CN105680928B - 大容量入站信号捕获与处理方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量入站信号捕获与处理方法、装置与系统，包括信号采集单元、万兆交换机、信号捕获单元以及多个信号处理单元组成的信号处理单元集；万兆交换机将数字基带信号发送给信号捕获单元，信号捕获单元实现入站信号捕获，再由信号捕获单元根据“轮询调度”原则，结合信号处理单元实时反馈的工作状态对信号处理单元集进行调度，并基于信号处理单元统一设计可互替代的硬件设备，将所有信号处理单元视作一种公共资源，由所有子系统共享该资源，实现统一调配系统资源和任务负载均衡，使得分布的信号处理单元设备形成“集群”，实现多信道信号并行处理。

Description

大容量入站信号捕获与处理方法与系统

技术领域

本发明涉及卫星移动通信系统，尤其是RDSS(Radio Determination SatelliteService，卫星无线电测定业务)体制卫星移动通信系统地面段大容量入站信号捕获与处理系统及方法。

背景技术

RDSS系统需要完成对入站信号的同步捕获、信号解扩和译码等处理，最后还原出用户原始信息。

RDSS体制卫星移动通信系统地面段的传统入站信号的接收采用模拟信号分配的处理方法，结构如图1所示。中频分配单元将入站中频信号同时输出给信号捕获单元和信号处理单元。信号捕获单元对模拟中频信号进行采样、数字下变频后，得到数字基带信号，然后对数字基带信号作相关处理，在短时间内迅速捕获入站数字基带信号的同步头，完成短时突发入站信号的捕获，获得勤务段解扩所需的粗同步启动脉冲，并估计出信号的多普勒和相关峰信息，再将粗同步启动脉冲送至分配器单元，分配器单元按照“轮询调度”原则，从多个信号处理单元中选择空闲的一个，将入站信号的多普勒范围值以异步串行的方式传送给信号处理单元，信号处理单元以此为参考，完成信息解调、维特比译码、测距、功率估计等处理，得到伪距时延信息和入站信号功率估计值等，最后将这些信息发往信息处理系统。该信号处理单元完成本次处理后，向分配器单元发送释放信号，回到“空闲”状态。

传统RDSS体制卫星移动通信系统对入站信号的捕获和处理方法是各单元之间通过底层硬件信号实现通信，接线网络繁琐，如图1所示。例如每个信号处理单元除了要连接传输入站中频模拟信号的信号线外，还要连接传递入站用户同步信息的控制线，导致系统线缆的种类多，数量也多，可靠性差。同时由于卫星移动通信系统的入站信号存在批量大和短突发特点，当接收系统容量不够需要增加信号处理单元时，必须重新调配接线网络，并重新计算系统时延和信号电平等参数，系统扩展性差。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明的目的是提出一种大容量入站信号捕获与处理方法、装置与系统。

