基于卫星网络的虚拟信道复用的调度算法

摘要

本发明公开了一种基于卫星网络的虚拟信道复用的调度算法，属于卫星网络技术领域。采用紧急/同步/异步混合的三级复用方式，将虚拟信道调度的一个周期分为N

说明书

技术领域

本发明属于卫星网络技术领域，更具体地说，属于一种基于卫星网络的 虚拟信道复用的调度算法。

背景技术

虚拟信道是空间链路子层的核心。根据用户需要，每个虚拟信道都有 其独特的业务类型和业务需求。各虚拟信道时分复用物理信道，虚拟信道 对物理信道的占用顺序可以按照一定的调度算法进行动态管理。在虚拟信 道复用和缓存分配时要考虑链路利用效率、所需要的缓存大小、数据类型 和支持实时业务的方法。虚拟信道的复用方式将直接影响到整个数据传输 过程的性能。

虚拟信道的调度过程实质是帧复接过程，这个过程可以等效为一个排 队模型。现有的排队模型为消失制和等待制的混合模型，即在实际系统中 数据包到达时，如果复接器正在处理已经到达的数据包，则新到达的数据 包在缓存区未满的条件下进入缓存区内等待复接输出，若缓存区已满，则 丢弃该数据包。这种情况可能丢失一些重要的工程数据；而在仿真系统中， 数据包到达时，复接器正忙时，数据包进入缓存区等待，直到复接器输出， 这种情况是假设缓存区为无穷大。而实际的设计中，缓存区不可能是无穷 大。

发明内容

本发明为了解决以上问题，给出了一种基于卫星网络的虚拟信道复用的 调度算法。

本发明的一种基于卫星网络的虚拟信道复用的调度算法包括如下步 骤：

S1采用紧急/同步/异步混合的三级复用方式，将虚拟信道调度的一个 周期分为N_t个时隙，其中：一部分用于紧急虚拟信道，设紧急虚拟信道的 时隙数为N_u；一部分用于同步虚拟信道，同步虚拟信道的时隙数为N_s；一 部分用于异步虚拟信道，异步虚拟信道的时隙数为N_a；

S2所述调度算法要根据各虚拟信道的数据率和缓存量动态分配同步 与异步虚拟信道的时隙数，并且要实时监测有无紧急数据发生；紧急虚拟 信道、同步虚拟信道和异步虚拟信道三个部分之间的边界是可以移动的， 但每部分的时隙数也有限制；

S3在边界移动下进行时隙分配时，根据同步虚拟信道数、同步数据帧 到达率和异步虚拟信道数、异步数据帧到达率为紧急虚拟信道、同步虚拟 信道和异步虚拟信道分配时隙数；

S4所述同步虚拟信道采用加权周期轮询调度策略；根据异步虚拟信道 的传送紧迫度系数、传送紧迫度基数、最大延时、各异步虚拟信道在缓存 内等待处理的帧数计算动态优先级，并根据动态优先级进行异步虚拟信道 调度；所述异步虚拟信道采用动态优先级异步调度策略；

S5根据事件的优先级和完整性设计了动态的队列管理算法，计算每种 业务的丢弃概率，根据丢弃概率对系统缓存进行实时动态的管理；

S6将缓存空间划分划分为吸收区、选择吸收区和饱和区；通过判断平 均队长所处的状态可分别对不同信道进行相应的丢弃计算，根据丢弃概率 对系统缓存进行实时动态的管理。

本发明与现有技术相比：采用边界可移动的紧急/同步/异步混合的三级复 用方式复用物理信道时，既可以在第一时间处理紧急数据，兼顾音频、视频 数据的等时性，同时又灵活高效地处理突发性强的异步数据，提高信道利用 率。同步虚拟信道采用的加权周期轮询调度策略，可根据各同步虚拟信道的 数据量分配同步时隙，既降低了同步数据的时延抖动，又维持了各类同步业 务的公平性。异步虚拟信道采用的自适应动态优先级调度算法综合考虑了系 统允许的最大延时、传送紧迫度、缓存量和静态优先级，既可以避免高优先 级数据一直占用物理信道，其它数据不能传输的情况，又可以根据各异步虚 拟信道在缓存内等待处理的帧数来均衡各异步虚拟信道的缓存量，这不仅保 证实时数据的实时性，又能有效的利用信道资源。本发明针对缓存提出的动 态队列管理算法可以高效可控的实现对于高优先业务的低丢弃概率，从而保 护了高优先级业务的完整性。

