從圖4 可以看出，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件而導(dǎo)致異步業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù) 量增大時，系統(tǒng)能在滿足同步業(yè)務(wù)流最大延時容許值的條件下為異步業(yè)務(wù)流分配盡可能多的物理信道時 隙，盡可能地滿足異步業(yè)務(wù)流的傳輸要求。

仿真結(jié)果表明：這種基于各用戶需求的不同數(shù)據(jù)速率的和剩余數(shù)據(jù)量的虛擬動態(tài)調(diào)度方案有效的解決 了多遙感器衛(wèi)星多數(shù)據(jù)源且數(shù)據(jù)源特性相差大的問題，既滿足同步業(yè)務(wù)對實時性的要求，又滿足異步業(yè)務(wù) 對碼速率的要求，使同步和異步業(yè)務(wù)有效合理的利用有限的物理信道資源，提高了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量要求。

4.結(jié)論

AOS 建議書提供了比常規(guī)建議書更為廣泛的數(shù)據(jù)服務(wù)，支持視頻數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)、高速數(shù)據(jù)、低速數(shù) 據(jù)的任意方向的傳輸，支持異步、同步、等時傳輸模式和位流、分包等多種傳輸業(yè)務(wù)，可以在一條物理信 道上傳輸多種不同類型的數(shù)據(jù)。近年來，空間科學(xué)的飛速發(fā)展使得各種空間任務(wù)對不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理和 傳輸提出了新的服務(wù)質(zhì)量要求。本文從理論上提出的基于用戶需求的動態(tài)調(diào)整同步/異步業(yè)務(wù)流占用物理信 道比率的方案，經(jīng)過仿真表明該方案能較好的解決同步/異步業(yè)務(wù)流高速、公平的共用物理信道的問題，提 高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量要求，滿足不同用戶的需求。

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