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[摘 要]在空空数据传输链路中，为解决传统虚拟信道调度算法不能满足关键数据的延时问题，提出一种基于动态封装的虚拟信道调度算法。首先说明了空空通信链路的组成以及数据延时的影响因素，针对不同源数据的特征，设计了动态封装帧格式模型，并推导出动态封装算法的复接效率及延时计算公式。通过仿真验证了动态封装算法具有低延时、高复接效率的性能。
[关键词]动态封装，虚拟信道，延时，调度
中图分类号：TP392 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）43-0290-02
Abstract：In the air-to-air data link， traditional virtual channel scheduling algorithm can not solve the delay problem of critical data. Therefore， the algorithm based on dynamic packaging is proposed. The composition of air-to-air communication link and the influence factors of time delay are given at first. The dynamic packaging frame format is designed aiming at multiple source data of different character. The multiplexing efficiency and the time delay formula of dynamic packaging algorithm are detruded later. By means of simulation， the low delay and high efficiency performance of dynamic packaging algorithm is verified at the end of the paper.
Key words：dynamic packaging， virtual channel， time delay， scheduling， air-to-air communication
1 引言
空间站目标飞行器与追踪端进行交会对接过程中，需要通过空空通信链路传输多路不同源的数据。随着对接任务逐渐复杂，空空信道容量不断增加，需要传输的数据愈发多样化，包括周期性与非周期性、低速与高速、短包与长包、延时敏感与不敏感等各种不同特性的数据源。空空传输信道只有一条链路，所有数据必须通过虚拟信道调度算法进行复接后传输。交会对接过程对某些关键数据的延时非常敏感，通常是包长较短的指令，这就决定了复接成帧的长度不能过长，同时考虑到长包数据的复接效率，成帧长度也不能过短，否则过多的辅助信息会使信道的复接效率大幅降低。
2 虚拟信道调度及其研究现状
传统的虚拟信道调度算法主要有轮询、剩余量优先、静态优先级、动态优先级等[1-3]。剩余量优先算法一般仅用在系统缓存容量受到限制的场合，它有利于缓解虚拟信道中大量数据的堆积。轮询算法具有较好的公平性，适用于各种数据重要性相差不多的场合。静态优先级算法相对于轮询算法能更好地保证关键数据的可靠传输，动态优先级则进一步考虑了各个VC（虚拟信道）从申请传输开始到当前调度时刻的延时，具有更好的实时性[4]。但无论静态优先级还是动态优先级，不同特性的数据都被封装成固定格式的复接帧。若定義的复接帧稍长，则短包可能会填充部分无效数据，填充数据越多，有效数据的延时就越大。若定义的复接帧过短，则长包被分割成许多帧，且每帧都必须加上帧同步、帧标识、有效数据长度等辅助信息，复接效率下降，同时也使长包数据的延时加大。
本文针对空空数据传输链路延时敏感的特点，提出一种基于动态封装的虚拟信道调度算法。该算法能够保证关键数据延时最优，并且对复接效率、长包数据延时的影响较小。
3 空空数据传输系统
3.1 数据类型需求
随着空间站用户传输数据的种类越来越多，交会对接过程中空空通信链路需要传输多种不同特征的数据，有均匀产生的、突发产生的，有实时性要求高的、实时性要求低的[5-6]。如工程遥测数据为均匀产生、实时性要求低的长包数据，遥操作指令则是均匀产生、实时性要求极高的短包数据，遥控指令为突发产生的、实时性要求高的短包数据，1553B总线转发的状态数据则属于突发产生的、实时性要求低的长包数据。因此将空空通信链路传输需求归为以下四类：
1）VC1：均匀产生的长包，实时性要求较低，
2）VC2：均匀产生的短包，实时性要求较高，
3）VC3：突发产生的长包，实时性要求较低，
4）VC4：突发产生的短包，实时性要求较高。
