一种面向AOS复用的轮询权跨层优化调度方法

摘要

高级轨系统（AOS）的核心机制主要含有分组信道复用和虚拟信道的复用。复用效率和帧时间直接影响AOS的性能，甚至整个系统。在本文中，以优化AOS复性能，的轮询重量（CLOPW）的交叉层优化的调度方法，提出了从单个子层优化不同诸如同步帧的方法，该新颖方法着重于与两个核心子层，诸如分组分布，残留功能，高速缓存容量，帧时间，和复用效率的AOS性能的因素。我们构建成帧有限缓冲器的模型的倍数因子和推断的分组复用效率基于所述短相关的公式。此外，我们得到用于虚拟信道利用率和跨层优化的延迟公式。实验结果表明，轮询重量的交叉层优化的新颖调度方法是虚拟信道和平均延迟比所述同步帧的方法下的更高的利用率。

1.简介

随着航天技术的发展，以满足差异化的通信为未来的多媒体空间任务的需求，更好地实现地面和空间通信资源的共享，提高了实时性，多样化和动态任务的效率，有必要延长地面网络的空间概念，建立一个灵活，高效的空间网间。Consultive委员会空间数据系统（CCSDS）1-3]是跨国公司空间组织，它建立标准化的通信体系结构，通信协议，服务等的下一代空间的网络构成的国际标准组织。高级在轨系统（AOS）4，五]由CCSDS提出，是在共用轨道系统(COS)的基础上发展而成[6]。AOS是一种数据传输和通信机制，是空间对空间、空间对地面的数据处理和管理系统。与此同时，与COS相比，AOS可以处理更大的容量和更高的速率数据，并建立一个全球性的、广泛的网络。

多路复用机构[4]，即，分组数据信道在虚拟信道接入（VCA）子层的虚拟信道链路控制（VCLC）子层和虚拟信道复用（VCM）多路复用（PCM），是AOS的核心和基础。根据AOS协议，具有不同的速率和从异类信息源的数据被归一化为标准化分组CCSDS。这些分组被封装到复用数据单元（M_PDU），其最终形成虚拟信道数据单元（VCDU）7]。M_PDU帧时间（缩写帧时间）和效率直接影响在下一子层虚拟信道的吞吐量性能。

为了分析，设计和制造用于AOS复用器，研究已经进行了大量的关于帧生成和优化的调度方法的工作如同步帧和高效率帧的方法。同步帧调度方法[8]是从更高级别的数据分组封装到一个帧在一个固定的间隔时间，它的缺点是主要，该方法将导致下降多路复用效率[9-11]。高效率框架的优化意味着数据包不释放，直到到达的数据包填满整个M_PDU，其复用效率几乎是100％。但该方法会增加帧时间和分组延迟[12，13]。Y.田等人。[14]提出了一种自适应帧优化模型。在该模型中的阈值被设定。用值，只要到达分组填满一个帧，生成帧。在另一篇论文[15]中，作者表明自适应模型克服长的延迟的问题，这有时导致较低复用效率比同步帧优化。在文献[16]中，作者提出了虚拟信道的调度方法与基于可移动边界上广泛的适用性。为了优化AOS复用的性能，作者建立的类型的日期来源方面同步时隙和异步者之间的可移动边界。别等。[17]由数据类型的分析设计的混合多路复用优化模式。在该模式中，它是可改变对VIP，同步，和异步虚拟通道的边界。

在本文中，轮询重量（CLOPW）的跨层优化的调度方法，提出了从单个子层优化不同诸如同步帧的方法和其他方法[8-17]，该新颖调度方法着重于与两个核心子层，诸如分组分布，残留功能，缓冲器容量，帧时间，M_PDU效率，和虚拟信道利用率的AOS性能的因素，并建立递推公式和数值分析模型。此外，在AOS的输入和输出匹配准则方面，我们得到基于先前式和模型的优化利用和帧时间的计算方法。实验结果表明，在AOS的性能，例如，虚拟信道利用率和延迟所提出的方法，是优于现有的同步帧的方法。我们工作的主要贡献可以概括如下。

（一）一种新型的跨层优化方案AOS虚拟信道调度。与传统的单层局部优化方案不同，新的跨层优化方案关注从VCLC层到VCA层的AOS性能相关因素。通过对上层因素影响的综合分析，建立了跨层映射关系。因此，AOS利用率和延迟可以通过跨层优化实现全局优化。对今后工作中AOS系统的分析、改进、设计和制造具有重要的现实意义。

