高級在軌系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)算法研究

夏 瑾

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院 遼寧·沈陽 110159）

0 引言

高級在軌系統(tǒng)具有相對簡單和開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以為復(fù)雜異構(gòu)的星上數(shù)據(jù)應(yīng)用提供更好的服務(wù)，并能提供不同體制星上業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的下行傳輸，以支持不同的系統(tǒng)和業(yè)務(wù)需求。因此，對高級在軌系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)的研究已成為深空通信領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。然而，星上數(shù)據(jù)具有復(fù)雜的多體制異構(gòu)特性，不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有不同的傳輸要求，尤其是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)時(shí)延性能要求高。在高級在軌系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)分發(fā)過程中，數(shù)據(jù)多體制異構(gòu)特性直接影響信道中業(yè)務(wù)單元的分布和周期，進(jìn)而影響各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)時(shí)延。因此，根據(jù)高級在軌系統(tǒng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)算法是滿足星上業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，降低實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)延的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的高級在軌系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)分發(fā)算法主要采用了先到先服務(wù)算法，該算法首先需要對不同業(yè)務(wù)的到達(dá)順序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后再按照已經(jīng)統(tǒng)計(jì)的順序進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。該算法簡單易行，其數(shù)據(jù)分發(fā)方式為非搶占式，每個(gè)數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)隙中，該算法即從等待的虛擬信道中選擇一個(gè)等待時(shí)間最長的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為之分配物理信道進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸，直到該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)完成或發(fā)生意外狀況而阻塞后，分發(fā)算法才將物理信道分配給其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。因此，先打先服務(wù)算法僅適用于對實(shí)時(shí)性要求不高的下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行分發(fā)，而對于實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)而言，該算法將大大增加業(yè)務(wù)分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間，導(dǎo)致重要的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)被丟失。

因此，本文在分析了高級在軌系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種針對實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先分發(fā)算法，并對基準(zhǔn)站和監(jiān)測站實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)算法的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)算法的有效性。

1 業(yè)務(wù)類型及特點(diǎn)

高級在軌系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議提供的業(yè)務(wù)類型一共有七種，其業(yè)務(wù)類型、實(shí)時(shí)性要求不盡相同，具體內(nèi)容如表1所示。

表1：高級在軌系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議提供業(yè)務(wù)類型及實(shí)時(shí)性要求

高級在軌系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議根據(jù)下行數(shù)據(jù)的不同業(yè)務(wù)類型將其形成不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，并分發(fā)傳輸至相應(yīng)的業(yè)務(wù)接入點(diǎn)，形成格式統(tǒng)一的連續(xù)數(shù)據(jù)流，最后將數(shù)據(jù)流傳輸至物理信道。本文主要針對高級在軌系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)類型進(jìn)行下行數(shù)據(jù)分發(fā)算法研究。在高級在軌系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)分發(fā)過程中，基準(zhǔn)站接收到高級在軌系統(tǒng)發(fā)射出的信號之后，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過廣播、移動(dòng)通信等方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給應(yīng)用終端。監(jiān)測站則通過查看衛(wèi)星信號和授予差分信號來區(qū)分信息的高精度等品質(zhì)。

基準(zhǔn)站和監(jiān)測站數(shù)據(jù)主要包括原始觀測數(shù)據(jù)、站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、原子鐘數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和監(jiān)測站工作狀態(tài)數(shù)據(jù)等，如表2所示。數(shù)據(jù)具有多體制異構(gòu)特性，數(shù)據(jù)到達(dá)周期、服務(wù)時(shí)間、實(shí)時(shí)性要求等不盡相同。

表2：基準(zhǔn)站和檢測站主要數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)到達(dá)模型

根據(jù)基準(zhǔn)站和監(jiān)測站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的短相關(guān)性特點(diǎn)，可以看出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達(dá)分發(fā)系統(tǒng)的過程{N(t)，t≥0}是一個(gè)強(qiáng)度為(t)的泊松過程，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達(dá)分發(fā)系統(tǒng)的時(shí)間的統(tǒng)計(jì)特征可以用一個(gè)廣義的非齊次泊松過程來描述。然而，基準(zhǔn)站和監(jiān)測站數(shù)據(jù)同時(shí)還具有明顯的周期性和自相似性。因此，提出數(shù)據(jù)達(dá)到模型如下：

