技术领域

本发明涉及一种适用于星载处理转发器的混合交换结构，属于卫星通信星载交换领域。

背景技术

在多点波束卫星通信系统中，星载交换技术使得所有业务交换功能在星上完成，从而改善了业务传输的实时性并有效地利用了频率资源。现有的星载交换技术可分为星载电路交换和星载分组交换两类。

星载电路交换需要通信双方在通信之前建立一条被双方独占的物理通路，此物理通道可以是时隙(星载交换—时分多址SS/TDMA)、是子频带(星载交换—频分多址SS／FDMA)或扩频码(星载交换—码分多址SS/CDMA)：

SS/TDMA以子时隙为交换对象，在卫星上设置MSM(微波开关矩阵)和DCU(分布控制单元)。由DCU控制MSM按确定的序列交换连接状态，而各个地面站则按照排定的时刻突发，实现业务传输交换。最先在INTELSAT-V卫星上得到应用，在ACTS等多个卫星有也有应用。

SS/FDMA以子频带为交换对象，通过“用户信号分离+星上开关矩阵+用户信号合并”实现子带交换。美军的WGS(Wideband Global SATCOM)系统就采用SS／FDMA星载交换体制。

SS/CDMA通过正交码实现不同用户的分离，星上不对数据进行解码。信令控制信号通过控制信道传输，在控制单元内进行处理。基于CDMA体制的卫星基本上采用该交换方式。

星载分组交换大多基于统计复用技术，分组通过排队、调度等处理共享带宽资源，网络利用ATM、IP以及MPLS等网络协议对数据传输所需的虚通道进行维护。星载分组交换是以数据分组为交换单位，数据分组携带有目标地址、源地址等信息，在星上交换结点采用存储转发的传输方式，目前主要有星载ATM(Asynchronous Transfer Mode异步传输模式)交换、星载IP(Internet Protocol网络之间互连的协议)交换等。美国在1993年发射的试验卫星ACTS采用了星载ATM交换；加拿大AnikF2卫星采用的星上基带交换处理器，也是采用ATM信元交换的方式实现点到点的2Mbits/s数据交换。2009年11月，世界上第一台太空路由器—思科18400搭载Intelsat14通信卫星进入同步轨道。思科统一通信处理系统，IPv6、Mobile IP和简单网络管理协议等。

其中，ACTS卫星（Advanced Communications Technology Satellite：NASA研制）有两种星上交换方式：一种是通过微波开关矩阵，另一种是通过具有存储的基带处理器。在开关矩阵(MSM)方式中，用它来连接三个固定波束或两簇跳变波束，开关矩阵可提供弯管透明交换。在基带处理器(BBP)方式中，通过分组交换提供按需分配多址(DAMA)信道，从而使卫星资源得到最大利用。

星载电路交换技术难以实现对链路资源的统计复用，每次建链均需通过控制信道申请，引入大时延；星载分组交换技术需进行差错控制，存在溢出丢失需进行拥塞控制，实时性强但业务的时延抖动性能得不到保障。

目前，卫星处理载荷要么采用电路交换体制，要么采用分组交换体制，没有在基带处理部分对两种交换体制进行融合；因为无论哪种交换体制，都可以通过适配传输多种业务，只是性能上仅能满足部分类型业务的需求。电路交换业务适用于保密和可靠性要求较高，突发性小的业务；而分组交换业务适用于保密度和可靠性要求不高，突发性强的话音、图像和视频业务，而当卫星需要很好地支持上述两种业务类型，而且业务模型中两种类型的比例是任意变化的，混合交换结构能够满足该需求。

