一种基于CCSDS AOS的虚拟信道动态调度方案

0. 引言

近年来，空间科学技术得到了空前的发展，随之而来的各种空间任务对数据的处理和传输提出了更高 的要求。除了传统的遥测、遥控数据以外，音频数据、视频数据、高速科学实验数据等的传输在越来越多 的系统中被要求。其中，在空间通信中，科学数据、图像信息被实时的传输到地球上的地面控制和研究人 员，供研究人员对飞行器进行遥控，以满足人们的需求。然而不同的用户要求不同的服务质量，且如此大 量的数据的传输使得物理信道资源显得非常紧张。为了保证各种实时数据中同步业务、异步业务的有效传 输，必须合理有效地利用物理信道资源。 采用 CCSDS(CONsultative Committee for Space Data Systems，空间数据系统咨询委员会)标准的AOS[1] (ADVANCED Orbiting Systems，高级在轨系统)建立在OSI(Open System Interconnect，开放系统互联)七 层结构模型上，各层之间交互支持又相互独立。AOS 的SL 层(Space Link，空间链路层)对应于OSI 模 型中的数据链路层，SL 层可以分成两个子层：VCLC(Virtual Channel Link CONTROL，虚拟信道链路控制) 子层和VCA(Virtual Channel Access，虚拟信道访问)子层。VCLC 子层将不同用户包装好的数据多路到 同一虚拟信道上，VCA 子层提供虚拟信道并对多个虚拟信道进行合理调度共用同一物理信道。

AOS 服务于空-空和空-地测控、通信及数据管理系统，可以处理多种类型、不同速率的数据，支持 不同需要的许多用户同时访问。通过建立统一的数据流，AOS 利用一个信道可以同时传送数据、话音、电 视图像、静止图像、实验数据、遥测、遥控等各种不同信息。为了使不同类型的数据共享同一信道，满足 他们对服务质量的要求，AOS 提供了不同的传输机制(同步、异步、等时)，可以将具有不同特性和传输 要求的源包用多个虚拟信道分开，共用同一物理信道传输。由于用户种类多，数据产生随机性强，且对于 实时性和完整性要求也不一致，如何有效利用虚拟信道并选择系统适用的调度方案成为系统设计的重点。 本文详细论述了基于 CCSDS 标准的AOS 中的几种虚拟信道调度方案，并着重分析了同步/异步混合 调度策略，针对同步/异步混合调度策略中同步业务流和异步业务流动态占用物理信道比率的问题，提出了 一种基于用户需求的虚拟信道动态调度方案，并对其可行性进行了验证。

1. 常用虚拟信道调度策略

1.1 CCSDS 主网简介

CCSDS 主网(CCSDS Principal Network，CPN) 起空间计划数据管理网的作用，提供端到端的数据传输， 以支持空间任务用户。该主网的主要任务是完成空一地或空一空之间的数字信息传输。CPN 的结构是： 一个轨道段中的“星载网”通过CCSDS“空间链路子网”与一个“地面网”或另一个轨道区段中的“星载网”相连 接。如图1 所示。

1.2 虚拟信道的复制方式

虚拟信道(VC)是空间链路子网中的一个关键的概念。一个物理信道可以被划分成多个逻辑信道，每个 逻辑信道可以被单独识别并传输一种数据流。虚拟信道使得一个物理空间信道被多个高层数据流以时分复 用的方式共享，多种不同类型的数据在一个物理信道上传输成为可能，从而奠定了复接的理论基础。 由上一节可知，VCA 子层的重要功能，就是完成不同虚拟信道的多路。多路机制的选择需要根据数据 的类型、速率、优先级、发送时间限制、是否存在插入数据等因素决定。虚拟信道承载的用户数据有两种 基本类型：异步数据(如遥测数据、计算机数据文件)与等时数据(话音、图像等)。等时数据对最小延 迟有严格限制。异步数据对实时性可能也有一定要求。这些都直接影响虚拟信道复用方式及其配置的选择。

