AOS多路复用的轮询权跨层优化调度方法

摘要

高级轨道系统（AOS）的核心机制主要包含分组信道复用和虚拟信道复用。多路复用效率和帧时间直接影响AOS甚至整个系统的性能。在本文中，为了优化AOS复用性能，提出了一种调查重量（CLOPW）的跨层优化的调度方法。不同于单个子层优化，例如等传帧方法，新颖的方法侧重于与AOS性能的两个核心子层的性能，例如分组分布，残差，高速缓存容量，帧间时间和复用效率。我们构建有限缓冲区的多个因素帧模型，基于短相关性推导分组复用效率的公式。此外，我们为虚拟频道利用率和跨层优化的延迟提供公式。实验结果表明，流投重量的跨层优化的新调度方法更高利用虚拟信道和低于等时帧方法的平均延迟。

1.介绍

随着空间技术的发展，为了满足未来多媒体空间任务的差异交流的需求，更好地实现了地面和空间通信资源的共享，提高了实时，多样化和动态任务的效率，是必要的将地面互联网的概念扩展到空间，并建立灵活高效的空间互联网络。空间数据系统咨询委员会（CCSDS）[1-3.]是由多国空间组织组成的国际标准组织，为下一代空间网络建立标准化的通信体系结构、通信协议和服务。先进轨道系统[4.那5.]是在公共轨道系统(COS)的基础上发展起来的[6.］.AOS是一种数据传输和通信机制，也是一种空间对空间、空间对地的数据处理和管理系统。同时，与COS相比，AOS可以处理更大的容量和更高速率的数据，构建一个全球性的、广泛的网络。

多路复用机制[4.[虚拟通道链路控制（VCLC）子层和虚拟通道访问（VCA）子层（VCA）子层中的虚拟通道链路控制（VCLC）子层和虚拟通道复用（VCM）中的分组信道复用（PCM）是AOS的核心和基础。根据AOS协议，具有不同速率和异构信息源的数据被标准化为CCSD标准化数据包。这些数据包封装在多路复用数据单元（M_PDU）中，最终形成虚拟通道数据单元（VCDU）[7.］.M_PDU帧时间(简称帧时间)和效率直接影响虚拟信道在下一子层的吞吐量性能。

为了分析、设计和制造AOS多路复用器，在帧生成和优化调度方法上做了大量的研究工作，如等时帧法和高效帧法。同步帧调度方法[8.]是将更高层次的数据包按固定的间隔时间封装成一帧，其缺点主要是会导致复用效率的下降[9.-11.］.高效帧优化是指数据包在到达的数据包填满整个M_PDU后才被释放，其复用效率几乎为100%。但是该方法会增加帧时间和包延迟[12.那13.］.Tian Y.等[14.提出了一种自适应帧优化模型。在模型中，设置阈值。有了该值，一旦到达报文填充框架，就会生成帧。在另一篇论文中[15.，作者指出自适应模型克服了长延迟问题，这种问题有时会导致比等时帧优化更低的复用效率。在报纸上[16.]，提出了一种适用范围广的基于活动边界的虚拟信道调度方法。为了优化AOS多路复用的性能，作者根据数据源的类型在同步时隙和异步时隙之间建立了可移动的边界。Bie等人[17.]通过分析数据类型来设计混合复用优化模式。在模式下，它可以改变VIP，同步和异步虚拟通道的边界。

本文提出了一种调查重量（CLOPW）的跨层优化的调度方法。与单个子层优化不同，如等时帧方法和其他方法[8.-17.]，针对影响两个核心子层AOS性能的包分配、剩余功能、缓冲区容量、帧时间、M_PDU效率和虚拟信道利用率等因素，建立递归公式和数值分析模型。此外，在AOS输入输出匹配准则的基础上，给出了优化利用率和帧时间的计算方法。实验结果表明，该方法在虚拟信道利用率和时延等方面都优于现有的等时帧算法。我们工作的主要贡献可以总结如下。

(a) AOS虚拟信道调度跨层优化新方案．与传统的单层局部优化方案不同，新型的跨层优化方案关注从VCLC层到VCA层与AOS性能相关的因素。通过综合分析上层因素的影响，建立了跨层映射关系。因此，通过跨层优化，AOS利用率和延迟可以实现全局优化。这对今后AOS系统的分析、改进、设计和制造具有重要的现实意义。