部分卫星采用“微波开关矩阵的弯管透明交换+基带处理的分组交换”混合结构，两种不同类型的载荷来实现对于不同类型业务的支撑，分成两种物理层体制：星上透明转发载荷和星上处理交换载荷（含基带处理），但是这种混合结构造成了整个星载处理过程灵活性较差。现在急需研究一种能够将电路交换结构和分组交换结构的很好地融合从而满足卫星通信系统对业务支持的灵活性（比例可变的业务类型组合）需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于星载处理转发器的混合交换结构，通过”空分交换器+共享缓冲分类存储器+帧整型器”的混合交换结构，保证了基带电路交换和自定义及标准分组交换业务的性能，从而满足了卫星通信系统对业务支持的灵活性需求。

本发明的技术解决方案是：

一种适用于星载处理转发器的混合交换结构包括：入端口处理单元、共享缓存器、空分交换单元、交换控制单元和帧整型器；

入端口处理单元对接收到的时隙帧进行适配、分类处理，入端口处理单元将时隙帧一路同步调整后送至空分交换单元，另一路按照时隙分配计划在对应时隙中取出分组送至共享缓存器；共享缓存器用于缓存空间的分配和映射管理，所述缓存是入端口处理单元发送来的分组，同时共享缓存器根据分组中的目的地址查转发表获取输出端口序号，并根据分组信息长度为其分配缓存地址块，并根据调度指示输出分组到指定端口的帧整型器；空分交换单元将入端口处理单元送来的时隙帧按照控制信息送至帧整型器；帧整型器按照交换控制单元的时隙控制信息将空分交换单元的输出放到指定的时隙，并将共享缓存器输出的分组按优先级封装到空闲的业务时隙中，同时根据交换控制单元提供的帧起始发送指示以端口速率周期性地读取指定时隙缓存区的数据串行输出。

所述入端口处理单元包括分组缓存模块、调度控制模块和帧同步调整模块；入端口处理模块数据处理分为两路，其中一路由分组缓存模块和调度控制模块根据交换控制单元提供的时隙分配计划提取分组数据，完成校验并存储，并根据共享缓存器的交互指示送到共享缓存器；另一路由帧同步调整模块将接收到的时隙帧缓冲后在统一的时刻发送至空分交换单元。

所述共享缓存器包括调度与缓存分配模块和N个出端口缓冲队列；调度与存储分配模块接收来自入端口处理单元1～N的分组信息存储请求并根据分组头部信息中的目的地址查转发表获取输出端口序号，并根据分组信息长度为其分配缓存地址块；调度与存储模块完成缓存空间分配后给出交互指示和调度指示，入端口处理单元根据交互指示将分组信息中的数据放置于数据总线，调度与存储分配模块从数据总线上获取数据后置于输出端口序号对应的N个出端口缓冲队列，共享缓存器调度与存储分配模块根据调度指示取出输出缓冲队列中优先级最高的分组输出到输出端口序号对应的帧整型器。

所述交换控制单元主要由信令处理模块、电路交换控制模块和缓冲输出控制模块组成；信令处理模块依据卫星系统资源分配结果生成时隙分配计划并发送至入端口处理单元，用于入端口处理单元提取分组信息；信令处理模块向帧整型器发送时隙控制信息和和帧起始发送指示，所述时隙控制信息包括来自空分交换单元的时隙数据对应的位置信息，所述帧起始发送指示用于帧整型器数据串行输出的发送控制；电路交换控制模块根据电路业务的信令处理结果生成控制信息发往空分交换单元，所述控制信息包含选择器开关控制值和时隙基准等；缓冲输出控制模块用于控制共享缓存器一帧时间内每个端口调度输出的分组数，并控制共享缓存器采用总线轮转调度方式从N个出端口缓冲队列中取出分组送到对应的帧整型器。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明采用”空分交换器+共享缓冲分类存储器+帧整型器”的混合交换结构，使得该混合结构支持的业务模型更为灵活，无论是电路业务用户还是分组业务用户均可直接使用本系统完成业务接续。

（2）本发明能够保障电路业务和分组业务的良好性能，电路业务和分组业务的各自性能不会因为业务类型组合比例的变化而受到影响。

（3）本发明交换结构设计灵活，模块清晰，便于更新集成，成本较低，具有良好的工程实现性。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图；