虚拟信道有下述 3 种基本的复用方式：1)完全同步的调度策略：这种方式中各虚拟信道在指定时隙 占用物理信道，每个虚拟信道的顺序是固定的且不断重复。各虚拟信道的数据单元在指定的时隙内发送， 等同于传统的时分体制。这种方式适用于大多数业务用户的数据速率较固定且同步的场合，每一虚拟信道 按照固定时隙发送。各虚拟信道无论是否有数据要发，到时均要发送。即使在某一时刻没有有效数据也必 须发送填充数据以保持虚拟信道的顺序和数据流的连续性。这种策略处理突发数据时效率较低。

2)完全异步的调度策略：各虚拟信道数据单元仅在被填满有效数据时才会被发送。如果两个虚拟信 道数据单元同时准备好，将根据优先级裁决谁先发送。即使在用户数据量不断变化的情况下，这种方式的 效率也很高。

但这种方式会因等待访问物理信道而引入排队延迟，延迟量也会依用户数据量的变化而变化， 从而导致等时业务数据的抖动。在某些场合，这种抖动可能难以忍受。假定各虚拟信道的输入数据率相同， 均为X(b/s)，传输一个虚拟信道的时隙为T(secs)，N 路虚拟信道有N 个优先级，则缓存大小Y(b/s) 为：Y = N ×T (sec s)× X (b / s) (1)

这种方式可以灵活的处理突发性业务，信道利用率较高，但对于那些优先权较低的同步业务，有可能 因为排队延迟过长而超过它所规定的最大延迟。因此，这种方式较适合于输入数据路数较少的情况，对于 输入数据路数较多且同步业务对时延要求很严格的情况则不宜采用全异步方式。

3)同步与异步结合的调度策略：同步/异步混合调度将采用一个两级多路复用的方式。第一级先区分 同步和异步虚拟信道，将信道划分为同步虚拟信道与异步虚拟信道两部分，即分配某些时隙用于传送同步 数据、而分配其余时隙用于传送异步数据;第二级则对同步数据按照全同步的调度策略调度，对异步数据 按照全异步的调度策略调度。如图2 所示，同步虚拟信道分别为VC1、VC2、VC3，异步虚拟信道分别为 VC4、VC5、VC6 、VC7、VC8。在本例中，同步和异步业务流的比率固定为1 比2。每3 个周期S1 与 S2 连接1 个周期，与S3 连接2 个周期，即同步业务流占总业务流的三分之一，异步业务流占三分之二。 当S1 与S2 相连时，按固定时隙从VC1、VC2 与VC3 中选择需要传输的VCDU;当S1 与S3 相连时，根 据优先级从VC4、VC5、VC6 、VC7、VC8 中选择需要传输的VCDU。

使用这种方式，合理地分配同步与异步业务流占用物理信道的比率是关键。具体的配置将根据总的数 据速率、等时数据量相对于总数据量的比率以及同步数据的实时性要求而定。

使用同步/异步混合调度策略虽然增加了系统复杂度，但它既能满足等时数据的固定时隙要求，又适应 各异步数据源数据量的调整，是适合AOS 系统采用的虚拟信道调度策略。对其中的同步数据来说，由于 数据速率是固定的，传输时隙是固定的，因而传输延时也是固定的;对异步数据来说，由于同步数据占用 的是固定时隙，相当于降低了异步数据的码速率。所以，合理的分配同步与异步业务流占用物理信道的比 率是关键，既要尽可能减少同步数据的延时，又要尽可能的增加异步数据的码速率。由于星载系统信源的 复杂多变性，上图中采用的固定分配方案无法使系统性能达到最优。下面将根据不同数据源的不同数据速 率、突发度和延迟限制提出一种动态分配方案，以同时满足同步数据的延时要求和异步数据的码速率要求。

2. 基于用户需求的动态调度方案

星上信源有实时数据和回放数据。对于实时数据，根据各个虚拟信道的数据速率为同步业务流和异步 业务流分配相应物理信道的时隙，速率高的分配较多的传送时隙。对于回放数据，根据各个用户数据单元 的剩余数据量为同步和异步业务流分配相应物理信道的时隙，剩余数据量大的分配较多的传送时隙。

