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1、摘 要 为了适应空间技术的发展，满足复杂航天器的数据处理需求，国际空间数据系统咨询委员会CCSDS开发了高级在轨系统AOS。AOS以标准化的方式进行数据处理与交换，能够在空间链路中双向传输音频、视频、科学实验等多种不同类型的数据。目前，AOS在航空航天技术领域中的作用越来越突出。AOS的核心技术之一是虚拟信道调度策略。合理的调度算法是保证AOS能够高效、有序的在同一物理信道上传输多种不同类型数据的关键。本文重点对AOS中虚拟信道调度算法进行研究。首先，对虚拟信道进行了严谨的分析，对信道的划分、包的研究都做了详细的研究，接着，对虚拟信道调度中的经典虚拟信道调度算法进行深度研究。 最后，对传统的虚
2、拟信道动态调度算法进行了分析研究 ，通过建立虚拟信道调度的仿真模型，分别研究了静态优先级算法，时间片轮转和先到先服务三种调度算法，最后对这些虚拟信道调度算法进行仿真实验，得到结果后进行了对比分析。关键词 CCSDS ；AOS；调度算法；虚拟信道 Abstract In order to adapt to the development of space technology,to meet the complex spacecraft data processing needs,CCSDS in 1986 developed advanced orbiting system. AOS in a
3、 standardized way for data processing and exchange,can in the space link in a variety of bidirectional transmission of audio,video,scientific experiment data of different types.At present,the AOS and role in the field of aerospace technology in more prominent.One of the core technology of AOS is the
4、 virtual channel scheduling strategy.Rational scheduling algorithm is to guarantee that AOS can be efficient,orderly transfer key to many different types of data in the same physical channel. This paper focuses on the study of virtual channels in AOS scheduling algorithm,the main contents include:fi
5、rst,The virtual channel is studied, and the research on the channel division and package are both introduced in detail, then, we also study the classical virtual channel scheduling algorithm in the virtual channel scheduling. Finally, the virtual channel scheduling algorithm of traditional is analyz
6、ed, through carrying out the simulation model for the establishment of virtual channel scheduling, we do some simulation experiment on the classical virtual channel scheduling algorithm.Study the static priority algorithm, time slice rotation and first come first serve three scheduling algorithms, a
