CN101917222B - 一种具有分布式混合结构的星载交换机及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种具有分布式混合结构的星载交换机及其实现方法，将接收数字波束形成网络(DBF)送来的上百个波束的信号先通过接收电路波形交换模块送至对应的上行处理器，实现信道的选择和处理，经过基带交换、扩频调制，再由发射电路波形交换模块实现波束信号的汇聚；a.接收电路波形交换模块可在控制指令下将任意M个波束信号按照映射关系送至N₁个上行处理器；b.上行处理器对信号进行解扩解调后，通过基带交换模块完成各信道随路信令的合并，以及到N₂下行处理器的交换输出；c.下行处理器的输出经过发射电路波形交换模块以波束的形式输出给发射数字波束形成网络(DBF)。本发明可以满足在星载处理的用户业务不同波束分布不均匀和分布随时间动态变化的应用场景下，星载处理业务产生的调度能力的需求，以最小的星载处理资源满足用户处理需求。

Description

一种具有分布式混合结构的星载交换机及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种多波束GEO卫星的星载交换结构，特别涉及基于WCDMA通信体制的具备星上处理交换功能的GEO卫星，属于卫星移动通信技术领域。

背景技术

传统的卫星通信多是固定站通信，传输电视、广播、小型地面站等业务，卫星承担更多的是中继功能。移动通信业务的迅猛发展要求，未来的通信卫星不但具有传统的中继功能，还必须具备星上交换功能，来满足小型终端的移动通信业务的需求。许多国家都在发展具有星上交换能力的卫星系统，但由于技术水平和实现复杂度、成本等的限制，采用复杂星上交换的卫星系统依然很少，如何从实际需要出发，立足现有技术水平，研究针对GEO移动通信卫星的易于实现的星上交换系统是非常有意义的课题。

关于星上交换的文章很多，但多是考虑电路交换体制或者分组交换体制，而在GEO卫星通信系统的实现时，往往从系统容量的角度出发，考虑电路交换或者星上透明转发。《星上交换在抗干扰通信卫星中的应用》提出发展混合交换的抗干扰军事卫星网络的思路，对传输的信息分类处理，不同传输要求的信息采取不同的交换方式，和本文提出的分布式混合结构有着质的区别：本交换结构是通过空间上不直接连接的多个采用不同交换体制的模块组合完成多波束GEO卫星通信系统所需要的处理目标。

本发明来源于民用863课题“基于3G及其兼容技术的GEO卫星移动通信系统总体技术研究”的子专题“星上处理与交换技术研究”，目前，国内外无相关的研究机构提出这种实现结构。

国外的多波束移动通信卫星MUOS系统星上采用透明转发模式，地面进行处理交换，显然在地面信关站不会存在处理资源受限和空间环境受限等问题，因此不需要进行分布式实现。地面移动通信系统不存在具有上百个波束的基站，因此也不会存在这样的问题，没有相关的技术被采用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种动态高效的星载交换机的分布式混合实现结构及实现方法。

本发明的技术解决方案是：一种具有分布式混合结构的星载交换机，包括接收电路波形交换模块、若干上行处理器、基带交换模块、若干下行处理器、发射电路波形交换模块和星上控制单元；

用户向信关站发起呼叫请求，信关站查看上行处理器是否有两个信道的余量，若有余量，信关站向星上控制单元发送带有连接标识和参数消息的指令，星上控制单元接收到信关站指令后，查看每个上行处理器的资源占有，若有空余资源，选择空余资源最大的上行处理器，更新并保存每个上行处理器信息表和空余资源表，根据所选择的上行处理器的序号和相对接收电路波形交换模块的位置信息，确定接收电路波形交换模块的输出端口，并将接收电路波形交换模块的输出端口、输入端口、连接标识和参数消息写入控制指令发送给接收电路波形交换模块，星上控制单元生成带有连接标识和参数消息的控制指令发送给上行处理器和下行处理器，生成并保存更新包括上行处理器序号和下行处理器序号的路由表，星上控制单元生成带有连接标识的控制指令发送给基带交换模块，星上控制单元生成带有发射电路波形交换模块输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给发射电路波形交换模块，接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的波束信号，并根据控制指令将每一路波束信号送到指定的上行处理器，上行处理器根据接收到控制指令对波束信号处理后再生出带波束号和信道号标识的基带信息，并将基带信息送至基带交换模块，基带交换模块根据接收到的控制指令查找路由表，根据路由表中对应的下行处理器序号将基带信息送至对应的下行处理器，下行处理器根据接收到的控制指令对基带交换模块输出的基带信息按照波束号分类，再进行编码和扩频调制，以波束信号的形式送出给发射电路波形交换模块，发射电路波形交换模块将来自多个下行处理器的属于同一个波束的所有信道信号进行合路后输出。