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達(dá)分發(fā)系統(tǒng)的過程遵循ON-OFF多源疊加過程。假設(shè)具有n個(gè)獨(dú)立的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(N(k)(t),k=1,...,n)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在ON周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，在OFF周期內(nèi)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。ON周期內(nèi)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服從廣義非齊次泊松無記憶分布。令業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)完成時(shí)間與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間之差。則第m個(gè)分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間 內(nèi)，到達(dá)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)滿足

3 數(shù)據(jù)分發(fā)算法設(shè)計(jì)

根據(jù)高級在軌系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議并結(jié)合基準(zhǔn)站和監(jiān)測站數(shù)據(jù)異構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先的數(shù)據(jù)分發(fā)算法。其設(shè)計(jì)思想是從下行數(shù)據(jù)流中優(yōu)先選擇一個(gè)動(dòng)態(tài)加權(quán)分發(fā)時(shí)間最短的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為其分配虛擬信道和分發(fā)時(shí)隙，并復(fù)用物理信道。當(dāng)該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸完畢或動(dòng)態(tài)優(yōu)先級被中斷時(shí)，則停止該數(shù)據(jù)的分發(fā)，并重新分配動(dòng)態(tài)優(yōu)先級權(quán)值。令等待進(jìn)入內(nèi)存的時(shí)間為i，就緒隊(duì)列中等待的時(shí)間為w，CPU中執(zhí)行的時(shí)間為p，I/O操作的時(shí)間為c，則業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)k的分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間k滿足

對實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)k而言，希望用較少的時(shí)間k完成業(yè)務(wù)分發(fā)。從系統(tǒng)管理者角度出發(fā)，希望整體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的平均分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間s最短。平均分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間s滿足

令分發(fā)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀數(shù)為L，則業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)k的平均加權(quán)分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間滿足

平均加權(quán)分發(fā)周轉(zhuǎn)時(shí)間是衡量系統(tǒng)分發(fā)算法性能的重要指標(biāo)，其數(shù)值越接近1，則算法性能越好。

4 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)算法的仿真分析

基準(zhǔn)站和觀測站的業(yè)務(wù)分發(fā)數(shù)據(jù)仿真參數(shù)設(shè)置及短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先的數(shù)據(jù)分發(fā)算法的仿真結(jié)果如表3所示。

表3：基準(zhǔn)站/觀測站的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)參數(shù)及仿真結(jié)果

由表3的仿真結(jié)果可以看出，短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先的數(shù)據(jù)分發(fā)算法中，處理觀測數(shù)據(jù)的進(jìn)程等待時(shí)間為0s，故其E[wk]最接近1；而處理原子鐘數(shù)據(jù)的等待時(shí)間為41s，故其E[wk]最高，略大于1。

傳統(tǒng)的先到先服務(wù)算法仿真結(jié)果如表4所示。

表4：先到先服務(wù)算法的仿真結(jié)果

顯然，與傳統(tǒng)先到先服務(wù)算法相比較，短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先的數(shù)據(jù)分發(fā)算法的分發(fā)性能更優(yōu)。這是因?yàn)?，短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先的數(shù)據(jù)分發(fā)算法可根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長度來衡量數(shù)據(jù)的分發(fā)先后順序，并能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)分發(fā)的優(yōu)先循序。因此，短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先的數(shù)據(jù)分發(fā)算法更適用于高級在軌系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)，能夠保證業(yè)務(wù)分發(fā)的實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)論

下行分發(fā)數(shù)據(jù)的異構(gòu)特性對高級在軌系統(tǒng)協(xié)議性能及服務(wù)質(zhì)量有很大的影響，設(shè)計(jì)合理有效的數(shù)據(jù)分發(fā)算法對系統(tǒng)協(xié)議提供高服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要。因此，本文在研究了高級在軌系統(tǒng)下行分發(fā)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了下行數(shù)據(jù)到達(dá)模型，設(shè)計(jì)了短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先的分發(fā)算法。通過對基準(zhǔn)站和觀測站的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的短作業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)據(jù)分發(fā)算法相比于傳統(tǒng)的先到先服務(wù)算法，其算法性能更優(yōu)，更能保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)性能要求。