貪婪型動態數字復接器設計與時延分析

石立國，王竹剛，熊蔚明，候鴻杰

（1．中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190；2．中國科學院大學 北京 100190）

貪婪型動態數字復接器設計與時延分析

石立國1，2，王竹剛2，熊蔚明2，候鴻杰1，2

（1．中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190；2．中國科學院大學 北京 100190）

為了節省信道資源，可以將多路不同速率、不同猝發時隙的數字信源復合為一路數據的異步數字復接器得到了廣泛應用。為了盡最大可能降低源包數據傳輸時延、提高信道利用率，提出了一種貪婪型異步動態數字復接器的設計方案，并給出了各路信源的優先級調度策略。使用硬件描述語言對兩種復接模型進行描述。在不同物理幀和兩種信源模式下，通過Modelsim對貪婪型動態復接器和虛擬信道復接器進行了仿真對比。仿真結果表明，貪婪型動態復接的平均傳輸時延和時延抖動都優于虛擬信道復接，并能夠更有效地節省信源緩存資源。

數字復接器；虛擬信道；平均傳輸時延；時延抖動

在復雜的現代數字通信系統中，所需傳輸的數字信源往往有很多個。為了提高傳輸的效率，擴大傳輸的容量，依據時分復用原理實現的數字信號復接與分接已經廣泛應用于很多系統中。數字復接器（Digital Multiplexer）與分解器（Digital Demultiplexer）將不同速率、不同類型的信號進行合并與分離，以實現通過一條信道完成多個信源信號傳輸的目的。根據復接器與各個信源時鐘的不同關系，數字復接器可分為同步復接器［1］和異步復接器。前者對于信源的相位、速率等要求較嚴，應用的范圍相對較窄；后者可以適用于速率、相位、發生間隔等各不相同的多個數字信源的傳輸，應用較為廣泛［2］。許多高校對同步復接器及其缺點進行了研究，并通過碼率調整的方式將異步復接變為同步復接［1，3-5］，這種實現方式由于插入了許多無用脈沖，降低了信道利用率，并引入了不必要的時延抖動。

目前應用比較廣泛的一種復接器被稱為虛擬信道復接器［6］。文中根據數字復接器的實現方式，提出了一種新的復接方式：貪婪型動態復接器，并對貪婪型動態復接器和虛擬信道復接器進行了時延分析和對比，以明確其特點和應用場景，目的是提高通信系統的性能。

1　信源要求及物理幀模型

在實際的通信系統中，通常要完成不同速率、不同類型信號的復接。不同信號之間的差別可能很大，具體如下：

1）信號速率差別相當大。光纖信號可以達到Gbps，而音頻、控制數據等僅僅只有幾十Kbps，甚至更低；

2）對時延的要求不同。有些信號要求有盡可能短的時間延遲，另外還有一些信號對時延不是特別敏感；

3）信源速率可能動態變化。比如視頻信號，在通信質量好的情況下，可以按照高清的模式進行傳輸，在通信質量差的情況下，可以考慮低畫質傳輸，其速率差別很大，范圍從幾百Kbps到幾Mbps不等。

文中假設有4個信源，命名為：S1～S4，其平均速率分別為40 Mbps、5 Mbps、4 Mbps和1 Mbps，對時延的需求程度從S1到S4遞減。并且這4個信源設置為勻速模式和短時間猝發模式兩種。從S1到S4每個信源的數據包包長分別為4 096 Bytes，2 048 Bytes，1 024 Bytes，512 Bytes。數據包的包頭都為2 Bytes，其格式如表1所示。

表1　信源數據包結構Tab.1 Source packet structure

物理幀幀長可以是固定的，也可以是可變的（例如：Prox-1協議）。對于固定幀長而言，數據的解調處理比較簡單，同時也可以使用固定長度的編解碼方式；可變幀長的解調處理，尤其是幀同步比較復雜。文中假設了5種固定幀長的物理幀格式，幀長分別為256 Bytes、512 Bytes、1 024 Bytes、2 048 Bytes、4 096 Bytes，其中幀頭4 Bytes，幀計數7 Bytes，數據域長度分別為：213 Bytes、447 Bytes、885 Bytes、1 781 Bytes、3 573 Bytes，剩余部分都是校驗位。編碼采用CCSDS標準的RS（255，223）。物理幀格式如表2所示。