（b）一个计算M_PDU效率在有限缓冲方法。根据CCSDS推荐的标准，所述性能分别分析了各个子层。但VCLC子层的输出作为VCA，其复用效率和帧时间直接影响VCA的性能，并且甚至整个系统的输入端。然而，在一方面，目前它是在复用效率和成帧时间之间的定量数学分析和绘图的表达的研究不充分。在另一方面，现有的研究是基于无限缓冲的理想状态。在本文中，我们推断分组复用效率和帧时间在有限缓冲器，其给出的M_PDU效率的计算方法，并提供了跨层优化的理论基础的公式，然后提高未来CCSDS建议。

（C）仿真模型基于短相关性分布和虚拟信道输入和输出的匹配标准。为了验证该分组信道复用模式和CLOPW的调度方法的有效性，我们模拟M_PDU在VCLC和VCA虚拟信道调度多路复用过程。此外，基于短相关模型，我们与仿真结果比较理论曲线，然后分析的有效性。

本文的其余部分安排如下。部分2礼物我们的AOS复用机制包括数据包信道复用和虚拟信道复用的概述。部分3介绍我们提出的详细方法。基于AOS流量模型和假设，为CLOPW调度方法和公式提出和派生，其改善在有限的高速缓存中，虚拟信道利用率，延迟，等。在第M_PDU效率4中，在实验结果和分析。最后，第五是结论。

2. AOS多路复用的机制

的AOS数据链路层包含VCLC子层和VCA子层，其也提供两个阶段的复用，即，分组信道复用和虚拟信道复用[五，18]。的AOS复用处理示于图1。

该VCLC子层主要提供两种服务的用户，分组业务，并M_PDU服务。从上层数据进入分组业务单元中，然后被封装到标准CCSDS包。所述M_PDU包区含有任一有效载荷的数据包或空闲数据。当报文没有足够的可用在携带M_PDUs，它包含在它的分组区域空闲数据应产生一个M_PDU一个AOS传送帧的释放时间。同时，高速率数据的形式的比特流，其被封装入比特流协议数据单元（B_PDU）。所述B_PDU服务提供比特，其内部结构和边界是未知的服务提供商的串联串的传输。在虚拟信道复用单元，物理信道被划分成单独的逻辑信道，命名虚拟信道（VC）。AOS最多可以定义64个虚拟通道。每个虚拟信道被指定一个唯一的虚拟信道标识符（VCID）。虚拟信道的机制允许通过多个高层通信流共享的物理信道，其每一个可以具有不同的服务需求。

复用的数据结构的变换示于图2。首先，分组业务提供了从非CCSDS分组标准CCSDS数据包，这是空间网络上的不同的应用程序或用户之间的透明传输的基础的转化。通过包变换，一些现有的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发送数据。其次，转化的数据包被连续地插入并以正向顺序进入M_PDU分组区域。当数据包没有足够的可用在发布时，空闲数据包插入M_PDU分组区域。第三，M_PDU插入VCDU数据字段。由于M_PDU的长度由管理完全固定长度M_PDU内的任何特定的虚拟信道，VCDU数据字段配合固定。最后，VCDU进入信道接入时隙和在物理信道被发送。

为了处理更大容量和基于AOS未来的多媒体空间任务更高的速率的数据，大量的复用和调度算法的研究成果已经实现[8，9，11，12，16，17，19-21]。其中有些是专为特定任务和航天器，而且也无法达到广泛的适用性和出色的调度性能。刘等人。[19提出了基于VC的紧迫性功能，从而可以实现比传统的调度算法更好的性能的一种调度算法的。但该算法忽略来自上层的相关性和影响力。他们只考虑局部层的每个数据帧的紧迫性。因此，这些算法的性能实际上是有限的。别等。[17]提出了一种改进的算法，该算法考虑设计调度决策功能时在每个VC剩余帧的数量的影响。然而，这种算法仍无法从不同层区分帧紧迫性。在文章[20]，一种新的调度算法被设计。调度方法，分别估计所述VC紧迫性和帧紧迫性，提高了调度性能。进一步的结果是在开发[16]通过引入可移动边界技术引入的算法[22]，它可以减少调度时间延迟和进一步提高信道的利用率。上述文章的这些方法只专注于每个个体子层的影响因素，以获得局部优化。在本文中，我们构建成帧有限缓冲器的模型的倍数因子和提出的跨层优化的调度方法。我们详细描述了我们提出的在下面的部分方法。