所述的上行处理器的数量N₁不少于Q/K个，其中K为每一个上行处理器可处理的信道数，Q为星上处理载荷的能力即星上处理最多能处理的信道数。所述的下行处理器的数量N₂不少于个，其中J为每一个下行处理器可处理的波束数，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

所述的接收电路波形交换模块有若干路并行的串行处理单元，包括M个串/并转换器、M个缓冲器、K*N₁个M选1选择器和K*N₁个并/串转换器，第m个串/并转换器与第m个缓冲器连接，每一个缓冲器都分别与K*N₁个M选1选择器连接，第n*k个M选1选择器与第n*k个并/串转换器连接，其中M为星上处理载荷需完成处理的波束数，K为每一个上行处理器可处理的信道数，N₁为上行处理器的数量，m∈[1，M]，n∈[1，N₁]，k∈[1，K]。

所述的发射电路波形交换模块有若干路并行的串行处理单元，包括J*N₂个接口处理器、M个选择性合路器和M个输出接口，每一个接口处理器分别与M个选择性合路器连接，接口处理器对接收到下行处理器的波束信号进行处理，将其送入对应的选择性合路器中，选择性合路器对同一波束号的波束信号进行合路后经输出接口输出，其中N₂为下行处理器的数量，J为每一个下行处理器可处理的信道数，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

一种星载交换机的分布式混合实现方法，通过以下步骤实现：

第一步，用户向信关站发起呼叫请求，信关站查看上行处理器是否有两个信道的余量，若有余量，进入第二步，若无余量则星上透明转发该用户的业务；

第二步，信关站向星上控制单元发送带有连接标识和参数消息的指令；

第三步，星上控制单元接收到信关站指令后，查看每个上行处理器的资源占有，若有空余资源，选择空余资源最大的上行处理器；

第四步，重复第三步直到本次呼叫波束信号全部分配完毕，更新并保存每个上行处理器信息表和空余资源表；

第五步，星上控制单元根据所选择的上行处理器的序号和相对接收电路波形交换模块的位置信息，确定接收电路波形交换模块的输出端口；

第六步，星上控制单元生成带有接收电路波形交换模块输出端口、输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给接收电路波形交换模块，生成带有连接标识和参数消息的控制指令发送给上行处理器和下行处理器，生成并保存更新包括上行处理器序号和下行处理器序号的路由表，生成带有连接标识的控制指令发送给基带交换模块，生成带有发射电路波形交换模块输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给发射电路波形成交换模块；

第七步，接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的波束信号，并根据控制指令将每一路波束信号送到指定的上行处理器；

第八步，上行处理器根据接收到控制指令对波束信号处理后再生出带波束号和信道号标识的基带信息，并将基带信息送至基带交换模块；

第九步，基带交换模块根据接收到的控制指令查找路由表，根据路由表中对应的下行处理器序号将基带信息送至对应的下行处理器；

第十步，下行处理器根据接收到的控制指令对基带交换模块输出的基带信息按照波束号分类，再进行编码和扩频调制，以波束信号的形式送出给发射电路波形交换模块；

第十一步，发射电路波形交换模块将来自多个下行处理器的属于同一个波束的所有信道信号进行合路后输出。

所述第七步通过以下步骤实现，

A7.1、接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的M路波束信号，M为星上处理载荷需完成处理的波束数；

A7.2、第m路波束信号进入接收电路波形交换模块的第m个串/并变化器转换为并行数据后送入第m个缓冲器，m∈[1，M]；

A7.3、第m个缓冲器将并行数据分别送入到K*N₁个M选1选择器，第n*k个M选1选择器根据星上控制单元发送控制指令中的输出端口号进行选择，将同属n*k输出端口号的并行数据送入第n*k个并/串转换器，n∈[1，N₁]，k∈[1，K]，K为每一个上行处理器可处理的信道数，N₁为上行处理器的数量；