本发明的技术方案是：

一种大容量入站信号捕获与处理系统，包括信号采集单元、万兆交换机、信号捕获单元以及多个信号处理单元组成的信号处理单元集。

所述信号采集单元用于采集入站信号，并对采集信号进行数字下变频、滤波处理后，得到数字基带信号。

所述万兆交换机用于在信号采集单元、信号捕获单元和信号处理单元集之间实现信号光交换。

所述信号捕获单元用于实现数字基带信号同步头捕获以得到用户同步信息，并按照集群调度策略给信号处理单元分配处理任务。

所述信号处理单元用于实现数字基带信号的精跟、解调和译码。每个信号处理单元均具有多个数据处理通道，可同时处理多路入站信号。

本发明中，所述信号捕获单元包括数据缓存模块、捕获模块、信处单元分配器、数据组帧模块和IP打包模块；

数据缓存模块用于缓存从万兆交换机转发来的包含数字基带信号数据的IP 包；

捕获模块用于捕获入站信号同步头，获得入站用户同步信息；

信处单元分配器用于给捕获用户分配信号处理单元号；

数据组帧模块用于将捕获的入站用户同步信息、分配的信号处理单元号填到相应IP数据包预留的字节区域，组成一个完整IP数据包；

IP打包模块用于更新IP数据包的目的地址、源地址和CRC校验字节，将最后的IP数据包发送到万兆交换机。

本发明中：所述信号处理单元包括IP解包模块、数据流重组模块、通道分配统计模块和数据处理模块；

IP解包模块用于将接收到的IP数据包进行分解，匹配IP地址，进行CRC 字节校验，并将IP包携带的数据输出给数据流重组模块；

数据流重组模块用于将IP包携带的数据分解成用户同步信息、信号处理单元号和数字基带信号三种数据，并分别放到各自的数据流中；

通道分配统计模块用于给捕获的入站用户分配数据处理通道，并把信号处理单元工作状态和数据处理通道占用情况实时反馈给信号捕获单元；

数据处理模块包含多个数据处理通道，可并行进行数据处理，根据同步信息从数字基带信号中提取用户数据，进行精跟、解调和译码处理后，还原用户信息。

基于上述系统，本发明提供一种大容量入站信号捕获与处理方法，包括以下步骤：

首先，信号采集单元对入站信号进行采集、数字下变频和滤波处理后，得到数字基带信号，将数字基带信号按照IP数据包格式进行打包，并将数字基带信号填到采样数据段内，打包好的IP数据包经过万兆交换机传输到信号捕获单元。IP数据包包括64字节IP包头、信号处理单元号预留区、用户同步信息预留区和采样数据段；64字节IP包头包含目的地址、源地址、IP包编号和打包时间戳；信号处理单元号预留区紧挨着64字节IP包头，用于存放信号捕获单元分配的信号处理单元号；信号处理单元号预留区后面是用于存放捕获的用户同步信息的用户同步信息预留区；采样数据段在用户同步信息预留区之后，用于存放数字基带信号；IP数据包之间通过IP包头中的IP包编号进行区分。

IP数据包进入信号捕获单元后，每个IP数据包被复制成两路，分别进入信号捕获单元中的数据缓存模块和捕获模块，捕获模块首先提取各IP数据包的采样数据段，然后按接收IP数据包的先后顺序对各采样数据段进行拼接，恢复成采样数据流的形式，然后对采样数据流作相关运算即用本地扩频码与采样数据流按位作同或运算，再对所有位的同或运算结果求和得到相关峰值，当所得相关峰值大于或等于预设阈值时，判定为捕获到入站信号同步头，得到用户同步信息，然后将一个IP数据包的数据帧时间格内捕获的用户同步信息与相应的数字基带信号组帧，并按集群调度策略为这包数据分配信号处理单元号，表明由该信号处理单元处理该数据包内的入站用户消息。再经过IP打包模块打包后，通过万兆交换机广播给信号处理单元集；

信号处理单元收到IP数据包后，判断IP数据包内信号处理单元号是否与自身匹配，若匹配，则提取用户同步信息，根据用户同步信息从数字基带信号流中取出相应用户数据段；每个信号处理单元具有多个功能相同且互相独立的数据处理通道，可以同时处理多个用户入站消息；信号处理单元通过一个先进先出的空闲通道FIFO(First Input FirstOutput，先入先出队列)对数据处理通道进行调度分配，每次取出最先放入空闲通道FIFO即位置最靠前的通道号，依次类推，数字基带信号被送入数据处理通道后，进行信号解扩和信息解调等处理，得到用户入站信息。

本发明中，集群调度策略是信号捕获单元在给信号处理单元集分配数据处理任务时，将软硬件配置完全相同的信号处理单元视为一个集群，采用轮询调度原则，结合信号处理单元实时反馈的工况信息，包括忙/闲状态，正常/故障状态，从工作状态正常且不忙的信号处理单元中，轮流选择一个给其分配数据处理任务，进行统一调度管理，使得各信号处理单元任务负载均衡。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明中，万兆交换机将数字基带信号发送给信号捕获单元，信号捕获单元实现入站信号捕获，再由信号捕获单元根据“轮询调度”原则，结合信号处理单元实时反馈的工作状态对信号处理单元集进行调度，并基于信号处理单元统一设计可互替代的硬件设备，将所有信号处理单元视作一种公共资源，由所有子系统共享该资源，实现统一调配系统资源和任务负载均衡，使得分布的信号处理单元设备形成“集群”，实现多信道信号并行处理。