附图说明

附图1是本发明的虚拟信道复用物理信道设计图；

附图2是本发明的边界可移动的三级复用方式；

附图3是本发明的缓存管理总体结构图；

附图4是本发明的缓存空间划分示意图。

具体实施方式

本发明采用的边界可移动的紧急/同步/异步混合的虚拟信道三级复用物 理信道方式中，通过形成统一的数据流，可同时传送航天器工程数据、音频 数据、视频数据、有效载荷数据、延时回放数据等各种不同信息，以处理大 容量、高速率的数据，通过为不同业务的数据分配虚拟信道，以时分复用的 方式动态地对虚拟信道进行管理调度，保证信道的合理高效利用。

本发明的基于卫星网络的虚拟信道复用的调度算法，其特征在于：所 述调度算法包括如下步骤：

S1采用紧急/同步/异步混合的三级复用方式，将虚拟信道调度的一个 周期分为N_t个时隙，其中：一部分用于紧急虚拟信道，设紧急虚拟信道的 时隙数为N_u；一部分用于同步虚拟信道，同步虚拟信道的时隙数为N_s；一 部分用于异步虚拟信道，异步虚拟信道的时隙数为N_a；

S2所述调度算法要根据各虚拟信道的数据率和缓存量动态分配同步 与异步虚拟信道的时隙数，并且要实时监测有无紧急数据发生；紧急虚拟 信道、同步虚拟信道和异步虚拟信道三个部分之间的边界是可以移动的， 但每部分的时隙数也有限制；

S3在边界移动下进行时隙分配时，根据同步虚拟信道数、同步数据帧 到达率和异步虚拟信道数、异步数据帧到达率为紧急虚拟信道、同步虚拟 信道和异步虚拟信道分配时隙数；

S4所述同步虚拟信道采用加权周期轮询调度策略；根据异步虚拟信道 的传送紧迫度系数、传送紧迫度基数、最大延时、各异步虚拟信道在缓存 内等待处理的帧数计算动态优先级，并根据动态优先级进行异步虚拟信道 调度；所述异步虚拟信道采用动态优先级异步调度策略；

S5根据事件的优先级和完整性设计了动态的队列管理算法，计算每种 业务的丢弃概率，根据丢弃概率对系统缓存进行实时动态的管理；

S6将缓存空间划分划分为吸收区、选择吸收区和饱和区；通过判断平 均队长所处的状态可分别对不同信道进行相应的丢弃计算，根据丢弃概率 对系统缓存进行实时动态的管理。

图1为虚拟信道复用物理信道总体设计图，各虚拟信道到达的数据先进 入相应的缓存，不同业务根据相应的帧长，按自适应帧生成算法封装成帧， 虚拟信道调度模块用于按设计的调度算法时分复用各虚拟信道的帧，然后送 入信道编码、帧同步模块，最后送入物理信道进行传输。

(1)复用方式的设计

根据用户的需要，每个虚拟信道都有其独特的业务类型和业务需求， 综合考虑星上可能的几种数据源类型，划分了VC1-VC7共七个虚拟信道。 并把这七个虚拟信道分为三种信道类型：紧急虚拟信道、同步虚拟信道和 异步虚拟信道。其中紧急虚拟信道包含VC1，用于传送紧急的文本、图像、 音频和视频数据；同步虚拟信道包含VC2和VC3，用于传送同步的音频和 视频数据；异步虚拟信道包含VC4、VC5和VC6，用于传送异步的工程数 据、有效载荷和延时回放数据；而VC7是在没有有效数据时为保持信道同 步设置的填充空闲数据的填充信道。

图2为边界可移动的三级复用方式的流程示意图，系统要根据各虚拟信 道的数据率和缓存量动态分配同步与异步虚拟信道的时隙数，并且要实时监 测有无紧急数据发生。当发送同步时隙时，自动传送该时隙对应的同步数据， 如果此时没有有效的同步数据，则根据一定的调度机制选择一路有效的异步 数据或其他同步数据来占用该同步时隙。当发送异步时隙时，根据一定的调 度机制传送一路有效的异步数据。这样可以减少发送填充数据的机会，提高 信道的利用率。

