CN110838993B - 一种子带交换路径规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种子带交换路径规划方法及系统，基于柔性转发处理器中TST多级子带交换结构，建立了子带交换等效模型，实现了从子带输入输出关系到交换路径的映射，并利用迭代置换法实现了子带交换路径的满规划。本发明可以在确定的时间内计算出所有子带输入输出关系的交换路径，实现了柔性转发处理载荷交换关系输入到载荷配置输出的自动化计算，特别适用于对高通量卫星柔性转发载荷的配置和管理中。
Description
技术领域
本发明涉及一种子带交换路径规划方法及系统，属于通信技术领域。
背景技术
子带交换是针对数字信道化处理后的子带数据进行交换而提出的，这种交换结构的特点是端口数量多、数据吞吐量大、交换路径预先定义，是一种典型的电路交换结构，在实现上通常由时分交换单元和空分交换单元构成，交换级数为3级。
在进行子带交换路径规划时，一旦出现多条可选路径，通常随机或者依据某种规则选取一条，这种选取时的盲目性导致了对后续交换关系进行规划时中间节点资源冲突。现有的子带交换路径规划算法在面对路径冲突问题时，均宣布该交换关系规划失败。
现有的子带交换路径规划算法在进行交换关系规划时无法解决路径冲突问题，进而无法完成冲突路径规划，使得卫星柔性转发器虽然存在空闲上行和下行信道资源，但因为路径冲突规划失败导致无法被用户所利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明提出了一种实现子带交换满规划的方法及系统，可以充分利用卫星柔性转发器的信道资源，只要卫星柔性转发器虽然存在空闲上行和下行信道资源，就能够被用户所使用；实现对TST子带交换结构的可重排无阻塞规划，本发明的优点在于提出了实现子带交换满规划的方法，并且能够在确定的和有限的时间内实现。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现：一种子带交换路径规划方法，包括步骤如下：
(1)记录需要规划的交换关系，包括输入端口号m、输入子带编号n、输出端口号p和输出子带编号q；子带交换的规模为M个端口，每个端口包含N个子带；将所有的输入输出子带交换关系存储在一个链表中，成为交换关系链表；
(2)根据步骤(1)所述的交换关系链表，用一个标志位确定交换关系链表中所有节点的状态，分为未规划和已规划两种；
(3)定义中间节点组1和中间节点组2，每组中节点的数量为MN，并用两个M行、N列的矩阵表示中间节点的状态，分为未占用状态和已占用状态；
(4)对步骤(2)和步骤(3)中的数据结构进行初始化，设置所有交换关系链表节点状态为未规划，设置中间节点组1和中间节点组2中所有节点状态为未占用；
(5)随机选取交换关系链表中的一个状态为未规划的链表节点，进行交换路径规划；
(6)重复步骤(5)，直至交换关系链表中的所有节点的状态为已规划或冲突；
(7)对交换关系链表中节点状态为冲突的交换关系进行交换路径置换；
(8)根据最后获得的规划路径，生成对柔性转发处理器的配置信息。
所述交换关系链表的最大深度为MN，每个链表节点存储一个四元组<m，n，p，q>用以表示交换关系。
步骤(5)中，交换路径规划的具体方法包括步骤如下：
(5.1)确定未规划链表节点对应的交换关系<m，n，p，q>；
(5.2)在中间节点组1的状态矩阵第m行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合H中；
(5.3)在中间节点组2的状态矩阵的第p行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合K中；
(5.4)计算集合H和集合K的交集H∩K，如果
则任意选取H∩K中的一个元素r，将中间节点组1状态矩阵m行r列的节点状态定义为已占用；将中间节点组2状态矩阵p行r列的节点状态定义为已占用；对交换关系<m，n，p，q>，输出路径<m，n>→<m，r>→<p，r>→<p，q>，并将交换关系状态修改为已规划；
如果
则本次交换路径规划失败，将交换关系状态修改为冲突。
步骤(7)中交换路径置换的具体方法包括步骤如下：
(a)随机选取交换关系链表中的一个状态为冲突的链表节点，该节点对应的交换关系四元组为<m’，n’，p’，q’>；其中，m’表示冲突的链表节点的输入端口号，n’表示冲突的链表节点的输入子带编号，p’表示冲突的链表节点的输出端口号，q’表示冲突的链表节点的输出子带编号；