（b）有限缓冲区中M_PDU效率的计算方法．根据CCSDS的推荐标准，分别对各子层进行性能分析。而VCLC子层的输出作为VCA的输入，其复用效率和帧时间直接影响VCA的性能，甚至影响整个系统的性能。然而，一方面，目前对多路复用效率与帧时间之间的定量数学分析和映射表示的研究还不够。另一方面，现有的研究都是基于无限缓冲的理想条件。本文推导了有限缓冲区中分组复用效率和帧时间的计算公式，给出了M_PDU效率的计算方法，为跨层优化提供了理论依据，并进一步完善了CCSDS的推荐。

（C）基于短相关分布和虚拟信道输入输出匹配准则的仿真模型．为了验证分组信道复用模型的有效性和CLOPW的调度方法，我们模拟了VCLC中VCLC中M_PDU多路复用的过程和VCA中的虚拟信道调度。此外，基于短相关模型，我们将理论曲线与模拟结果进行比较，然后分析效果。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了我们的AOS多路复用机制，包括包通道复用和虚拟通道复用。部分3.详细介绍了我们提出的方法。基于AOS流量模型和假设，提出并推导了CLOPW的调度方法和公式，提高了M_PDU在有限缓存、虚拟信道利用率、时延等方面的效率。节4.，有实验结果和分析。最后,部分5.是结论。

2.AOS多路复用机制

AOS数据链路层包含VCLC子层和VCA子层，也提供包信道复用和虚拟信道复用两个阶段[5.那18.］.AOS复用过程如图所示1．

VCLC Sublayer主要为用户，数据包服务和M_PDU服务提供两种类型的服务。上层的数据进入分组服务单元，然后封装到标准CCSDS数据包中。M_PDU数据包区域包含有效载荷数据包或空闲数据。当携带M_PDU的AOS传输帧的释放时间在携带M_PDU的释放时间时，将产生在其分组区域中包含空闲数据的M_PDU。同时，高速率数据形成比特流，其被封装到比特流协议数据单元（B_PDU）中。B_PDU服务提供串行串的位，其内部结构和边界对服务提供商未知。在虚拟信道复用单元中，物理信道被分成单独逻辑信道，命名为虚拟通道（VC）。AOS最多可以定义64个虚拟通道。每个虚拟通道都被赋予唯一的虚拟通道标识符（VCID）。虚拟信道的机制允许由多个高层通信流共享的物理信道，每个都可以具有不同的服务要求。

多路复用数据结构的转换如图所示2．首先，数据包服务将来自非CCSD分组的转换提供给标准CCSD分组，这是空间网络上不同应用程序或用户之间的透明传输的基础。通过数据包变换，某些现有协议和应用程序不需要重新设计或修改，并且可以直接携带和传输数据。其次，将转换的数据包连续地插入并以前向顺序插入到M_PDU数据包区域中。当释放时间可用的数据包不足时，空闲数据包插入M_PDU数据包区域。第三，将M_PDU插入到VCDU数据字段中。由于M_PDU的长度由管理的任何特定虚拟通道来固定，因此VCDU数据字段完全适合于固定长度M_PDU。最后，VCDU进入通道访问插槽，并在物理信道中发送。

为了在未来基于AOS的多媒体空间任务中处理更大容量、更高速率的数据，已经取得了大量的多路复用与调度算法的研究成果[8.那9.那11.那12.那16.那17.那19.-21.］.有些是为特定任务和航天器设计的，适用性不广，调度性能不佳。Liu等[19.[提出了一种基于VCS紧急函数的调度算法，它可以实现比经典调度算法更好的性能。但算法忽略了上层的相关性和影响。它们仅考虑本地层中每个数据帧的紧迫性。因此，这些算法的性能在现实中受到限制。Bie等人[17.]提出了一种改进算法，该算法在设计调度决策函数时考虑了每个VC中剩余帧数的影响。然而，该算法仍然没有区分不同层次的帧紧迫性。在文章中[20.，设计了一种新的调度算法。该调度方法分别估计VC紧急度和帧紧急度，提高了调度性能。进一步的研究结果载于[16.]，将可移动边界技术引入[22.[可以降低调度时间延迟并进一步提高信道利用率。上述文章的这些方法仅关注每个子层的影响因素，以获得局部优化。在本文中，我们构建了有限缓冲区的多个因素帧模型，并提出了一种跨层优化的调度方法。我们详细介绍了我们在以下部分中的建议方法。

