CN102404041B - 基于卫星网络的虚拟信道复用的调度算法 - Google Patents
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Abstract
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Nt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Nu；一部分用于同步虚拟信道，同步虚拟信道的时隙数为Ns；一部分用于异步虚拟信道，异步虚拟信道的时隙数为Na。本发明与现有技术相比：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。
Description
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***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***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Nt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Nu；一部分用于同步虚拟信道，同步虚拟信道的时隙数为Ns；一部分用于异步虚拟信道，异步虚拟信道的时隙数为Na；
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***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***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***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Nt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Nu；一部分用于同步虚拟信道，同步虚拟信道的时隙数为Ns；一部分用于异步虚拟信道，异步虚拟信道的时隙数为Na；
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***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***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，***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Nt个时隙，设传输紧急虚拟信道的时隙数为Nu，传输同步虚拟信道的时隙数为Ns，传输异步虚拟信道的时隙数为Na。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Nu是无法事先计算的，但要实时地计算并调整Ns与Na。动态时隙分配方法：设同步虚拟信道数为N_VCsyn，帧到达率为Nf_VCsyn，异步虚拟信道数为N_VCasyn，帧到达率为Nf_VCasyn，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Ns与Na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Dp
Dp＝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≤avgq≤minth
●选择吸收区：minth＜avgq≤maxth
●饱和区：maxth＜avgq≤C
设pri：为该类型业务的优先级；avgq：平均对长；maxth：最大门限值；minth：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”。
Claims (1)
1.一种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Nt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Nu；一部分用于同步虚拟信道，同步虚拟信道的时隙数为Ns；一部分用于异步虚拟信道，异步虚拟信道的时隙数为Na；
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虚拟信道的紧急数据发生；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；
S4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***缓存进行实时动态的管理；
S5将缓存空间划分为吸收区、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***缓存进行实时动态的管理。
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