(b)生成取值为0或者1的随机数，根据随机数选取执行步骤：如果随机数的值为0，执行步骤(c)；如果随机数的值为1，执行步骤(f)；
(c)在中间节点组1的状态矩阵第m’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(d)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输出端口号为p’，且占用了中间节点组2的第p’行、第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点1设置为未占用；
(e)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p’行、第h列节点，建立交换关系<m’，n’，p’，q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(f)在中间节点组2矩阵第p’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(g)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输入端口号为m’，且占用了中间节点组1的第m’行，第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点2设置为未占用；
(h)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p行、第h列节点，建立交换关系<m’，n’，p’，q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(i)如果交换关系链表中没有状态为冲突的节点，则子带交换路径置换过程结束，否则执行步骤(a)。
步骤(8)中，生成对柔性转发处理器的配置信息的步骤如下：
(8.1)对交换关系链表进行遍历，从链表头部开始，依次读取每一条状态为己规划的交换路径，假设这条路径对应的交换关系为<m，n，p，q>，所占用的中间节点分别为：m行r列中间节点1和p行r列的中间节点2，执行步骤(8.2)；
(8.2)向第一级时分交换单元增加配置信息<r，n>，向第二级空分交换单元增加配置信息<r，m，p>，向第三级时分交换单元增加配置信息<q，r>。
一种子带交换路径规划系统，包括：
用户交换关系输入模块，用于记录需要规划的交换关系并将所有的输入输出子带交换关系存储在一个链表中，成为交换关系链表；用一个标志位确定交换关系链表中所有节点的状态，分为未规划和已规划两种；定义中间节点组1和中间节点组2，每组中节点的数量为MN，并用两个M行、N列的矩阵表示中间节点的状态，分为未占用状态和已占用状态；
交换路径计算模块，用于对用户交换关系输入模块中的数据结构进行初始化，设置所有交换关系链表节点状态为未规划，设置中间节点组1和中间节点组2中所有节点状态为未占用；随机选取交换关系链表中的一个状态为未规划的链表节点，进行交换路径规划，直至交换关系链表中的所有节点的状态为已规划或冲突；
交换路径置换模块，用于对交换关系链表中节点状态为冲突的交换关系进行交换路径置换；
配置模块，用于根据最后获得的规划路径，生成对柔性转发处理器的配置信息。
所述交换关系包括输入端口号m、输入子带编号n、输出端口号p和输出子带编号q；子带交换的规模为M个端口，每个端口包含N个子带；交换关系链表的最大深度为MN，每个链表节点存储一个四元组<m，n，p，q>用以表示交换关系。
所述交换路径规划的具体方法包括步骤如下：
(5.1)确定未规划链表节点对应的交换关系<m，n，p，q>；
(5.2)在中间节点组1的状态矩阵第m行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合H中；
(5.3)在中间节点组2的状态矩阵的第p行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合K中；
(5.4)计算集合H和集合K的交集H∩K，如果
则任意选取H∩K中的一个元素r，将中间节点组1状态矩阵m行r列的节点状态定义为已占用；将中间节点组2状态矩阵p行r列的节点状态定义为已占用；对交换关系<m，n，p，q>，输出路径<m，n>→<m，r>→<p，r>→<p，q>，并将交换关系状态修改为已规划；
如果
则本次交换路径规划失败，将交换关系状态修改为冲突。