7、nd then we make the simulation experiment of the virtual channel scheduling algorithm, the results obtained are compared and analyzed.Keywords: CCSDS ;AOS;dispatching algorithm;Virtual channel 目 录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 本论文的结构安排22 CCSDS协议及其应用分析研究42.1 CCSDS协议结构分析
8、与应用研究42.1.1 CCSDS 协议层次模型42.1.2 CCSDS 空间数据链路协议52.2 高级在轨系统62.2.1 AOS的特点62.2.2 服务类型72.2.3 AOS数据单元格式92.2.4 多路复用技术与虚拟信道132.3 本章小结153 AOS虚拟信道的研究163.1 源包模型163.2 虚拟信道的划分173.2.1 虚拟信道的划分173.3 虚拟信道动态调度算法183.3.1 传统的虚拟信道动态调度算法183.3.2 基于帧的紧迫度的AOS虚拟信道动态调度算法193.4 本章小结204 AOS虚拟信道调度算法的研究214.1 静态优先级调度算法的性能分析214.1.2 系统
9、缓存容量为无限大时VC2性能参数分析214.1.3 性能分析与仿真224.2 其他调度算法的仿真研究244.2.1 先来先服务调度算法244.2.2 时间片轮转调度算法25结 论28致 谢29参考文献30附录A 英文原文32附录B 汉语翻译39附录C 程序代码451 绪论1.1 课题研究的背景和意义 随着空间技术的不断发展，世界上主要的一些空间组织于上世纪80年代成立了国际空间数据系统咨询委员会( Consultive Committee for Space Data System)1，主要为空间数据系统指定标准化的通信体系结构、通信协议与业务，建立全球标准化的和开放的空间数据系统。以提供相互
10、信息的相互支持和传输的高效率2。 现在，为了使得载人和无人空间站、无人空间平台、自由飞行的空间飞行器等各种空间任务更好的满足数据的处理和传输的要求，CCSDS提出了一种灵活性更强，更多样化的数据通信和传输体制高级在轨系统( Advanced Orbit Systems， AOS)3。是一个空间对空间和空间对地面的测控与通信数据及其他有效载荷数据进行数据处理和数据管理的系统， 其目的是建立一个关于空-空或空-地的数据管理系统，AOS的主要技术特征是面向由小容量、低速率到大容量、高速率的宽带数据通信需求，提供动态的数据包自动路由和多用户联网能力4。通过建立统一的数据流，AOS利用一个信道可以同时传
11、送数据、话音、电视图象、静止图象、实验数据、遥测、遥控等各种不同信息5。为了使不同类型的数据共享同一信道，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。虚拟信道调度策略是当前AOS数据系统的核心和研究热点。并且随着空间技术的发展，如载人航天器AOS数据系统要求传输的数据的业务类型和数据量的提升。它的作用也就凸显出来了.因此我们非常有必要对AOS中虚拟信道调度算法进行深入研究。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状 目前CCSDS协议标准已经被大部分国家和地区的空间组织和商业机构普遍接受并进行应用。比如欧洲空
12、间技术中心、哥达德飞行中心、NASA 喷气推进实验室、美国的Lockheed Martin导弹与航天公司等6。1998年11月20日由美国、俄罗斯为领导的，包括欧洲、加拿大和日本等12 个国家的实验舱联合组成的大型载人航天计划（国际空间站）成功发射。国际空间站在数据系统体制上就采用了CCSDS的AOS建议标准7。这是空间站与AOS 数据体制成功结合的典型例子。高级在轨系统以CPN（CCSDS主网）模型为搭载基础，提供空间飞行器与地面网络之间的双向数据通信，从而起到空间计划数据管理网的作用。CPN的结构由一个轨道段中的“星载网”通过CCSDS“SLS（空间链路子网）”与一个“地面网”或另一个轨道