基于这种系统结构，通过整个信号处理单元集的统一调度，实现不同设备的互备，当单台信号处理单元出现故障时，由信号捕获单元调配其他信号处理单元替代，实现故障设备和正常设备的无缝切换。同时基于这种调度策略，可以支持热插拔式的系统维护。

另外，本发明在万兆网络的协议层面实现通信，将同步信息和调度信息与入站数字基带信号融为一体，使用万兆光纤传输信号，简化接线网络，线路出错率低，提高系统可靠性和可扩展性。

本发明信号捕获单元使用集群调度策略为信号处理单元分配数据处理任务，信号处理单元集同时工作，任务量均衡，且彼此可替代；可根据实际应用情况增减信号处理单元个数，不必修改系统配置，实现热插拔，可扩展性好。

附图说明

图1传统模拟信号分配的信号捕获与处理系统结构图；

图2本发明的信号捕获与处理系统结构图；

图3本发明系统功能模块图；

图4IP数据包格式示意图；

图5信号捕获单元数据处理流程图；

图6信号处理单元数据处理流程图；

图7数据处理通道分配示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述，但不构成对本发明的限制。

本发明一种基于高速光交换的大容量入站信号捕获与处理系统，如图2所示，所述系统包括信号采集单元、万兆交换机、信号捕获单元以及多个信号处理单元组成的信号处理单元集。所述信号采集单元用于采集入站信号，并对采集信号进行数字下变频、滤波处理后，得到数字基带信号；所述万兆交换机用于在信号采集单元、信号捕获单元和信号处理单元集之间实现信号光交换；所述信号捕获单元用于实现数字基带信号同步头捕获以得到用户同步信息，并按照集群调度策略给信号处理单元分配处理任务；所述信号处理单元用于实现数字基带信号的精跟、解调和译码，且每个信号处理单元具有多个数据处理通道，可同时处理多路入站信号。

本发明的系统功能模块组成如图3所示，本发明一种基于高速光交换的大容量入站信号捕获与处理方法的具体实施过程如下：

信号采集单元对入站模拟信号进行采集、数字下变频和滤波处理得到数字基带信号后，将数字基带信号按IP数据包格式进行打包，放到IP数据包的采样数据段内。所述IP数据包格式如图4所示，首先是64字节IP包头，包含目的地址和源地址，以及IP包编号和打包时间戳，紧挨着包头的预留区用于存放信号捕获单元分配的信号处理单元号，信号处理单元号预留区后面是用于存放捕获的用户同步信息的预留区，然后是存放数字基带信号的采样数据段，最后是2 字节的CRC检验值，除64字节包头和2字节CRC校验值外，其他区域尺寸根据系统需求灵活规划。打包好的IP数据包经过万兆交换机传输到信号捕获单元，如图3所示信号捕获单元包括数据缓存模块、捕获模块、信处单元分配器模块、数据组帧模块和IP打包模块。IP数据包之间通过包头中的IP包编号进行区分，进入信号捕获单元后，每个IP数据包被复制成两路，分别进入数据缓存模块和捕获模块。

IP数据包进入信号捕获单元的捕获模块后，如图5所示，捕获模块首先提取各IP数据包的采样数据段，然后按接收IP数据包的先后顺序对各采样数据段进行拼接，恢复成采样数据流的形式。然后对采样数据流作相关运算，所述相关运算是指用本地扩频码与采样数据流按位作同或运算后，将每位的运算结果相加得到相关峰值的过程，若相关峰值大于或等于预设的阈值时，就判定为捕获到入站用户同步头，并将此次相关运算的起始位作为用户同步头起始位。