3.跨层优化的调度方法

为了描述的数学模型更系统，更容易理解，我列出的符号表表1。

3.1。包的计算方法的信道复用

分组信道复用的计算方法是建立在以下假设。

来自不同数据源服从泊松概率分布的（a）的报文到达模型。到达率等于 。

(b)假设M_PDU长度等于 ，分组长度是 。 ，和ñ是一个整数。

（c）中所述的系统，在间歇过程中进行;即，一起ñ在一个帧时间内，包被插入到一个M_PDU包区域 。当到达分组的量小于ñ，空闲分组被插入到分组M_PDU区。

（d）让缓存容量是乙和 。

空闲数据包的存在导致在M_PDU效率的降低。如果延伸的帧时间如果使用它来等待到来的包进入缓冲区，效率会提高，但是延迟会变糟。

设置M_PDU效率 。在第一等待间隔（帧时间 ）效率表示如下，命名为1个顺序M_PDU效率， 哪里M_PDU和的长度是多少是CCSDS包的长度。是时间间隙。为具有泊松分布的包到达概率。

在第一间隙溢出概率是为下面的公式。

此外，在第二时间间隙M_PDU效率被考虑。在所述第二间隙，由所述第一间隙的残留数据包必须被计算。让剩余包概率 ，命名为第一阶残余分组功能（缩写1- RPF），其中是残留数据包的量。

当在第一时间间隙到达分组均小于ñ中，有在所述第二间隙没有残留的数据包 ，和等于0。否则，当 在第一间隙，[R是残留数据包和n = N + R的量。所以实际到达的概率是 在第一间隙 。该效率表示如下： 哪里ķ是在第二间隙分组，其包括两个部分的量。一部分是与泊松分布的到达分组。另一种是从第一个间隙的残余分组 。因此，如下所述2阶M_PDU效率表示。

二阶的剩余分组功能（缩写2- RPF）如下。

在第二间隙中的溢出概率是为下面的公式。

从以上的公式中，递归式Ĵ为了M_PDU效率可以给出，

哪里 ， ，和如下面所述。

3.2。投票权的跨层优化调度方法

虚拟通道号是，分别从1到一世。调度周期的归一化为1。是重量的轮询时间上VCA子层。分配给每个虚拟通道的时间片是从至 。 满足下式。

我们归整个虚拟通道的轮询周期为1。表示产生M_PDU的平均帧时间（M_PDU封装到VCDU）上虚拟信道，即，平均每一个VCDU归一化时间。VCDU帧对输入速率虚拟信道被表示为 。

如果总输出信道容量表示为C，其代表在下行链路信道的最大VCDU传输速率，时间片分配给虚拟信道是 。输出速率虚拟信道是 。

还有的输出和输入速度的三种情况虚拟信道。（一个）当条件 被满足，即，输入速率虚拟通道的输出速率低于输出速率，我们需要插入空闲数据包，这将导致虚拟通道利用率的下降。（b）中当条件 被满足，即，输入速率虚拟信道比输出速率高，它可以导致在高速缓存和容易溢出逐渐增加。（C）当条件 被满足，即，输入速率虚拟频道是等于输出速率，输入和输出之间的最佳匹配来实现的。

从式（14），（15），（16），我们可以得到以下几点：

那是

在整个轮询周期，虚拟信道的吞吐量被表示为R，

哪里 代表M_PDU复用效率，可以从公式获得（1）。

虚拟信道利用率被定义为有效的数据的无线电到总输出。利用被表示为 。

从式（19） 至 （20），我们可以得到以下几点。 那是

从式（1）和（22），具有M_PDU的一阶效率虚拟信道的一阶利用被表示为 。

在里面虚拟信道，M_PDU的在第二时间间隙的复用效率可以表示为 。

所以虚拟信道的2阶利用率 。

此外，虚拟信道的顺序利用是 。

总之，利用涉及不仅M_PDU的复用效率，而且在帧时间VCLC子层和分布重量的对VCA子层的虚拟信道的时间片。假定虚拟通道的输入速率与输出匹配。该Ĵ为了利用可以如下表示。

当 ， 是可变的功能 。通过改变VCA子层上时间片的轮询权，使其与M_PDU帧时间相匹配，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(abbr. CLOPW)。

在式术语（19），我们定义为虚拟信道的延迟d，这是成帧时间的函数。

此外，虚拟信道的平均延迟被表示为

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

4.实验结果及分析

为了验证该分组信道复用模型的有效性和CLOPW的5节的调度方法3中，我们模拟M_PDU在VCLC和VCA虚拟信道调度多路复用过程。我们建立了一个16信道的仿真模型，其数据被部分地衍生自[21]和扩展在此基础上。AOS虚拟信道的模拟参数示于表2。此外，基于与泊松分布短相关模型，我们与仿真结果比较理论曲线，然后分析的有效性。

