CN106169981A

CN106169981A - 星载信号处理平台分层电路交换系统

Info

Publication number: CN106169981A
Application number: CN201610724307.5A
Authority: CN
Inventors: 胡建平; 李婷
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2036-08-25
Also published as: CN106169981B

Abstract

本发明公开的一种星载信号处理平台分层电路交换系统，旨在提供一种能够减少交换系统线缆数量和开关矩阵阶数，可以实现任意输入端到任意输出端的电路交换的多模分层交换电路结构。本发明通过下述技术方案予以实现：星载信号处理平台分层电路交换系统分为两层，第一层交换设备由n个m×m全交换开关矩阵组成，第二层交换设备由m个n×n全交换开关矩阵组成，其中，位于不同层上的交换开关矩阵两两通过线缆或光纤互联；在n×n全交换开关矩阵中，每一路输入信号经过n路分路器分成n路，再由n个单刀n掷开关选择输出，从而保证每一个输出接至任意输入，实现n路输入到n路输出的之间的任意端口的信号流交换。本发明适用于星载平台上的射频交换、中频交换和光纤交换等多种交换模式。

Description

星载信号处理平台分层电路交换系统

技术领域

本发明涉及一种卫星载荷及卫星通信领域，具体涉及空间信息网络中星载平台上进行空间环境适应性改进的星载平台信号交换电路。

背景技术

空间信息网络是以卫星平台及载荷以及地面基础设施为节点，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，基于卫星的通信与数据传输是其中的关键环节。早期的卫星通信与数据传输节点只能完成对信号的放大和将上行频率转换为下行频率的功能，即俗称的“透明转发”，地面终端设备通过天线将相关的上行链路信号发射到卫星设备，卫星设备进行变频处理后通过下行链路信号传送到相关的地面终端。“透明转发”卫星不涉及对信息本身进行处理，所有的协议处理集中在地面的关口站、终端设备以及网络控制中心，因此使整个网络缺少灵活性且难以扩展。随着空间中卫星设备和各种飞行器数量不断增多，信息共享需求要求越来越高，随着星间链路以及带有星间链路的星座的研究，卫星通信从GEO弯管式中继器、星上波束间交换发展到了承载话音、数据、多媒体等多种业务的宽带卫星组成的空间信息网络。国外已有几种系统已经或即将投入商用，比如休斯公司的SpaceWay系统、洛克希德-马丁公司的Astrolink等。为了得到更高的系统增益，多波束天线越来越受到重视,多波束天线能产生多个点波束,每个点波束覆盖地面特定区域。多点波束卫星通信系统由于空间隔离可以提高频率的使用效率组网方式,但在多点波束卫星通信系统中，如果每个波束还是采用传统的透明转发方式，所有的信息都在关口站进行交换卫星通信，这种多跳通信的非实时性是一个严重的问题。为了解决这些问题,人们早就开始了星上信息处理技术的研究，星载信息交换技术就是其中之一。星载信息交换技术使得所有业务的信息交换都能在星上完成,这样,对一个用户到另一用户的业务只要经过一上一下的一跳传输路径就可以完成，并可有效地利用频率资源。

为了解决提高整个卫星网络的灵活性和适用性，可把一部分的功能移交到卫星上面执行，就需要具有星上处理和星上交换能力的支持。卫星载荷设备具有信号处理和再生功能，则可以大大的降低对地面设备的要求，这样就是逐渐发展成为主流的具有星上处理(On-Board Processing，OBP)功能或者星上交换(On-Board Switching，OBS)功能的卫星网络，卫星具有完全的星上信号再生能力，星上处理单元完成多路复用/分用、信道编码/解码和利用多波束配置的星上快速分组交换等功能。卫星节点之间通过星际链路实现卫星之间的通信，星上交换技术的运用显著地节约了带宽和能量。OBP有很多种形式用于ATM卫星通信，其主要目的是为VSAT地球站提供单跳连接。OBP大体上分为三级。一级；基带OBP和基带星上交换/星上寻址(OBS/OBR)；二级：中频/射频(IF/RF)处理和交换；三级：支持处理功能。一级通常与安全处理卫星相对应，典型的例子是Teledesic卫星。二级大体上与部分处理卫星相对应，包括信号再生和中频/射频交换，但不包括基带OBS。其它与通信并非直接联系但支持通信功能的处理形式都划为三级。基带OBP的目的是提高链路的性能及有效性，降低费用或增加容量。把基带OBP和OBS相结合会增加整个网络的有效性和灵活性。OBS是“空中因特网”卫星的必备要素。在SS-ATM(星上交换－ATM)中，OBP是基于信元的OBS。OBP不但能做到对干扰调零，还可进行动态波束形成。也可实现天线增益和覆盖范围的动态按需分配，从而对卫星的EIRP进行灵活分配。星上处理和星上交换均是通过在卫星设备中设置专门的星载交换机来实现，星载交换机通过专门的交换机制和调度算法实现网络中不同的终端之间的数据交换。现阶段由于各种原因,卫星通信系统和地面通信网分别都采用了多种路由和交换技术,如电路交换、IP交换、ATM交换、报文交换和帧中继等,使得网间不能直接互联互通。

