一种源包和虚拟信道相结合的AOS调度算法

龙吟

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

1 引言

随着航天技术的发展，航天器上的设备数量日益增多和复杂化，各个设备作为遥测数据源，产生遥测数据的时机以及数据量大小也千差万别。传统的脉冲编码调制（PCM）遥测体制［1］，事先规定好遥测数据帧的格式、长度及采样周期，已经不能满足新型航天器下行遥测的需求。针对上述问题，国际空间数据咨询委员会（CCSDS）提出了高级在轨系统（AOS）［2-8］，用于解决新型航天器上数据源种类繁多、数据量及速率各异的问题，并且已经成功应用于“国际空间站”等航天器上。

目前，国内外已经开展了对AOS 调度算法的研究，并且提出了基于虚拟信道的若干调度策略［9-13］，诸如全同步调度策略、全异步调度策略，以及同步与异步相结合的调度策略。全同步的调度策略，保证各虚拟信道按照固定时隙发送，但在处理突发数据时效率低下。全异步的调度策略，保证突发数据的优先下行，但容易造成等时数据（如图像、话音）的阻塞。同步与异步相结合的调度策略，通过分配同步时隙和异步时隙，较好地满足了等时数据源和异步数据源的下行要求，是一种较优的AOS 虚拟信道调度策略，但它缺少对源包调度的支持。源包调度是在虚拟信道调度之前执行的调度，它按照一定的调度策略，挑选由航天器各分系统及设备产生的遥测数据源包封装而成的包装协议数据单元（EPDU），进行复用连接生成多路复用协议数据单元（MPDU），以达到兼顾航天器各分系统及设备产生的遥测数据源包的格式、长度、刷新率和下传周期的目的。文献［13］提出一种基于AOS源包调度的算法，通过分配各种EPDU 优先级的方式，实现对源包的动态调度，但是该算法没有对虚拟信道调度开展深入研究，缺少对虚拟信道调度的支持。本文设计出一种AOS遥测调度算法，能够同时支持源包和虚拟信道2级调度。

2 调度算法设计

本文提出一种基于AOS遥测源包调度和虚拟信道调度相结合的算法，即对遥测数据采取2级调度策略，实现同时对源包调度和虚拟信道调度层面的支持，提高信道复用效率和公平性。首先，进行源包调度。通过源包调度，将以字节定界的航天器遥测数据封装成数据源包（即EPDU），并按照一定策略挑选需要下传的EPDU 复接至MPDU，再将MPDU 送入相应的虚拟信道，实现遥测数据下传。然后，进行虚拟信道调度。按照一定策略，决定各个虚拟信道占据物理信道的次序，满足不同传输要求的数据对物理信道的占用需求。调度算法设计如图1所示。

图1 调度算法设计Fig．1 Scheduling algorithm design

2．1 源包调度

源包调度算法的核心是源包调度中产生EPDU的策略。航天器各分系统及设备产生的遥测数据源包的时机不同，地面最关注的是航天器遥测数据是否产生变化：如果产生变化，地面经决策后采取相应措施；如果保持不变，地面继续观测。因此，本算法主要从航天器遥测数据的刷新率考虑，根据刷新率制定优先级，然后，按照优先级顺序将遥测数据封装为EPDU 格式，填充至MPDU 下行。遥测数据的刷新率越高，源包的优先级相应越高；反之，刷新率越低，源包的优先级越低。另外，本算法将数据源中的某些重要性和实时性极强的数据分离出来，称之为VIP数据，并制定VIP＿MPDU，将VIP数据封装后填充至VIP＿MPDU 内部。VIP＿MPDU 装载至最重要＿虚拟信道（VIP＿VC）进行下行传输。在具体算法设计中，还要考虑防止出现高优先级源包堵塞低优先级源包的情况发生。图2为源包调度算法流程图。

图2 源包调度算法流程Fig．2 Flow chart of source packet scheduling algorithm

航天器数据源包的刷新率各不相同，假设所有数据源包分别为（PK）1～（PK）n，对应的刷新率分别为R1～Rn。根据刷新率R1～Rn大小，制定（PK）1～（PK）n的优先级，刷新率越高，优先级越高。设R1＞R2＞…＞Rn，则优先级为（PK）1＞（PK）2＞…＞（PK）n。将所有数据源包按照优先级排列，并依次封装为（EPDU）1～（EPDU）n，然后按顺序装载到多路协议数据单元MPDU 中。

为了更高效地下传遥测数据，在保证高优先级遥测数据优先下传的同时，兼顾低优先级数据源包不被高优先级数据源包堵塞，本算法设计在信道空闲时，即MPDU 经过第1轮装载后，如果还有剩余空间时，对各个数据源包根据等待时间T1～Tn进行2次筛选，将第2次筛选后的数据源包依次填充至MPDU 后面，直至MPDU 填充完整。如果经过第2次填充，MPDU 还有剩余空间，则在MPDU 尾部填充固定空闲数据（如AAH），通过保证一定的0／1翻转密度来维持同步。

2．2 虚拟信道调度

CCSDS规定AOS 的虚拟信道数量可以多达64个，由于一个物理信道同一时刻只能为一个虚拟信道服务（不考虑码分多址），因此存在当前哪个虚拟信道占用物理信道的问题，CCSDS建议采用全同步调度策略、全异步调度策略，以及同步与异步相结合的调度策略。其中：全同步调度策略适合图像、话音等时数据，对于突发数据效率低下；全异步调度策略适合突发数据，诸如工程遥测、延时回放等，对于等时数据效率低下；因此，本算法采用同步与异步相结合的调度策略，针对同步数据源和异步数据源分别开辟相应的SYN＿VC和ASYN＿VC，综合考虑等时数据及突发数据的下传需求，实现遥测信息的高效下传。另外，考虑到航天器上某些遥测数据的重要性和实时性极强（VIP数据），本算法为VIP数据开辟的虚拟信道（VIP＿VC）优先级最高，用于装载源包调度中生成的VIP＿MPDU 并下行。