空空通信链路传输的数据中，遥操作指令的实时性要求极高，传统的动态优先级调度算法需要先将短包封装成帧，然后通过调度算法组帧发送。短包成帧最快发送的情况是填充为一整帧后立即发送，即使优先级设置为最高，也不能满足遥操作指令的实时性要求。因此，采用基于动态封装的调度算法，使得遥操作指令不填充数据就能发送，满足实时性要求，同时对于长包数据增加少量的辅助信息，不至于信道复接效率大幅下降。
3 动态封装调度算法
动态封装调度算法定义如图1所示的复接帧格式。采用硬件帧同步信号，去除帧同步码，去除专门的成帧单元，在虚拟信号调度模块动态封装成帧后输出。以实时性要求最高的数据长度为最小成帧单位（LR），即图1中的VC2，加上帧标识、长度、结束标记（00H），VC2封装后的长度为（LR+3）个字节。 VC1长包有效数据长度L1正好为LR的整数倍，在封装过程中允许被优先级较高的VC2或VC4打断，但当前正在传输的LR必须被传输完毕，并在该LR后面加上结束标记00H，假设被打断前VC1的长度为（N·（LR+1）+2）字节，则剩下的M·LR字节等待虚拟调度算法下一次调度，其中（M+N）·LR = L1。
VC3也是长包，但有效数据长度L3不是LR的整数倍，则在最后一个LR的尾部进行填充，该LR之前的1字节长度信息即该LR中有效数据的长度。
VC4是比VC2有效数据更短的短包，则在第一个（也是最后一个）LR的尾部进行填充， 1字节长度信息即该LR中有效数据的长度。
VC5为封装的填充帧，当各用户缓存里均无数据时，虚拟信道调度算法便输出填充帧。
复接效率为封装成帧后其中有效数据长度与帧长的比值，VC1、VC2、VC3、VC4的有效数据包长分别定义为L1、LR、L3、L4，复接效率分别定义
其中，M为VC1、VC3长包数据在封装过程中被优先级较高的数据打断的次数，每被打断一次，则增加1字节的帧标识和1字节的结束标记。可以看出，VC2、VC4的复接效率不受调度算法的影响，VC1、VC3的复接效率只差别于有效数据本身的包长。因此VC1的复接效率 就能反映动态封装调度算法的复接效率。
定义 为空空链路传输速率，单位为比特/秒。N为长包数据被分割成的 帧数， M为优先级较高用户数据所传输的 帧数， 为空空通信机及空空数据处理器的分接、解码延时， 为设备间的传输延时。具有典型意义的VC1的延时定义为：T1则有：
延时T2包含了两个 ，一个是当前正在传输的1帧数据，另一个是VC2本身传输时间。可以看出，动态封装的调度算法保证了紧急短包VC2的延时最优，即不受其他任何VC或填充数据的影响。VC4的优先级次于VC2，因此会被VC2抢占，在VC4缓存收满一包有效数据的时间内，有M个VC2到达，则VC4的延时额外增加 。
经过仿真验证，在给定包平均到达率 的情况下，动态封装的空空数据链路复接效率在92.3%～94%之间， 越小，复接效率越高。在给定 的情况下，短包延时在1ms～2.6ms之间， 越小，延时越小；长包延时在2ms～3.6ms之间， 越小，延时越小。总体上长包延时要比短包延时更大，在最大平均到达率 =5的情况下，短包延时在1.8ms的概率最大，长包延时在2.6ms的概率最大。相比传统的调度算法，短包成帧为1024字节，以1Mbps的速率发送，仅传输时间就要8.192ms，因此动态封装算法具有明显的低延时优势。
4 结束语
在空空通信交会对接过程中，关键数据的延时成为虚拟信道调度算法的瓶颈。本文提出一种基于动态封装的虚拟信道调度算法。首先给出了动态封装针对不同特性数据的帧格式模型，推导出各类数据的复接效率及延时计算公式，进而应用泊松分布概率模型，通过仿真，得出复接效率以及短包、长包延时的概率曲線。结果表明，动态封装的虚拟信道调度算法能够保证关键数据的延时最优，并且复接效率、非关键数据延时都要优于传统的调度算法。
参考文献
[1]赵妍.高速数据复接器[D].西安：西安电子科技大学，2007：13-14.
[2]褚改霞，潘卫，王栋，等.基于FPGA的多路数字信号复分接器的设计[J].电子技术应用，2009，35（5）：43-46.
[3]田庄，张庆君.载人航天器AOS虚拟信道调度策略研究[J].航天器工程，2006，15（2）：20-26.
[4]田野，那鑫，高晓玲，刘庆利.具有广泛适用性的AOS虚拟信道调度算法[J].中国空间科学技术，2011，第6期，50-57.
5]Liu Q L， Pan C S， Wang G R， et al. CCSDS advanced orbiting systems， data links protocol： Study on virtual channels scheduling algorithm[C]//The 8th IEEE International Conference on Intelligent System Design and Applications. Piscataway， NJ，USA： IEEE， 2008： 351-355.
[6]赵运，潘成胜，毕明雪.高级在轨系统吞吐量跨层优化虚拟信道调度模型[J].火力与指挥控制，2011，36（4）：8-11.
