貪婪型動態(tài)數(shù)字復(fù)接器設(shè)計(jì)與時延分析

石立國，王竹剛，熊蔚明，候鴻杰

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

貪婪型動態(tài)數(shù)字復(fù)接器設(shè)計(jì)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(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190；2．中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190）

為了節(jié)省信道資源，可以將多路不同速率、不同猝發(fā)時隙的數(shù)字信源復(fù)合為一路數(shù)據(jù)的異步數(shù)字復(fù)接器得到了廣泛應(yīng)用。為了盡最大可能降低源包數(shù)據(jù)傳輸時延、提高信道利用率，提出了一種貪婪型異步動態(tài)數(shù)字復(fù)接器的設(shè)計(jì)方案，并給出了各路信源的優(yōu)先級調(diào)度策略。使用硬件描述語言對兩種復(fù)接模型進(jìn)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(tài)復(fù)接器和虛擬信道復(fù)接器進(jìn)行了仿真對比。仿真結(jié)果表明，貪婪型動態(tài)復(fù)接的平均傳輸時延和時延抖動都優(yōu)于虛擬信道復(fù)接，并能夠更有效地節(jié)省信源緩存資源。

數(shù)字復(fù)接器；虛擬信道；平均傳輸時延；時延抖動

在復(fù)雜的現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中，所需傳輸?shù)臄?shù)字信源往往有很多個。為了提高傳輸?shù)男?，擴(kuò)大傳輸?shù)娜萘浚罁?jù)時分復(fù)用原理實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號復(fù)接與分接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多系統(tǒng)中。數(shù)字復(fù)接器（Digital Multiplexer）與分解器（Digital Demultiplexer）將不同速率、不同類型的信號進(jìn)行合并與分離，以實(shí)現(xiàn)通過一條信道完成多個信源信號傳輸?shù)哪康?。根?jù)復(fù)接器與各個信源時鐘的不同關(guān)系，數(shù)字復(fù)接器可分為同步復(fù)接器［1］和異步復(fù)接器。前者對于信源的相位、速率等要求較嚴(yán)，應(yīng)用的范圍相對較窄；后者可以適用于速率、相位、發(fā)生間隔等各不相同的多個數(shù)字信源的傳輸，應(yīng)用較為廣泛［2］。許多高校對同步復(fù)接器及其缺點(diǎn)進(jìn)行了研究，并通過碼率調(diào)整的方式將異步復(fù)接變?yōu)橥綇?fù)接［1，3-5］，這種實(shí)現(xiàn)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(yīng)用比較廣泛的一種復(fù)接器被稱為虛擬信道復(fù)接器［6］。文中根據(jù)數(shù)字復(fù)接器的實(shí)現(xiàn)方式，提出了一種新的復(fù)接方式：貪婪型動態(tài)復(fù)接器，并對貪婪型動態(tài)復(fù)接器和虛擬信道復(fù)接器進(jìn)行了時延分析和對比，以明確其特點(diǎn)和應(yīng)用場景，目的是提高通信系統(tǒng)的性能。

1　信源要求及物理幀模型

在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，通常要完成不同速率、不同類型信號的復(fù)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(dāng)大。光纖信號可以達(dá)到Gbps，而音頻、控制數(shù)據(jù)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(tài)變化。比如視頻信號，在通信質(zhì)量好的情況下，可以按照高清的模式進(jìn)行傳輸，在通信質(zhì)量差的情況下，可以考慮低畫質(zhì)傳輸，其速率差別很大，范圍從幾百Kbps到幾Mbps不等。

文中假設(shè)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(shè)置為勻速模式和短時間猝發(fā)模式兩種。從S1到S4每個信源的數(shù)據(jù)包包長分別為4 096 Bytes，2 048 Bytes，1 024 Bytes，512 Bytes。數(shù)據(jù)包的包頭都為2 Bytes，其格式如表1所示。

表1　信源數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)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(xié)議）。對于固定幀長而言，數(shù)據(jù)的解調(diào)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(diào)處理，尤其是幀同步比較復(fù)雜。文中假設(shè)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(jì)數(shù)7 Bytes，數(shù)據(jù)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(yàn)位。編碼采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的RS（255，223）。物理幀格式如表2所示。

表2　物理幀結(jié)構(gòu)Tab.2 Physical frame structure

在本文中所設(shè)計(jì)的模型中，由于總信源碼速率為50 Mbps，因此可以計(jì)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(tài)復(fù)接器設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)和分析的數(shù)字復(fù)接器是異步的。因此，在信源數(shù)據(jù)進(jìn)入到復(fù)接器之前，先要進(jìn)行緩存。采用圖1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

