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(fā)展，航天器上的設備數(shù)量日益增多和復雜化，各個設備作為遙測數(shù)據(jù)源，產(chǎn)生遙測數(shù)據(jù)的時機以及數(shù)據(jù)量大小也千差萬別。傳統(tǒng)的脈沖編碼調(diào)制（PCM）遙測體制［1］，事先規(guī)定好遙測數(shù)據(jù)幀的格式、長度及采樣周期，已經(jīng)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(shù)據(jù)咨詢委員會（CCSDS）提出了高級在軌系統(tǒng)（AOS）［2-8］，用于解決新型航天器上數(shù)據(jù)源種類繁多、數(shù)據(jù)量及速率各異的問題，并且已經(jīng)成功應用于“國際空間站”等航天器上。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展了對AOS 調(diào)度算法的研究，并且提出了基于虛擬信道的若干調(diào)度策略［9-13］，諸如全同步調(diào)度策略、全異步調(diào)度策略，以及同步與異步相結合的調(diào)度策略。全同步的調(diào)度策略，保證各虛擬信道按照固定時隙發(fā)送，但在處理突發(fā)數(shù)據(jù)時效率低下。全異步的調(diào)度策略，保證突發(fā)數(shù)據(jù)的優(yōu)先下行，但容易造成等時數(shù)據(jù)（如圖像、話音）的阻塞。同步與異步相結合的調(diào)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(shù)據(jù)源和異步數(shù)據(jù)源的下行要求，是一種較優(yōu)的AOS 虛擬信道調(diào)度策略，但它缺少對源包調(diào)度的支持。源包調(diào)度是在虛擬信道調(diào)度之前執(zhí)行的調(diào)度，它按照一定的調(diào)度策略，挑選由航天器各分系統(tǒng)及設備產(chǎn)生的遙測數(shù)據(jù)源包封裝而成的包裝協(xié)議數(shù)據(jù)單元（EPDU），進行復用連接生成多路復用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU），以達到兼顧航天器各分系統(tǒng)及設備產(chǎn)生的遙測數(shù)據(jù)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(diào)度的算法，通過分配各種EPDU 優(yōu)先級的方式，實現(xiàn)對源包的動態(tài)調(diào)度，但是該算法沒有對虛擬信道調(diào)度開展深入研究，缺少對虛擬信道調(diào)度的支持。本文設計出一種AOS遙測調(diào)度算法，能夠同時支持源包和虛擬信道2級調(diào)度。

2 調(diào)度算法設計

本文提出一種基于AOS遙測源包調(diào)度和虛擬信道調(diào)度相結合的算法，即對遙測數(shù)據(jù)采取2級調(diào)度策略，實現(xiàn)同時對源包調(diào)度和虛擬信道調(diào)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(diào)度。通過源包調(diào)度，將以字節(jié)定界的航天器遙測數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)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(xiàn)遙測數(shù)據(jù)下傳。然后，進行虛擬信道調(diào)度。按照一定策略，決定各個虛擬信道占據(jù)物理信道的次序，滿足不同傳輸要求的數(shù)據(jù)對物理信道的占用需求。調(diào)度算法設計如圖1所示。

圖1 調(diào)度算法設計Fig．1 Scheduling algorithm design

2．1 源包調(diào)度

源包調(diào)度算法的核心是源包調(diào)度中產(chǎn)生EPDU的策略。航天器各分系統(tǒng)及設備產(chǎn)生的遙測數(shù)據(jù)源包的時機不同，地面最關注的是航天器遙測數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生變化：如果產(chǎn)生變化，地面經(jīng)決策后采取相應措施；如果保持不變，地面繼續(xù)觀測。因此，本算法主要從航天器遙測數(shù)據(jù)的刷新率考慮，根據(jù)刷新率制定優(yōu)先級，然后，按照優(yōu)先級順序?qū)⑦b測數(shù)據(jù)封裝為EPDU 格式，填充至MPDU 下行。遙測數(shù)據(jù)的刷新率越高，源包的優(yōu)先級相應越高；反之，刷新率越低，源包的優(yōu)先級越低。另外，本算法將數(shù)據(jù)源中的某些重要性和實時性極強的數(shù)據(jù)分離出來，稱之為VIP數(shù)據(jù)，并制定VIP＿MPDU，將VIP數(shù)據(jù)封裝后填充至VIP＿MPDU 內(nèi)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(xiàn)高優(yōu)先級源包堵塞低優(yōu)先級源包的情況發(fā)生。圖2為源包調(diào)度算法流程圖。

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

航天器數(shù)據(jù)源包的刷新率各不相同，假設所有數(shù)據(jù)源包分別為（PK）1～（PK）n，對應的刷新率分別為R1～Rn。根據(jù)刷新率R1～Rn大小，制定（PK）1～（PK）n的優(yōu)先級，刷新率越高，優(yōu)先級越高。設R1＞R2＞…＞Rn，則優(yōu)先級為（PK）1＞（PK）2＞…＞（PK）n。將所有數(shù)據(jù)源包按照優(yōu)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(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU 中。

