一種源包和虛擬信道相結合的AOS調度算法

龍吟

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

1 引言

隨著航天技術的發展，航天器上的設備數量日益增多和復雜化，各個設備作為遙測數據源，產生遙測數據的時機以及數據量大小也千差萬別。傳統的脈沖編碼調制（PCM）遙測體制［1］，事先規定好遙測數據幀的格式、長度及采樣周期，已經不能滿足新型航天器下行遙測的需求。針對上述問題，國際空間數據咨詢委員會（CCSDS）提出了高級在軌系統（AOS）［2-8］，用于解決新型航天器上數據源種類繁多、數據量及速率各異的問題，并且已經成功應用于“國際空間站”等航天器上。

目前，國內外已經開展了對AOS 調度算法的研究，并且提出了基于虛擬信道的若干調度策略［9-13］，諸如全同步調度策略、全異步調度策略，以及同步與異步相結合的調度策略。全同步的調度策略，保證各虛擬信道按照固定時隙發送，但在處理突發數據時效率低下。全異步的調度策略，保證突發數據的優先下行，但容易造成等時數據（如圖像、話音）的阻塞。同步與異步相結合的調度策略，通過分配同步時隙和異步時隙，較好地滿足了等時數據源和異步數據源的下行要求，是一種較優的AOS 虛擬信道調度策略，但它缺少對源包調度的支持。源包調度是在虛擬信道調度之前執行的調度，它按照一定的調度策略，挑選由航天器各分系統及設備產生的遙測數據源包封裝而成的包裝協議數據單元（EPDU），進行復用連接生成多路復用協議數據單元（MPDU），以達到兼顧航天器各分系統及設備產生的遙測數據源包的格式、長度、刷新率和下傳周期的目的。文獻［13］提出一種基于AOS源包調度的算法，通過分配各種EPDU 優先級的方式，實現對源包的動態調度，但是該算法沒有對虛擬信道調度開展深入研究，缺少對虛擬信道調度的支持。本文設計出一種AOS遙測調度算法，能夠同時支持源包和虛擬信道2級調度。

2 調度算法設計

本文提出一種基于AOS遙測源包調度和虛擬信道調度相結合的算法，即對遙測數據采取2級調度策略，實現同時對源包調度和虛擬信道調度層面的支持，提高信道復用效率和公平性。首先，進行源包調度。通過源包調度，將以字節定界的航天器遙測數據封裝成數據源包（即EPDU），并按照一定策略挑選需要下傳的EPDU 復接至MPDU，再將MPDU 送入相應的虛擬信道，實現遙測數據下傳。然后，進行虛擬信道調度。按照一定策略，決定各個虛擬信道占據物理信道的次序，滿足不同傳輸要求的數據對物理信道的占用需求。調度算法設計如圖1所示。

圖1 調度算法設計Fig．1 Scheduling algorithm design

2．1 源包調度

源包調度算法的核心是源包調度中產生EPDU的策略。航天器各分系統及設備產生的遙測數據源包的時機不同，地面最關注的是航天器遙測數據是否產生變化：如果產生變化，地面經決策后采取相應措施；如果保持不變，地面繼續觀測。因此，本算法主要從航天器遙測數據的刷新率考慮，根據刷新率制定優先級，然后，按照優先級順序將遙測數據封裝為EPDU 格式，填充至MPDU 下行。遙測數據的刷新率越高，源包的優先級相應越高；反之，刷新率越低，源包的優先級越低。另外，本算法將數據源中的某些重要性和實時性極強的數據分離出來，稱之為VIP數據，并制定VIP＿MPDU，將VIP數據封裝后填充至VIP＿MPDU 內部。VIP＿MPDU 裝載至最重要＿虛擬信道（VIP＿VC）進行下行傳輸。在具體算法設計中，還要考慮防止出現高優先級源包堵塞低優先級源包的情況發生。圖2為源包調度算法流程圖。

圖2 源包調度算法流程Fig．2 Flow chart of source packet scheduling algorithm

航天器數據源包的刷新率各不相同，假設所有數據源包分別為（PK）1～（PK）n，對應的刷新率分別為R1～Rn。根據刷新率R1～Rn大小，制定（PK）1～（PK）n的優先級，刷新率越高，優先級越高。設R1＞R2＞…＞Rn，則優先級為（PK）1＞（PK）2＞…＞（PK）n。將所有數據源包按照優先級排列，并依次封裝為（EPDU）1～（EPDU）n，然后按順序裝載到多路協議數據單元MPDU 中。

為了更高效地下傳遙測數據，在保證高優先級遙測數據優先下傳的同時，兼顧低優先級數據源包不被高優先級數據源包堵塞，本算法設計在信道空閑時，即MPDU 經過第1輪裝載后，如果還有剩余空間時，對各個數據源包根據等待時間T1～Tn進行2次篩選，將第2次篩選后的數據源包依次填充至MPDU 后面，直至MPDU 填充完整。如果經過第2次填充，MPDU 還有剩余空間，則在MPDU 尾部填充固定空閑數據（如AAH），通過保證一定的0／1翻轉密度來維持同步。

2．2 虛擬信道調度

CCSDS規定AOS 的虛擬信道數量可以多達64個，由于一個物理信道同一時刻只能為一個虛擬信道服務（不考慮碼分多址），因此存在當前哪個虛擬信道占用物理信道的問題，CCSDS建議采用全同步調度策略、全異步調度策略，以及同步與異步相結合的調度策略。其中：全同步調度策略適合圖像、話音等時數據，對于突發數據效率低下；全異步調度策略適合突發數據，諸如工程遙測、延時回放等，對于等時數據效率低下；因此，本算法采用同步與異步相結合的調度策略，針對同步數據源和異步數據源分別開辟相應的SYN＿VC和ASYN＿VC，綜合考慮等時數據及突發數據的下傳需求，實現遙測信息的高效下傳。另外，考慮到航天器上某些遙測數據的重要性和實時性極強（VIP數據），本算法為VIP數據開辟的虛擬信道（VIP＿VC）優先級最高，用于裝載源包調度中生成的VIP＿MPDU 并下行。