13、段中的“星载网”相连。但AOS并不限制星载和地面网络的内部结构和协议，为其提供了灵活的发展空间8。1.2.2 国内研究现状 中国的空间技术研究院是CCSDS观察员成员国，自从1980年以后。一直跟踪、关注并研究CCSDS系列标准，并进行了许多关于将AOS体制应用于我国航天器的研究。 我国为了跟踪CCSDS的最新发展以及在现有条件如何应用CCSDS体制。我国空间技术研究院于1996年专门成立了CCSDS工作小组。1995年由我国航天科技集团公司五院总体技术专业部开展的863课题计划“空间站信息与数据系统概念研究”首次向国人计划并提出了未来我国空间站采用AOS体制的设计方案9。1996年开展预研项
14、目“CCSDS体制空间数据系统研究”等，其中包括我国未来空间站、高速卫星采用AOS体制的设计方案。方案预计分两步完成，第一步首先是采用AOS的部分业务及功能。接着第二步是全面采用AOS的业务与功能。长期以来，为达到我国航天工程有效载荷数据管理和飞行器测控的工作标准，中国科学院空间科学与应用研究中心致力于CCSDS高级在轨系统标准的科研和工程应用，并取得了显著成果。自1993年开始进行AOS（高级在轨系统）的应用研究，首先在载人飞船有效载荷数据管理系统的设计中采用了AOS标准。为减少技术风险，在1999年发射的“实践”五号卫星上成功地进行了采用AOS标准的在轨技术飞行试验，取得了应用AOS标准的
15、宝贵经验。其后在“神舟”二号至“神舟”六号飞船上有效载荷数据管理系统全面应用了AOS标准10。1.3 本论文的结构安排 本文在高级在轨系统的基础上，主要对AOS中虚拟信道调度算法进行探讨研究，全文共分为四章，具体结构安排如下： 第一章首先总结了课题的研究背景和意义。然后介绍了与本设计课题相联系的国内外研究现状，以及本论文的结构安排。 第二章对高级在轨系统协议进行分析。主要研究了CCSDS的协议结构及其应用，接着对CCSDS制定的适用于中、高数据率航天器的高级在轨系统(AOS)进行分析。主要包括AOS的特征、服务种类、AOS数据单元格式以及多路复用技术，并做出了虚拟信道及信道调度的概念。 第三章
16、对ASO虚拟信道的划分进行了讨论研究，并对虚拟信道的调度算法的问题展开研究，并给出了几种可行方法。第四章主要对AOS虚拟信道调度中的典型虚拟信道调度算法进行研究。建立虚拟信道调度的仿真模型。通过仿真运行得到一些比较经典的虚拟信道调度算法的长短处和应用情况，并采用分析和仿真相结合的方式着重研究了静态优先级调度算法。对其他几种算法进行了也仿真操作。 2 CCSDS协议及其应用分析研究空间科学的持续发展使得许多空间业务对数据的处理和传输有了新的需求。空间飞行器的应用涉及到了多种学科11。例如，空间生命，空间材料，空间环境，空间天文等多方面的研究与应用。许多空间的任务要求在航天器与地面站、航天器之间进
17、行双向传输多信源、多用户业务要求的信息。1982年，美国航宇局(NASA)、欧洲空间局(ESA)和许多国家的空间局成立了空间数据系统咨询委员会。这个委员会的任务是开发空间数据标准化的通信体系结构、通信协议与业务使未来的空间业务能够以标准化的途径进行数据交换与处理12，从而达到国际间的相互支持、合作与交流的目的。1986年制定的CCSDS COS常规建议书重点关注了常规自由飞行科学卫星的要求。为了提供方便灵活的数据处理业务，空间数据系统咨询委员会在常规分包遥控系统的基础上又提出了一种更好的优化方案，高级在轨系统（AOS）。目前，CCSDS高级在轨系统标准已经是空间数据系统的新一代体系标准，许多国
18、家和组织都已经采用这一标准。AOS比常规建议提供了更为广泛的数据服务和多种传输业务。他为空间数据系统带来了极大的方便，同时向下兼容常规空间数据业务13。本章对CCSDS AOS协议进行介绍。主要分对高级在轨系统进行介绍分析，逐步介绍了AOS的特点、服务类型、AOS数据单元格式以及多路复用技术等。最后介绍了虚拟信道及调度的基本内容。2.1 CCSDS协议结构分析与应用研究2.1.1 CCSDS 协议层次模型 CCSDS自成立以来，经过20多年的发展已有30多个空间机构参与支持并逐步建立了一套基本的空间通信标准14。这些空间通信标准被广泛的应用于空间通信领域。目前国际上已有250 多个空间任务采用
19、了CCSDS标准。 CCSDS的主要成果是一系列建议和报告。按照内容划分CCSDS的建议和报告主要有八类：遥测系统、遥控系统、辅助数据、射频与调制系统、跟踪与导航系统、信息获取与交换系统、高级在轨系统、交互支持业务和结构。与国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)相似15。CCSDS建议的形成要经过严密的程序。各类文件则需采用不同颜色的封面，如表2.1所示。 表2.1 CCSDS件类型及相应的封面颜色文件类型封面颜色说明建议CCSDS蓝皮书(Blue Book,BB)CCSDS红皮书(Red Book,RB)CCSDS粉皮书(Pink