所述交换路径置换的具体方法包括步骤如下：
(a)随机选取交换关系链表中的一个状态为冲突的链表节点，该节点对应的交换关系四元组为<m’，n’，p’，q’>；其中，m’表示冲突的链表节点的输入端口号，n’表示冲突的链表节点的输入子带编号，p’表示冲突的链表节点的输出端口号，q’表示冲突的链表节点的输出子带编号；
(b)生成取值为0或者1的随机数，根据随机数选取执行步骤：如果随机数的值为0，执行步骤(c)；如果随机数的值为1，执行步骤(f)；
(c)在中间节点组1的状态矩阵第m’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(d)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输出端口号为p’，且占用了中间节点组2的第p’行、第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点1设置为未占用；
(e)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p’行、第h列节点，建立交换关系<m’，n’，p’，q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(f)在中间节点组2矩阵第p’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(g)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输入端口号为m’，且占用了中间节点组1的第m’行，第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点2设置为未占用；
(h)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p行、第h列节点，建立交换关系<m’，n’，p’，q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(i)如果交换关系链表中没有状态为冲突的节点，则子带交换路径置换过程结束，否则执行步骤(a)。
生成对柔性转发处理器的配置信息的步骤如下：
(8.1)对交换关系链表进行遍历，从链表头部开始，依次读取每一条状态为己规划的交换路径，假设这条路径对应的交换关系为<m，n，p，q>，所占用的中间节点分别为：m行r列中间节点1和p行r列的中间节点2，执行步骤(8.2)；
(8.2)向第一级时分交换单元增加配置信息<r，n>，向第二级空分交换单元增加配置信息<r，m，p>，向第三级时分交换单元增加配置信息<q，r>。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明针对通信卫星柔性转发处理器的信道化交换问题，给出了一种三级TST交换结构，这个交换结构是无阻塞交换结构中资源开销最小的，更适用于星上载荷产品对重量和功耗的严苛要求；
(2)本发明针对通信卫星柔性转发处理器实现任意端口、任意子带间交换的需求，建立了实现子带交换路径规划的模型和数据结构，包括子带交换关系链表、中间节点1状态矩阵和中间节点2状态矩阵，利用这些数据结构可以通过至多N次运算找到一条可行的交换路径，在实际应用中可以实现卫星柔性转发器交换关系的快速计算；
(3)本发明针对三级TST交换结构在实现任意端口、任意子带交换关系时存在路径冲突的问题，给出了一种对发生冲突的路径进行置换的迭代规划方法，并证明采用该方法可以通过有限次迭代解决所有路径的冲突问题，使得卫星柔性转发器的上行和下行信道资源利用率达到100％。
附图说明
图1为三级TST交换结构的组成图；
图2为时分交换与空分交换的示意图；
图3为用户交换关系链表示意图；
图4为中间节点状态矩阵示意图；
图5为已规划交换关系链表示意图；
图6为交换路径规划算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步介绍。
一种子带交换路径规划方法，包括步骤如下：
(1)记录需要规划的交换关系，包括输入端口号m、输入子带编号n、输出端口号p和输出子带编号q；子带交换的规模为M个端口，每个端口包含N个子带；将所有的输入输出子带交换关系存储在一个链表中，成为交换关系链表；所述交换关系链表的最大深度为MN，每个链表节点存储一个四元组<m，n，p，q>用以表示交换关系。