根据航天器需求，规定虚拟信道的数目，并对虚拟信道进行分类，包括VIP＿VC、SYN＿VC和ASYN＿VC。其中：VIP＿VC用于装载VIP＿MPDU，优先传送重要性和实时性极强的VIP 数据，如遥控指令响应；SYN＿VC 用于装载SYN＿MPDU，传送具有等时性要求的数据，如视频信息和音频信息；ASYN＿VC用于装载ASYN＿MPDU，传送具有突发性要求的数据，如工程遥测和延时遥测信息。

规定一个完整的虚拟信道调度周期为T，T满足式（1）。

式中：TVIP、TSYN和TASYN分别为对VIP＿VC、SYN＿VC和ASYN＿VC划分的时隙。

时隙划分依据为：由于VIP 数据的重要性和实时性极强，优先为VIP＿VC 分配时隙；然后，根据当前时刻装载同步数据的MPDU 和装载异步数据的MPDU 在缓存中的存储量，将剩余时隙用于SYN＿VC 和ASYN＿VC 的分配。时隙分配完毕后，依次进行VIP＿VC、SYN＿VC 和ASYN＿VC 的调度。

图3为虚拟信道调度算法流程图。

图3 虚拟信道调度算法流程Fig．3 Flow chart of virtual channel scheduling algorithm

（1）进行VIP＿VC 调度。将VIP＿MPDU 装载进VIP＿VC 后下行。保证重要性和实时性要求极高的数据能迅速传回地面。

（2）进行SYN＿VC调度。由于同步数据中各种数据的等时性要求不同，如高清视频流速率为标清视频流的2倍，本算法中采用加权周期轮询方式对各种同步数据流MPDU 进行装载，如分配给同步虚拟信道（SYN＿VC）1和（SYN＿VC）2的时隙数分别为T（SYN＿VC）1和T（SYN＿VC）2，则T（SYN＿VC）1＝2T（SYN＿VC）2。按照各种同步数据的等时性要求分配同步时隙，既能减少延时抖动，又能兼顾各项同步数据的公平性。

（3）进行ASYN＿VC调度。根据各种异步数据的紧迫度、缓存量和等待时间，制定ASYN＿VC 的动态优先级，按照动态优先级调度ASYN＿VC。规定异步虚拟信道（ASYN＿VC）1～（ASYN＿VC）n的优先级分别为P1～Pn，计算方法见式（2）。

式中：下标x表示1～n中的任意整数；Px为虚拟信道（ASYN＿VC）x的优先级；ax为虚拟信道（ASYN＿VC）x的紧迫度系数，0＜ax≤1；mx代表虚拟信道（ASYN＿VC）x在缓存内待传的数据量，如果缓存内没有待传数据，则Px＝0；Tx代表虚拟信道（ASYN＿VC）x距离上次传送的等待延时，如果延时为0，则Px＝0。

如果计算出来的动态优先级相同，则按照静态优先级对ASYN＿VC 进行调度。静态优先级不需要实时计算，事先根据各项ASYN＿VC 传送数据的特点制定，如默认P1＞P2＞…＞Pn。

3 仿真验证

根据上述算法，设计仿真场景如下：某航天器下行传输的信息包括图像数据、工程遥测、遥控数据、有效载荷数据和电子邮件，各种数据的属性如表1所示。

表1 某航天器的下行数据Table 1 Downlink data of a spacecraft

（1）源包调度策略。根据数据的刷新率，设计源包调度优先级如下：图像数据＞工程遥测＞遥控数据＞有效载荷数据＞电子邮件。另外，根据数据的重要性，将遥控数据封装至VIP＿MPDU 内部，VIP＿MPDU 装载至VIP＿VC进行下行传输。

（2）虚拟信道调度策略。根据数据的重要性，专门为遥控数据设计VIP＿VC；根据数据的等时性，为图像数据时隙Tpic和工程遥测时隙Ttel进行分配，即Tpic∶Ttel＝（1／25s）∶0．128s≈3∶1；根据数据的突发性，为有效载荷数据和电子邮件按照式（2）制定优先级，其中图像数据的紧迫度系数apic＝0．9，工程遥测的紧迫度系数atel＝1。

平均时延是衡量调度算法复用效率及公平性的重要指标。针对某航天器下行数据的平均时延，采用源包调度策略、虚拟信道调度策略和本算法策略进行仿真，结果如图4所示。本算法策略的延时低于源包调度策略和虚拟信道调度策略，算法运行稳定后时延基本保持在0．091s左右，完全能保证业务的延时要求。

图4 3种算法的平均时延对比Fig．4 Comparison of three algorithms’average delay

4 结束语

本文提出一种基于AOS遥测源包调度和虚拟信道调度相结合的算法，即对于遥测数据采取源包调度和虚拟信道调度2级调度策略，能够实现同时对源包调度和虚拟信道调度层面的支持。源包调度采用基于刷新率的动态优先级调度，保证实时数据及时下传。虚拟信道调度采用VIP／同步／异步相结合的3级调度，保证信道的合理分配利用。本文提出的调度算法，比以往单独采用源包调度或者虚拟信道调度的算法具有更高的复用效率和公平性，可为未来航天器AOS遥测设计提供参考。

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