根據航天器需求，規定虛擬信道的數目，并對虛擬信道進行分類，包括VIP＿VC、SYN＿VC和ASYN＿VC。其中：VIP＿VC用于裝載VIP＿MPDU，優先傳送重要性和實時性極強的VIP 數據，如遙控指令響應；SYN＿VC 用于裝載SYN＿MPDU，傳送具有等時性要求的數據，如視頻信息和音頻信息；ASYN＿VC用于裝載ASYN＿MPDU，傳送具有突發性要求的數據，如工程遙測和延時遙測信息。

規定一個完整的虛擬信道調度周期為T，T滿足式（1）。

式中：TVIP、TSYN和TASYN分別為對VIP＿VC、SYN＿VC和ASYN＿VC劃分的時隙。

時隙劃分依據為：由于VIP 數據的重要性和實時性極強，優先為VIP＿VC 分配時隙；然后，根據當前時刻裝載同步數據的MPDU 和裝載異步數據的MPDU 在緩存中的存儲量，將剩余時隙用于SYN＿VC 和ASYN＿VC 的分配。時隙分配完畢后，依次進行VIP＿VC、SYN＿VC 和ASYN＿VC 的調度。

圖3為虛擬信道調度算法流程圖。

圖3 虛擬信道調度算法流程Fig．3 Flow chart of virtual channel scheduling algorithm

（1）進行VIP＿VC 調度。將VIP＿MPDU 裝載進VIP＿VC 后下行。保證重要性和實時性要求極高的數據能迅速傳回地面。

（2）進行SYN＿VC調度。由于同步數據中各種數據的等時性要求不同，如高清視頻流速率為標清視頻流的2倍，本算法中采用加權周期輪詢方式對各種同步數據流MPDU 進行裝載，如分配給同步虛擬信道（SYN＿VC）1和（SYN＿VC）2的時隙數分別為T（SYN＿VC）1和T（SYN＿VC）2，則T（SYN＿VC）1＝2T（SYN＿VC）2。按照各種同步數據的等時性要求分配同步時隙，既能減少延時抖動，又能兼顧各項同步數據的公平性。

（3）進行ASYN＿VC調度。根據各種異步數據的緊迫度、緩存量和等待時間，制定ASYN＿VC 的動態優先級，按照動態優先級調度ASYN＿VC。規定異步虛擬信道（ASYN＿VC）1～（ASYN＿VC）n的優先級分別為P1～Pn，計算方法見式（2）。

式中：下標x表示1～n中的任意整數；Px為虛擬信道（ASYN＿VC）x的優先級；ax為虛擬信道（ASYN＿VC）x的緊迫度系數，0＜ax≤1；mx代表虛擬信道（ASYN＿VC）x在緩存內待傳的數據量，如果緩存內沒有待傳數據，則Px＝0；Tx代表虛擬信道（ASYN＿VC）x距離上次傳送的等待延時，如果延時為0，則Px＝0。

如果計算出來的動態優先級相同，則按照靜態優先級對ASYN＿VC 進行調度。靜態優先級不需要實時計算，事先根據各項ASYN＿VC 傳送數據的特點制定，如默認P1＞P2＞…＞Pn。

3 仿真驗證

根據上述算法，設計仿真場景如下：某航天器下行傳輸的信息包括圖像數據、工程遙測、遙控數據、有效載荷數據和電子郵件，各種數據的屬性如表1所示。

表1 某航天器的下行數據Table 1 Downlink data of a spacecraft

（1）源包調度策略。根據數據的刷新率，設計源包調度優先級如下：圖像數據＞工程遙測＞遙控數據＞有效載荷數據＞電子郵件。另外，根據數據的重要性，將遙控數據封裝至VIP＿MPDU 內部，VIP＿MPDU 裝載至VIP＿VC進行下行傳輸。

（2）虛擬信道調度策略。根據數據的重要性，專門為遙控數據設計VIP＿VC；根據數據的等時性，為圖像數據時隙Tpic和工程遙測時隙Ttel進行分配，即Tpic∶Ttel＝（1／25s）∶0．128s≈3∶1；根據數據的突發性，為有效載荷數據和電子郵件按照式（2）制定優先級，其中圖像數據的緊迫度系數apic＝0．9，工程遙測的緊迫度系數atel＝1。

平均時延是衡量調度算法復用效率及公平性的重要指標。針對某航天器下行數據的平均時延，采用源包調度策略、虛擬信道調度策略和本算法策略進行仿真，結果如圖4所示。本算法策略的延時低于源包調度策略和虛擬信道調度策略，算法運行穩定后時延基本保持在0．091s左右，完全能保證業務的延時要求。

圖4 3種算法的平均時延對比Fig．4 Comparison of three algorithms’average delay

4 結束語

本文提出一種基于AOS遙測源包調度和虛擬信道調度相結合的算法，即對于遙測數據采取源包調度和虛擬信道調度2級調度策略，能夠實現同時對源包調度和虛擬信道調度層面的支持。源包調度采用基于刷新率的動態優先級調度，保證實時數據及時下傳。虛擬信道調度采用VIP／同步／異步相結合的3級調度，保證信道的合理分配利用。本文提出的調度算法，比以往單獨采用源包調度或者虛擬信道調度的算法具有更高的復用效率和公平性，可為未來航天器AOS遙測設計提供參考。

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