星载交换设备与地面信息网络节点不同，它处于复杂的空间物理环境中，可能受到恶劣的高能粒子干扰。卫星的成本和发射费用很高，发射升空后对星上设备进行更换或者重新配置的难度也较高，因此在设计之初就必须对其可靠性进行高度关注。作为未来空问信息网络的关键组成部分，如何保证其在空问辐射环境中的可靠性，是一个具有挑战性的课题。随着人们对传输业务要求的逐步提高和应用模式的复杂化,未来的通信卫星将不再是简单地“透明”转发信号,而是向具有星载信号处理和路由交换的功能发展。

现有的星载交换技术可分为星载电路交换和星载基带交换两大类。

星载电路交换是在载荷的射频、中频、解调前或后进行信道或信号流间的切换而不对信号中的信息进行分析的交换方式。星载电路交换的特点是：不需要在信息流中携带通信协议，交换结构都是无阻塞的，在实现方式上比基带分组交换容易，可靠性高，费用较低。但该方式缺乏灵活性，每次建立链路都需要通过控制信道向中心站申请，因卫星信道时延大，频繁切换信道时效率低,这些环节也降低了系统的可靠性。同时，如果不在卫星上进信号解调,会造成信道噪声累积。不利于卫星信道链路资源的高效应用。

基带交换(Base Band eXchange,BBX)是将对信号进行恢复处理，解调后进行解码，使用解码后原始信号中的信息来进行动态路由选择或相应设置，直接在处理基带内进行路由选择和分发，减少信息传输的环节和路径，通常的方式有时隙交换方式、卫星ATM方式、MPIS交换方式等。在卫星系统中按基带交换方式工作时，上行与下行线路的传输是通过与跳变波束的驻留同步的突发时间计划协调的，而基带交换的传输路由是在每一帧内逐字实现交换。星上基带交换是在星上载荷内进行信号解调基础上对基带进行信号与信息分析，在信号中加入交换信息，通过星上交换处理单元转换信息的流向，完成信号的交换。其特点是：减少了控制信息传输量；与地面交换相比，由于数据单跳传输，对于每一条信号流都将减少一半的传输量，同时也使传输时延减少了一半；采用了各种网络与协议处理技术，实现流量控制、资源分配和业务接纳控制，大大提高了卫星网络的利用效率。但是同时也增加了星上设计的复杂性。由于交换设备位于卫星上,升级交换软件很困难，灵活性不够，也不能改动硬件,难以利用地面新技术构筑新系统以满足新的通信业务需求，星载基带分组交换需要进行解调译码、交换编码、协议处理、再调制等处理过程，增加了星上的有效载荷以及整个系统的复杂性。

虽然目前地面网络交换技术成熟，吞吐量高，但是由于地面网络交换系统中交换开关调度算法复杂度高，查表速率要求高，缓存容量需求大，以及空间环境和卫星有效载荷功耗、体积等因素限制，在卫星网络中并不适宜采用已有的地面网络交换技术，所以星上交换技术是目前重要的研究课题，是空间信息网络的关键技术之一。

星载交换设备的方案与交换方法决定了星上交换效率以及星载可实现性。电路交换和基带交换各有优劣势，可以通过合理的设计得到优化的交换。

交换矩阵(switch fabric)是交换机上的硬件结构，用于实现各个信号数据流的点到点连接。交换矩阵提供了各个点到点连接上同时转发数据包的机制。交换矩阵也称为Crossbar芯片，是一种带有多个超高速率接口的硬件芯片，一般用于数据处理芯片之间数据的高速转发或高端交换机跨线卡的数据转发。Crossbar被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵。最开始的以太网交换构建在共享总线的基础之上，共享总线结构所能提供的交换容量有限，相比地面设备，星上设备的可靠性要求很高；卫星一旦升空更新升级交换软件受星上硬件限制。一方面是因为共享总线不可避免内部冲突；另一方面共享总线的负载效应使得高速总线的设计难度相对比较大。由于交换系统的线缆数量大，开关矩阵的阶数多，很难实现任意输入端到任意输出端的电路交换，导致高星载设备的体积和重量大。

