CN102306100B - 一种星载软件化处理转发器系统及其配置信息处理方法 - Google Patents

Abstract

一种星载软件化处理转发器系统及其配置信息处理方法，所述系统包括由一个核心控制单元构成的核心控制层、由多个通道接口单元构成的通道管理层和多个通道内业务处理单元构成的通道处理层，各功能层次及组成单元根据先后优先级关系和ID号识别方式，逐层级处理配置信息，直至将配置信息发送至对应ID号的目的处理单元完成业务处理器的功能重构过程。所述星载软件化处理转发器系统从专用信道接收配置信息到最终的处理单元完成重构，这个过程形成了一条对配置信息专用的分发处理通路，而不影响处理转发器对业务信息的处理通路。

Description

一种星载软件化处理转发器系统及其配置信息处理方法

技术领域

本发明涉及一种星载处理转发器系统，特别适用于需实施软件在轨重构处理的具有处理转发功能的通信卫星。

背景技术

星载软件化处理转发器是指在星上处理转发器功能的基础上，加入了软件无线电的设计思想，使星上处理转发器可以根据业务需要实现软件动态在轨重构加载。星载软件化处理转发器系统，各通道和各处理单元相互独立、互不影响，只要在规定的接口协议下，通过通用连接器连接就可以实现通道及处理单元的扩展，不同的通道和处理单元可实现不同的通信体制和通信技术，这样就形成了对不同业务需求具有针对性的处理能力，并且扩展的通道或处理单元可以用来作为容错之用，若有通道或处理单元出现故障不能使用，可以启用容错的通道或处理单元，对容错通道或处理单元进行上行注入功能软件，通过软件配置加载技术实现容错通道或处理单元的功能重构，进而比较容易的提升对星上软件化处理转发器系统的软件升级、故障修复、功能扩展等能力。

现有的关于软件无线电技术的研究主要体现在从功能上通过专用的控制电路控制对主处理器实施软件功能重构，例如文献“低轨卫星可重构通信系统设计”和“基于联合处理的硬件可重构SDR平台”等，这些文献中提到的软件无线电平台构成如图1、2所示，从整个处理转发器系统来说，只具有一层结构，文中未针对多处理通道和采用专用信道接收情况下如何进行配置信息处理进行研究；文献“软件无线电分层体系结构”、“软件无线电电台的新结构”和“Design and implementation of a completely reconfigurable soft radio”中都提到了一种软件无线电的分层结构，如图3所示，采用了三层结构，分别为：软件无线电接口层，配置层和处理层；其对配置和业务数据流采用相同的处理通路，都是从第二层送至第三层，这就影响处理转发器对业务信息的处理。另外从图3中可以看出所述处理层中的各处理模块之间是有联系的，其处理层中的各处理模块对接收信息进行流水线处理，若待处理信息属于本处理模块，不管是配置或业务信息，该模块会提取并处理，若不属于本模块，则将信息送往下一个处理模块；逐个处理单元的流水线处理过程影响了对处理单元的功能重构速度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，通过合理的构成方法，使星载软件化处理转发器形成一种系统级的分层结构，能够根据业务处理单元的软件重构需求形成一套专用的配置信息处理通路，可以通过较快的通路完成对业务处理单元的功能重构过程。

本发明包括如下技术方案：

一种星载软件化处理转发器系统，所述系统包括由一个核心控制单元构成的核心控制层、由多个通道接口单元构成的通道管理层和多个通道内业务处理单元构成的通道处理层，其特征在于：

所述核心控制层用来接收配置信息帧，依据配置控制协议完成对配置信息帧的校验、解析和通道分发，并负责管理所有的处理通道，对各处理通道的运行状况进行监控；

所述通道管理层用来接收核心控制层分发的配置信息帧，并依据配置控制协议完成对配置信息帧的再校验、解析和处理单元的分发；同时负责管理各处理通道内的业务处理单元，接受所述核心控制层的管理，将各业务处理单元的运行状况反馈给所述核心控制层；

所述通道处理层将接收到的配置信息帧进行配置信息内容的提取，对通道内业务处理单元实现功能重构，并接受所述通道管理层的管理；所述通道处理层的各业务处理单元处理配置信息和业务信息，所述配置信息和业务信息采用不同的处理通路进行处理。

所述核心控制单元包括主控制器、存储器和总线接口电路，所述核心控制单元连接N个通道接口单元，其中N为两个以上；所述主控制器将配置信息帧发往所述通道管理层的第X通道接口单元，其中1≤X≤N；并接收通道接口单元反馈回的工作状态数据；

所述N个通道接口单元在结构上并行、相互独立，其中每个通道接口单元包括配置控制器、存储器和接口电路；每个通道接口单元连接M个通道内业务处理单元；每个通道接口单元，最后再将配置信息帧发往通道内的第Y业务处理单元，其中1≤Y≤M；并接收通道内业务处理单元反馈回的工作状态数据；