貪婪型動態(tài)復(fù)接的優(yōu)點(diǎn)是使信源數(shù)據(jù)盡可能快的發(fā)送出去，盡最大可能降低時延，盡可能少的傳輸填充數(shù)據(jù)。對于物理幀中的數(shù)據(jù)域較短的情況，由于需要更少的標(biāo)識符，帶寬利用率會更優(yōu)。

在第1節(jié)的信源和物理幀基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)貪婪型動態(tài)復(fù)接包結(jié)構(gòu)如表3所示。

圖1　數(shù)字復(fù)接器結(jié)構(gòu)Fig．1　Digital multiplexer structure

表3　貪婪型動態(tài)復(fù)接Tab.3 Greedy dynamic multiplexing

其中，第一列總數(shù)據(jù)域代表物理幀中的數(shù)據(jù)域，第二列標(biāo)識符代表信源在復(fù)接包中幾種信源分配的標(biāo)志。X、Y的取值根據(jù)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(yīng)信源的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。

以物理幀長256 Bytes為例，在貪婪型動態(tài)復(fù)接中，信源S1～S4的總數(shù)據(jù)域大小為213 Bytes，4 Bytes的標(biāo)識符分別表示總數(shù)據(jù)域中對應(yīng)信源所占數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)。在物理幀組幀信號到來時，判讀所有信源數(shù)據(jù)緩存?zhèn)€數(shù)，按照從S1到S4的優(yōu)先級順序，取出共209 Bytes數(shù)據(jù)，組成一個動態(tài)的復(fù)合幀。其調(diào)度策略如下：

①當(dāng)信源S1的數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)多于209 Bytes，則對應(yīng)信源S1的標(biāo)識符為0xD1，對應(yīng)信源S2～S4的標(biāo)識符全為0x00，即L1=209，L2=L3=L4=0，此時的總數(shù)據(jù)域中，僅包含信源S1的數(shù)據(jù)；

②若信源S1的數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)少于209 Bytes，令其值為L1，則對應(yīng)信源S1的標(biāo)識符為L1，并從后面優(yōu)先級低的信源S2數(shù)據(jù)緩存中取出（209-L1）Bytes數(shù)據(jù)（假設(shè)此時信源S2數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)多于209-L1 Bytes），令對應(yīng)信源S2的標(biāo)識符為L2=209-L1，對應(yīng)信源S3、S4的標(biāo)識符為L3=L4=0，此時的總數(shù)據(jù)域中，包含信源S1和S2的復(fù)合數(shù)據(jù)。

③若信源S1和S2的數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)之和少于209 Bytes，信源S1、S2和S3數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)之和大于等于209 Bytes，讀出信源S1和S2數(shù)據(jù)緩存?zhèn)€數(shù)L1和L2，令L3=209-L1-L2，L4=0，此時的總數(shù)據(jù)域中，包含信源S1、S2和S3的復(fù)合數(shù)據(jù)。

④若信源S1～S3的數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)之和少于209 Bytes，信源S1～S4數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)之和大于等于209 Bytes，讀出信源S1～S3數(shù)據(jù)緩存?zhèn)€數(shù)L1、L2、L3，令L4=209-L1-L2-L3，此時的總數(shù)據(jù)域中，包含信源S1～S4的復(fù)合數(shù)據(jù)。

⑤若所有信源數(shù)據(jù)緩存中數(shù)據(jù)之和少于209 Bytes，則令標(biāo)識符分別為L1、L2、L3、L4，此時的總數(shù)據(jù)域中，包含信源S1～S4的數(shù)據(jù)，并對后面的空閑數(shù)據(jù)域進(jìn)行填充。

對應(yīng)貪婪型動態(tài)復(fù)接的數(shù)字分接器的設(shè)計(jì)也非常簡單，僅需要通過對應(yīng)信源S1～S4的標(biāo)識符判讀，即可方便的分離總數(shù)據(jù)域中對應(yīng)的信源數(shù)據(jù)。

3　虛擬信道復(fù)接器

虛擬信道復(fù)接方式是目前應(yīng)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(jù)時分復(fù)用的原則，按照一定優(yōu)先級的調(diào)度規(guī)則，分時獨(dú)占信道。這種復(fù)接方式的調(diào)度算法對信道利用率、數(shù)據(jù)包的延時及所需的數(shù)據(jù)緩存大小均有非常大的影響。根據(jù)虛擬信道復(fù)接的數(shù)據(jù)源的調(diào)度算法，又可分為以下3種方式：全同步復(fù)用、全異步復(fù)用和同步、異步混合復(fù)用［7］。