由于每个IP数据包中的采样数据段内包含N个采样点，假设从第L个采样点开始作相关运算时得到大于或等于阈值的相关峰值，即捕获到用户同步头，那么将同步头中包含的用户同步信息保存下来。所述用户同步信息是指捕获用户的伪码时延值和多普勒值。每次相关运算以采样数据段中的一个采样点为起始点，完成后移动到下一个采样点作为运算起始点，依次类推，当遍历一个IP 数据包采样数据段内的所有采样点后，捕获模块把在此IP数据包的采样数据段内捕获的用户个数和各用户的同步信息按IP数据包中为其预留的字节区格式排列，送到数据组帧模块中。所述预留字节区的格式可根据系统需要自行设计，在此不作约束。

在一个IP数据包的采样数据段内捕获用户的最大个数由扩频码的自相关特性决定，所述扩频码是指在用户发送信息前，对信息数据进行调制编码时使用的扩频码，对数据解调时使用相同的扩频码。设系统所用扩频码速率为每秒x 个码片，进行信号采集时的数据采样率为每秒f次，为正确的还原数字信号，数据采样率f应大于码率x，则一个码片需要用f/x个采样点来表示。假设所用扩频码需要间隔至少a个码片才能彼此区分开来，则在一个包含T个采样点的采样数据段中，最多能捕获用户的个数为[T/(a×f/x+1)]或[T/(a×f/x+1)]+1个，根据此最大用户个数可制定IP数据包中为用户同步信息预留字节空间的格式和大小。若在同一个IP数据包的采样数据段内捕获的用户个数没达到最大，则同样按IP数据包中预留字节格式对在此IP数据包的采样数据段内捕获到的用户个数和各用户的同步信息进行排列，没有填满的部分保持不变；若没有捕获到用户，则整个预留字节保持不变。

捕获模块将在每个IP包采样数据段中捕获的用户个数和同步信息送入数据组帧模块，同时数据缓存模块也将缓存的原始IP包数据送入数据组帧模块。组帧模块首先将捕获模块送来的在一个IP数据包的采样数据段中捕获到的用户个数和用户同步信息放入对应编号的IP数据包预留字节内。然后识别捕获的用户个数，若大于0，则向信处单元分配器申请用于处理该包数据的信号处理单元号，若为0则不申请信号处理单元号而直接送入IP打包模块。

信处单元分配器接收到数据组帧模块发送的分配信号处理单元号申请后，按照“轮询调度”原则从先进先出的信号处理单元堆栈中取出最早放入的信号处理单元号。首先判断该信号处理单元实时反馈给信号捕获单元的的工作状态，若为故障则将其从堆栈中去除，当其从故障转为正常后，再将其重新压入堆栈中；若为正常则进一步判断该信号处理单元的数据处理通道占用情况即忙/闲状态的反馈信息。所述信号处理单元堆栈是指在信号捕获单元中开辟的一段存储空间，用于存放当前工作状态正常的信号处理单元号，按照“轮询调度”原则进行管理调度。

每个信号处理单元都具有多个数据处理通道，每个数据处理通道功能完全相同，均用于实现用户数据的精跟、解扩和译码处理，多个数据处理通道可并行处理多个用户数据。

若该信号处理单元空闲的数据处理通道个数小于“忙状态”阈值时，该信号处理单元反馈“忙”状态给信号捕获单元，表明自己当前的数据处理通道占用率过高，则信号捕获单元的信处单元分配器模块就将此信号处理单元号重新推入堆栈尾部，然后再取出堆栈中下一个信号处理单元号进行判断。直到找到一个工作状态正常，而且剩余数据处理通道个数大于“忙”状态阈值的信号处理单元，将此信号处理单元号放入IP数据包为其预留的字节空间内。若某一时段入站用户剧增，堆栈循环一周仍未有合适的信号处理单元，则不分配给该IP 数据包有效的信号处理单元号。

数据组帧模块输出的IP数据包送入IP打包模块中，IP打包模块保留IP包头中包含的原始时间等信息，只将其中的目的IP地址修改为信号处理单元集的组播IP地址，然后重新计算更新CRC校验值后，将新的IP数据包发送到万兆交换机，至此信号捕获单元的工作结束。

新的IP数据包经万兆交换机组播至信号处理单元集。如图6所示，信号处理单元收到IP数据包后，首先由IP解包模块对IP数据包进行解包，去除IP包头和CRC校验字节，然后将剩余部分送入数据流重组模块。