所述通道内业务处理单元主要由配置控制器、主处理器、辅处理器、存储器和接口电路组成，其中配置控制器将接收到的配置信息帧进行配置信息内容的提取，并通过配置控制器控制完成对主处理器的信息内容重构加载。所述主处理器为多个。

一种利用所述的星载软件化处理转发器系统进行配置信息处理的方法，其特征在于：所述处理转发器系统通过专用配置信道接收配置信息，在所述处理转发器系统内部形成了独立的配置信息处理通路，实现与业务信息处理通路的分开，所述方法具体包括如下步骤：

(1)所述核心控制单元接收并存储专用配置信道传输的配置信息帧，对整帧进行解校验，校验正确后进行帧解析，提取帧头信息，将所述配置信息帧传给相应通道的接口单元；

(2)相应通道的接口单元接收并存储所述配置信息帧，所述接口单元对整帧再次进行解校验，校验正确后进行帧解析，将所述配置信息帧传给相应的业务处理单元；

(3)相应的业务处理单元接收并存储配置信息帧，对整帧进行解校验，校验正确后进行帧解析，提取配置信息内容，对所述业务处理单元实现功能重构。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)将星上处理转发器系统进行功能抽象，形成不同的功能分层，完成对上行配置信息系统级的分层逐级处理过程；从专用信道接收配置信息到最终的处理单元完成重构，这个过程形成了一条对配置信息专用的分发处理通路，而不影响处理转发器对业务信息的处理通路；

(2)上一级分层功能单元知道本层中与其相联系的有哪几个功能单元，且与相联系的每个功能单元形成一跳链路，通过树形ID查询方式将配置信息经过一次通道分发和一次通道内处理单元分发之后，即可准确地快速地送至需重构的处理单元。

附图说明

图1现有的低轨卫星可重构通信载荷构成

图2现有的基于联合处理的硬件可重构SDR平台

图3现有的软件无线电分层体系结构图

图4本发明的分层逐级管理方法的树形管理结构示意图

图5本发明的基于分层逐级树形管理方法的星载软件化处理转发器构成

图6本发明的星载软件化处理转发器的分层逐级过程

图7本发明的功能单元构成及配置信息传输处理过程

图8本发明的基于分层逐级树形管理构成方法的配置信息处理流程

具体实施方式

本发明将具有多处理通道的星载软件化处理转发器系统按照功能抽象分层，各层内单元对配置信息逐级处理，形成了专用的配置信息处理通路，通过对配置信息逐层ID识别处理和分发，最终将配置信息送给目标业务处理单元完成功能重构过程。

1、分层逐级管理方法：分层逐级管理方法首先就是要按照功能抽象，形成不同的分层，各层次之间确定一定的优先级或先后联系，每层内由不同的功能单元组成，单元功能的具体实现可以相同或者不同，单元之间可以有联系或者没有联系，但是必须有唯一的ID进行区分。层与层之间依靠各层内组成单元进行联系，本层的组成单元完成相应功能的同时，负责管理下一层内与该部分相联系的单元，通过ID进行识别，从顶层到底层的所有组成单元之间形成了一种分层逐级树形管理工作模式。

如图4所示为分层逐级管理方法树形结构示意图，该图为可扩展的多层次结构，每一层中都由相应的功能单元组成。

第一层作为顶层，由一个功能单元组成，相当于树形结构的根部；

第二层由N个功能单元组成，各组成单元ID从1到N编号，都与第一层中的组成单元相连接；

第三层由多个功能单元组成，各组成单元ID可统一按顺序编号，或者根据与第二层各单元的连接关系形成类似二维的编号。

输入信息首先经过第一层组成单元处理，确定将该信息送往第二层ID为X(1≤X≤N)的组成单元，再经过第二层组成单元X对输入信息的处理，确定将该输入信息送往与该单元X相连接的第三层中ID为Y(1≤Y≤M)的组成单元，经过如此逐层处理分发过程，最终可将输入信息送往目的单元完成功能需求。图4中的实线路径即为输入信息处理通路，虚线为与输入信息处理通路相对应的返向路径，形成了双向通路。

2、星载软件化处理转发器系统的构成

考虑到星载软件化处理转发器具有多处理通道来处理不同的业务，各处理通道可实现不同的通信体制和通信技术，因此在不占用处理业务信息资源情况下，实现配置信息和业务信息分开处理，并且为了有效的管理各个通道内的软件重构配置过程，星上软件化处理转发器还需配有专门接收、解析和调度配置信息的控制管理单元，通过控制单元的控制准确找出目标处理器完成软件功能重构过程。