(2)根据步骤(1)所述的交换关系链表，用一个标志位确定交换关系链表中所有节点的状态，分为未规划和已规划两种；
(3)定义中间节点组1和中间节点组2，每组中节点的数量为MN，并用两个M行、N列的矩阵表示中间节点的状态，分为未占用状态和已占用状态；
(4)对步骤(2)和步骤(3)中的数据结构进行初始化，设置所有交换关系链表节点状态为未规划，设置中间节点组1和中间节点组2中所有节点状态为未占用；
(5)随机选取交换关系链表中的一个状态为未规划的链表节点，进行交换路径规划；
交换路径规划的具体方法包括步骤如下：
(5.1)确定未规划链表节点对应的交换关系<m，n，p，q>；
(5.2)在中间节点组1的状态矩阵第m行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合H中；
(5.3)在中间节点组2的状态矩阵的第p行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合K中；
(5.4)计算集合H和集合K的交集H∩K，如果
则任意选取H∩K中的一个元素r，将中间节点组1状态矩阵m行r列的节点状态定义为已占用；将中间节点组2状态矩阵p行r列的节点状态定义为已占用；对交换关系<m，n，p，q>，输出路径<m，n>→<m，r>→<p，r>→<p，q>，并将交换关系状态修改为已规划；
如果
则本次交换路径规划失败，将交换关系状态修改为冲突。
(6)重复步骤(5)，直至交换关系链表中的所有节点的状态为已规划或冲突；
(7)对交换关系链表中节点状态为冲突的交换关系进行交换路径置换；
交换路径置换的具体方法包括步骤如下：
(a)随机选取交换关系链表中的一个状态为冲突的链表节点，该节点对应的交换关系四元组为<m’，n’，p’，q’>；其中，m’表示冲突的链表节点的输入端口号，n’表示冲突的链表节点的输入子带编号，p’表示冲突的链表节点的输出端口号，q’表示冲突的链表节点的输出子带编号；
(b)生成取值为0或者1的随机数，根据随机数选取执行步骤：如果随机数的值为0，执行步骤(c)；如果随机数的值为1，执行步骤(f)；
(c)在中间节点组1的状态矩阵第m’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(d)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输出端口号为p’，且占用了中间节点组2的第p’行、第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点1设置为未占用；
(e)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p’行、第h列节点，建立交换关系<m’，n’，p’，q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(f)在中间节点组2矩阵第p’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(g)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输入端口号为m’，且占用了中间节点组1的第m’行，第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点2设置为未占用；
(h)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p行、第h列节点，建立交换关系<m’，n’，p’，q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(i)如果交换关系链表中没有状态为冲突的节点，则子带交换路径置换过程结束，否则执行步骤(a)。
(8)根据最后获得的规划路径，生成对柔性转发处理器的配置信息。步骤(8)中，生成对柔性转发处理器的配置信息的步骤如下：
(8.1)对交换关系链表进行遍历，从链表头部开始，依次读取每一条状态为己规划的交换路径，假设这条路径对应的交换关系为<m，n，p，q>，所占用的中间节点分别为：m行r列中间节点1和p行r列的中间节点2，执行步骤(8.2)；
(8.2)向第一级时分交换单元增加配置信息<r，n>，向第二级空分交换单元增加配置信息<r，m，p>，向第三级时分交换单元增加配置信息<q，r>。
