一種基于CCSDS AOS的虛擬信道動(dòng)態(tài)調度方案

0. 引言

近年來(lái)，空間科學(xué)技術(shù)得到了空前的發(fā)展，隨之而來(lái)的各種空間任務(wù)對數據的處理和傳輸提出了更高 的要求。除了傳統的遙測、遙控數據以外，音頻數據、視頻數據、高速科學(xué)實(shí)驗數據等的傳輸在越來(lái)越多 的系統中被要求。其中，在空間通信中，科學(xué)數據、圖像信息被實(shí)時(shí)的傳輸到地球上的地面控制和研究人 員，供研究人員對飛行器進(jìn)行遙控，以滿(mǎn)足人們的需求。然而不同的用戶(hù)要求不同的服務(wù)質(zhì)量，且如此大 量的數據的傳輸使得物理信道資源顯得非常緊張。為了保證各種實(shí)時(shí)數據中同步業(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，空間數據系統咨詢(xún)委員會(huì ))標準的AOS[1] (ADVANCED Orbiting Systems，高級在軌系統)建立在OSI(Open System Interconnect，開(kāi)放系統互聯(lián))七 層結構模型上，各層之間交互支持又相互獨立。AOS 的SL 層(Space Link，空間鏈路層)對應于OSI 模 型中的數據鏈路層，SL 層可以分成兩個(gè)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(fǎng)問(wèn))子層。VCLC 子層將不同用戶(hù)包裝好的數據多路到 同一虛擬信道上，VCA 子層提供虛擬信道并對多個(gè)虛擬信道進(jìn)行合理調度共用同一物理信道。

AOS 服務(wù)于空-空和空-地測控、通信及數據管理系統，可以處理多種類(lèi)型、不同速率的數據，支持 不同需要的許多用戶(hù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)建立統一的數據流，AOS 利用一個(gè)信道可以同時(shí)傳送數據、話(huà)音、電 視圖像、靜止圖像、實(shí)驗數據、遙測、遙控等各種不同信息。為了使不同類(lèi)型的數據共享同一信道，滿(mǎn)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(shí))，可以將具有不同特性和傳輸 要求的源包用多個(gè)虛擬信道分開(kāi)，共用同一物理信道傳輸。由于用戶(hù)種類(lèi)多，數據產(chǎn)生隨機性強，且對于 實(shí)時(shí)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適用的調度方案成為系統設計的重點(diǎn)。 本文詳細論述了基于 CCSDS 標準的AOS 中的幾種虛擬信道調度方案，并著(zhù)重分析了同步/異步混合 調度策略，針對同步/異步混合調度策略中同步業(yè)務(wù)流和異步業(yè)務(wù)流動(dòng)態(tài)占用物理信道比率的問(wèn)題，提出了 一種基于用戶(hù)需求的虛擬信道動(dòng)態(tài)調度方案，并對其可行性進(jìn)行了驗證。

1. 常用虛擬信道調度策略

1.1 CCSDS 主網(wǎng)簡(jiǎn)介

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

1.2 虛擬信道的復制方式

虛擬信道(VC)是空間鏈路子網(wǎng)中的一個(gè)關(guān)鍵的概念。一個(gè)物理信道可以被劃分成多個(gè)邏輯信道，每個(gè) 邏輯信道可以被單獨識別并傳輸一種數據流。虛擬信道使得一個(gè)物理空間信道被多個(gè)高層數據流以時(shí)分復 用的方式共享，多種不同類(lèi)型的數據在一個(gè)物理信道上傳輸成為可能，從而奠定了復接的理論基礎。 由上一節可知，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數據 的類(lèi)型、速率、優(yōu)先級、發(fā)送時(shí)間限制、是否存在插入數據等因素決定。虛擬信道承載的用戶(hù)數據有兩種 基本類(lèi)型：異步數據(如遙測數據、計算機數據文件)與等時(shí)數據(話(huà)音、圖像等)。等時(shí)數據對最小延 遲有嚴格限制。異步數據對實(shí)時(shí)性可能也有一定要求。這些都直接影響虛擬信道復用方式及其配置的選擇。