A7.4、第n*k个并/串转换器将第n*k个M选1选择器送入的并行数据转换为串行数据输出到对应的上行处理器。

所述第十一步通过以下步骤实现，

A11.1、发射电路波形交换模块的第i*j个接口处理器接收第i个下行处理器的第j个波束信号，i∈[1，N₂]，j∈[1，J]，其中N₂为下行处理器的数量，J为每一个下行处理器可处理的波束数；

A11.2、第i*j个接口处理器将接收的波束信号分别送入到M个选择型合路器中，第m个选择型合路器选择所有波束号为m的波束信号根据星上控制单元发送的控制指令将其合路，送到对应的第m个输出接口输出，m∈[1，M]，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

本发明的设计要点：

“基于3G及其兼容技术的GEO卫星移动通信系统总体技术研究”的GEO卫星有效载荷基本组成如下：包含109个波束，采用WCDMA通信体制，每个波束包含128个信道，具备星上处理转发和透明转发两种载荷。星上采用数字波束成形网络技术，具备星上处理交换设备来支持109波束内任意512对用户(对应1024个信道)同时进行一跳通信的能力。如何用一种高效的交换机实现结构完成109个波束中任意1024个CDMA体制信道的交换，这就是本发明要解决的问题。

对于基于多波束GEO卫星星上处理交换结构而言，系统需求存在如下特性：

1)用户天线具备上百个波束，每个波束包含上百路信道；卫星处理载荷的空间环境限制了星载处理器的规模和能力，星上仅能处理部分信道。

2)由于地面终端在波束间的分布不均匀，每个波束用户所需要的处理资源是变化的，因此需要在在不同的波束之间进行合理地分配处理资源；在一个波束内的用户数也是实时变化的，可能用户数为0，也可能到达最大值128(系统约定的最大值)。因此对应占用的处理资源也是变化的，可能在某一个时刻占用#1处理模块，也可能在某一个时刻占用#N处理模块。即使在两个不同的时刻，某个波束内的需要处理的用户数目相同，占用的处理资源位置也可能不相同，这与当前时刻所有用户在其它波束的具体分布有关。

3)传统交换机结构接收数字波束成形网络与处理器之间的连接关系是固定的，因此可能会出现这样的情况：有的波束用户不能被处理，而可能部分处理资源又是空闲的，存在宝贵的星上再生信号处理资源被大量浪费的情况(假定100个波束每个波束100个信道，100＊100＞＞1000，浪费情况严重，而实际配置往往比100高)。

星载处理部分具备的有限用户信道处理能力要求可以分配给任何一个波束中任意路数(不超过最大值)的信道，则星上需具备将待处理的信道提取出来送到对应上行处理器的设备，故设置接收电路波形交换模块；同时，需要将处理完毕的信号进行波束汇聚，为了能够减小波束汇聚的难度，同时便于随路信令的处理，在基带信号阶段设置基带交换模块进行初步的信号汇聚，将下行信道资源的分配和路由表的更新结合起来；最后，通过发射电路波形交换模块将所有下行处理器的输出信号合并输出送给发射DBF。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)采用本发明提出的星载分布式混合交换结构可以克服传统星上交换处理时出现一方面星载处理资源空闲，另方面一些处理用户又无法得到服务的问题，避免了处理器资源大量的浪费；

(2)本发明分布式混合交换结构可以将处理器规模设计到几乎等于用户要求的规模，无须冗余，既满足了用户分布不均匀动态变化带来的调度能力的需求，又将处理资源实现了最大利用；

(3)本发明混合的交换结构将大规模的交换矩阵放在基带进行，简化了实现复杂度，同时有助于处理下行随路信令的打包合并；

(4)本发明分布式的混合交换结构只需修改参数就能处理任意1路CDMA基本信道，建立通信链路时，路由选择方式可以灵活配置；并且各个处理器之间可以相互替代，互为备份，增强了设计的可靠性；随着路数的增加，可以通过提高交换网络的规模和增加处理器的个数或者处理能力来增加通信容量，具有可扩展性。

附图说明

图1为本发明实现结构组成框图；

图2为本发明接收电路波形交换模块组成框图；

图3为本发明基带交换模块组成框图；

图4为本发明发射电路波形交换模块组成框图；

图5为本发明实现方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的一种星载交换机的分布式混合实现结构，通过设计多个分散的、物理上不直接连接的、不同交换模式的交换模块，来实现卫星上百个波束上千个信道之间的交换功能。如图1所示，本发明包括接收电路波形交换模块、若干上行处理器、基带交换模块、若干下行处理器、发射电路波形交换模块和星上控制单元。