子带交换结构：是针对数字信道化处理后的子带数据进行交换而提出的，这种交换结构的特点是端口数量多、数据吞吐量大、交换路径预先定义，是一种典型的电路交换结构，在实现上通常由时分交换单元和空分交换单元构成，交换级数一般为3级。一个典型的子带交换结构如图1所示，共有M个端口，每个端口包含N个子带的TST交换结构，由三级构成，第一级为M个时分交换单元，第二级为1个空分交换单元，第三级为M个时分交换单元。时分交换单元完成同一个数字信道化端口内部不同编号子带之间的交换，空分交换完成不同数字信道化端口之间的相同编号子带之间的交换，如图2所示。
一种子带交换路径规划系统，包括：
用户交换关系输入模块：记录所有用户的交换关系，包括输入端口号、输入子带号、输出端口号和输出子带号。将所有的输入输出子带交换关系存储在一个链表中，这个链表的最大深度为MN，每个链表节点存储了一个四元组<m，n，p，q>用以表示交换关系，其中m表示输入端口号，n表示输入子带编号，p表示输出端口号，q表示输出子带编号，如图3所示。
中间节点共有mn，用mn个变量表示所有中间节点的状态，1表示中间节点为占用状态，0表示中间节点为空闲状态，将这些变量组成m行n列的矩阵。如果某个输入子带到输出子带的交换路径i经过了中间节点(xi，yi)，则将矩阵中xi行y列的元素置为1，表示该中间节点为占用状态，如图4所示。
已规划的交换路径包含输入端口号、输入子带编号、中间节点1的矩阵下标(x1，y1)、中间节点2的矩阵下标(x2，y2)、输出端口号和输出子带编号，将所有已规划的交换路径组成一个链表，链表的最大深度为mn，如图5所示
交换路径计算模块：对于M个端口，每个端口N个子带的信道化交换单元来说，交换关系可以看成是一个由M×N个节点构成的图，相邻行和相邻列的节点都是联通的，进行子带交换路径规划的过程就是在图中找到一个可行的路径，经过三步从源节点移动到目的节点：(1)从源节点出发，横向移动到某个未使用的中间节点1；(2)从中间节点1出发，纵向移动到目的节点所在的行，变为中间节点；(3)从中间节点2出发，横向移动到目的节点。交换路径计算单元用于寻找中间节点1和中间节点2，这两个节点的特征如下：(1)中间节点1和中间节点2的状态均为空；(2)中间节点1和中间节点2位于同一列；(3)中间节点1与源节点位于同一行；(4)中间节点2与目的节点位于同一行。
对于从m端口n子带交换到p端口q子带的交换路径，如果存在介于0和N-1之间的某个数y，使得中间节点1状态矩阵A(m，y)＝0且中间节点2状态矩阵B(p，y)＝0，则交换路径可以选择中间节点1为(m，y)，中间节点2为(p，y)。如果对于任何介于0和N-1之间的数y，都无法满足A(m，y)＝0且B(p，y)＝0，则需要运行中间节点调整算法，寻找适合条件的中间节点。
在TST交换结构中，从端口m，子带n交换到端口p，子带q时，需要经过以下三个步骤：
1.经过第一级T交换单元，将端口m，子带n交换到端口m，子带y；
2.经过第二级S交换单元，将端口m，子带y交换到端口p，子带y；
3.经过第三级T交换单元，将端口p，子带y交换到端口p，子带q；
这里将(m，n)→(m，y)→(p，y)→(p，q)称为一条交换路径，把y定义为中间时隙，在这个交换路径中只有y是未知的，因此计算交换路径等价于求解中间子带y。
在第一级时分交换单元中，采用顺序写入，控制读出方式，某个输出子带只能交换自至多一个输入子带，若多个输入子带交换到同一个输出子带，则这些输入子带会相互覆盖导致最终只会有一个子带交换成功。如果某个输出子带交换自某个输入子带，则定义该输出子带为占用状态；对于某个输出子带来说，如果没有任何一个输入子带交换至该输出子带，则定义该输出子带为空闲状态。
在第三级时分交换单元中，采用顺序写入，控制读出方式，某个输出子带只能交换自至多一个输入子带。对于某个输入子带来说，若该输入子带交换到了某个输出子带，则定义该输入子带为占用状态，否则定义为空闲状态。
交换路径置换模块：在进行交换路径计算时，如果无法找到满足条件的中间节点1和中间节点2，则需要执行交换路径置换。具体方法如下：(1)从输入端口m中寻找一个空闲的中间节点1，找到一个非空闲的中间节点2，这个中间节点2与中间节点1位于同一列，并且位于输出端口p；(2)找到中间节点2对应的交换路径，将映射到这条交换路径的交换关系设置为未规划。
若同时满足以下三个条件时，则称TST交换结构为全联通状态1)交换结构共有M个端口，每个端口均含N个子带；2)交换结构存在MN条交换路径，(mk，nk)→(pk，qk)，1≤k≤MN；3)所有交换路径的起点和终点均不相同，即
若
有mk1≠mk2或nk1≠nk2