作者简介
杨凌云，1987，男，汉族，上海航天技术研究院工学硕士，工程师，研究方向为空间数据处理与存储控制，[email protected]。
[关键词]动态封装，虚拟信道，延时，调度
中图分类号：TP392 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）43-0290-02
Abstract：In the air-to-air data link， traditional virtual channel scheduling algorithm can not solve the delay problem of critical data. Therefore， the algorithm based on dynamic packaging is proposed. The composition of air-to-air communication link and the influence factors of time delay are given at first. The dynamic packaging frame format is designed aiming at multiple source data of different character. The multiplexing efficiency and the time delay formula of dynamic packaging algorithm are detruded later. By means of simulation， the low delay and high efficiency performance of dynamic packaging algorithm is verified at the end of the paper.
Key words：dynamic packaging， virtual channel， time delay， scheduling， air-to-air communication
1 引言
空间站目标飞行器与追踪端进行交会对接过程中，需要通过空空通信链路传输多路不同源的数据。随着对接任务逐渐复杂，空空信道容量不断增加，需要传输的数据愈发多样化，包括周期性与非周期性、低速与高速、短包与长包、延时敏感与不敏感等各种不同特性的数据源。空空传输信道只有一条链路，所有数据必须通过虚拟信道调度算法进行复接后传输。交会对接过程对某些关键数据的延时非常敏感，通常是包长较短的指令，这就决定了复接成帧的长度不能过长，同时考虑到长包数据的复接效率，成帧长度也不能过短，否则过多的辅助信息会使信道的复接效率大幅降低。
2 虚拟信道调度及其研究现状
传统的虚拟信道调度算法主要有轮询、剩余量优先、静态优先级、动态优先级等[1-3]。剩余量优先算法一般仅用在系统缓存容量受到限制的场合，它有利于缓解虚拟信道中大量数据的堆积。轮询算法具有较好的公平性，适用于各种数据重要性相差不多的场合。静态优先级算法相对于轮询算法能更好地保证关键数据的可靠传输，动态优先级则进一步考虑了各个VC（虚拟信道）从申请传输开始到当前调度时刻的延时，具有更好的实时性[4]。但无论静态优先级还是动态优先级，不同特性的数据都被封装成固定格式的复接帧。若定義的复接帧稍长，则短包可能会填充部分无效数据，填充数据越多，有效数据的延时就越大。若定义的复接帧过短，则长包被分割成许多帧，且每帧都必须加上帧同步、帧标识、有效数据长度等辅助信息，复接效率下降，同时也使长包数据的延时加大。
本文针对空空数据传输链路延时敏感的特点，提出一种基于动态封装的虚拟信道调度算法。该算法能够保证关键数据延时最优，并且对复接效率、长包数据延时的影响较小。
3 空空数据传输系统
3.1 数据类型需求
随着空间站用户传输数据的种类越来越多，交会对接过程中空空通信链路需要传输多种不同特征的数据，有均匀产生的、突发产生的，有实时性要求高的、实时性要求低的[5-6]。如工程遥测数据为均匀产生、实时性要求低的长包数据，遥操作指令则是均匀产生、实时性要求极高的短包数据，遥控指令为突发产生的、实时性要求高的短包数据，1553B总线转发的状态数据则属于突发产生的、实时性要求低的长包数据。因此将空空通信链路传输需求归为以下四类：
1）VC1：均匀产生的长包，实时性要求较低，
2）VC2：均匀产生的短包，实时性要求较高，
3）VC3：突发产生的长包，实时性要求较低，
4）VC4：突发产生的短包，实时性要求较高。
空空通信链路传输的数据中，遥操作指令的实时性要求极高，传统的动态优先级调度算法需要先将短包封装成帧，然后通过调度算法组帧发送。短包成帧最快发送的情况是填充为一整帧后立即发送，即使优先级设置为最高，也不能满足遥操作指令的实时性要求。因此，采用基于动态封装的调度算法，使得遥操作指令不填充数据就能发送，满足实时性要求，同时对于长包数据增加少量的辅助信息，不至于信道复接效率大幅下降。
