CN107094045A - 一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法 - Google Patents

一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法，用于将多个不同用户同时接入到通用接口转换平台中，由通用接口转换平台对多路不同格式的数据进行格式处理，转换成控管中心所需格式，其特征在于：在对多路不同格式的数据进行格式处理中根据事件到达方式将事件进行分类并相应采取不同调度算法，采用线程作为调度的基本单位，在通用接口转换平台中安排多个调度时钟并以此为参考，并以线程创建时指定的优先级作为调度依据，以实现面向多用户的多业务类型的事件信息处理的实时性。本发明根据事件到达方式将事件归类后，系统进行有针对性的调度，可以很大程度减小地面站综合处理系统的响应时间，提高系统响应的灵敏度。

Description

一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法
技术领域
本发明属于无人机系统控制领域，为无人机地面站和其他用户接入通信卫星系统提供一种通用的接入方法，以方便多用户同时利用通信卫星通信数据链实现无人机超视距范围的监视和控制，扩大无人机遂行任务的区域范围。
背景技术
无人机数据链是连接无人机和地面指挥控制站系统的唯一纽带，决定了无人机系统遂行任务的效能，是全系统“无人”价值的最重要体现。无人机系统空地数据链系统分为视距链路和超视距链路，视距链路作用距离一般较短，一般采用L波段、C波段和UHF波段。超视距链路采用卫通链路，可以采用Ku、S和Ka波段。其中Ku卫通链路的地面数据终端一般采用机动式，而Ka卫通链路则采用固定地面数据终端，即在地面由通信卫星系统的控管中心接收和发送数据。
在通信卫星通信链路的实际使用中，为了接入通信卫星通信链路，无人机地面控制站首先需要向控管中心发送卫星资源使用申请，由控管中心统一调度资源后回复卫星资源申请结果和使用计划。根据使用计划，地面控制站需要将遥控传输帧转换为通信卫星控管中心统一的前向数据传输帧，并接收通信卫星控管中心回传的返向用户数据，转换为无人机地面站的用户既定协议格式。不同类型的无人机地面站都需要知悉通信卫星的传输格式，并专门针对该传输协议开发各自的接口转换模块，造成相关装备的重复性开发，且由于扩大了卫星通信传输协议的知悉范围，不利于相关保密工作。此外，未来战场将是一个各作战节点相互交织的作战网络，分立的通信卫星接入方法造成各作战节点相互独立，不利于连接战场体系的各类要素。随着无人机地面控制站的发展，亟需一种通用的接口转换方法和通信卫星数据链接入手段，提高通信卫星通信链路的接入效率和资源利用率。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法，建立基于通信卫星的无人机数据链通用接口转换平台，通过融合各型号无人机的测控标准，解决了传统的用户中心配备专用设备的通信卫星接入方式而导致的资源利用率低、灵活性差、接入机制单一等问题，实现了不同用户中心通用化接入通信卫星系统的使用需求，有利于提高通信卫星通信链路接入效率，提升无人机互操作水平，增强无人机卫星通信通信传输的保密安全性。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法，用于将多个不同用户同时接入到通用接口转换平台中，由通用接口转换平台对多路不同格式的数据进行格式处理，转换成控管中心所需格式，其特征在于：在对多路不同格式的数据进行格式处理中根据事件到达方式将事件进行分类并相应采取不同调度算法，采用线程作为调度的基本单位，在通用接口转换平台中安排多个调度时钟并以此为参考，并以线程创建时指定的优先级作为调度依据，以实现面向多用户的多业务类型的事件信息处理的实时性。