若
有pk1≠pk2或qk1≠qk2
结论1：交换路径(m，n)→(m，y)→(p，y)→(p，q)存在的充要条件是：
1)在端口m的第一级时分交换单元中，输出子带y为空闲状态；
2)在端口p的第三级时分交换单元中，输入子带y为空闲状态；
证明：
充分性：交换路径(m，n)→(m，y)存在说明在端口m的第一级时分交换单元中，输入子带n可以交换到输出子带y，由于某个输出子带只能交换自至多一个输入子带，因此输出子带y为空闲状态。同理可证输入子带y为空闲状态。充分性得证。
必要性：若在端口m的第一级时分交换单元中，输出子带y为空闲状态，则可以建立交换路径(m，n)→(m，y)，若在端口p的第三级时分交换单元中，输入子带y为空闲状态，则可以建立交换路径(p，y)→(p，q)。两个条件同时满足，即建立了交换路径(m，n)→(m，y)→(p，y)→(p，q)。必要性得证。
结论2：若在第一级时分交换单元中某个输出子带(m，y)为空闲，则在第三级时分交换单元中必然存在某个输入子带(p，y)也为空闲；若在第三级时分交换单元中某个输入子带(p，y)为空闲，则在第一级时分交换单元中必然存在某个输出子带(m，y)也为空闲。
证明：对于第一级时分交换单元中的某个输出子带(m，y)来说，必然能够和空闲输入子带集合{(p，y)|1≤y≤M}中的某个元素构成一个交换路径，若输出子带(p，y)为空闲，说明存在空闲的输入子带(m，y)。
结论3：若TST交换结构中存在MN-1条已经规划的路径，则有
在所有端口的第一级时分交换单元输出子带中，有且仅有1个空闲子带(m，y1)；
在所有端口的第三级时分交换单元输入子带中，有且仅有1个空闲子带(p，y2)；
这两个空闲子带序号相等，即y1＝y2
证明：
所有端口的第一级时分交换单元输出子带共有MN个，由于已经规划了MN-1条交换路径，由于交换结构为无阻塞交换，根据定理2，则在第一级时分交换单元中必然存在一个空闲的输出子带(m，y1)和在第三级时分交换单元中必然存在一个空闲的输入子带(p，y2)。且这两个空闲子带可以建立一条交换路径，于是有y1＝y2。
对于某条未规划的交换路径(mk，nk)→(pk，qk)来说，在第一级时分交换单元中必然存在至少一个输出子带处于空闲状态，将这些空闲输出子带的集合定义为
同理，在第三级时分交换单元中必然存在至少一个输入子带处于空闲状态，将这些空闲输入子带的集合定义为
若
则选取任意元素
作为中间节点，建立交换路径即可。
(mk，nk)→(mk，y1)→(pk，y1)→(pk，qk)
若
任选
集合中的一个元素
针对这个中间节点y2，选择经过这个中间节点的交换路径
(m′k，n′k)→(m′k，y2)→(Pk，y2)→(pk，q′k)
把这条交换路径拆除，则pk，y2为空闲，则可以建立交换路径
(mk，nk)→(mk，y2)→(pk，y2)→(pk，qk)
此时，还需要建立从输入子带(m′k，n′k)到(pk，q′k)的交换路径。这个过程称为一次置换，置换之后需要建立的交换路径的输出端口号不变，输入端口号从mk变为m′k，且
保持不变。
根据结论2，对于
必然存在某个输入端口t，这个端口的输出子带(t，y3)，为空闲，如果此时m′k＝t，则可以建立从(m′k，n′k)到(pk，q′k)的交换路径
(m′k，n′k)→(m′k，y3)→(pk，y3)→(pk，q′k)
如果m′k≠t，则继续执行一次置换，直到满足置换后的子带输入端口m′k＝t为止，由于每次置换，子带的输入端口号m′k均和之前的不同，因此经过有限次置换，肯定可以达到条件m′k＝t，命题得证。
根据结论3，中间节点调整算法可以经过若干次交换路径置换得到。
迭代计算：记录所有已经完成规划的交换关系，将这些交换关系记录在一个链表中，并判断所有用户的交换关系是否已经全部完成了规划，如果已经全部完成，则由交换配置输出单元根据所规划的交换路径输出对子带交换结构的配置信息；如果存在还未完成的交换关系，则继续执行交换路径置换。整个子带交换路径规划算法流程图如图6所示。
交换配置输出模块：根据所规划的交换路径，生成对子带交换结构的配置信息，包括对第一级时分交换、第二级空分交换级和第三级时分交换的配置信息。
假设子带交换的规模为2个端口，每个端口4个子带，某个子带交换关系需要从端口1的1子带交换到端口2的2子带，现在需要对该子带交换关系进行路径规划。
(1)无需置换的情况
若此时输入端口1对应的中间节点1状态如下
| 中间节点1 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 空闲 | 非空闲 | 非空闲 |