数据流重组模块将信号处理单元号、用户同步信息和采样数据段拆分开，分别与其他IP数据包携带来的同类信息数据进行衔接，恢复成信号处理单元号数据流、用户同步信息数据流和采样数据流三种数据流的的形式，送到数据处理模块。

数据处理模块用于实现入站用户数据的精跟、解扩和译码处理，最终还原用户初始信息。信号处理单元号、用户同步信息和采样数据三类数据流进入数据处理模块后，数据处理模块首先判断信号处理单元号与自己是否匹配，匹配则读取对应IP数据包分离出的用户同步信息，并从中得到被捕获用户的伪码时延和多普勒信息，伪码时延指示了在采样数据流中捕获该用户数据的起始点坐标。数据处理模块从采样数据流中找到该用户数据的起始点坐标后，按系统规定的用户一次入站信息最大数据长度从数据流中读取该用户数据，例如每次50 个汉字。

数据处理模块从数据流中取出用户数据后，向通道分配统计模块申请分配数据处理通道给该用户。通道分配统计模块用于识别信号处理单元工作状态，对数据处理通道进行调度，统计空闲数据处理通道的数量，以及向信号捕获单元实时反馈信号处理单元工作状态和通道占用情况。当空闲数据处理通道数量小于一定值时，马上反馈“忙”状态给信号捕获单元，信号捕获单元收到此信号后，在步骤四分配信号处理单元号时，则不给该信号处理单元分配信号处理任务，而是将该信号处理单元号重新放入循环堆栈中。

每个信号处理单元中包含最多M个数据处理通道，信号处理单元的通道分配统计模块对M个数据处理通道进行编号，然后按照“空闲通道轮换”原则进行调度，如图7所示。所述“空闲通道轮换”原则是指进行数据处理通道分配时，先给空闲时间最长的即最早放入空闲通道FIFO中的数据处理通道分配数据处理任务，依次类推，避免出现一直在“忙”的数据处理通道或一直空闲的数据处理通道，实现数据处理任务的均衡分配。当通道分配统计模块收到分配用户数据处理通道的申请后，从空闲通道FIFO中取出最早推入的数据处理通道号授权给数据处理模块用于处理当前用户数据。当该用户数据处理完后，数据处理模块将此数据处理通道号释放给通道分配统计模块，通道分配统计模块将该数据处理通道号重新放入空闲通道FIFO中。

数据处理模块获得授权的数据处理通道号后，将当前用户数据送入相应数据处理通道内处理。为了正确的对用户数据解扩，首先利用用户同步信息中的多普勒信息，完成用户数据的多普勒搬移，最终使用户的多普勒落到零频附近。然后用本地扩频码对用户数据勤务段进行解扩，得到用户地址值，再用其地址值计算出用户对应的数据扩频码。最后用该数据扩频码解析勤务段后的用户数据段，得到用户入站初始信息，传送给信息处理系统。

Claims (6)

1.一种大容量入站信号捕获与处理系统，其特征在于：包括信号采集单元、万兆交换机、信号捕获单元以及多个信号处理单元组成的信号处理单元集；

所述信号采集单元用于采集入站信号，并对采集信号进行数字下变频、滤波处理后，得到数字基带信号；

所述万兆交换机用于在信号采集单元、信号捕获单元和信号处理单元集之间实现信号光交换；

所述信号捕获单元用于实现数字基带信号同步头捕获以得到用户同步信息，并按照集群调度策略给信号处理单元分配处理任务；所述信号捕获单元包括数据缓存模块、捕获模块、信处单元分配器、数据组帧模块和IP打包模块；