表2　物理幀結構Tab.2 Physical frame structure

在本文中所設計的模型中，由于總信源碼速率為50 Mbps，因此可以計算得出最大基帶碼速率為

留有一定余量，取基帶碼速率為62 Mbps。

2　貪婪型動態復接器設計

文中設計和分析的數字復接器是異步的。因此，在信源數據進入到復接器之前，先要進行緩存。采用圖1的結構進行設計。

貪婪型動態復接的優點是使信源數據盡可能快的發送出去，盡最大可能降低時延，盡可能少的傳輸填充數據。對于物理幀中的數據域較短的情況，由于需要更少的標識符，帶寬利用率會更優。

在第1節的信源和物理幀基礎上，設計貪婪型動態復接包結構如表3所示。

圖1　數字復接器結構Fig．1　Digital multiplexer structure

表3　貪婪型動態復接Tab.3 Greedy dynamic multiplexing

其中，第一列總數據域代表物理幀中的數據域，第二列標識符代表信源在復接包中幾種信源分配的標志。X、Y的取值根據物理幀長取不同值。對于物理幀長為256 Bytes時，Y取值4，對于其他4種物理幀長，Y取值8；L1～L4分別代表在一幀之中，對應信源的數據字節數。

以物理幀長256 Bytes為例，在貪婪型動態復接中，信源S1～S4的總數據域大小為213 Bytes，4 Bytes的標識符分別表示總數據域中對應信源所占數據字節個數。在物理幀組幀信號到來時，判讀所有信源數據緩存個數，按照從S1到S4的優先級順序，取出共209 Bytes數據，組成一個動態的復合幀。其調度策略如下：

①當信源S1的數據緩存中數據多于209 Bytes，則對應信源S1的標識符為0xD1，對應信源S2～S4的標識符全為0x00，即L1=209，L2=L3=L4=0，此時的總數據域中，僅包含信源S1的數據；

②若信源S1的數據緩存中數據少于209 Bytes，令其值為L1，則對應信源S1的標識符為L1，并從后面優先級低的信源S2數據緩存中取出（209-L1）Bytes數據（假設此時信源S2數據緩存中數據多于209-L1 Bytes），令對應信源S2的標識符為L2=209-L1，對應信源S3、S4的標識符為L3=L4=0，此時的總數據域中，包含信源S1和S2的復合數據。

③若信源S1和S2的數據緩存中數據之和少于209 Bytes，信源S1、S2和S3數據緩存中數據之和大于等于209 Bytes，讀出信源S1和S2數據緩存個數L1和L2，令L3=209-L1-L2，L4=0，此時的總數據域中，包含信源S1、S2和S3的復合數據。

④若信源S1～S3的數據緩存中數據之和少于209 Bytes，信源S1～S4數據緩存中數據之和大于等于209 Bytes，讀出信源S1～S3數據緩存個數L1、L2、L3，令L4=209-L1-L2-L3，此時的總數據域中，包含信源S1～S4的復合數據。

⑤若所有信源數據緩存中數據之和少于209 Bytes，則令標識符分別為L1、L2、L3、L4，此時的總數據域中，包含信源S1～S4的數據，并對后面的空閑數據域進行填充。

對應貪婪型動態復接的數字分接器的設計也非常簡單，僅需要通過對應信源S1～S4的標識符判讀，即可方便的分離總數據域中對應的信源數據。

3　虛擬信道復接器

虛擬信道復接方式是目前應用較多的方式之一，即一個信道分為多個虛擬信道，多個虛擬信道根據時分復用的原則，按照一定優先級的調度規則，分時獨占信道。這種復接方式的調度算法對信道利用率、數據包的延時及所需的數據緩存大小均有非常大的影響。根據虛擬信道復接的數據源的調度算法，又可分為以下3種方式：全同步復用、全異步復用和同步、異步混合復用［7］。

在相同的信源、物理幀結構下，研究不同復接方式的性能才有意義。文中在第1節的信源和物理幀基礎上，為了和貪婪型動態復接器進行對比，設計的虛擬信道復接包結構如表4所示。

表4　虛擬信道復接Tab.4 Vitual channel multiplexing

其中，X代表意義同表3。按照信源碼速率的大小，將信源S1～S4的優先級按照碼速率從低到高的順序進行優先級調度。物理幀組幀信號到來時，當信源S1緩存數據達到X-1 Bytes以上，則不考慮信源S2～S4，由信源S1占用物理信道；當信源S1緩存數據小于X-1 Bytes時，則對信源S2緩存進行判讀，若其緩存數據大于X-1 Bytes，則由信源S2占用物理信道。依次類推，直到最低優先級的虛擬信道。

這種設計方法對信源的碼速率、是否猝發等的要求不高，是目前數字復接器應用較多的方法之一。缺點是信源緩存中的數據若長時間不足X-1 Bytes，則會一直殘留在緩存中［8］。