信关站完成用户的连接建立和连接释放过程。信关站对用户信令进行处理，并对星上处理资源进行分配。用户向信关站发起呼叫请求，信关站查看上行处理器是否有两个信道的余量，若有余量，信关站向星上控制单元发送带有连接标识和参数消息(包括扰码、扩频码、波束号、信道号等相关信息)的指令。信关站分配资源以及释放资源时，会形成消息通知星上控制单元去控制星上交换机；其他情况没有控制信息产生。

星上控制单元负责完成信关站发来的信令的处理和执行功能，根据确定的上下行处理器的个数与能力进行星上上行处理资源的动态分配。星上控制单元根据连接建立或拆除消息完成星载交换机的内部通路的建立。其中，星上控制单元控制指令将给接收电路波形交换模块可以识别的指令内容，指示它完成空分交换矩阵的连接。

星上控制单元接收到信关站指令后，查看每个上行处理器的资源占有，若有空余资源，选择空余资源最大的上行处理器，更新并保存每个上行处理器信息表和空余资源表，根据所选择的上行处理器的序号和相对接收电路波形交换模块的位置信息，确定接收电路波形交换模块的输出端口，并将接收电路波形交换模块的输出端口、输入端口、连接标识和参数消息写入控制指令发送给接收电路波形交换模块，控制指令格式如表1所示，其中F1为帧指示，01表示拆除连接，10表示建立连接。

表1

帧头标识

FI

连接标识

参数信息

输出端口

星上控制单元生成带有连接标识和参数消息的控制指令发送给上行处理器和下行处理器，生成并保存更新包括上行处理器序号和下行处理器序号的路由表，星上控制单元生成带有连接标识的控制指令发送给基带交换模块，星上控制单元生成带有发射电路波形交换模块输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给发射电路波形交换模块，上述的控制指令格式同表1所示格式类似。为被叫用户分配上行信道资源，分配方法同上。

接收电路波形交换模块将来自接收DBF的数字采样信号(高速率)按照系统的分配指示送至对应的上行处理器。

接收电路波形交换模块相当于一个空分交换矩阵，如图1所示，M个输入波束数字采样信号，N₁个上行处理器，假定每个上行处理器最多可处理K路信号，则接收电路波形交换模块输入为M路(代表波束)，输出为N₁＊K路(代表信道)。

由于输入的数字采样信号无法在解调前区分信道，而星上处理能力有限，即星上处理的用户动态分布于不同的波束集合中(例如1000路处理能力，但是广泛分布于109个波束每个波束128路的范围内)，故采用接收电路波形交换模块根据星上控制单元发出的控制指令将每个上行处理器需要的波束信号送到上行处理器入口处。

输入为上百个波束的数字采样信号，用户数众多，而星上处理能力有限，因此接收电路波形交换模块的功能在于选出需要处理的波束信号送到对应的上行处理器。用户建立连接，根据控制指令信息，将输入端口某一波束信号送至对应的上行处理器的某根入线上。选的过程就是卫星处理资源动态分配的过程，接收电路波形交换模块根据控制指令内容接续或者断开输入端(即入线)到输出端(即出线)的连接(对于双工通信而言，每个连接至少承载两个上行信道的选择)。

接收电路波形交换模块如图2所示，有若干路并行的串行处理单元，包括M个串/并转换器、M个缓冲器、K*N₁个M选1选择器和K*N₁个并/串转换器，第m个串/并转换器与第m个缓冲器连接，每一个缓冲器都分别于K*N₁个M选1选择器连接，第nk个M选1选择器与第nk个并/串转换器连接，其中M为星上处理载荷需完成处理的波束数，K为每一个上行处理器可处理的信道数，N₁为上行处理器的数量，m∈[1，M]，n∈[1，N₁]，k∈[1，K]。

假设某一GEO卫星通信系统120个波束，每个波束含128路信道，每个上行处理器可处理32路，每个下行处理器可处理64路，系统要求星上具备1000路信道的处理能力，即M＝120，N₁＝32，K＝32，这1000路信道是随机分布在任意个波束，而且这种分布是随时变化的。那么，采用传统的交换机在信号再生后交换，那么每个波束需要配备4个上行处理器，120个波束则需要480个上行处理器，如果仅仅32个处理器，无法保证需要处理的信道集中在某几个波束时能够得到服务。而增加了接收电路波形交换模块，就可以在仅仅配备32个处理器的条件下满足用户动态分布的需求。