图2为本发明入端口处理单元组成示意图；

图3为本发明空分交换单元组成示意图；

图4为本发明空分交换单元工作原理示意图；

图5为本发明共享缓存器原理示意图；

图6为本发明交换控制单元组成示意图；

图7为本发明帧整型器组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提供了一种适用于星载处理转发器的混合交换结构，基于空间交换器和共享缓存结构实现不同体制业务的分类处理，通过帧整型器实现电路业务和分组业务的合并输出，进而可兼顾分组业务的灵活性和电路业务的可靠、无抖动特性。本发明使有限的星地通信链路资源得到合理的分配和调配，更好地支持各种类型的电路、分组交换业务。

如图1所示，本发明包括入端口处理单元、共享缓存器、空分交换单元、交换控制单元和帧整型器。入端口处理单元对接收到的时隙帧进行适配、分类处理，入端口处理单元将时隙帧一路同步调整后送至空分交换单元，另一路按照时隙分配计划在对应时隙中取出分组送至共享缓存器；共享缓存器用于缓存空间的分配和映射管理，所述缓存是入端口处理单元发送来的分组，同时共享缓存器根据分组中的目的地址查转发表获取输出端口序号，并根据分组信息长度为其分配缓存地址块，并根据调度指示输出分组到指定端口的帧整型器；空分交换单元将入端口处理单元送来的时隙帧按照控制信息送至帧整型器；帧整型器按照交换控制单元的时隙控制信息将空分交换单元的输出放到指定的时隙，并将共享缓存器输出的分组按优先级封装到空闲的业务时隙中，同时根据交换控制单元提供的帧起始发送指示以端口速率周期性地读取指定时隙缓存区的数据串行输出。

如图2所示，入端口处理单元包括分组缓存模块、调度控制模块和帧同步调整模块；入端口处理模块数据处理分为两路，其中一路由分组缓存和调度控制根据交换控制单元提供的时隙分配计划提取分组数据，完成校验并存储，并根据共享缓存器的交互指示送到共享缓存器的指定位置；另一路由帧同步调整模块将各入端口处理模块接收到的时隙帧缓冲后在统一的时刻发送至空分交换单元，此后按照帧周期保持调整后的同步状态。如果在卫星处理载荷前端处理没有达到完全同步时，帧同步调整模块保证了空分交换单元每个端口的帧和时隙位置是一致的，从而保证了数据的准确交换。

如图3、4所示，空分交换单元由N个1：N选择开关和N个N:1选择开关通过内部有规律的连线构成，每个选择开关都有1个控制寄存器，控制寄存器存储各个时隙开关的位置值，确定入、出线之间的选择关系，选择开关根据控制单元提供的时隙基准完成入线到出线的开关控制。下面以一个实例具体说明空分交换单元选择开关的工作原理：若端口1的时隙2需要交换到端口5的时隙63，则时隙2时，序号为1的1：N选择开关的控制寄存器控制值更新为5，序号为5的N:1选择开关的控制寄存器控制值更新为5；如此，空分交换单元将时隙2的内容输出至帧整型器5，帧整型器根据交换控制单元的控制信息将端口1时隙2发送的内容放置于时隙63的位置。空分交换单元只能够交换出入线，不能够调整时隙位置，因此在帧整型器中完成时隙位置调整，配合空分交换单元完成了电路时隙的交换。