2.1 实时数据的动态调度

以图2 为例，实时地统计各条虚拟信道上数据流动情况，即在给定的时间间隔内统计流过的数据包， 得出各条虚拟信道的实时速率R1,R2 ,R3 ,R4 ,R5 ,R6 ,R7 ,R8。

则同步业务流数据速率为： Rs = R1 + R2 + R3 (2)

异步业务流数据速率为： Ra = R4 + R5 + R6 + R7 + R8 (3)

同步业务流数据速率与总数据速率的比率为： Rs/ (Rs+ Ra )。

同步业务具有实时性的要求，一般可以用最大延迟时间来衡量。最大延迟时间的物理含义是：从用户 数据单元开始传送(即进入传送层)的那一刻起，到地面站接收到该用户数据单元为止的最大容许延迟时 间。延迟时间主要由三部分组成：系统处理(封装、复用、组帧等)时间，虚拟信道调度延迟时间，以及 物理信道传输时间。其中，系统处理时间和物理信道传输时间与系统性能相关，较为固定，本文主要分析 虚拟信道调度延迟时间。设同步业务平均每帧数据的虚拟信道调度延迟时间最大容许值为T ，则为满足同 步业务的实时性要求，同步业务流占用的物理信道比率至少为： δ (T +δ )。

其中δ 为物理信道发送一帧CADU(Channel Access Data Unit，信道访问数据单元)所需的时间间隔， 定义如下:δ = LCADU×8 / R

LCADU为的长度;R 为物理信道的数据速率。

同步业务流和异步业务流占用的物理信道的比率为 : C s Ca ，该比率随着各个虚拟信道的数据速率的实时 变化而动态调整，能较好的满足同步数据的实时性要求和异步数据的码速率要求。

2.2 回放数据的动态调度

仍以图2 为例，实时统计各虚拟信道对应用户的剩余数据量D1 ,D2 ,D3 ,D4 ,D 5,D 6,D 7,D8 。 其中：剩余数据量=总数据量-已传输的数据量

3.仿真分析

随着航天事业的飞速发展，不同信源对数据传输提出了不同的服务质量QoS 要求。本节对于上述同步 业务和异步业务合理有效的共享物理信道的基于用户需求的虚拟动态调度方式进行了验证。

参照同步/异步混合调度策略的思想，根据各个虚拟信道的数据速率以及延时要求为同步业务流和异步 业务流分配相应物理信道的时隙，在保证同步数据的延时要求的条件下，尽可能增加异步数据的码速率。

取速率为 1M b/s 信源模拟同步业务流，物理信道信道容量设为10M b/s，同步业务流要求的最大延迟 为0.005s。同步业务流虚拟信道调度延迟曲线如图3。可以看出，当异步业务流数据量不大时，同步业务 流的延时较小;当异步业务流达到某一值时，同步业务流的延迟达到最大，保证了同步业务流的传输要求。

异步业务流占物理信道的比率曲线如图 4，从图4 可以看出，当发生突发事件而导致异步业务流数据 量增大时，系统能在满足同步业务流最大延时容许值的条件下为异步业务流分配尽可能多的物理信道时 隙，尽可能地满足异步业务流的传输要求。

仿真结果表明：这种基于各用户需求的不同数据速率的和剩余数据量的虚拟动态调度方案有效的解决 了多遥感器卫星多数据源且数据源特性相差大的问题，既满足同步业务对实时性的要求，又满足异步业务 对码速率的要求，使同步和异步业务有效合理的利用有限的物理信道资源，提高了网络的服务质量要求。

4.结论

AOS 建议书提供了比常规建议书更为广泛的数据服务，支持视频数据、语音数据、高速数据、低速数 据的任意方向的传输，支持异步、同步、等时传输模式和位流、分包等多种传输业务，可以在一条物理信 道上传输多种不同类型的数据。近年来，空间科学的飞速发展使得各种空间任务对不同数据业务的处理和 传输提出了新的服务质量要求。本文从理论上提出的基于用户需求的动态调整同步/异步业务流占用物理信 道比率的方案，经过仿真表明该方案能较好的解决同步/异步业务流高速、公平的共用物理信道的问题，提 高网络的服务质量要求，满足不同用户的需求。

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