20、Book,PB)批准发布的正式建议建议的初稿，技术委员会已原则同意，但最后还需要成员结构审查通过对CCSDS蓝皮书建议的修改方案，但最后还需有成员机构审查通过报告CCSDS绿皮书(Green Book,GB) CCSDS报告，辅助性文件，补充相关建议的原理，提供背景信息草稿管理CCSDS白皮书(White Book,WB)CCSDS黄皮书(YellowBook,YB)CCSDS所有技术报告和建议的原始草稿CCSDS 的内部文件，大多是非技术性的管理文件与标准的OSI模型相似CCSDS协议的层次模型可分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。各层可以根据不同用户的不同服务要求采用不同的传输
21、协议。在实际应用中，整个CCSDS协议可以被看作是一个混合的、匹配的工具包。可以根据特定任务的处理要求，从这个工具包中选出合适的协议组合进行应用16。例如，在链路层，可以采取COS和AOS的混合配置。如利用一个常规的前向TC链路协议传输命令，而利用一个反向的AOS链路协议传输语音、视频、图像等多媒体业务。2.1.2 CCSDS 空间数据链路协议 CCSDS空间数据链路协议包括遥测空间数据链路协议、遥控空间数据链路协议与AOS空间数据链路协议如图2.1 所示。遥测空间数据链路协议通常(但不局限于)从航天器发送遥测信息到地面遥控空间数据链路协议通常(但不局限于)从地面发送指令到航天器。如果需要在航
22、天器和地面间的两路在线通信17。AOS空间数据链路协议可以只用于一条反向链路中或都用于前向和反向链路中。空间数据链路协议提供了在空间链路传输各种类型数据的能力，但它们的主要功能是传输可变长度的数据单元，如包。空间数据链路协议能运载的包需要具有CCSDS认可的包版本号(PVN)18。PVN必须在空间链路标识符文件中注册。目前下列包CCSDS认可的空间包、空间通信协议规范-网络协议(SCPS- NP)数据包、IP-4数据包。对于其他类型的包，可以先将其封装成空间包后，再由空间数据链路协议进行传输。 遥控 AOS - 包 空间包协议AOS空间数据链路协议遥测空间数据链路协议-遥控空间数据链路协议通信
23、操作规程1 帧 -遥控同步和信道编码信号编码- 图2.1 重构的CCSDS遥测和遥控建议空间数据链路协议的基本数据单元为传输帧。遥控空间数据链路协议使用可变长度的传输帧来保证长度较短的信息(通常为命令信息)短时延的接收。为保证命令信息能够无间隔、无重复、按发送顺序到达接收端，需要引入重传控制机制该机制由通信操作程序(COP-1)提供。遥测空间数据链路协议和AOS空间数据链路协议使用固定长度的传输帧，以便在空间链路实现较可靠的帧同步19。这两个协议均无法保证数据传输的完整性。因此在应用这两个协议时，如果需要保证完整、可靠的数据传输，需要由高层协议来进行重传控制。遥测同步和信道编码建议与遥控同步和
24、信道编码建议提供了传输数据帧时的帧同步功能和信道编码功能。通常，遥测同步和信道编码协议与AOS空间数据链路协议、遥测空间数据链路协议结合使用，而遥控同步和信道编码协议与遥控空间数据链路协议结合使用。为了在物理层实现准确的位同步技术，这两个协议还提供了对传输帧进行伪随机化的功能。2.2 高级在轨系统2.2.1 AOS的特点 AOS协议是在CCSDS制定的COS分包遥测、遥控的基础上发展并完善起来的。它是CCSDS为满足复杂航天器通信的信源多样性、高可靠性、高速、大容量、网络化、标准化和日益增长的国际合作需求而提出的高级在轨系统体制和标准20。AOS服务于空/地和空/空测控、通信以及数据管理系统，
25、它可用于处理大容量、高速率数据，并支持许多不同需要的用户同时访问。该协议通过将一个物理信道划分为多个虚拟信道，并建立统一的高速数据流。可利用一个物理信道综合传送数据、话音、电视图像、静止图像、实验数据、遥测、遥控等各种不同的信息。同时，该协议通过利用合理的合路机制、有效的纠错、检错措施，能够保证较高的信道利用率和高质量的数据传输，从而满足高速率、大容量、多用户的空间飞行器等复杂航天器的数据处理和数据传输要求。从应用和设计的角度看，AOS的特点包括：可以处理新的数字化数据类型(包括音频和视频信号)能够在空地数据信道中对称地传送数据，且用户数据率在几比特每秒到几百兆比特每秒的范围内变化。结构上采用