数据缓存模块用于缓存从万兆交换机转发来的包含数字基带信号数据的IP包；

捕获模块用于捕获入站信号同步头，获得入站用户同步信息；

信处单元分配器用于给捕获用户分配信号处理单元号；

数据组帧模块用于将捕获的入站用户同步信息、分配的信号处理单元号填到相应IP数据包预留的字节区域，组成一个完整IP数据包；

IP打包模块用于更新IP数据包的目的地址、源地址和CRC校验字节，将最后的IP数据包发送到万兆交换机；

所述信号处理单元用于实现数字基带信号的精跟、解调和译码。

2.根据权利要求1所述的大容量入站信号捕获与处理系统，其特征在于：每个信号处理单元均具有多个数据处理通道，可同时处理多路入站信号。

3.根据权利要求1或2所述的大容量入站信号捕获与处理系统，其特征在于，所述信号处理单元包括IP解包模块、数据流重组模块、通道分配统计模块和数据处理模块；

IP解包模块用于将接收到的IP数据包进行分解，匹配IP地址，进行CRC字节校验，并将IP包携带的数据输出给数据流重组模块；

数据流重组模块用于将IP包携带的数据分解成用户同步信息、信号处理单元号和数字基带信号三种数据，并分别放到各自的数据流中；

通道分配统计模块用于给捕获的入站用户分配数据处理通道，并把信号处理单元工作状态和数据处理通道占用情况实时反馈给信号捕获单元；

数据处理模块包含多个数据处理通道，可并行进行数据处理，根据同步信息从数字基带信号中提取用户数据，进行精跟、解调和译码处理后，还原用户信息。

4.一种大容量入站信号捕获与处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，信号采集单元对入站信号进行采集、数字下变频和滤波处理后，得到数字基带信号，将数字基带信号按照IP数据包格式进行打包，并将数字基带信号填到采样数据段内，打包好的IP数据包经过万兆交换机传输到信号捕获单元；

IP数据包进入信号捕获单元后，每个IP数据包被复制成两路，分别进入信号捕获单元中的数据缓存模块和捕获模块，捕获模块首先提取各IP数据包的采样数据段，然后按接收IP数据包的先后顺序对各采样数据段进行拼接，恢复成采样数据流的形式，然后对采样数据流作相关运算即用本地扩频码与采样数据流按位作同或运算，再对所有位的同或运算结果求和得到相关峰值，当所得相关峰值大于或等于预设阈值时，判定为捕获到入站信号同步头，得到用户同步信息，然后将一个IP数据包的数据帧时间格内捕获的用户同步信息与相应的数字基带信号组帧，并按集群调度策略为这包数据分配信号处理单元号，表明由该信号处理单元处理该数据包内的入站用户消息；再经过IP打包模块打包后，通过万兆交换机广播给信号处理单元集；

信号处理单元收到IP数据包后，判断IP数据包内信号处理单元号是否与自身匹配，若匹配，则提取用户同步信息，根据用户同步信息从数字基带信号流中取出相应用户数据段；每个信号处理单元具有多个功能相同且互相独立的数据处理通道，可以同时处理多个用户入站消息；信号处理单元通过一个先进先出的空闲通道FIFO对数据处理通道进行调度分配，每次取出最先放入空闲通道FIFO即位置最靠前的通道号，依次类推，数字基带信号被送入数据处理通道后，进行信号解扩和信息解调等处理，得到用户入站信息。

5.根据权利要求4所述的大容量入站信号捕获与处理方法，其特征在于，IP数据包包括64字节IP包头、信号处理单元号预留区、用户同步信息预留区和采样数据段；64字节IP包头包含目的地址、源地址、IP包编号和打包时间戳；信号处理单元号预留区紧挨着64字节IP包头，用于存放信号捕获单元分配的信号处理单元号；信号处理单元号预留区后面是用于存放捕获的用户同步信息的用户同步信息预留区；采样数据段在用户同步信息预留区之后，用于存放数字基带信号；IP数据包之间通过IP包头中的IP包编号进行区分。

6.根据权利要求4所述的大容量入站信号捕获与处理方法，其特征在于，集群调度策略是信号捕获单元在给信号处理单元集分配数据处理任务时，将软硬件配置完全相同的信号处理单元视为一个集群，采用轮询调度原则，结合信号处理单元实时反馈的工况信息，包括忙/闲状态，正常/故障状态，从工作状态正常且不忙的信号处理单元中，轮流选择一个给其分配数据处理任务，进行统一调度管理，使得各信号处理单元任务负载均衡。