依据上述特征，所述事件分为周期事件、非周期事件、同步处理事件；
对周期性事件的调度需满足(1)式：
C1/T1+C2/TC++Cn/Tn≤U(n)＝(21/n-1) (1)
Ti表示事件i的周期，Ci表示该事件的最坏执行时间；
对同步处理事件的调度需满足(2)式：
∑Ci/Ti+Bi/Ti≤U(n)＝(21/n-1) (2)
其中，Bi为低优先级事件阻塞高优先级事件的时间；
对非周期性事件的调度过程如下：
先用(7)式模拟非周期性事件的周期：
TR＝(CR-W)+SQRT((W-CR)(W-CR+2I)) (7)
其中，TR代表非周期事件；CR为非周期事件TR的最坏执行时间；W代表非周期事件平均响应时间；I代表非周期事件的平均间隔时间；
再将(7)式周期化后的项带入式(2)，按周期事件调度
进一步，在对多路不同格式的数据进行格式处理中采用内存动态映射机制对数据进行本地记录备份，所述内存动态映射机制为在用户层和核心层设置一个共享的通信区，与硬盘上的特定文件相对应，然后使进程将这块通信区映射到自己的地址空间中，以存放用户数据和网络数据，该通信区包含消息发送与接收的缓冲区，并维护发送、接收和空闲三个循环队列，通信协议在应用层实现，
本发明的有益效果在于：
1.设计了面向服务的开放式软件架构，将软件单元内各功能服务模块作为可通过通用方式访问的独立服务资源，与其他功能服务模块进行交互，实现了功能服务资源间更为灵活的松散耦合关系，提升了通用接口转换单元软件的可扩展性。
2.采用基于Unix系统的并发多线程处理方式，设计了用消息进行通讯的多线程，通过并发增加线程的形式来增加一个数据处理业务，避免了进程空间的切换，减少了系统资源开销，降低了数据处理的响应时间，提高了系统的吞吐能力。利用并发多线程处理的通用接口转换单元具备了如下优点:(a)切换速度快,(b)系统开销少,(c)通信易实现,(d)并行程度高,(e)节省内存空间。
3.设计了可配置的网络通信模式，根据数据源的特点，利用基于Socket的UDP/TCP网络通信方式实现了多源接入网络通信的可配置性和通用性，实现了跨平台通信的同时增加了网络通信的灵活性，提高了系统吞吐量，并且增强了通用接口转换单元的可扩展性。
4.设计了基于多业务的实时调度策略，缩短了对外界请求的响应时间，减小了多用户通过通用一体化平台接入通信卫星系统的响应时间，提高系统响应的灵敏度；缩短了多类发送数据和接收数据以及转发数据的处理时间，提高了网络数据实时处理性能。
5.利用内存动态映射机制，在应用层设计了通信协议，设计了缓存通信区，采用由用户空间与系统核心空间共享内存的方法，避免了在不同的系统空间之间的数据拷贝，减少了系统软件的协议处理开销和网络通信的延迟；通过数据统计管理和预计策略，设计了针对不同源宿数据量进行动态化映射内存分配的算法，并采用被映射文件的直接式访问，省去了不必要的文件I/O操作，增加了数据存储速率，提升了系统资源利用率。
6.设计建立了基于通信卫星的无人机数据链通用接口转换平台，解决了传统的用户中心配备专用设备的通信卫星接入方式而导致的资源利用率低、灵活性差、接入机制单一等问题，实现了不同用户中心通用化接入通信卫星系统的使用需求，提高了通信卫星通信链路接入效率、资源利用率，提升了无人机互操作水平，增强了无人机卫星通信传输的保密安全性。
附图说明
图1为通用接口转换平台与外部交联关系；
图2为通用接口转换平台软件总体架构；
图3为多线程处理流程；
图4为内存动态映射机制原理图；
图5为通信区划分。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例主要有以下五个技术特点：