26、分层将整个通信网分成具有不同功能且采用不同的数据结构的若干层，其中各层的数据单元中均设置导头域，用于记录一些有用信息，方便接收端能够正确地提取用户数据。采用两种多路复用机制，即包信道多路复用和虚拟信道多路复用。用户分享信道，提高了空间数据信道的利用率。在空间链路子（Space Link Subnetwork简称SLS)中设置虚拟信道(Virtual Channel简称VC)21，每个SLS的应用分享一个VC，各个VC分时占用物理信道，从而可避免长数据源垄断信道。有效地解决了信道的有序管理，提供了用于处理不同类型用户数据的8种不同的服务。不同类型的用户通过采用不同格式的数据单元可以合并为一个数据
27、流，从而在一条物理信道上进行传输设置航天器标识符。为不同航天器进行统一分配，以便在目标端可获得并区分来自不同航天器的数据。2.2.2 服务类型 AOS定义了两类业务，端到端业务和空间链路子网业务，这两类业务包括八种不同业务。业务的描述分别如下： 一、端到端业务。包括路径业务和网间业务。这两种业务不受空间链路的管理。端到端业务在整个CCSDS主网CPN内以异步方式工作。 其中，路径业务和网间业务的描述如下：(1)路径业务该业务通过CPN端到端地传输可变长度的应用层业务数据单元，它在相对固定的信源和信宿之间传输结构化的、中等速率至很高速率的数据及大容量构造好的有界数据。它以版本1的CCSDS包作为
28、其协议数据单元(PDU)。通过由网络管理预先建立的逻辑数据通道LDP(Logical Data Path)。用Path ID来标识LDP，不需提供完整的端地址，能简捷、有效地经过整个CPN传输数据，路径业务的传输是异步且无序的22。尽管路径业务可在CPN的任一方向上工作，但其主要用途是将大量的高速数据从空间传到地面。(2)网间业务该业务是路径业务的补充业务。它用来在动态变化的信源和信宿端点之间间断性地传输构造好的低速率、小容量有界数据。该业务的特点是最终端点的数量和位置可以变化，并且这种变化是难以预测的。业务信息的数据速率较低，数据量较少。该业务实际上是将商业支持的ISO8473无连接网络协议
29、中的ISO8473包封装在CPN通用的CCSDS包内，再经空间链路传送。网间业务很适合命令和控制信息、电子邮件、远程终端访问等实时交互操作。 二、空间链路子网业务:包括包装业务、多路复用业务、位流业务、插入业务、虚拟信道访问业务和虚拟信道数据单元业务。这六种业务可以用同步或者异步方式工作。它们的描述如下：(1)包装业务 该业务是将输入的非CCSDS格式的定界、长度可变的、按字节排列的数据单元(ESDU)包装在版本1的CCSDS包内，以便在虚拟信道内复用。包装业务的传送是异步且有序的。在接收端，将ESDU从CCSDS包中取出，从而恢复出原来的定界数据单元。(2)复用业务 该业务将版本1的CCSD
30、S包(包括包装在CCSDS包内的非CCSDS格式的定界数据单元)复用在同一个虚拟信道内，再通过空间链路传输，传输异步且有序23。其具体复用方法是将CCSDS包级连起来，直至其长度达到复用业务协议数据单元MPDU的最大长度。当一个MPDU被填满后，如果仍有剩余，则将剩余部分放入下一个MPDU中。如果没有足够的有效数据，则需要进行填充。(3)位流业务 该业务是将非定界的、内部结构和边界对数传系统是未知或保密的位流数据放入位流业务协议数据单元BPDU的数据域内，通过空间链路子网传输，传输可同步或异步，但须保持顺序。位流业务主要用于高速率实时同步数据传送。每一个BPDU仅装载一个虚拟信道的数据量。一个
31、BPDU填满后，剩余数据流接着放入下一个BPDU，并在同一专用虚拟信道内传送。如果某个BPDU没有被有效数据完全填满，可加入填充数据，并在导头内设置“位流数据指针”来指明有效数据和填充数据的边界。(4)插入业务 该业务用来等时传送话音或远程操作控制信息等按字节排列的采样数据，适用于传输对实时性要求较高的数据。通过将插入业务数据单元(INSDU)放入特定物理信道上每个VC-PDU中保留的插入区内，从而为用户提供一种固定、同步的可用时隙。某个物理信道上插入区存在与否由网管设置。插入业务与VCDU业务不能在一条物理信道上同时使用。 (5)虚拟信道访问业务 该业务是将由用户提供的、长度固定的数据单元V