3 动态封装调度算法
动态封装调度算法定义如图1所示的复接帧格式。采用硬件帧同步信号，去除帧同步码，去除专门的成帧单元，在虚拟信号调度模块动态封装成帧后输出。以实时性要求最高的数据长度为最小成帧单位（LR），即图1中的VC2，加上帧标识、长度、结束标记（00H），VC2封装后的长度为（LR+3）个字节。 VC1长包有效数据长度L1正好为LR的整数倍，在封装过程中允许被优先级较高的VC2或VC4打断，但当前正在传输的LR必须被传输完毕，并在该LR后面加上结束标记00H，假设被打断前VC1的长度为（N·（LR+1）+2）字节，则剩下的M·LR字节等待虚拟调度算法下一次调度，其中（M+N）·LR = L1。
VC3也是长包，但有效数据长度L3不是LR的整数倍，则在最后一个LR的尾部进行填充，该LR之前的1字节长度信息即该LR中有效数据的长度。
VC4是比VC2有效数据更短的短包，则在第一个（也是最后一个）LR的尾部进行填充， 1字节长度信息即该LR中有效数据的长度。
VC5为封装的填充帧，当各用户缓存里均无数据时，虚拟信道调度算法便输出填充帧。
复接效率为封装成帧后其中有效数据长度与帧长的比值，VC1、VC2、VC3、VC4的有效数据包长分别定义为L1、LR、L3、L4，复接效率分别定义
其中，M为VC1、VC3长包数据在封装过程中被优先级较高的数据打断的次数，每被打断一次，则增加1字节的帧标识和1字节的结束标记。可以看出，VC2、VC4的复接效率不受调度算法的影响，VC1、VC3的复接效率只差别于有效数据本身的包长。因此VC1的复接效率 就能反映动态封装调度算法的复接效率。
定义 为空空链路传输速率，单位为比特/秒。N为长包数据被分割成的 帧数， M为优先级较高用户数据所传输的 帧数， 为空空通信机及空空数据处理器的分接、解码延时， 为设备间的传输延时。具有典型意义的VC1的延时定义为：T1则有：
延时T2包含了两个 ，一个是当前正在传输的1帧数据，另一个是VC2本身传输时间。可以看出，动态封装的调度算法保证了紧急短包VC2的延时最优，即不受其他任何VC或填充数据的影响。VC4的优先级次于VC2，因此会被VC2抢占，在VC4缓存收满一包有效数据的时间内，有M个VC2到达，则VC4的延时额外增加 。
经过仿真验证，在给定包平均到达率 的情况下，动态封装的空空数据链路复接效率在92.3%～94%之间， 越小，复接效率越高。在给定 的情况下，短包延时在1ms～2.6ms之间， 越小，延时越小；长包延时在2ms～3.6ms之间， 越小，延时越小。总体上长包延时要比短包延时更大，在最大平均到达率 =5的情况下，短包延时在1.8ms的概率最大，长包延时在2.6ms的概率最大。相比传统的调度算法，短包成帧为1024字节，以1Mbps的速率发送，仅传输时间就要8.192ms，因此动态封装算法具有明显的低延时优势。
4 结束语
在空空通信交会对接过程中，关键数据的延时成为虚拟信道调度算法的瓶颈。本文提出一种基于动态封装的虚拟信道调度算法。首先给出了动态封装针对不同特性数据的帧格式模型，推导出各类数据的复接效率及延时计算公式，进而应用泊松分布概率模型，通过仿真，得出复接效率以及短包、长包延时的概率曲線。结果表明，动态封装的虚拟信道调度算法能够保证关键数据的延时最优，并且复接效率、非关键数据延时都要优于传统的调度算法。
参考文献
[1]赵妍.高速数据复接器[D].西安：西安电子科技大学，2007：13-14.
[2]褚改霞，潘卫，王栋，等.基于FPGA的多路数字信号复分接器的设计[J].电子技术应用，2009，35（5）：43-46.
[3]田庄，张庆君.载人航天器AOS虚拟信道调度策略研究[J].航天器工程，2006，15（2）：20-26.
[4]田野，那鑫，高晓玲，刘庆利.具有广泛适用性的AOS虚拟信道调度算法[J].中国空间科学技术，2011，第6期，50-57.
5]Liu Q L， Pan C S， Wang G R， et al. CCSDS advanced orbiting systems， data links protocol： Study on virtual channels scheduling algorithm[C]//The 8th IEEE International Conference on Intelligent System Design and Applications. Piscataway， NJ，USA： IEEE， 2008： 351-355.
[6]赵运，潘成胜，毕明雪.高级在轨系统吞吐量跨层优化虚拟信道调度模型[J].火力与指挥控制，2011，36（4）：8-11.
作者简介
杨凌云，1987，男，汉族，上海航天技术研究院工学硕士，工程师，研究方向为空间数据处理与存储控制，[email protected]。