1.面向服务的开放式软件架构。通用接口转换平台是一个组件模型，将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。其接口采用中立的方式进行定义，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，使得以这种架构设计的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。本发明实现的通用接口转换单元软件，以面向服务的开放式软件架构为设计基础，将软件单元内各功能服务模块作为可通过通用方式访问的独立服务资源，与其他功能服务模块进行交互，实现了功能服务资源间更为灵活的松散耦合关系，提升了通用接口转换单元软件的可扩展性。
2.基于Unix系统的并发多线程处理。传统操作系统中，进程是系统资源分配和处理机制的基本单位，一个进程让另一个实体做某个事务需要通过fork派生子进程进行处理，需要将父进程的内存对象拷贝给子进程，代价比较“昂贵”。在具体实现中，无人机系统包含的数据种类繁杂、数据量大，通信卫星控管中心需要同时处理每个无人机的业务数据、遥测、遥控数据、语音、图像、视频等。接入控管中心前需要对无人机的所有数据进行接收、处理、封装和转发等一系列操作，对于这类大批量数据的处理，以进程为单位来完成多个事务的并发执行将导致系统的性能明显下降，无法保证系统高效、持续地对多个事务的大批量数据处理。基于进程的多线程结构能较好解决多业务并发执行的问题。线程间不需要复杂的IPC通信方式维护进程之间的数据交换，同时多个线程也可以独立、并行的执行。在Unix系统中，多线程是操作系统进行处理调度的基本单位，同一个进程中的线程共享进程获得的主存空间和资源，它们驻留在相同的地址空间，存取相同的数据，并且能够运行在不同的CPU上。在单进程多线程结构的数据处理系统中，Unix系统只创建一个主控进程，该进程可由多个线程组成，将基本执行单位由进程转变为线程，只通过消息来实现线程间的通讯。每增加一个数据处理业务只需再增加一个线程，并且线程的转换只是简单的运行状态的改变，不会引起进程空间的切换，以此减少了系统开销，使得数据处理的响应时间和系统的吞吐能力有明显改进。
如图3所示，本实施例在传统三层结构(客户端，应用程序服务器层，数据库)基础上，在客户层与数据库服务层之间增加应用程序服务层，将业务逻辑分布到应用服务器上，数据库只作为负责基础业务数据的管理，并由应用服务器完成主要的计算任务，充分利用应用服务器在并发处理和逻辑计算方面的优势。
3.可配置的网络通信模式。在物理连接形式上，无人机地面站及其他用户主要以太网连接的方式通过通用接口转换单元接入通用一体化平台和通信卫星系统。在通用接口转换单元中采用Socket作为TCP/IP协议的应用开发接口进行网络传输通信设计。作为网络应用编程界面，Socket隐藏了网络底层复杂的结构和协议，提供了一种较为方便简洁的网络操作方式。Socket主要有两种通信方式，第一种叫流式Socket，也称面向连接方式，在这种方式下，通信进程之间要先建立一种虚拟的连接，这种方式对应的是TCP协议，其传输特点是通信可靠性，按发送的顺序接收数据，其中数据被看作是字节流，无长度限制。第二种叫做数据报式Socket，又称无连接方式，它提供无连接服务，对应的是UDP协议，这种方式不提供数据无错保证，数据可能丢失或重复，并且接受顺序混乱，且报文的长度是有限的。无人机地面站及其他用户在接入通信卫星系统后，将互相交换大量遥测、遥控数据、语音、图像、视频及业务数据等，各类数据的实时性要求、可靠性要求存在一定差异，通过结合基于Socket的两种UDP/TCP通信方式，根据数据传输要求和用户服务要求，采用TCP方式保证大容量高速数据的传输，同时采用UDP方式保证数据量较小、实时性高的数据传输，以此支持多源通道的数据接入，降低系统处理时间的同时，提升了系统的吞吐量。基于Socket的网络通信具有与平台、语言无关的特点，实现了多源接入网络通信的可配置性和通用性，结合ini配置文件对通信网络进行离线端口以及IP地址配置，实现了跨平台通信的同时增加了网络通信的灵活性。