虛擬信道有下述 3 種基本的復用方式：1)完全同步的調度策略：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。各虛擬信道的數據單元在指定的時(shí)隙內發(fā)送， 等同于傳統的時(shí)分體制。這種方式適用于大多數業(yè)務(wù)用戶(hù)的數據速率較固定且同步的場(chǎng)合，每一虛擬信道 按照固定時(shí)隙發(fā)送。各虛擬信道無(wú)論是否有數據要發(fā)，到時(shí)均要發(fā)送。即使在某一時(shí)刻沒(méi)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性。這種策略處理突發(fā)數據時(shí)效率較低。

2)完全異步的調度策略：各虛擬信道數據單元僅在被填滿(mǎn)有效數據時(shí)才會(huì )被發(fā)送。如果兩個(gè)虛擬信 道數據單元同時(shí)準備好，將根據優(yōu)先級裁決誰(shuí)先發(fā)送。即使在用戶(hù)數據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(huì )因等待訪(fǎng)問(wèn)物理信道而引入排隊延遲，延遲量也會(huì )依用戶(hù)數據量的變化而變化， 從而導致等時(shí)業(yè)務(wù)數據的抖動(dòng)。在某些場(chǎng)合，這種抖動(dòng)可能難以忍受。假定各虛擬信道的輸入數據率相同， 均為X(b/s)，傳輸一個(gè)虛擬信道的時(shí)隙為T(mén)(secs)，N 路虛擬信道有N 個(gè)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)先權較低的同步業(yè)務(wù)，有可能 因為排隊延遲過(guò)長(cháng)而超過(guò)它所規定的最大延遲。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(wù)對時(shí)延要求很?chē)栏竦那闆r則不宜采用全異步方式。

3)同步與異步結合的調度策略：同步/異步混合調度將采用一個(gè)兩級多路復用的方式。第一級先區分 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(shí)隙用于傳送同步 數據、而分配其余時(shí)隙用于傳送異步數據;第二級則對同步數據按照全同步的調度策略調度，對異步數據 按照全異步的調度策略調度。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(gè)周期S1 與 S2 連接1 個(gè)周期，與S3 連接2 個(gè)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S1 與S2 相連時(shí)，按固定時(shí)隙從VC1、VC2 與VC3 中選擇需要傳輸的VCDU;當S1 與S3 相連時(shí)，根 據優(yōu)先級從VC4、VC5、VC6 、VC7、VC8 中選擇需要傳輸的VCDU。

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。具體的配置將根據總的數 據速率、等時(shí)數據量相對于總數據量的比率以及同步數據的實(shí)時(shí)性要求而定。

使用同步/異步混合調度策略雖然增加了系統復雜度，但它既能滿(mǎn)足等時(shí)數據的固定時(shí)隙要求，又適應 各異步數據源數據量的調整，是適合AOS 系統采用的虛擬信道調度策略。對其中的同步數據來(lái)說(shuō)，由于 數據速率是固定的，傳輸時(shí)隙是固定的，因而傳輸延時(shí)也是固定的;對異步數據來(lái)說(shuō)，由于同步數據占用 的是固定時(shí)隙，相當于降低了異步數據的碼速率。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據的延時(shí)，又要盡可能的增加異步數據的碼速率。由于星載系統信源的 復雜多變性，上圖中采用的固定分配方案無(wú)法使系統性能達到最優(yōu)。下面將根據不同數據源的不同數據速 率、突發(fā)度和延遲限制提出一種動(dòng)態(tài)分配方案，以同時(shí)滿(mǎn)足同步數據的延時(shí)要求和異步數據的碼速率要求。

2. 基于用戶(hù)需求的動(dòng)態(tài)調度方案

星上信源有實(shí)時(shí)數據和回放數據。對于實(shí)時(shí)數據，根據各個(gè)虛擬信道的數據速率為同步業(yè)務(wù)流和異步 業(yè)務(wù)流分配相應物理信道的時(shí)隙，速率高的分配較多的傳送時(shí)隙。對于回放數據，根據各個(gè)用戶(hù)數據單元 的剩余數據量為同步和異步業(yè)務(wù)流分配相應物理信道的時(shí)隙，剩余數據量大的分配較多的傳送時(shí)隙。