32、CA-SDU(其内部结构对CPN是未知的)放入虚拟信道长度固定的数据域(VCDU/CVCDU)内，通过空间链路传输，传输可同步或异步且有序。(6)虚拟信道数据单元业务该业务是通过SLS传送由用户建立的长度固定的、按字节排齐VCDU和CVCDU，这种传送是有序的且可同步或异步，并按事先指定的优先级传送。此业务只适用于严格按照CCSDS协议构造数据单元的用户，用此业务传输自己构造VCDU/CVCDU，并与虚拟信道访问子层产生的VCDU/CVCDU一起多路复用物理信道。2.2.3 AOS数据单元格式(1)CCSDS源包CCSDS源包是由空间站上的不同类型的数据源产生，包括科学实验、话音对地监测数据等
33、。为了能够在同一条虚拟信道中传输这些数据，需要对它们按照统一格式进行封装，如图2.2所示。主导头副导头用户数据包标识符包序列控制包长度版本号类型副导头标识应用过程标识符顺序标识报序列标识351112141616比特16比特16比特可变可变图2.2 CP_PDU数据单元(2)包装业务数据单元ESDU主要来自网间业务，它的格式任意。表2.3是ESDU经过包装业务得到的包装规约数据单元EPDU格式。主导头E_PDU数据域包标识符包序列控制包长度版本号类型副导头标识应用过程标识符顺序标识报序列标识311112141616比特16比特16比特可变图2.3 EPDU数据单元(3)位流业务数据单元位流业务将
34、用户提供的位流数据顺序地填入位流数据单元(BPDU)的数据域。图2.4所示为位流业务协议数据单元BPDU的格式。B_PDU导头B_PDU位流数据域备用位流数据指针2bits6bits可变图2.4 BPDU数据单元(4)复用业务数据单元为了充分利用空间信道资源，提高信道的利用率，复用业务把同一虚拟信道上的CCSDS包复用并合路到一个多路复用数据单元(MPDU)中。如图2.5所示。MPDU导头MPDU包区备用首导头指针第k个包的剩余部分第k+1个包第m个包第m+1个包5bits11bits变长图2.5 MPDU数据单元(5)VCDU/CVCDU 数据单元为使同步过程简单可靠，SLS采用固定长度的协
35、议数据单元，即虚拟信道数据单元。为了使数据通过弱信号、强噪声的空间信道时能够简单可靠、稳健的实现同步，需要使用固定长度的VC_PDU(虚拟信道协议数据单元，称为VCDU或CVCDU)。并利用同步头进行定界。VC_PDU的格式如图2.6所示。VCDU主导头版本号VCDU标识符信号域VCDU导头差错控制域航天器标识符虚拟信道标识符VCDU计数器回放标志备用28624171616bits24bits8bits16bitsVCDU插入域（可选） VCDU数据单元域（MPDU或BPDU或数据单元或填充数据）VCDU字尾RS编码操作控制域（可选）VCDU差错控制（可选）变长变长32bit（可选）变长图2.
36、6 VCDU/CVCDU/数据单元图2.8所示为各数据单元之间的关系。当一个VC_PDU采用R-S编码时，称为CVCDU。而当它不采用不采用R-S编码时，则称为VCDU。每个VCDU和CVCDU的长度，在一个特定的任务当中都是相同的。一个VCDU或CVCDU加上同步标志之后，就成为所谓的CADU。每一个CADU对应于一个信道存取时隙，连续的并且首尾相连的CADU就构成了PCA_PDU。R-S码块（最长10200位）R-S数据空间R-S检测变量最长8920最长CVCDU（VC_PDU）VCDUR-S变量检测最长8920最长1280VCDU(VC_PDU)VCDU最长10200信道存取槽最长102
37、00CADUPCA_PDU图2.7 各数据单元之间的关系对于一个给定的物理信道，其各个虚拟信道的VCDU长度是固定的。固定虚拟信道数据单元的长度有利于系统同步，有利于控制系统延时量及存储量，有利于采用统一的纠错编码，也便于防止大容量用户独占信道。但是，由于增加了对用户数据的加工(如长包拆成数据单元，短包要合成为一个数据单元等)，增加了主导头信息等操作，从而加大了数据处理的工作量及信道的开销。对于较高速率的系统，可以采用较长的VCDU 的长度以提高数据传输速率和效率。对于低速率系统，则可以采用较短的VCDU长度，以减小低速实时数据传输的延迟。2.2.4 多路复用技术与虚拟信道 由于空间数据系统为
38、大量动态用户提供服务。各信源或用户信息产生的时刻独立无关，且数据量、数据率和实时性要求各不相同。为有效传输这些多信源多用户且业务质量要求各不相同的信息，提高空间数据信道的利用率。AOS采用多路复用机制来实现多用户动态分享同一信道，其具体的机制为虚拟信道调度机制。虚拟信道调度包括两层复用机制。分别是包信道复用和虚拟信道复用。其中，包信道复用是指为高层协议产生的各种类型的数据包提供一种共享虚拟信道(帧)的机制。该模块通过将来自具有相同或相似服务质量要求、需要在同一虚拟信道中传输的多种数据包复用并分段装入固定长度的复用协议数据单元(Multiplexed Protocol Data Unit，MPD