4.基于多业务的实时调度策略。Unix本身虽然提供两种实时调度策略FIFO(先来先调度)和RR(轮换制调度)，虽然这两种实现都比较简单，但并没有从实际上提高实时处理机制，所以需要对调度策略进行一定的修改来提高实时处理的能力。要提高网络数据实时处理性能，主要是缩短发送数据和接收数据以及转发数据的处理时间，Unix是一种基于优先级调度策略的操作系统。Unix将进程分成两种类型，实时进程和非实时进程。对于实时进程采用优先级的轮转法调度和基于优先级的先入先出服务调度。对于非实时进程采用了基于优先级的轮转法调度实时进程的优先级比非实时进程的优先级的基数要高1000。Unix通过优先级基数设定实现了分级，实时进程和非实时进程同在一个调度队列，但实际已被分成了两级，即实时进程优先级绝对高于非实时进程而会优先得到调度。Unix中，实时进程无论何时进入进程等待队列，都被将排在非实时进程之前。Unix又是一种非抢占式的操作系统，当系统正在执行一个低优先级的任务时，高优先级的任务不能抢占低优先级的任务，而是处于等待状态。高优先级的任务等待时间由低优先级的任务的执行情况决定。所以说，Unix的实时性不仅由实时进程执行时间决定，也由非实时进程的执行时间决定。Unix中断处理机制有其自身的特点，在Unix里，中断处理程序可以分为低级处理部分和高级处理部分。低级处理部分的作用是用来及时响应中断信号，而具体的中断处理工作则交给中断的高级处理部分完成；高级处理工作并不是立即完成，而是将处理程序放在一个特殊的队列中以后再执行。通过这种机制，Unix缩短了对外界请求的响应时间，这可以很大程度减小地面站综合处理系统的响应时间，提高系统响应的灵敏度。
通用接口转换平台根据事件到达方式将事件归类后，系统进行有针对性的调度，以针对到达时间进行实时处理。
a)周期性事件
周期性事件之间相互独立，若用Ti表示事件i的周期，Ci表示该事件的最坏执行时间。则若对达到事件的处理能够满足(1)式，则对该类事件的调度能够满足实时性要求。
C1/T1+C2/TC++Cn/Tn≤U(n)＝(21/n-1) (1)
b)同步处理事件
∑Ci/Ti+Bi/Ti≤U(n)＝(21/n-1) (2)
其中，Bi为低优先级事件阻塞高优先级事件的时间。实际实时系统应用中，事件之间总会有数据的共享和交互及同步要求，有可能会出现高优先级事件在获取共享数据时必须等待低优先级事件，也使高优先级事件不能保证总比低优先级事件先得到处理，增加了阻塞情况；若同步处理事件满足(2)式，则能够满足实时要求。
c)非周期性事件
设有两个非周期性事件，用TE代表突发性紧急事件，TR代表非周期事件；TE时间限制为DE，而CR为非周期事件TR的最坏执行时间。非周期事件平均响应时间W，由事件在队列中的平均等待时间WQ和事件的平均处理时间WS组成，有
W＝WQ+WS (3)
用ρ代表事件密度，表示在纯队列系统中衡量CPU的平均占用率；I代表事件的平均间隔时间，则有
ρ＝DQ/I (4)
用TR代替DQ，则WQ可以表示，则有
以此模拟非周期性事件的周期为
TR＝(CR-W)+SQRT((W-CR)(W-CR+2I)) (7)
其中，TE有最高优先级，以强占方式处理时会增加TR的平均处理时间，但这较少发生，不会对TR事件的平均响应时间构成冲击。将式(7)周期化后的项带入式(2)，能够成立即满足实时要求。
通过对到来事件的不同性质进行分类并相应采取不同调度算法，采用线程作为调度的基本单位，在系统中安排多个调度时钟并以此为参考，并以线程创建时指定的优先级作为调度依据，以实现面向多用户的多业务类型的事件信息处理的实时性。