若用户呼叫释放流程完成，则控制指令将两条上行信道的信息送至电路波形交换模块，该模块撤销对应的入端口和出端口的对应关系；同时，上行处理器不再对这次呼叫连接用到的两条信道进行处理，并更新上行处理器信息表和空余资源表。

上行处理器将其解出的基带信息按照一定格式打上标识，汇聚成一个端口送至基带交换模块。上行处理器的数量N₁不少于Q/K个，其中K为每一个上行处理器可处理的信道数，Q为星上处理载荷的能力即星上处理最多能处理的信道数。

基带交换模块如图3所示，根据分组标识合并对应的随路信令，按照下行处理器的输出约定，将可能来自多个上行处理器端口的信息送至对应的下行处理器端口。基带交换模块端口划分约束如下：

1)输入端口N₁，分别对应N₁个上行处理器；N₁个上行处理器的资源可以动态分配，分配结果通过控制指令指示电路波形交换模块1完成波束数字采样信号到上行处理器的输入。

2)输出端口N₂，分别对应N₂个下行处理器。

基带交换模块的路由表由信关站通过路由表更新消息送至星上控制单元，星上控制单元对其进行更新。

N₁个输入端口，分别与上行处理器连接，基带交换模块根据连接标识(上行处理器完成基带信息的再生、打上连接标识、汇聚后送至基带交换模块的入口处，连接标识和上行处理器的参数信息以及下行处理器的参数信息是一一对应的)查找路由表。

N₂个输出端口，输出端口数目在系统设计时确定，和星上的处理能力有关。如上示例，每个波束128路，每个下行处理器可处理64路，每个下行处理器可输出8个波束信号信息；系统设置32个下行处理器，完全可以满足系统的需求。

每个下行处理器可处理若干个波束的信息，对基带交换输出的分组按照波束号分类，再进行编码、交织处理、扩频调制，最终以波束信号(可能只包括波束内的部分信道)的形式送出给发射电路波形交换模块。星上处理单元预先设定哪些波束由哪些下行处理器处理。

下行处理器的数量N₂在设计时考虑到冗余，一般冗余量不小于20％，因此，N₂不少于

个，其中J为每一个下行处理器可处理的波束数，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

发射电路波形交换模块将来自多个下行处理器的属于同一个波束的所有信道信号进行同步合并(主要是消除来自不同处理器的时延差异)，输出为M个波束信号，发射电路波形交换模块的输入端口为J*N₂(J为每个下行处理器可处理的波束数，约定该值目的在于减小发射电路波形交换模块的规模)。

发射电路波形交换模块如图4所示，有若干路并行的串行处理单元，包括J*N₂个接口处理器、M个选择性合路器和M个输出接口，每一个接口处理器分别与M个选择性合路器连接，接口处理器对接收到下行处理器的波束信号进行处理，将其送入对应的选择性合路器中，选择性合路器对同一波束号的波束信号进行合路后经输出接口输出，其中N₂为下行处理器的数量，J为每一个下行处理器可处理的信道数，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

一种星载交换机的分布式混合实现结构的方法，如图5所示，通过以下步骤实现。

1、用户向信关站发起呼叫请求，信关站查看上行处理器是否有两个信道的余量，若有余量，进入2，若无余量则星上透明转发该用户的业务；

2、信关站向星上控制单元发送带有连接标识和参数消息(扰码、扩频码等)的指令；

3、星上控制单元接收到信关站指令后，查看每个上行处理器的资源占有，若有空余资源，选择空余资源最大的上行处理器；

4、重复3直到本次呼叫波束信号全部分配完毕，更新并保存每个上行处理器信息表和空余资源表；

5、星上控制单元根据所选择的上行处理器的序号和相对接收电路波形交换模块的位置信息，确定接收电路波形交换模块的输出端口；

6、星上控制单元生成带有接收电路波形交换模块输出端口、上行处理器序号、连接标识和参数消息的控制指令发送给接收电路波形交换模块，生成带有连接标识和参数消息的控制指令发送给上行处理器和下行处理器，生成并保存更新包括上行处理器序号和下行处理器序号的路由表，生成带有连接标识的控制指令发送给基带交换模块，生成带有发射电路波形交换模块输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给发射电路波形交换模块；

7、接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的波束信号，并根据控制指令将每一路波束信号送到指定的上行处理器；

7.1、接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的M路波束信号，M为星上处理载荷需完成处理的波束数；