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

2．2 虛擬信道調(diào)度

CCSDS規(guī)定AOS 的虛擬信道數(shù)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(diào)度策略、全異步調(diào)度策略，以及同步與異步相結合的調(diào)度策略。其中：全同步調(diào)度策略適合圖像、話音等時數(shù)據(jù)，對于突發(fā)數(shù)據(jù)效率低下；全異步調(diào)度策略適合突發(fā)數(shù)據(jù)，諸如工程遙測、延時回放等，對于等時數(shù)據(jù)效率低下；因此，本算法采用同步與異步相結合的調(diào)度策略，針對同步數(shù)據(jù)源和異步數(shù)據(jù)源分別開辟相應的SYN＿VC和ASYN＿VC，綜合考慮等時數(shù)據(jù)及突發(fā)數(shù)據(jù)的下傳需求，實現(xiàn)遙測信息的高效下傳。另外，考慮到航天器上某些遙測數(shù)據(jù)的重要性和實時性極強（VIP數(shù)據(jù)），本算法為VIP數(shù)據(jù)開辟的虛擬信道（VIP＿VC）優(yōu)先級最高，用于裝載源包調(diào)度中生成的VIP＿MPDU 并下行。

根據(jù)航天器需求，規(guī)定虛擬信道的數(shù)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(yōu)先傳送重要性和實時性極強的VIP 數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，如視頻信息和音頻信息；ASYN＿VC用于裝載ASYN＿MPDU，傳送具有突發(fā)性要求的數(shù)據(jù)，如工程遙測和延時遙測信息。

規(guī)定一個完整的虛擬信道調(diào)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(jù)為：由于VIP 數(shù)據(jù)的重要性和實時性極強，優(yōu)先為VIP＿VC 分配時隙；然后，根據(jù)當前時刻裝載同步數(shù)據(jù)的MPDU 和裝載異步數(shù)據(jù)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(diào)度。

圖3為虛擬信道調(diào)度算法流程圖。

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

（1）進行VIP＿VC 調(diào)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(shù)據(jù)能迅速傳回地面。

（2）進行SYN＿VC調(diào)度。由于同步數(shù)據(jù)中各種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的公平性。

（3）進行ASYN＿VC調(diào)度。根據(jù)各種異步數(shù)據(jù)的緊迫度、緩存量和等待時間，制定ASYN＿VC 的動態(tài)優(yōu)先級，按照動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度ASYN＿VC。規(guī)定異步虛擬信道（ASYN＿VC）1～（ASYN＿VC）n的優(yōu)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(shù)；Px為虛擬信道（ASYN＿VC）x的優(yōu)先級；ax為虛擬信道（ASYN＿VC）x的緊迫度系數(shù)，0＜ax≤1；mx代表虛擬信道（ASYN＿VC）x在緩存內(nèi)待傳的數(shù)據(jù)量，如果緩存內(nèi)沒有待傳數(shù)據(jù)，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(tài)優(yōu)先級相同，則按照靜態(tài)優(yōu)先級對ASYN＿VC 進行調(diào)度。靜態(tài)優(yōu)先級不需要實時計算，事先根據(jù)各項ASYN＿VC 傳送數(shù)據(jù)的特點制定，如默認P1＞P2＞…＞Pn。

3 仿真驗證

根據(jù)上述算法，設計仿真場景如下：某航天器下行傳輸?shù)男畔▓D像數(shù)據(jù)、工程遙測、遙控數(shù)據(jù)、有效載荷數(shù)據(jù)和電子郵件，各種數(shù)據(jù)的屬性如表1所示。

表1 某航天器的下行數(shù)據(jù)Table 1 Downlink data of a spacecraft

（1）源包調(diào)度策略。根據(jù)數(shù)據(jù)的刷新率，設計源包調(diào)度優(yōu)先級如下：圖像數(shù)據(jù)＞工程遙測＞遙控數(shù)據(jù)＞有效載荷數(shù)據(jù)＞電子郵件。另外，根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性，將遙控數(shù)據(jù)封裝至VIP＿MPDU 內(nèi)部，VIP＿MPDU 裝載至VIP＿VC進行下行傳輸。

（2）虛擬信道調(diào)度策略。根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性，專門為遙控數(shù)據(jù)設計VIP＿VC；根據(jù)數(shù)據(jù)的等時性，為圖像數(shù)據(jù)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(jù)數(shù)據(jù)的突發(fā)性，為有效載荷數(shù)據(jù)和電子郵件按照式（2）制定優(yōu)先級，其中圖像數(shù)據(jù)的緊迫度系數(shù)apic＝0．9，工程遙測的緊迫度系數(shù)atel＝1。

平均時延是衡量調(diào)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(shù)據(jù)的平均時延，采用源包調(diào)度策略、虛擬信道調(diào)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(diào)度策略和虛擬信道調(diào)度策略，算法運行穩(wěn)定后時延基本保持在0．091s左右，完全能保證業(yè)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(diào)度和虛擬信道調(diào)度相結合的算法，即對于遙測數(shù)據(jù)采取源包調(diào)度和虛擬信道調(diào)度2級調(diào)度策略，能夠?qū)崿F(xiàn)同時對源包調(diào)度和虛擬信道調(diào)度層面的支持。源包調(diào)度采用基于刷新率的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度，保證實時數(shù)據(jù)及時下傳。虛擬信道調(diào)度采用VIP／同步／異步相結合的3級調(diào)度，保證信道的合理分配利用。本文提出的調(diào)度算法，比以往單獨采用源包調(diào)度或者虛擬信道調(diào)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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