在此按照分层逐级树形管理方法将星载软件化处理转发器进行设计划分，形成的一种星载软件化处理转发器的分层逐级树形管理构成方式，如图5所示，其中前向输入信息为配置信息，返向传输通路传输的是各组成单元的工作状态信息，并且所传输的两种信息都采用专用信道实现星地信息传输，实现与业务信息的处理通路分开。

经过专用传输信道传输的配置信息经过第一层和第二层功能组成单元的信息处理及ID识别分发，最终被送至第三层的目标处理单元中完成配置信息处理及业务处理器功能重构，重构完成后该ID号的组成单元即可以处理业务信息。而上一层的各个组成单元定期监测其管理的下一层中与其有联系的组成单元的工作状态，并将工作状态信息通过返向传输通路传至最高层的组成单元，最后经过专用信道传回地面，这样地面就可以知道星上软件化处理转发器所有组成单元的工作状态。

从总体上，星载软件化处理转发器划分为三层结构，如图6所示，其中第一层和第二层专门用来完成对配置信息的管理和控制，而第三层主要用来处理业务信息，这样分层的目的是通过一、二层有效的管理和控制，实现对第三层目标处理器的功能重构，同时也保证了处理业务和配置信息的分离。而这里的逐级管理是指配置信息流依次通过第一层和第二层的管理和控制，最后进入第三层完成对主业务处理器的软件功能重构。重构完成后，第三层将实施对具体业务信息的处理。在配置信息逐级分发、处理过程中，每一层都会监测下一层的工作状态，并将工作状态回传，顶层对各工作单元的工作状态收集，通过专用信道将所有状态信息传回地面站，这样地面就可以根据传回的工作状态信息掌握星上各单元的运行状况。

各层次功能如下：

第一层为核心控制层：该层负责管理所有的处理通道，对各处理通道的运行状况进行监控，完成配置信息的处理、解析和调度，该层是整个分层构成的核心。

第二层为通道管理层：该层负责管理各处理通道内的组成单元，同时接受上级核心控制层的管理，将各组成单元的运行状况反馈给上层，并完成对上层传输的配置信息帧的控制和分发，该层是各处理通道内的控制中心。

第三层为通道处理层：通过对该层各组成单元配置不同的软件功能，可以实现对不同业务信息的处理需求，所以该层是具体实施对配置信息的处理和重构，并接受上级管理层的管理，该层是各处理通道内实现星上处理的主体。通过上面的分析可知，核心控制层和通道管理层主要管理配置信息，通过两层逐级控制最终准确的找到需要进行功能重构的第三层目标处理单元；而通道处理层的各组成单元可处理配置信息和业务信息，并且处理两种信息的通路是分开的。

采用分层逐级树形管理方法将星载软件化处理转发器划分为不同的分层，配置数据流逐级处理，根据不同层次的功能，再将各分层划分为不同的功能单元，经过功能抽象出的各层功能单元，在分层逐级管理方式下形成的内部配置信息处理过程如图7所示，各功能单元功能及组成如下：

核心控制单元：主要由主控制处理器、存储器和总线接口电路等组成，该单元负责管理所有的处理通道，用来接收上行注入配置信息帧，依据配置控制协议完成对配置信息帧的校验、解析和通道分发等控制处理任务，该单元将配置信息帧发往下一层的第X(1≤X≤N)通道内接口控制单元；

通道接口控制单元：若干处理通道在结构上并行、相互独立，与核心控制单元相连接，通道内由接口控制单元和若干处理单元组成，其中接口控制单元形成了第二层的主体，其主要由配置控制器、存储器和接口处理电路等组成，用来接收核心控制单元分发的配置信息，并依据配置控制协议完成对配置信息帧的再校验、解析和处理单元的分发，最后再将配置信息帧发往下一层的第Y(1≤Y≤M)处理单元；

通道内业务处理单元：各功能处理单元是星上处理业务信息的主体，也是需要进行最终软件化重构的目标处理单元，它主要由配置控制器、主处理器、辅处理器、存储器和接口电路等组成，该单元将接收到的配置信息进行配置信息内容的提取，并通过配置控制器控制、按照一定的配置控制流程完成对主处理器的功能重构，重构完成后既具备处理新业务信息的功能。其中主处理器可扩展为多个。

在将配置信息逐层分发过程中，各功能单元都会逐层监测下一层单元接收配置信息状态、校验结果及最终目标处理器的工作状态等信息，所有的状态和结果都会通过返向链路反馈到核心控制单元进行收集，并最终通过专用信道传回地面显示。

3、配置信息处理过程：采用分层逐级树形管理构成方法形成的配置信息处理流程如图8所示，配置信息从产生到完成星上处理转发器的功能重构，整个阶段分为两段：地面配置站段和星上处理转发器段。