3.跨层优化的调度方法

为了更系统地描述数学模型，更容易理解，我在table中列出了一个符号表1．

3．1.一种包信道复用的计算方法

基于以下假设构建了分组信道复用的计算方法。

(a)不同数据源的数据包到达模型服从泊松概率分布。到达率等于 ．

(b)设M_PDU长度等于 那包长度是 ． 那和N是一个整数。

（c）系统在批处理中进行;即，一起N报文在一帧时间内被插入到一个M_PDU报文区 ．当到达报文的数量小于N，空闲数据包插入M_PDU数据包区域。

(d)让缓存容量为B.和 ．

空闲报文的存在会导致M_PDU效率降低。如果延长了帧时间用于等待数据包进入缓冲区，效率将增加，但延迟加剧。

设置M_PDU效率 ．在第一等待差距（帧时间 )，效率表示为:1阶M_PDU效率， 在哪里M_PDU和的长度是为CCSDS报文的长度。就是时间的差距。为泊松分布的包到达概率。

第一个间隙的溢出概率为:

此外，第二时间间隙中的M_PDU效率被考虑。在第二间隙中，必须计算来自第一间隙的残余分组。让剩余数据包概率是 那命名为第一个订单残差分组功能（ABBR。1-RPF），在哪里表示残留报文数。

当到达的数据包在第一时间间隙小于N，第二间隙中没有剩余数据包 那和等于0。否则，何时 在第一个间隙，R.是残留分组的量和n = n + r。所以实际到达概率是 在第一个差距 ．其效率表示如下: 在哪里K.是第二间隙中的分组量，包括两个部分。一个部分是泊松分布的到达包。另一个是来自第一间隙的残余包 ．因此，2阶M_PDU效率表示如下。

二阶残余分组功能（abbr。2-rpf）如下。

第二间隙中的溢流概率是下式。

从公式上方，递归公式j可以给出M_PDU的效率顺序，

在哪里 那 那和如下。

3.2。跨层优化投票权重的调度方法

虚拟频道号码分别为1到一世．调度周期归一化为1。是VCA子层上的轮询时间的重量。为每个虚拟通道分配的时间切片来自到 ． 满足以下公式。

我们将整个虚拟通道的轮询周期标准化为1。表示生成M_PDU的平均帧时间（将M_PDU封装到VCDU中）虚拟信道，即每个VCDU的平均标准化时间。VCDU帧的输入速率虚拟通道表示为 ．

输出信道总容量用C表示，C表示下行信道中VCDU的最大传输速率，即分配的时间片虚拟频道是 ．的产量虚拟频道是 ．

产出和投入有三种情况虚拟通道。（一种）当条件 满足，即输入率当虚拟通道的输出速率低于时，需要插入空闲数据包，这将导致虚拟通道的利用率下降。（b）当条件 满足，即输入率虚拟通道的输出速率高于输出速率，就会导致缓存逐渐增加，容易溢出。（C）当条件 满足，即输入率虚拟通道等于输出速率，实现输入和输出之间的最佳匹配。

由公式(14.），（15.），（16.），我们可以得到以下内容：

那是

在整个轮询周期中，虚拟频道的吞吐量表示为r，

在哪里 代表M_PDU多路复用效率，可以从公式获得（1)．

虚拟频道利用率被定义为与总输出的有效数据的无线电。利用率表示为 ．

从公式（19.) (20.），我们可以得到以下内容。 那是

由公式(1） 和 （22.)，则具有M_PDU一阶效率的虚拟信道的一阶利用率表示为 ．

在里面在虚拟信道中，M_PDU在第二次时间间隔内的复用效率可以表示为 ．

因此，虚拟信道的二阶利用率为 ．

此外,虚拟频道的订单利用率是 ．

综上所述，利用率不仅与M_PDU的复用效率有关，还与帧时间有关VCLC子层的分布权重VCA子层上虚拟信道的时间片。假设虚拟通道的输入速率与输出速率相匹配。的j订单利用率可以表达如下。

当 那 是变量的函数 ．通过改变VCA子层时间片的轮询权值，使其与M_PDU帧时间匹配，可以实现跨层虚拟信道利用率的优化。这种调度方法称为轮询权的跨层优化(CLOPW)。

根据公式(19.)，则定义虚信道延迟为D.，这是框架时间的函数。

此外，虚拟频道的平均延迟表示为

在哪里 表示条件下的延迟时间T.等于不同的帧时间 那k从1到N。表示VCDU长度等于M的条件下的平均延迟时间。

4.实验结果和分析

为了验证本节中分组信道复用模型和CLOPW调度方法的有效性3.，我们模拟了VC1中VCLC中M_PDU多路复用的过程和VCA中的虚拟信道调度。我们构建了一个16通道仿真模型，其数据部分来自[21.并在此基础上扩展。AOS虚拟通道仿真参数如表所示2．基于泊松分布的短相关模型，将理论曲线与仿真结果进行了比较，并分析了其有效性。