4.1。分组信道复用的实验

基于对M_PDU效率的调度方法（在第3.1）以及假设（在第3.2），我们模拟M_PDU的VCLC子复的过程。同时，模拟结果与递归公式相比较。和数据包的长度被设置为1， ， ， 。

的M_PDU效率和时间之间的关系示于图3。我们采用泊松分布模型来模拟CCSDS包到达过程。在不同的模拟时间到达分组方面，我们绘制的M_PDU效率与时间的关系曲线，称为S-M_PDU1，S-M_PDU2，和S-M_PDU3。序列号1，2，3表示模拟的顺序。同时，我们使用的数据包信道复用的所提出的计算方法，以获得效率时间函数并画出理论关系曲线如M_PDU1，M_PDU2和M_PDU3，其中，分别表示1次，2次，和3-订购M_PDU式。从图中可以看出3该理论关系曲线很好地与模拟曲线，其示出了计算方法可以描绘VCLC子层复用处理以及拟合。用的帧时间的增长，M_PDU效率先增大后减小。因为在短的帧时间很少有到达分组，分组MPDU区被插入到大量空闲数据包的，从而导致低效率。随着到达分组的增加，空闲数据包丢弃和MPDU效率增长。然而由于有限的缓存容量，具有帧时间持续增加所述溢出概率上升时，其导致的M_PDU效率的下降。

溢出概率曲线示于图4。由曲线可以看出，1~3阶的MPDU公式与仿真数据拟合较好。

4.2。CLOPW的实验

为了分析CLOPW的性能，我们用等时帧方法比较了虚拟信道和平均延迟的归一化利用。将虚拟信道容量C设置为10000帧/秒。设虚拟通道的数量为16。我们改变M_PDU归一化帧时间 VC的₁或VC₂然后让 。同时，我们解决剩余VC的其他归一化帧时间₃〜VC₁₆然后让 。对于CLOPW，以公式(18） ，我们让改变从0.02至0.78，和 跟着变。对于同步帧的方法中，我们使用固定轮询的权重，即 ，不与改变和 。CLOPW的1阶和2阶利用与这些同步帧的方法的比较[14]。实验结果显示在图五。

与同步帧的方法，如在图中所示五当M_PDU归一化帧时间 是比较低的或更高，虚拟信道的归一化利用率低，因为更短的时间导致M_PDU效率低下，导致虚拟信道的归一化利用率下降。另一方面，一个很长的帧时间有助于提高效率M_PDU，但是这将导致溢出的增加，这将导致利用归一化的衰落。当M_PDU归一化帧时间 相对温和的，即它们大致相等 ，标准化的利用率达到最大，因为在这一次的固定投票权 匹配帧时间（ ）。同步帧的方法是用CLOPW一致。当CLOPW被采用，轮询重量如 与帧时间变化 。为较短的轮询时间片分配更少的帧时间，而较长的帧时间与较长的轮询时间片相匹配，这将提高虚拟通道的规范化利用率。如图所示五该方法CLOPW，无论是1阶或2阶，具有较高的归一化的利用率比同步帧的方法作为一个整体。

此外，平均延迟进行了研究。数字6给出了CLOPW方法与等时帧方法在VCDU帧长变化情况下的平均时延比较。

为一体的VCDU帧的长度增加，CLOPW的平均延迟和同步帧方法缓慢增加。在同VCDU长度，CLOPW的平均延迟总是比等时调度算法的低。

五，结论

本文分析了AOS复用模型在VCLC和VCA子层中的作用机理。我们推导出有限缓冲区下的M_PDU多路复用效率，并将其应用于跨层优化。在此基础上，提出了一种轮询权跨层优化调度方法CLOPW。该调度方法给出了跨层优化的虚拟信道利用率和时延的计算公式。在M_PDU包长度固定的情况下，采用短相关业务模型，CLOPW更适合于AOS的虚拟信道复用。实验结果表明，与等时帧方法相比，CLOPW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

来自不同数据源服从泊松概率分布，这是模拟的，并通过MATLAB产生到达的分组的交通AOS数据集。我们采用MATLAB库函数，如“poissrnd”生成泊松交通，满足短相关业务的AOS要求。该数据是可用的。

利益冲突

作者宣称，有感兴趣的关于这篇文章的发表任何冲突。

致谢

这项工作是由中国博士后科学基金会（2016M590234），辽宁省教育厅一般项目（LG201611），沉阳理工大学博士后基金，沉阳的应用基础研究项目（18-013-0-32），辽宁支持自然科学基金项目（20180551066），并计划于辽宁省特聘教授。

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