地面配置站段：

步骤一：根据卫星运行状况提出星上处理转发器软件升级、故障修复或功能扩展等任务需求，依据需求确定需进行功能重构的星上处理通道X(1≤X≤N)和处理单元Y(1≤Y≤M)；

步骤二：再根据需求进行相应功能软件的地面开发和验证，将功能完备的波形软件按照约定的上行加载信息帧格式进行组帧处理，组帧格式如表1所示，其中信息内容部分即为需加载的配置数据；

步骤三：地面在发起对星上处理转发器的功能重构前，需通过星地专用信道发送重构指令，星上核心处理单元接收到指令后下传确认信息，形成星地握手；

步骤四：地面通过专用无线信道逐帧上传配置信息。

星上处理转发器段：

步骤五：星上软件化处理转发器的核心控制单元接收并存储配置信息帧，主控处理器对整帧进行解校验，校验正确后进行帧解析，提取帧头信息，判断后将该信息帧送往对应的下一层处理通道，最后根据通道ID号X将整帧信息通过总线接口传给相应通道内的接口控制单元；

步骤六：第X通道内接口控制单元接收并存储配置信息，其配置控制器对整帧再次进行解校验，校验正确后进行帧解析，提取出该信息送往下一层的哪个处理单元，再根据处理单元ID号Y将整帧信息通过连接接口传给相应处理单元；

步骤七：第Y处理单元通过连接接口接收并存储配置信息，其配置控制器对整帧进行解校验，校验正确后进行帧解析，提取需进行功能重构的目标处理器ID号和信息内容，通过运行在配置控制器上的逻辑控制时序，主动控制对主目标处理器的信息内容重构加载，当所有信息帧中的信息内容都下载到主目标处理器后，主目标处理器自身重新运行新的配置信息，完成功能重构后，该第X通道内的第Y处理单元具备了处理业务数据的功能。

表1

Claims (3)

1.一种星载软件化处理转发器系统，所述系统包括由一个核心控制单元构成的核心控制层、由多个通道接口单元构成的通道管理层和多个通道内业务处理单元构成的通道处理层，其特征在于：

所述核心控制层用来接收配置信息帧，依据配置控制协议完成对配置信息帧的校验、解析和通道分发，并负责管理所有的处理通道，对各处理通道的运行状况进行监控；

所述通道管理层用来接收核心控制层分发的配置信息帧，并依据配置控制协议完成对配置信息帧的再校验、解析和业务处理单元的分发；同时负责管理各处理通道内的业务处理单元，接受所述核心控制层的管理，将各业务处理单元的运行状况反馈给所述核心控制层；

所述通道处理层将接收到的配置信息帧进行配置信息内容的提取，对通道内业务处理单元实现功能重构，并接受所述通道管理层的管理；所述通道处理层的各业务处理单元处理配置信息和业务信息，所述配置信息和业务信息采用不同的处理通路进行处理；

所述核心控制单元包括主控制器、存储器和总线接口电路，所述核心控制单元连接N个通道接口单元，其中N为两个以上；所述主控制器将配置信息帧发往所述通道管理层的第X通道接口单元，其中1≤X≤N；并接收通道接口单元反馈回的工作状态数据；

所述N个通道接口单元在结构上并行、相互独立，其中每个通道接口单元包括配置控制器、存储器和接口电路；每个通道接口单元连接M个通道内业务处理单元；其中M为两个以上；每个通道接口单元，最后再将配置信息帧发往通道内的第Y业务处理单元，其中1≤Y≤M；并接收通道内业务处理单元反馈回的工作状态数据；

所述通道内业务处理单元主要由配置控制器、主处理器、辅处理器、存储器和接口电路组成，其中配置控制器将接收到的配置信息帧进行配置信息内容的提取，并通过配置控制器控制完成对主处理器的信息内容重构加载。

2.如权利要求1所述的星载软件化处理转发器系统，其特征在于：所述主处理器为多个。

3.一种利用如权利要求1或2所述的星载软件化处理转发器系统进行配置信息处理的方法，其特征在于：所述处理转发器系统通过专用配置信道接收配置信息，在所述处理转发器系统内部形成了独立的配置信息处理通路，实现与业务信息处理通路的分开，所述方法具体包括如下步骤：

(1)所述核心控制单元接收并存储专用配置信道传输的配置信息帧，对整帧进行解校验，校验正确后进行帧解析，提取帧头信息，将所述配置信息帧传给相应通道的接口单元；

(2)相应通道的接口单元接收并存储所述配置信息帧，所述接口单元对整帧再次进行解校验，校验正确后进行帧解析，将所述配置信息帧传给相应的业务处理单元；

(3)相应的业务处理单元接收并存储配置信息帧，对整帧进行解校验，校验正确后进行帧解析，提取配置信息内容，对所述业务处理单元实现功能重构。

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