5.内存动态映射机制。内存动态映射机制，使用户层可以拥有一定的网络界面，以此减少操作系统的干预过程，用户层可以有更大的灵活性，并且在消息的发送与接收处理的过程中有效地减少了数据拷贝。本发明在底层网络通信协议中使用内存映射机制为用户层应用提供一个虚拟网络界面，使用户层能够方便地访问快速通信设备；设计的通信协议在应用层实现，减少了系统软件的协议处理开销和网络通信的延迟。实现内存映射机制的核心是设计合适的缓存通信区。缓存通信区是一块由用户层和核心层共享的物理内存，采用由用户空间与系统核心空间共享内存的方法，避免了在不同的系统空间之间的数据拷贝。与传统的通信协议在核心层上实现相比，在应用层实现通信协议能够减少操作系统核心的干预，降低系统占用的开销，提高通信效率。本发明利用内存映射机制动态地在内存中开辟出一块存放数据的通信区，并且与硬盘上的特定文件相对应，然后使进程将这块内存区域映射到自己的地址空间中，以存放用户数据和网络数据，实现快速、正确、可靠的数据记录。通过文件映射这种使磁盘文件的全部或部分内容与进程虚拟地址空间的某个区域建立映射关联的能力，通过对被映射文件的直接式访问，省去了不必要的文件I/O操作执行，也无需对文件内容进行缓冲处理，增加了数据存储速率，提升了系统资源利用率。本专利提出的方法能够使用户层灵活方便地访问底层网络，同时实现高效的通信区域动态管理机制。
如图4所示，在开辟一块由用户层和核心层共享的物理内存作为通信区，采用由用户空间与系统核心空间共享内存的方法，避免了不同的系统空间之间的数据拷贝。通信区连接网络界面与用户层，存放用户数据和缓存数据，其中包含消息发送与接收的缓冲区，并维护发送、接收和空闲三个循环队列，区域分配如图5所示。以此达到了两个目的：灵活方便地访问底层通信网络；高效地管理通信区。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法，用于将多个不同用户同时接入到通用接口转换平台中，由通用接口转换平台对多路不同格式的数据进行格式处理，转换成控管中心所需格式，其特征在于：在对多路不同格式的数据进行格式处理中根据事件到达方式将事件进行分类并相应采取不同调度算法，采用线程作为调度的基本单位，在通用接口转换平台中安排多个调度时钟并以此为参考，并以线程创建时指定的优先级作为调度依据，以实现面向多用户的多业务类型的事件信息处理的实时性。
2.根据权利要求1所述的一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法，其特征在于所述事件分为周期事件、非周期事件、同步处理事件；
对周期性事件的调度需满足(1)式：
C1/T1+C2/TC++Cn/Tn≤U(n)＝(21/n-1) (1)
Ti表示事件i的周期，Ci表示该事件的最坏执行时间；
对同步处理事件的调度需满足(2)式：
∑Ci/Ti+Bi/Ti≤U(n)＝(21/n-1) (2)
其中，Bi为低优先级事件阻塞高优先级事件的时间；
对非周期性事件的调度过程如下：
先用(7)式模拟非周期性事件的周期：
TR＝(CR-W)+SQRT(W-CR)(W-CR+2I)) (7)
其中，TR代表非周期事件；CR为非周期事件TR的最坏执行时间；W代表非周期事件平均响应时间；I代表非周期事件的平均间隔时间；
再将将(7)式周期化后的项带入式(2)，按周期事件调度。
3.根据权利要求1所述的一种面向通信卫星的多功能综合业务通用接入方法，其特征在于在对多路不同格式的数据进行格式处理中采用内存动态映射机制对数据进行本地记录备份，所述内存动态映射机制为在用户层和核心层设置一个共享的通信区，与硬盘上的特定文件相对应，然后使进程将这块通信区映射到自己的地址空间中，以存放用户数据和网络数据，该通信区包含消息发送与接收的缓冲区，并维护发送、接收和空闲三个循环队列，通信协议在应用层实现。
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