39、U)的包区中，再分别加入MPDU主导头、帧主导头、帧尾，从而生成一帧，因此也可称为帧生成模块，而狭义虚拟信道复用是指多条虚拟信道共享一条物理信道。虚拟信道调度框图如图2.8所示。 虚拟信道调度 帧生成模块 包处理虚拟信道调度算法信源 信源编码 包封装 信源 信源编码 包封装 虚拟 信道 帧生 完成 成信源 信源编码 位流服务 封装信源 信源编码 VCA服务 封装 虚拟信道帧服务 图2.8 虚拟信道调度框图虚拟信道(Virtual Channel简称VC)是建立在一个物理信道上的多个“虚拟”通路，使一个物理上的空间信道可以被多个不同类型且具有不同需求的高层传输流所共享。虚拟信道的分配应该按照数据
40、包的类别而不是按照实际物理源进行，因为各类不同数据需要提供不同的服务等级，而不同的物理源包往往包含相同类型的数据包。只有按类组织虚拟信道，才能有效防止某一虚拟信道对物理信道的垄断23。根据信道利用率和缓存需求可将虚拟信道的复用方式分为，全同步多路复用、全异步多路复用、混合多路复用方式。(1)全同步多路复用在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。这种方式适合于大多数业务是同步的且数据率固定的情况。因为各个虚拟信道在固定时隙传送，即使在某一时隙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，因此这种方式不适于处理突发性业务。(2)全异
41、步多路复用 在这种方式下只有当各虚拟信道被有效数据填满后才开始传送。当两个或两个以上虚拟信道同时被填满时，则需要根据一定的优先级机制来决定各虚拟信道的传输。这种方式可以灵活地处理突发性业务，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)混合多路复用同步/异步混合多路复用将采用一个两级多路复用的方式。第一级把信道分成同步方式和异步方式。第二级分别采用前面提到的方法对两种方式进行相应的处理。采用这种方式，合理地分配同步与异步
42、业务流占用物理信道的比率是关键。这必须根据同步虚拟信道和异步虚拟信道的个数以及同步业务流与异步业务流总数据率之比来确定。使用混合多路复用方式虽增加了系统的复杂度，但它能较好地避免前两种方式的缺陷，因此这种方式适合于具有多数据源且各数据源特性相差较大的系统。 虚拟信道调度技术是AOS的关键技术之一，正是在这种技术的支持下，AOS在网络层提供了路径业务和网间业务，在空间链路层提供了包装业务、多路复用业务、位流业务、虚拟信道存取业务、虚拟信道数据单元业务、及插入业务等多种业务，从而AOS可以传输多信源、多用户、多目标的高速率数据。因此，掌握多路复用技术的概念、思想和标准，是实现AOS的基础。2.3
43、本章小结本章详细介绍了CCSDS AOS协议。分析了CCSDS协议结构及其应用方式。接着从AOS的特点、服务类型、AOS数据单元格式以及多路复用技术等方面。对高级在轨系统进行研究；并介绍了虚拟信道及虚拟信道调度的概念，从而为深入研究虚拟信道调度做铺垫。 3 AOS虚拟信道的研究在实际应用中，一个虚拟信道可能对应多个真实的物理信源。其入口处的信源模型是多个物理信源合路后的逻辑信源。由图3.1可知，这一过程是由虚拟信道调度中的帧生成算法实现的。所谓帧生成算法是指为高层协议产生的各种类型的数据包提供一种共享虚拟信道(帧)的机制，把来自具有相同或相似服务质量要求、需要在同一虚拟信道中传输的多种数据包复
44、用并分段装入固定长度的复用协议数据单元(MPDU)的包中，再分别加入MPDU主导头、帧主导头、帧尾，从而生成一帧。在特定的任务内MPDU的长度是固定的，并恰好能装入固定长度的虚拟信道数据单元(VCDU)的数据区内，数据结构变化如图3.1 所示。 CCSDS包区 CCSDS包 CCSDS包 M-PDU主导头M-PDU包区VCDU主导头VCDU数据区CADU同步标志信道寻去时隙图3.1 多路复用中数据结构变化本章主要对帧生成模块进行研究，分析了在帧长、包长比值一定的前提下成帧等待时间与MPDU复用效率(MPDU复用效率是指在一个MPDU中，有CCSDS包的总长度与MPDU包区长度之比)的关系。并分析了高效率帧生成算法的帧生成时间均值。