7.2、第m路波束信号进入接收电路波形交换模块的第m个串/并变化器转换为并行数据后送入第m个缓冲器，m∈[1，M]；

7.3、第m个缓冲器将并行数据分别送入到K*N₁个M选1选择器，第nk个M选1选择器根据星上控制单元发送控制指令中的输出端口号进行选择，将同属nk输出端口号的并行数据送入第nk个并/串转换器，n∈[1，N₁]，k∈[1，K]，K为每一个上行处理器可处理的信道数，N₁为上行处理器的数量；

7.4、第nk个并/串转换器将第nk个M选1选择器送入的并行数据转换为串行数据输出到对应的上行处理器。

8、上行处理器根据接收到控制指令对波束信号处理后再生出带波束号和信道号标识的基带信息，并将基带信息送至基带交换模块；

9、基带交换模块根据接收到的控制指令查找路由表，根据路由表中对应的下行处理器序号将基带信息送至对应的下行处理器；

10、下行处理器根据接收到的控制指令对基带交换模块输出的基带信息按照波束号分类，再进行编码和扩频调制，以波束信号的形式送出给发射电路波形交换模块；

11、发射电路波形交换模块将来自多个下行处理器的属于同一个波束的所有信道信号进行合路后输出。

11.1、发射电路波形交换模块的第ij个接口处理器接收第i个下行处理器的第j个波束信号，i∈[1，N₂]，j∈[1，J]，其中N₂为下行处理器的数量，J为每一个下行处理器可处理的波束数；

11.2、第ij个接口处理器将接收的波束信号分别送入到M个选择型合路器中，第m个选择型合路器选择所有波束号为m的波束信号根据星上控制单元发送的控制指令将其合路，送到对应的第m个输出接口输出，m∈[1，M]，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

以下结合具体实例对本发明进行详细解释：

本发明中提出一种星载交换机的分布式混合实现结构是一种将星上处理交换资源和系统需求结合起来综合考虑设计而提出的新的星上交换结构。它适用于系统容量远远大于星上处理能力的卫星通信系统，而这样的卫星通信系统基本上都是多波束GEO卫星，本实例来源于基于WCDMA体制的多波束GEO卫星通信系统，其系统参数如表2所示。

表2

以本系统中设计的星载分布式混合交换结构为例，星载分布式混合交换结构工作原理为：

接收电路波形交换模块入端口连接109个波束信号，输出端口为32＊32＝1024，每32根线连接到1个上行处理器，如此可保障上行处理器资源的分配颗粒度为1，无论系统采用怎样的上行信道资源分配算法，都可以保障1024的信道资源可以分配给任意用户。如果某个上行处理器处理的波束包括波束A，同时有空余资源，波束A的某用户请求资源时，若系统分配该上行处理器，则接收电路波形交换模块可以不再送波束A的信号到该上行处理器。对于某个上行处理器而言，只有在它接收来自32个波束的信号，每个波束只有1路信道在这个处理器处理时，它的32根入线才会全部承载有信号；如果它处理某一个波束的32路信道，那么它的32根入线只有1根入线承载有信号，其他入线为空信号。接收电路波形交换模块的这种结构，使得其对于信道资源分配算法具有很强的适应性。

上行处理器处理完32路信道，将基带信息打上连接标识汇聚成一路送至基带交换机的输入端口。基带交换机的路由表设计与更新是本发明中基带交换机的亮点，一般情况下对于GEO卫星而言，其路由表的输出端口是确定的，而本发明中基带交换机路由表的输出端口是随着待处理的信道在不同波束中的分布变化的，路由表的更新和下行处理器的负载以及下行处理器的信道资源分配有关。以该系统为例，设置系统有32个下行处理器(下行处理占用资源较少，星上资源留有一定冗余以增强算法适应性)，每个下行处理器可被8个波束的信号共用，即每个下行处理器顶多输出8个波束信号给发射电路波形交换模块。那么下行处理器资源的分配(含基带交换模块路由表的更新)过程如下：

1)当某一通话连接建立后，主叫用户和被叫用户需要分别分配1条下行处理信道，分配时先查看该用户波束是否已经分配下行处理器资源，若是，转2)；否，转3)。

2)该用户波束已分配的下行处理器是否有空闲资源，若有，则分配该下行处理器为该用户信息在基带交换转发时的输出端口，将下行处理器的标号和连接标识送至控制信息打包模块，由其填充进该连接的控制信息中；若无，则转3)；

