高级在轨系统实时数据分发算法研究

夏 瑾

（沈阳理工大学装备工程学院 辽宁·沈阳 110159）

0 引言

高级在轨系统具有相对简单和开放的协议标准，可以为复杂异构的星上数据应用提供更好的服务，并能提供不同体制星上业务数据的下行传输，以支持不同的系统和业务需求。因此，对高级在轨系统下行数据分发技术的研究已成为深空通信领域的一个热点问题。然而，星上数据具有复杂的多体制异构特性，不同的业务数据有不同的传输要求，尤其是实时业务数据，对系统时延性能要求高。在高级在轨系统下行数据分发过程中，数据多体制异构特性直接影响信道中业务单元的分布和周期，进而影响各业务数据的分发时延。因此，根据高级在轨系统的实时业务数据类型及特点，设计有效的实时数据分发算法是满足星上业务服务质量，降低实时数据分发时延的关键。

传统的高级在轨系统下行数据分发算法主要采用了先到先服务算法，该算法首先需要对不同业务的到达顺序进行统计，然后再按照已经统计的顺序进行数据分发。该算法简单易行，其数据分发方式为非抢占式，每个数据分发时隙中，该算法即从等待的虚拟信道中选择一个等待时间最长的业务数据，为之分配物理信道进行数据分发传输，直到该业务数据分发完成或发生意外状况而阻塞后，分发算法才将物理信道分配给其他业务数据。因此，先打先服务算法仅适用于对实时性要求不高的下行数据业务进行分发，而对于实时性要求高的业务而言，该算法将大大增加业务分发周转时间，导致重要的实时业务被丢失。

因此，本文在分析了高级在轨系统实时业务数据类型及特点的基础上，设计了一种针对实时业务数据的短作业动态优先分发算法，并对基准站和监测站实时业务数据进行分发算法的仿真实验，仿真结果验证了本文所设计算法的有效性。

1 业务类型及特点

高级在轨系统空间数据链路协议提供的业务类型一共有七种，其业务类型、实时性要求不尽相同，具体内容如表1所示。

表1：高级在轨系统空间数据链路协议提供业务类型及实时性要求

高级在轨系统空间数据链路协议根据下行数据的不同业务类型将其形成不同的业务数据单元，并分发传输至相应的业务接入点，形成格式统一的连续数据流，最后将数据流传输至物理信道。本文主要针对高级在轨系统中的实时性业务类型进行下行数据分发算法研究。在高级在轨系统下行数据分发过程中，基准站接收到高级在轨系统发射出的信号之后，通过数据处理系统生成相应的数据，并通过广播、移动通信等方式将数据实时发送给应用终端。监测站则通过查看卫星信号和授予差分信号来区分信息的高精度等品质。

基准站和监测站数据主要包括原始观测数据、站点信息数据、气象数据、原子钟数据、监测数据、基准站工作状态数据和监测站工作状态数据等，如表2所示。数据具有多体制异构特性，数据到达周期、服务时间、实时性要求等不尽相同。

表2：基准站和检测站主要数据

2 数据到达模型

根据基准站和监测站业务数据的短相关性特点，可以看出业务数据到达分发系统的过程{N(t)，t≥0}是一个强度为(t)的泊松过程，业务数据到达分发系统的时间的统计特征可以用一个广义的非齐次泊松过程来描述。然而，基准站和监测站数据同时还具有明显的周期性和自相似性。因此，提出数据达到模型如下：

业务数据到达分发系统的过程遵循ON-OFF多源叠加过程。假设具有n个独立的业务数据(N(k)(t),k=1,...,n)。业务数据在ON周期内发送数据，在OFF周期内停止发送数据。ON周期内，业务数据服从广义非齐次泊松无记忆分布。令业务数据的分发周转时间为业务数据分发完成时间与业务数据到达时间之差。则第m个分发周转时间 内，到达的业务数据个数满足

3 数据分发算法设计

根据高级在轨系统数据分发协议并结合基准站和监测站数据异构的特点，设计一种基于短作业动态优先的数据分发算法。其设计思想是从下行数据流中优先选择一个动态加权分发时间最短的业务数据，为其分配虚拟信道和分发时隙，并复用物理信道。当该业务数据传输完毕或动态优先级被中断时，则停止该数据的分发，并重新分配动态优先级权值。令等待进入内存的时间为i，就绪队列中等待的时间为w，CPU中执行的时间为p，I/O操作的时间为c，则业务数据k的分发周转时间k满足

对实时性要求较高的业务数据k而言，希望用较少的时间k完成业务分发。从系统管理者角度出发，希望整体业务数据的平均分发周转时间s最短。平均分发周转时间s满足

令分发的业务数据帧数为L，则业务数据k的平均加权分发周转时间满足

平均加权分发周转时间是衡量系统分发算法性能的重要指标，其数值越接近1，则算法性能越好。

4 业务数据分发算法的仿真分析

基准站和观测站的业务分发数据仿真参数设置及短作业动态优先的数据分发算法的仿真结果如表3所示。

表3：基准站/观测站的业务数据参数及仿真结果

由表3的仿真结果可以看出，短作业动态优先的数据分发算法中，处理观测数据的进程等待时间为0s，故其E[wk]最接近1；而处理原子钟数据的等待时间为41s，故其E[wk]最高，略大于1。

传统的先到先服务算法仿真结果如表4所示。

表4：先到先服务算法的仿真结果

显然，与传统先到先服务算法相比较，短作业动态优先的数据分发算法的分发性能更优。这是因为，短作业动态优先的数据分发算法可根据运行时间的长度来衡量数据的分发先后顺序，并能够动态调整数据分发的优先循序。因此，短作业动态优先的数据分发算法更适用于高级在轨系统实时业务数据的分发，能够保证业务分发的实时性。

5 结论

下行分发数据的异构特性对高级在轨系统协议性能及服务质量有很大的影响，设计合理有效的数据分发算法对系统协议提供高服务质量至关重要。因此，本文在研究了高级在轨系统下行分发数据特点的基础上，建立了下行数据到达模型，设计了短作业动态优先的分发算法。通过对基准站和观测站的实时业务数据分发仿真实验，验证了本文设计的短作业动态优先数据分发算法相比于传统的先到先服务算法，其算法性能更优，更能保证实时业务数据的分发性能要求。