发明内容

本发明主要针对空间信息网络中星载平台的载荷信号与信息交换需求，对于具有个输入端和个输出端交换系统的电路交换技术存在的不足之处，提供一种能够减少交换系统线缆数量和开关矩阵阶数，增强扩展性，可以实现任意输入端到任意输出端的电路交换的星载信号处理平台分层电路交换系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种星载信号处理平台分层电路交换系统，具有N个输入端和N个输出端的全交换开关矩阵，其特征在于：所述的星载信号处理平台分层电路交换系统分为两层，第一层交换设备由n个m×m全交换开关矩阵组成，第二层交换设备由m个n×n全交换开关矩阵组成，其中，N＝m×n，位于不同层上的全交换开关矩阵两两通过线缆或光纤实现互联；在n×n全交换开关矩阵中，每一路输入信号经过n路分路器分成n路，再由n个单刀n掷开关选择输出，从而保证每一个输出可以接至任意输入，实现n路输入到n路输出的之间的全交换。

本发明的有益效果在于：

减少了交换系统线缆数量。本发明通过将N个输入端和N个输出端的交换系统设计成具有两层交换的星载信号处理平台分层电路交换系统，可以大大减少交换系统内部的线缆数量；以16个输入端，16个输出端为例，采用单层全交换结构时，内部需要16²＝256根线缆；采用星载信号处理平台分层电路交换系统时，第一层和第二层各使用4个4×4全交换开关矩阵，每个开关矩阵内部有4²＝16根线缆，开关矩阵间有4²＝16根线缆，整个系统使用线缆数为8×16+16＝144根，共节约线缆112根，大大减少星载设备的体积和重量。

减少了开关矩阵的阶数。本发明将N×N全交换开关矩阵设计转为n个m×m全交换开关矩阵设计和m个n×n全交换开关矩阵设计，减少了开关矩阵的阶数，有利于开关矩阵的模块化设计。

扩展性和维护性增强。当交换系统需要增加交换路数N时，可以通过增加全交换开关矩阵模块的数量和对应的连接线缆实现，而不用重新设计电路。分层设计的基础上，通过对全交换开关矩阵模块进行排查可以实现故障的快速定位，在未发射入轨前的地面测试阶段，也可以通过更换全交换开关矩阵模块快速进行维修，从而增强了系统的维修性。

可以实现任意输入端到任意输出端的电路交换。由于本发明设计了一个具有两层的星载信号处理平台分层电路交换系统；第一层交换设备由n个m×m全交换开关矩阵组成，第二层交换设备由m个n×n全交换开关矩阵组成(N＝m×n)，位于不同层上的全交换开关矩阵两两通过线缆或光纤实现互联。通过星载多模分层交换结构及交换模式可以实现任意输入端到任意输出端的电路交换。

本发明结合了分层、分布、模块化的电路交换特点和优势，可以用于空间信息网络中星载平台上的射频交换、中频交换和光纤交换等多种交换模式。

附图说明

图1是本发明为星载信号处理平台分层电路交换系统的示意图。

图2是图1交换过程的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，星载信号处理平台分层电路交换系统具有N个输入端和N个输出端的全交换开关矩阵。N个输入端和N个输出端包括N个输入端I₁、I₂、…I_nm和N个输出端O₁、O₂、…O_mn，其中，N＝m×n，星载载荷交换设备可以将从任意输入端I_x输入的信号交换到任意输出端O_y输出，且1≤x,y≤N。星载信号处理平台分层电路交换系统可以分为两层，第一层交换设备由n个m×m全交换开关矩阵组成，分别为A₁、A₂、…A_n，第二层交换设备由m个n×n全交换开关矩阵组成，分别为B₁、B₂、…B_m。位于不同层上的全交换开关矩阵两两通过线缆或光纤实现互联；线缆连接相同下标的全交换开关矩阵A_i和B_j的对应端口，其中，A_i的m个输入端分别连接在输入端口I_(i-1)m+1、I_(i-1)m+2…I_im，且1≤i≤n；B_j的n个输出端分别连接在输出端口O_(j-1)n+1、O_(j-1)n+2、…O_jn，且1≤j≤m。A_i的m个输出端分别标记为A_i,1、A_i,2、…A_i,m，B_j的n个输入端分别标记为B_1,j、B_2,j、…B_n,j，对于任意1≤i≤n和1≤j≤m，将A_i,j和B_i,j用电缆连接起来，其中，i、j、N分别为自然数，m是第二层全交换开关矩阵数量、n是第一层全交换开关矩阵数量，N为最大交换端口的路数，式中x、y为交换计算变量，(或)为向上取整函数，代表不小于α的最小整数。

在n×n全交换开关矩阵中，每一路输入信号经过n路分路器分成n路，再由n个单刀n掷开关选择输出，从而保证每一个输出可以接至任意输入，实现n路输入到n路输出的之间任意端口的信号交换。m×m全交换开关矩阵的实现原理与之相同。