3)查看其他有空闲资源的下行处理器，选取空闲资源最多的处理器，将其标号和连接送至星上控制单元的控制信息打包模块，转4)；

4)主叫用户和被叫用户资源分配完毕，则控制消息通过馈电链路上传至卫星，卫星从控制消息中取出连接标号和下行处理器标号对基带交换模块路由表的对应表项进行更新。

由于一个下行处理器仅可供8个波束共用，上述分配过程尽可能地为同一个波束的用户分配相同的下行处理器，从概率学上讲，按上述方法分配，109个波束将均匀地分布在32个下行处理器中，每个处理器都留有冗余资源。但考虑到用户的到达和离开是随机的，而且卫星网处理用户的分布是高度变化的，如果某个下行处理器出现了承载8个波束信号的情况，则星上控制单元的资源分配模块会报警并进入资源分配调整状态，将该下行处理器对应的某些连接的基带信息复制送往其他空闲下行处理器，计时器满，则切换至其他下行处理器，完成平滑切换。如上述，1024路信道待处理，32个下行处理器可处理32＊64＝2048路信道，系统中存在冗余下行处理器用于预防此类小概率事件的可能发生，进而保障用户的绝对服务。

发射电路波形交换模块的输入端口为32＊8＝256，输出端口为109个波束信号。它从入端口选出属于同一个波束的信号进行波束合并。如果基带交换输出端口为109，星上配置109个下行处理器，每个处理器可处理128路信道，那么发射电路波形交换模块可不需要配置，配置该模块可以大大减少下行处理器的个数。

上述实例，只是演示了本发明在某种系统条件的一种可能配置，接收/发射电路波形交换模块和基带交换模块的输入输出端口配置、卫星上行处理器和下行处理器的个数配置等可根据系统需求进行合理的配置和优化。

本发明不仅仅局限于CDMA系统，在其他系统中若存在从系统用户中提取部分用户进行星上处理的情况，则电路波形交换模块完成用户信息载体的提取和合并工作。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种具有分布式混合结构的星载交换机，其特征在于：包括接收电路波形交换模块、若干上行处理器、基带交换模块、若干下行处理器、发射电路波形交换模块和星上控制单元；

用户向信关站发起呼叫请求，信关站查看上行处理器是否有两个信道的余量，若有余量，信关站向星上控制单元发送带有连接标识和参数消息的指令，星上控制单元接收到信关站指令后，查看每个上行处理器的资源占有，若有空余资源，选择空余资源最大的上行处理器，更新并保存每个上行处理器信息表和空余资源表，根据所选择的上行处理器的序号和相对接收电路波形交换模块的位置信息，确定接收电路波形交换模块的输出端口，并将接收电路波形交换模块的输出端口、输入端口、连接标识和参数消息写入控制指令发送给接收电路波形交换模块，星上控制单元生成带有连接标识和参数消息的控制指令发送给上行处理器和下行处理器，生成并保存更新包括上行处理器序号和下行处理器序号的路由表，星上控制单元生成带有连接标识的控制指令发送给基带交换模块，星上控制单元生成带有发射电路波形交换模块输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给发射电路波形交换模块，接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的波束信号，并根据控制指令将每一路波束信号送到指定的上行处理器，上行处理器根据接收到控制指令对波束信号处理后再生出带波束号和信道号标识的基带信息，并将基带信息送至基带交换模块，基带交换模块根据接收到的控制指令查找路由表，根据路由表中对应的下行处理器序号将基带信息送至对应的下行处理器，下行处理器根据接收到的控制指令对基带交换模块输出的基带信息按照波束号分类，再进行编码和扩频调制，以波束信号的形式送出给发射电路波形交换模块，发射电路波形交换模块将来自多个下行处理器的属于同一个波束的所有信道信号进行合路后输出。

2.根据权利要求1所述的一种具有分布式混合结构的星载交换机，其特征在于：所述的上行处理器的数量N₁不少于Q/K个，其中K为每一个上行处理器可处理的信道数，Q为星上处理载荷的能力即星上处理最多能处理的信道数。