输出端口2对应的中间节点2状态如下
| 中间节点2 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 空闲 | 非空闲 | 空闲 |
可以看出，输入端口1对应第2列中间节点1和输出端口2对应第2列中间节点2均处于空闲状态，因此利用这两个中间节点建立交换路径。
建立交换路径之后的输入端口1对应的中间节点1状态如下
| 中间节点1 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 |
建立交换路径之后的输出端口2对应的中间节点2状态如下
| 中间节点2 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 | 空闲 |
(2)需要置换的情况
若此时输入端口1对应的中间节点1状态如下
| 中间节点1 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 空闲 | 非空闲 | 非空闲 |
输出端口2对应的中间节点2状态如下
| 中间节点2 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 | 空闲 |
输入端口3对应的中间节点1状态如下
| 中间节点1 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 |
可以看出，输出端口1对应第2列中间节点1为空闲，输出端口2对应第2列中间节点2为非空闲，无法直接建立交换路径，需要进行交换路径置换：将输出端口2对应的第2列中间节点对应的交换路径设置为未规划，释放相关的中间节点1状态和中间节点2状态(这里假设对应输入端口3对应的第1列中间节点1)，此时输入端口1对应第2列中间节点1和输出端口2对应第2列中间节点2均处于空闲状态，利用这两个中间节点建立交换路径。
建立交换路径之后的输入端口1对应的中间节点1状态如下
| 中间节点1 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 |
建立交换路径之后的输出端口2对应的中间节点1状态如下
| 中间节点2 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 | 空闲 |
建立交换路径之后的输入端口3对应的中间节点1状态如下
| 中间节点1 | 第1列 | 第2列 | 第3列 | 第4列 |
| 状态 | 空闲 | 非空闲 | 非空闲 | 非空闲 |
通过上述示例可以看出，本发明通过交换路径置换有效解决了未规划的交换关系与已规划交换关系的中间节点选取冲突问题，进而能够实现TST子带交换结构的无阻塞路径规划。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种子带交换路径规划方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)记录需要规划的交换关系，包括输入端口号m、输入子带编号n、输出端口号p和输出子带编号q；子带交换的规模为M个端口，每个端口包含N个子带；将所有的输入输出子带交换关系存储在一个链表中，成为交换关系链表；
(2)根据步骤(1)所述的交换关系链表，用一个标志位确定交换关系链表中所有节点的状态，分为未规划和已规划两种；
(3)定义中间节点组1和中间节点组2，每组中节点的数量为M×N，并用两个M行、N列的矩阵表示中间节点的状态，分为未占用状态和已占用状态；
(4)对步骤(2)和步骤(3)中的数据结构进行初始化，设置所有交换关系链表节点状态为未规划，设置中间节点组1和中间节点组2中所有节点状态为未占用；
(5)随机选取交换关系链表中的一个状态为未规划的链表节点，进行交换路径规划；
步骤(5)中，交换路径规划的具体方法包括步骤如下：
(5.1)确定未规划链表节点对应的交换关系<m,n,p,q>；
(5.2)在中间节点组1的状态矩阵第m行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合H中；
(5.3)在中间节点组2的状态矩阵的第p行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合K中；
(5.4)计算集合H和集合K的交集H∩K，如果