下面结合图2具体描述星载多模分层交换技术的交换过程。

星载计算机按传输协议进行相关计算，计算出信号流交换过程需要经过的第二层全交换开关矩阵B_j的序号j。当任意输入端I_x输入的信号需要交换到任意输出端O_y输出时，根据图1所示的连接关系，I_x端产生到任意输出端O_y的交换需求，I_x输入信号自动流入第i个第一层全交换开关矩阵A_i，星载计算机计算第二层交换开关矩阵的序号j，第二层交换开关矩阵A_i选择输出端A_i,j，将输入的交换信号发送给第二层全交换开关矩阵B_j的输入端B_i,j，第二层全交换开关矩阵B_j在任意输出端O_y输出相应的交换信号，交换结束。

第一层全交换开关矩阵A_i选择输出端A_i,j将交换信息发送给第二层全交换开关矩阵B_j的输入端B_i,j；

第二层全交换开关矩阵B_j在O_y端输出信号，完成交换。

需要说明的是，本发明中输入端和输出端的端口数都为N个，如果输入端的端口数量为N个，输出端的端口数量为M个(M≠N)时，只需将输入端和输出端都设为K(K＝max(M,N))，并将不用的端口空置即可。

需要说明的是，选择第一层全交换开关矩阵数量n和第二层全交换开关矩阵数量m时，可以选择最接近的整数n和m，使N＝m×n，这样用于连接第一层全交换开关矩阵和第二层全交换开关矩阵的线缆数量最少。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种星载信号处理平台分层电路交换系统，具有N个输入端和N个输出端的全交换开关矩阵，其特征在于：所述的星载信号处理平台分层电路交换系统分为两层，第一层交换设备由n个m×m全交换开关矩阵组成，第二层交换设备由m个n×n全交换开关矩阵组成，其中，N＝m×n，位于不同层上的全交换开关矩阵两两通过线缆或光纤实现互联；在n×n全交换开关矩阵中，每一路输入信号经过n路分路器分成n路，再由n个单刀n掷开关选择输出，从而保证每一个输出可以接至任意输入，实现n路输入到n路输出之间的任意端口的信号流交换。

2.如权利要求1所述的星载信号处理平台分层电路交换系统，其特征在于：交换结构包括了N个输入端I₁、I₂、…I_nm和N个输出端O₁、O₂、…O_mn，其中，N＝m×n，由星载信号处理平台分层电路交换系统构建的交换设备将从任意输入端I_x输入的信号交换到任意输出端O_y输出，且1≤x,y≤N。

3.如权利要求1所述的星载信号处理平台分层电路交换系统，其特征在于：第一层n个m×m全交换开关矩阵分别为A₁、A₂、…A_n，第二层全交换开关矩阵m个n×n分别为B₁、B₂、…B_m，其中，A_i的m个输入端分别连接到输入端口I_(i-1)m+1、I_(i-1)m+2…I_im，且1≤i≤n；B_j的n个输出端分别连接到输出端口O_(j-1)n+1、O_(j-1)n+2、…O_jn，且1≤j≤m。

4.如权利要求1所述的星载信号处理平台分层电路交换系统，其特征在于：A_i的m个输出端分别标记为A_i,1、A_i,2、…A_i,m，B_j的n个输入端分别标记为B_1,j、B_2,j、…B_n,j，对于任意1≤i≤n和1≤j≤m，将A_i,j和B_i,j用电缆连接起来，其中，i、j、N为自然数，m是第二层全交换开关矩阵数量、n是第一层全交换开关矩阵数量、N为最大交换端口的路数，式中x、y为交换计算变量，为向上取整函数，代表不小于α的最小整数。

5.如权利要求1所述的星载信号处理平台分层电路交换系统，其特征在于：在n×n全交换开关矩阵中，每一路输入信号经过n路分路器分成n路，再由n个单刀n掷开关选择输出，从而保证每一个输出可以接至任意输入，实现n路输入到n路输出之间任意端口的信号交换。m×m全交换开关矩阵的实现原理与之相同。

6.如权利要求1所述的星载信号处理平台分层电路交换系统，其特征在于：线缆连接相同下标的全交换开关矩阵A_i和第二层全交换开关矩阵B_j。

7.如权利要求1所述的星载信号处理平台分层电路交换系统，其特征在于：如果输入端为N个，输出端为M个，M≠N时，将输入端和输出端都设为K＝max(M,N)，并将不用的端口空置；N、M为自然数。

8.如权利要求1所述的星载信号处理平台分层电路交换系统，其特征在于：选择第一层全交换开关矩阵数量n和第二层全交换开关矩阵数量m时，选择最接近的整数n和m，使N＝m×n。