3.根据权利要求1所述的一种具有分布式混合结构的星载交换机，其特征在于：所述的下行处理器的数量N₂不少于

个，其中J为每一个下行处理器可处理的波束数，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

4.根据权利要求1所述的一种具有分布式混合结构的星载交换机，其特征在于：所述的接收电路波形交换模块有若干路并行的串行处理单元，包括M个串/并转换器、M个缓冲器、K*N₁个M选1选择器和K*N₁个并/串转换器，第m个串/并转换器与第m个缓冲器连接，每一个缓冲器都分别与K*N₁个M选1选择器连接，第n*k个M选1选择器与第n*k个并/串转换器连接，其中M为星上处理载荷需完成处理的波束数，K为每一个上行处理器可处理的信道数，N₁为上行处理器的数量，m∈[1，M]，n∈[1，N₁]，k∈[1，K]。

5.根据权利要求1所述的一种具有分布式混合结构的星载交换机，其特征在于：所述的发射电路波形交换模块有若干路并行的串行处理单元，包括J*N₂个接口处理器、M个选择性合路器和M个输出接口，每一个接口处理器分别与M个选择性合路器连接，接口处理器对接收到下行处理器的波束信号进行处理，将其送入对应的选择性合路器中，选择性合路器对同一波束号的波束信号进行合路后经输出接口输出，其中N₂为下行处理器的数量，J为每一个下行处理器可处理的信道数，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

6.一种权利要求1所述的星载交换机的分布式混合实现方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，用户向信关站发起呼叫请求，信关站查看上行处理器是否有两个信道的余量，若有余量，进入第二步，若无余量则星上透明转发该用户的业务；

第二步，信关站向星上控制单元发送带有连接标识和参数消息的指令；

第三步，星上控制单元接收到信关站指令后，查看每个上行处理器的资源占有，若有空余资源，选择空余资源最大的上行处理器；

第四步，重复第三步直到本次呼叫波束信号全部分配完毕，更新并保存每个上行处理器信息表和空余资源表；

第五步，星上控制单元根据所选择的上行处理器的序号和相对接收电路波形交换模块的位置信息，确定接收电路波形交换模块的输出端口；

第六步，星上控制单元生成带有接收电路波形交换模块输出端口、输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给接收电路波形交换模块，生成带有连接标识和参数消息的控制指令发送给上行处理器和下行处理器，生成并保存更新包括上行处理器序号和下行处理器序号的路由表，生成带有连接标识的控制指令发送给基带交换模块，生成带有发射电路波形交换模块输入端口、连接标识和参数消息的控制指令发送给发射电路波形成交换模块；

第七步，接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的波束信号，并根据控制指令将每一路波束信号送到指定的上行处理器；

第八步，上行处理器根据接收到控制指令对波束信号处理后再生出带波束号和信道号标识的基带信息，并将基带信息送至基带交换模块；

第九步，基带交换模块根据接收到的控制指令查找路由表，根据路由表中对应的下行处理器序号将基带信息送至对应的下行处理器；

第十步，下行处理器根据接收到的控制指令对基带交换模块输出的基带信息按照波束号分类，再进行编码和扩频调制，以波束信号的形式送出给发射电路波形交换模块；

第十一步，发射电路波形交换模块将来自多个下行处理器的属于同一个波束的所有信道信号进行合路后输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第七步通过以下步骤实现，

A7.1、接收电路波形交换模块接收到星上控制单元发出的控制指令后，接收用户经接收数字波束形成网络送来的M路波束信号，M为星上处理载荷需完成处理的波束数；

A7.2、第m路波束信号进入接收电路波形交换模块的第m个串/并变化器转换为并行数据后送入第m个缓冲器，m∈[1，M]；

A7.3、第m个缓冲器将并行数据分别送入到K*N₁个M选1选择器，第n*k个M选1选择器根据星上控制单元发送控制指令中的输出端口号进行选择，将同属n*k输出端口号的并行数据送入第n*k个并/串转换器，n∈[1，N₁]，k∈[1，K]，K为每一个上行处理器可处理的信道数，N₁为上行处理器的数量；

A7.4、第n*k个并/串转换器将第n*k个M选1选择器送入的并行数据转换为串行数据输出到对应的上行处理器。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第十一步通过以下步骤实现，

A11.1、发射电路波形交换模块的第i*j个接口处理器接收第i个下行处理器的第j个波束信号，i∈[1，N₂]，j∈[1，J]，其中N₂为下行处理器的数量，J为每一个下行处理器可处理的波束数；

A11.2、第i*j个接口处理器将接收的波束信号分别送入到M个选择型合路器中，第m个选择型合路器选择所有波束号为m的波束信号根据星上控制单元发送的控制指令将其合路，送到对应的第m个输出接口输出，m∈[1，M]，M为星上处理载荷需完成处理的波束数。

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