如图5所示，共享缓存器由调度与缓存分配模块和N个出端口缓冲队列组成。调度与存储分配模块接收来自入端口处理单元1～N的分组信息存储请求，该信息中包含分组头部信息，调度与存储分配模块根据分组头部信息中的目的地址查转发表获取输出端口序号，并根据分组信息长度为其分配缓存地址块，若调度与存储分配模块没有查到输出端口序号或者没有可用缓存空间可以分配，则拒绝提出申请的入端口处理单元请求；调度与存储模块完成缓存空间分配后给出指示，入端口处理单元根据指示将分组信息中的数据放置于数据总线，调度与存储分配模块从数据总线上获取数据后置于查表获得的输出端口序号对应的输出端口缓冲队列，并记录到该队列的地址块链表。共享缓存器查询转发表的操作和存储分组信息的操作是并行进行的，在存储当前分组信息的同时完成下一个分组信息存储请求的处理。调度与存储分配模块取出输出缓冲队列中优先级最高的分组输出到输出端口序号对应的帧整型器（此处调度与存储分配模块可采用任何公知的分组优先级调度算法，或者由具体实施者根据实际运用时的设计参数进行改进）。

如图6所示，交换控制单元主要由信令处理模块、电路交换控制模块和缓冲输出控制模块组成。信令处理模块接收来自各入端口处理单元提取的控制分组（控制分组承载各类信令消息）并进行处理，依据处理结果可得到电路业务的建链和拆链信息，可获得卫星时间基准，可确定资源分配并完成分组转发表的更新等，将需要发送到输出端口的控制分组（承载响应信令、广播信令等）发送到帧整型器置于控制时隙中；信令处理模块依据卫星系统资源分配结果生成发往各个入端口处理单元的时隙分配计划，用于入端口处理单元提取分组信息，即指示各入端口处理模块哪些时隙中承载数据分组，哪些时隙中承载信令分组；信令处理模块向帧整型器发送时隙控制信息，时隙控制信息包括来自空分交换单元的时隙数据对应的位置信息，即每个时隙，帧整型器入口时隙内容放置于输出帧缓存的时隙位置，如前示例中，端口1的时隙2需要交换到端口5的时隙63，此处控制信息则是“入时隙号2+存放时隙位置63”，实现时可根据需要封装控制信息结构。电路交换控制模块根据电路业务的信令处理结果生成发往空分交换单元的控制信息（包含各选择器开关控制值和时隙基准等）；由于电路业务和分组业务的比例是实时动态变化的，因此缓冲输出控制模块控制共享缓存器一帧时间内每个端口调度输出的分组数，并控制共享缓存器采用总线轮转调度方式从缓冲队列中取出分组送到各个端口的帧整型器，各帧整型器接收分组并放置到用于承载分组的时隙中（控制分组放置于交换控制单元指定的控制时隙中，IP分组或自定义分组等放置于空闲的业务时隙中）。

如图7所示，帧整型器主要由输出帧缓存模块和发送控制模块组成，帧缓存模块包括写入控制模块和输出帧缓冲区，写入控制模块根据时隙控制信息，实时将来自空分交换单元的时隙写入输出帧缓冲区指定时隙，将收到的来自共享缓存器的分组按优先级顺序写入输出帧缓冲区空闲业务时隙；输出帧缓冲区按照帧长度设置缓冲区大小，由写入控制模块按照时隙控制信息控制写入电路业务时隙和分组，由发送控制模块周期性顺序读出数据。发送控制模块在帧同步发送时刻起按照输出端口速率依次读取各时隙缓冲位置的数据并以时隙帧格式连续发送，从起始时隙到末时隙周期性循环读取。帧同步发送时刻需要比输入端口处理单元的帧同步调整模块的帧同步时刻延迟1个时隙，以避免同时读写同一个存储空间发生读写冲突。

本发明具体工作流程如下：

本发明通过时隙同步控制和空分交换矩阵控制开关，使得混合业务流能够按照建链指示将电路交换时隙送至对应端口的帧整型器。在帧整型器内部会根据控制信息指示放在对应的输出帧缓存模块中，时隙同步信息根据帧结构规律和星上时间基准在程序内部计数产生，继而分发给入端口处理模块、交换控制单元以及帧整型器。其中，入口分组提取模块按照时隙同步信息和分配计划提取分组；交换控制单元按照时隙同步控制信息完成开关控制；出端口帧整型器按照时隙同步信息和出口资源分配计划将透传时隙放置到对应的时隙缓冲地址。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。