基于自相似业务流的高级在轨系统多路复用优化模型与算法研究

Multiplexing is a key and difficult research problem of Advanced Orbiting Systems (AOS). Most present research on multiplexing was made by simulation, and a few theoretical results of multiplexing were got by using the on-board source model whose packet arriving rate obeys Poisson distribution. None of them can reflect the real multiplexing performance of complex on-board source models accurately. Therefore, we make research on the optimization and algorithm of AOS multiplexing model based on self-similar traffic, which includes the research on AOS multiplexing model, adaptive queue management algorithm, frame generation algorithm under finite buffer size, virtual channels scheduling algorithm with broad applicability based on movable boundary and the distributed simulation system based on HLA-RTI. The research results can provide technical support for the multiplexing of complex on-board source model, the development of AOS receiver, the design of space communication network architecture, and the research on space earth integrated information networks.

在高级在轨系统中，多路复用是研究的重点和难点问题。针对目前多路复用技术的研究多以仿真为主、而少数基于泊松分布源包到达模型的多路复用理论成果又难以准确地反映复杂星上信源复用性能的问题，本课题开展基于自相似业务流的高级在轨系统多路复用模型优化与算法研究，主要包括多路复用优化模型的建立、自适应队列管理算法研究、有限缓存下的帧生成算法研究、边界可移动的具有广泛适用性的虚拟信道调度算法研究，并完成基于HLA/RTI的分布式仿真系统，进行仿真、测试与验证。研究结果可以为复杂星上信源的复用、高级在轨系统接收机的研发、空间通信传输网络体系结构的设计、以及空天地一体化信息网络的研究提供重要的技术支撑。

本课题开展了基于自相似业务流的高级在轨系统多路复用模型优化与算法研究，主要包括多路复用优化模型的建立、自适应队列管理算法研究、有限缓存下的帧生成算法研究、边界可移动的具有广泛适用性的虚拟信道调度算法研究，并完成基于HLA/RTI的分布式仿真系统，进行仿真、测试与验证。. 在优化模型方面，建立了基于时间的自相似流量生成模型，该模型计算简单，易于应用，避免了传统的on/off模型产生自相似流量时，数据包个数不随时间变化的问题；引入队列管理模块，建立AOS多路复用优化模型。. 在队列管理算法方面，提出优先级随机早检测与疫苗更新免疫遗传算法方法结合的队列管理算法，该算法充分利用虚拟信道调度算法，参数性能表现出色，尤其在减少队列长度，减小丢弃概率方面表现优异；建立虚拟信道急迫度反馈机制，构造反馈概率，结合队列管理算法的丢弃概率，实现动态的调度与队列管理。. 在帧生成算法方面，给出了自适应帧生成算法在有限缓存下的缓存溢出概率、复用效率和平均包时延的计算公式，得出了不能依靠无限增大缓存容量达到降低溢出概率的结论，而适当选择门限值和控制帧提取时间，可以有效地提高该算法的性能；对有限缓存下AOS等时帧生成算法进行可行性分析，推导缓冲区溢出概率和数据包的多路复用效率的平均值。 . 在虚拟信道调度算法方面，设计了一种最优时隙分配方法，提出了一种基于时隙划分的多信道调度算法，研究了该算法在有限缓冲区大小下的性能；该算法在时延和信道利用率方面均优于其他调度算法，并得出了每个异步虚拟信道中帧丢失时隙概率的上限，具有广泛适用性。. 在分布式仿真系统方面，研究了基于HLA/RTI的分布式仿真技术，建立联邦仿真系统。. 研究结果可以为复杂星上信源的复用、高级在轨系统接收机的研发、空间通信传输网络体系结构的设计、以及空天地一体化信息网络的研究提供重要的技术支撑。