4　仿真分析

4路數字信源采用2種模式：勻速模式和猝發模式。勻速模式時，信源 S1～S4的碼速率依次為：40 Mbps、5 Mbps、4 Mbps和1 Mbps；猝發模式時，發送時間以0．1 ms為單位周期，在單位周期內，每個信源以較高的速率隨機猝發一次，信源S1～S4猝發碼速率依次為：320 Mbps、40 Mbps、32 Mbps和8 Mbps，其平均速率同勻速模式。

物理幀設置的主要參數有基帶速率和幀結構，詳細設置參見1．1節。數字復接器選擇了兩種：虛擬信道復接和貪婪型動態復接。采用VHDL語言對仿真模型進行描述，并采集仿真數據。本設計旨在模擬數字復接器的時延性能，因此沒有將載波同步、位同步、加解擾和編解碼等模塊帶來的時延考慮在內。

基于上述的仿真場景，進行了二十次仿真，即在兩種信源模式和五種物理幀長條件下，分別對兩種復接方式進行了仿真。圖2給出了信源S1在物理幀長為1 024 Bytes時，勻速模式和猝發模式下，兩種復接方式下每個數據源包的延時對比。

從圖2中可以看到，在兩種模式下，貪婪型動態復接方式的絕大多數數據源包的時延都小于虛擬信道復接方式。

圖2　信源S1時延結果Fig．2　Delay results of source S1

平均傳輸時延是數據源包從終端產生到成功的傳輸到接入點的平均時間間隔，其值的大小，依賴于源包的長度，包長越大，時延越大。可以看出，貪婪型動態復接的平均時延優于虛擬信道復接。對于優先級較高的信源S1，甚至相差2個數量級。

變化的時延被稱為時延抖動（Jitter），抖動大多起源于傳輸中的隊列和緩存，尤其是在低速鏈路中，時延抖動非常明顯。抖動的產生是隨機的，而且無法避免。通常將大包拆小，來減少大包對時延的影響。

在某些特定的應用環境中，要求數據包的傳輸時延相對穩定，也就是相對較小的源包傳輸時延抖動。從圖2中可以看出，貪婪型動態復接信源S1的時延穩定在一個較小的范圍之內，最大傳輸時延也非常小。結果表明，貪婪型動態復接優于虛擬信道復接。

對于虛擬信道復接，物理幀越長，意味著信源數據駐留在緩存中的時間越長，所需要的緩存越大，傳輸時延越大；對于貪婪型動態復接，由于只要緩存中有多少數據，都會盡可能快的發送出去。所以，物理幀長的變化對貪婪型動態復接的影響較小。

5　結　論

文中所提出的貪婪型動態復接器已成功應用于某通信機，它具有優秀的傳輸時延性能。通過與虛擬信道復接器的時延性能對比，得出以下結論：

1）貪婪型動態復接的平均傳輸時延、時延抖動和最大傳輸時延，都優于虛擬信道復接。

2）物理幀的長度會影響貪婪型動態復接器虛擬信道復接器的時延性能，物理幀越長，平均傳輸時延、時延抖動和最大傳輸時延越大。其中虛擬信道復接器更加敏感。

3）由于貪婪型動態復接器盡可能快的將數據緩存中的數據發送出去，故所需的數據緩存少于虛擬信道復接。

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［7］陳觀興．高速可重構復接器的設計和實現［D］．北京:中國科學院大學，2009．

［8］張燕超．基于可編程片上系統的復接器設計［D］．北京:中國科學院大學，2012．

Design of greedy dynamic digital multiplexer and its analysis of time delay

SHI Li-guo1，2，WANG Zhu-gang2，XIONG Wei-ming2，HOU Hong-jie1，2
（1.Center for Space Science and Applied Research of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

In order to save channel resources，asynchronous digital multiplexer，which can multiplex different rate，different burst time slot digital source，has been widely applied．Aims to reduce the maximum extent possible source packet data transmission delay，improve channel utilization，design scheme of a greedy asynchronous dynamic digital multiplexer is proposed．The priority scheduling strategy of sources is given too．Two kinds of multiplex model are described by hardware description language．Simulations for greedy dynamic multiplexer and virtual channel multiplexer，under the condition of different physical frame length and two source model，have been carried out by Modelsim．The simulation results show that，for the average transmission delay and delay jitter，the greedy dynamic multiplexing is superior to the virtual channel multiplexing，and is more effective in saving resource of source cache．

digital multiplexer；virtual channel；average transmission delay；delay jitter

TN914．3

A

1674－6236（2016）02-0142-04

2015-06-22稿件編號：201506202

國家863計劃資助項目（Y28021A220）

石立國（1984—），男，山東臨清人，博士研究生。研究方向：信號與信息處理、信號檢測與估計。