2.1 實(shí)時(shí)數據的動(dòng)態(tài)調度

以圖2 為例，實(shí)時(shí)地統計各條虛擬信道上數據流動(dòng)情況，即在給定的時(shí)間間隔內統計流過(guò)的數據包， 得出各條虛擬信道的實(shí)時(shí)速率R1,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8。

則同步業(yè)務(wù)流數據速率為： Rs = R1 + R2 + R3 (2)

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

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

同步業(yè)務(wù)具有實(shí)時(shí)性的要求，一般可以用最大延遲時(shí)間來(lái)衡量。最大延遲時(shí)間的物理含義是：從用戶(hù) 數據單元開(kāi)始傳送(即進(jìn)入傳送層)的那一刻起，到地面站接收到該用戶(hù)數據單元為止的最大容許延遲時(shí) 間。延遲時(shí)間主要由三部分組成：系統處理(封裝、復用、組幀等)時(shí)間，虛擬信道調度延遲時(shí)間，以及 物理信道傳輸時(shí)間。其中，系統處理時(shí)間和物理信道傳輸時(shí)間與系統性能相關(guān)，較為固定，本文主要分析 虛擬信道調度延遲時(shí)間。設同步業(yè)務(wù)平均每幀數據的虛擬信道調度延遲時(shí)間最大容許值為T(mén) ，則為滿(mǎn)足同 步業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)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(fǎng)問(wèn)數據單元)所需的時(shí)間間隔， 定義如下:δ = LCADU×8 / R

LCADU為的長(cháng)度;R 為物理信道的數據速率。

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(zhù)各個(gè)虛擬信道的數據速率的實(shí)時(shí) 變化而動(dòng)態(tài)調整，能較好的滿(mǎn)足同步數據的實(shí)時(shí)性要求和異步數據的碼速率要求。

2.2 回放數據的動(dòng)態(tài)調度

仍以圖2 為例，實(shí)時(shí)統計各虛擬信道對應用戶(hù)的剩余數據量D1 ,D2 ,D3 ,D4 ,D 5,D 6,D 7,D8 。 其中：剩余數據量=總數據量-已傳輸的數據量

3.仿真分析

隨著(zhù)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，不同信源對數據傳輸提出了不同的服務(wù)質(zhì)量QoS 要求。本節對于上述同步 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(hù)需求的虛擬動(dòng)態(tài)調度方式進(jìn)行了驗證。

參照同步/異步混合調度策略的思想，根據各個(gè)虛擬信道的數據速率以及延時(shí)要求為同步業(yè)務(wù)流和異步 業(yè)務(wù)流分配相應物理信道的時(shí)隙，在保證同步數據的延時(shí)要求的條件下，盡可能增加異步數據的碼速率。

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)流虛擬信道調度延遲曲線(xiàn)如圖3?？梢钥闯?，當異步業(yè)務(wù)流數據量不大時(shí)，同步業(yè)務(wù) 流的延時(shí)較小;當異步業(yè)務(wù)流達到某一值時(shí)，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(xiàn)如圖 4，從圖4 可以看出，當發(fā)生突發(fā)事件而導致異步業(yè)務(wù)流數據 量增大時(shí)，系統能在滿(mǎn)足同步業(yè)務(wù)流最大延時(shí)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(shí) 隙，盡可能地滿(mǎn)足異步業(yè)務(wù)流的傳輸要求。

仿真結果表明：這種基于各用戶(hù)需求的不同數據速率的和剩余數據量的虛擬動(dòng)態(tài)調度方案有效的解決 了多遙感器衛星多數據源且數據源特性相差大的問(wèn)題，既滿(mǎn)足同步業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求，又滿(mǎn)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.結論

AOS 建議書(shū)提供了比常規建議書(shū)更為廣泛的數據服務(wù)，支持視頻數據、語(yǔ)音數據、高速數據、低速數 據的任意方向的傳輸，支持異步、同步、等時(shí)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(lèi)型的數據。近年來(lái)，空間科學(xué)的飛速發(fā)展使得各種空間任務(wù)對不同數據業(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(hù)需求的動(dòng)態(tài)調整同步/異步業(yè)務(wù)流占用物理信 道比率的方案，經(jīng)過(guò)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(wèn)題，提 高網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量要求，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。

更多資訊請關(guān)注：21ic模擬頻道