(2)边界移动下的时隙分配

紧急/同步/异步混合的三级复用方式是将虚拟信道调度的一个周期分 为N_t个时隙，设传输紧急虚拟信道的时隙数为N_u，传输同步虚拟信道的时 隙数为N_s，传输异步虚拟信道的时隙数为N_a。若所有虚拟信道的任务都传 完，则传输空闲虚拟信道。

由于紧急数据要随到随传，所以N_u是无法事先计算的，但要实时地计 算并调整N_s与N_a。动态时隙分配方法：设同步虚拟信道数为N_VC_syn，帧到 达率为N_f_VC_syn，异步虚拟信道数为N_VC_asyn，帧到达率为N_f_VC_asyn，则同步 虚拟信道和异步虚拟的时隙数之比为：按上述方式 计算出来的N_s与N_a并不是实际调度时的时隙数，还要考虑是否发生紧急数 据及紧急数据量的大小。

(3)本发明采用的虚拟信道的调度策略

对用于传输音频、视频业务的同步虚拟信道，采用加权周期轮询调度 策略，若分配给同步虚拟信道VC2、VC3的时隙数分别为n₁、n₂，则在同

根据不同的传输数据对延时的要求，对各数据所在的异步虚拟信道定 义一个传送紧迫度系数m，并定义每个异步虚拟信道的最大延时；

计算各异步虚拟信道的动态优先级D_p

D_p＝m×log₂(B+1)×log₂(F+1)

其中，m为传送紧迫度系数，B为传送紧迫度基数。当一个异步虚拟 信道有待传的帧时，B定义为1，若得不到传送，则每延迟一个时隙，B 自动加1，没有待传帧的异步虚拟信道的B定义为0。F为各异步虚拟信道 在缓存内等待处理的帧数。

传输动态优先级最高的异步虚拟信道，如果多个异步虚拟信道具有最 高动态优先级，则按各异步虚拟信道的静态优先级来决定传输次序。

(4)缓存管理算法的设计

多个相近的业务可综合成一种占用同一个虚拟信道。虚拟信道复用物 理信道需要一定的策略，仅仅拥有发送权的虚拟信道才可以发送数据，故 其它虚拟信道的数据就需要进入缓存暂时存储，其结构框图如图3所示。 因此对于同一种业务，可以根据优先级和完整性两个方面综合考虑将业务 划分成4类。

●完整性高、优先级高的业务：该类业务要求延时小、丢弃概率小；

●完整性高、优先级低的业务：该类业务可以延时大，但丢弃概率要 小；

●非完整性、优先级高的业务：该类业务要求延时小，丢弃概率可以 大；

●非完整性、优先级低的业务：该类业务要求延时大，丢弃概率可以 大。

对缓存空间进行相应的划分，各段对应一个状态。故此，判断平均队 长所处的状态，通过不同业务建模，进行相应的丢弃概率计算。缓存空间 的划分如图4所示：

●吸收区：0≤avg_q≤min_th

●选择吸收区：min_th＜avg_q≤max_th

●饱和区：max_th＜avg_q≤C

设pr_i：为该类型业务的优先级；avg_q：平均对长；max_th：最大门限值； min_th：最小门限值；C：缓存区大小。

当队长处于期望的吸收区时，所有数据包丢弃概率为0。队长处于选 择吸收区时，此时就要对即将进入队列的数据包有选择的丢弃。通过计算 确定此情况下数据包的丢弃概率为

当队列到达饱和区时，则应加大丢弃概率。因此，对于第1和2类业 务开始有选择的丢弃，而对于第3和4类业务则使其即将进入队列的数据 包全部丢弃。丢弃概率的计算如下所示：

这样通过有效的调节队列长度可以减小第1和2类业务的丢包率。对 于第3和4类业务，由于其对丢弃概率的要求不高，在保证第3类业务延 时性要求的同时，兼顾了第4类业务的公平性，使其不至于长期得不到服 务而“饿死”。