4．1.分组通道多路复用的实验

基于M_PDU效率的调度方法(章节3．1）和假设（部分3．2），我们模拟了VCLC子层中M_PDU多路复用的过程。同时，将仿真结果与递归公式进行比较。和数据包的长度为1， 那 那 ．

M_PDU效率与时间之间的关系如图所示3.．采用泊松分布模型模拟CCSDS报文到达过程。根据不同仿真时间到达的数据包，我们绘制了M_PDU效率与时间的关系曲线，分别为S-M_PDU1、S-M_PDU2和S-M_PDU3。序号1、2、3表示模拟顺序。同时，利用本文提出的包信道复用计算方法，得到效率-时间函数，绘制理论关系曲线，如M_PDU1、M_PDU2和M_PDU3，分别表示一阶、二阶和三阶M_PDU公式。从图中可以看出3.理论关系曲线与模拟曲线合适，这表明计算方法可以在VCLC子层中描绘多路复用过程。随着帧时间的增长，M_PDU效率首先增加，然后减少。由于在短帧时间内有很少的到达数据包，因此将MPDU分组区域插入大量空闲数据包，从而导致低效率。随着到达数据包的增加，空闲数据包下降和MPDU效率正在增长。然而，由于高速缓存容量有限，帧间越来越突出的帧间概率升高，这导致M_PDU效率下降。

溢出概率曲线如图所示4.．由曲线可知，1~3阶MPDU公式与仿真数据拟合良好。

4．2.CLOPW的实验

为了分析CLOPW的性能，我们比较了等时帧法的虚拟信道标准化利用率和平均时延。设置虚拟信道容量C为10000帧/秒。设置虚拟通道数为16。我们改变M_PDU标准化帧时间 的风投₁或VC.₂,让 ．同时，我们修复了剩余VC的其他标准化帧时间_3.~风投_16.,让 ．对于CLOPW，按公式(18.） 那我们让我们从0.02变为0.78， 遵循更改。对于同步帧方法，我们使用固定的轮询权重，即， 那哪些不改变和 ．将CLOPW的一阶和二阶利用率与等时帧法进行了比较[14.］.实验结果如图所示5.．

具有同步框架方法，如图所示5.，当m_pdu标准化帧时间 是相对较低还是较高，由于时间较短，虚拟通道的规范化利用率较低导致M_PDU效率低下，导致虚拟信道规范化利用率下降。另一方面，画面时间长有助于提高M_PDU效率，但这会导致溢出增加，这会导致标准化利用率的下降。当m_pdu标准化帧时间 是相对适中的，也就是说，它们大致相等 那规范化利用率达到最大值，因为此时固定轮询权值 比赛帧时间( )．同步框架方法与CLOPW一致。采用钢板时，投票重量如 随帧时间变化 ．短轮询时间片分配较少的帧时间，长轮询时间片匹配长轮询时间片，提高了虚拟通道的规范化利用率。如图所示5.该CLOPW方法，无论是1阶还是2阶，都具有比同步框架方法更高的正常化利用率。

此外，还研究了平均时延。数字6.比较了在VCDU帧长变化下CLOPW和等时帧法的平均时延。

随着VCDU帧的长度增加，CLOPW的平均延迟和等时帧方法正在缓慢增加。在相同的VCDU长度下，CLOPW的平均延迟总是低于同步调度算法的延迟。

5.结论

本文分析了VCLC和VCA子层中AOS复用模型的实现机理。推导了有限缓冲条件下的M_PDU复用效率，并将其应用于跨层优化。在此基础上，提出了一种轮询加权跨层优化调度方法CLOPW。该方法给出了跨层优化的虚拟信道利用率和延迟的计算公式。CLOPW在短相关流量模型条件下固定M_PDU的分组长度，更适合AOS的虚拟信道复用。实验结果表明，CLOPW比等时帧法具有更高的虚拟信道利用率和更低的平均时延。该方法可为AOS开发的构建和运行提供理论支持。

数据可用性

来自不同数据源的到达数据包的AOS交通数据集obeys由Matlab模拟和生成的泊松概率分布。我们采用MATLAB图书馆功能，如“Poissrnd”以产生泊松交通，符合符合短相关交通的AOS需求。数据可用。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

辽宁省教育厅一般项目(LG201611);沈阳理工大学博士后基金项目;沈阳市应用基础研究项目(18-013-0-32);辽宁省特聘教授。

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