在相同的信源、物理幀結(jié)構(gòu)下，研究不同復(fù)接方式的性能才有意義。文中在第1節(jié)的信源和物理幀基礎(chǔ)上，為了和貪婪型動態(tài)復(fù)接器進(jìn)行對比，設(shè)計(jì)的虛擬信道復(fù)接包結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4　虛擬信道復(fù)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(yōu)先級按照碼速率從低到高的順序進(jìn)行優(yōu)先級調(diào)度。物理幀組幀信號到來時，當(dāng)信源S1緩存數(shù)據(jù)達(dá)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(dāng)信源S1緩存數(shù)據(jù)小于X-1 Bytes時，則對信源S2緩存進(jìn)行判讀，若其緩存數(shù)據(jù)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(yōu)先級的虛擬信道。

這種設(shè)計(jì)方法對信源的碼速率、是否猝發(fā)等的要求不高，是目前數(shù)字復(fù)接器應(yīng)用較多的方法之一。缺點(diǎn)是信源緩存中的數(shù)據(jù)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(shù)字信源采用2種模式：勻速模式和猝發(fā)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(fā)模式時，發(fā)送時間以0．1 ms為單位周期，在單位周期內(nèi)，每個信源以較高的速率隨機(jī)猝發(fā)一次，信源S1～S4猝發(fā)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(shè)置的主要參數(shù)有基帶速率和幀結(jié)構(gòu)，詳細(xì)設(shè)置參見1．1節(jié)。數(shù)字復(fù)接器選擇了兩種：虛擬信道復(fù)接和貪婪型動態(tài)復(fù)接。采用VHDL語言對仿真模型進(jìn)行描述，并采集仿真數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)旨在模擬數(shù)字復(fù)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(nèi)。

基于上述的仿真場景，進(jìn)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(fù)接方式進(jìn)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(fā)模式下，兩種復(fù)接方式下每個數(shù)據(jù)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(tài)復(fù)接方式的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)源包的時延都小于虛擬信道復(fù)接方式。

圖2　信源S1時延結(jié)果Fig．2　Delay results of source S1

平均傳輸時延是數(shù)據(jù)源包從終端產(chǎn)生到成功的傳輸?shù)浇尤朦c(diǎn)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(tài)復(fù)接的平均時延優(yōu)于虛擬信道復(fù)接。對于優(yōu)先級較高的信源S1，甚至相差2個數(shù)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(duì)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(chǎn)生是隨機(jī)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(yīng)用環(huán)境中，要求數(shù)據(jù)包的傳輸時延相對穩(wěn)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(tài)復(fù)接信源S1的時延穩(wěn)定在一個較小的范圍之內(nèi)，最大傳輸時延也非常小。結(jié)果表明，貪婪型動態(tài)復(fù)接優(yōu)于虛擬信道復(fù)接。

對于虛擬信道復(fù)接，物理幀越長，意味著信源數(shù)據(jù)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(tài)復(fù)接，由于只要緩存中有多少數(shù)據(jù)，都會盡可能快的發(fā)送出去。所以，物理幀長的變化對貪婪型動態(tài)復(fù)接的影響較小。

5　結(jié)　論

文中所提出的貪婪型動態(tài)復(fù)接器已成功應(yīng)用于某通信機(jī)，它具有優(yōu)秀的傳輸時延性能。通過與虛擬信道復(fù)接器的時延性能對比，得出以下結(jié)論：

1）貪婪型動態(tài)復(fù)接的平均傳輸時延、時延抖動和最大傳輸時延，都優(yōu)于虛擬信道復(fù)接。

2）物理幀的長度會影響貪婪型動態(tài)復(fù)接器虛擬信道復(fù)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(fù)接器更加敏感。

3）由于貪婪型動態(tài)復(fù)接器盡可能快的將數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，故所需的數(shù)據(jù)緩存少于虛擬信道復(fù)接。

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［3］唐輝艷．基于FPGA的實(shí)時仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．北京:北京郵電大學(xué)，2011．

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［5］秦晟昱．基于FPGA的多路復(fù)接器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．長沙:西安電子科技大學(xué)，2014．

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［7］陳觀興．高速可重構(gòu)復(fù)接器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［D］．北京:中國科學(xué)院大學(xué)，2009．

［8］張燕超．基于可編程片上系統(tǒng)的復(fù)接器設(shè)計(jì)［D］．北京:中國科學(xué)院大學(xué)，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(jì)劃資助項(xiàng)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(jì)。