则任意选取H∩K中的一个元素r，将中间节点组1状态矩阵m行r列的节点状态定义为已占用；将中间节点组2状态矩阵p行r列的节点状态定义为已占用；对交换关系<m,n,p,q>，输出路径<m,n>→<m,r>→<p,r>→<p,q>，并将交换关系状态修改为已规划；
如果
则本次交换路径规划失败，将交换关系状态修改为冲突；
(6)重复步骤(5)，直至交换关系链表中的所有节点的状态为已规划或冲突；
(7)对交换关系链表中节点状态为冲突的交换关系进行交换路径置换；
(8)根据最后获得的规划路径，生成对柔性转发处理器的配置信息。
2.根据权利要求1所述的一种子带交换路径规划方法，其特征在于，所述交换关系链表的最大深度为M×N，每个链表节点存储一个四元组<m,n,p,q>用以表示交换关系。
3.根据权利要求2所述的一种子带交换路径规划方法，其特征在于，步骤(7)中交换路径置换的具体方法包括步骤如下：
(a)随机选取交换关系链表中的一个状态为冲突的链表节点，该节点对应的交换关系四元组为<m’,n’,p’,q’>；其中，m’表示冲突的链表节点的输入端口号，n’表示冲突的链表节点的输入子带编号，p’表示冲突的链表节点的输出端口号，q’表示冲突的链表节点的输出子带编号；
(b)生成取值为0或者1的随机数，根据随机数选取执行步骤：如果随机数的值为0，执行步骤(c)；如果随机数的值为1，执行步骤(f)；
(c)在中间节点组1的状态矩阵第m’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(d)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输出端口号为p’，且占用了中间节点组2的第p’行、第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点1设置为未占用；
(e)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p’行、第h列节点，建立交换关系<m’,n’,p’,q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(f)在中间节点组2矩阵第p’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(g)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输入端口号为m’，且占用了中间节点组1的第m’行，第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点2设置为未占用；
(h)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p行、第h列节点，建立交换关系<m’,n’,p’,q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(i)如果交换关系链表中没有状态为冲突的节点，则子带交换路径置换过程结束，否则执行步骤(a)。
4.根据权利要求3所述的一种子带交换路径规划方法，其特征在于，步骤(8)中，生成对柔性转发处理器的配置信息的步骤如下：
(8.1)对交换关系链表进行遍历，从链表头部开始，依次读取每一条状态为己规划的交换路径，假设这条路径对应的交换关系为<m,n,p,q>，所占用的中间节点分别为：m行r列中间节点1和p行r列的中间节点2，执行步骤(8.2)；
(8.2)向第一级时分交换单元增加配置信息<r,n>，向第二级空分交换单元增加配置信息<r,m,p>，向第三级时分交换单元增加配置信息<q,r>。
5.一种子带交换路径规划系统，其特征在于，包括：
用户交换关系输入模块，用于记录需要规划的交换关系并将所有的输入输出子带交换关系存储在一个链表中，成为交换关系链表；用一个标志位确定交换关系链表中所有节点的状态，分为未规划和已规划两种；定义中间节点组1和中间节点组2，每组中节点的数量为M×N，并用两个M行、N列的矩阵表示中间节点的状态，分为未占用状态和已占用状态；
交换路径计算模块，用于对用户交换关系输入模块中的数据结构进行初始化，设置所有交换关系链表节点状态为未规划，设置中间节点组1和中间节点组2中所有节点状态为未占用；随机选取交换关系链表中的一个状态为未规划的链表节点，进行交换路径规划，直至交换关系链表中的所有节点的状态为已规划或冲突；
所述交换路径规划的具体方法包括步骤如下：
(5.1)确定未规划链表节点对应的交换关系<m,n,p,q>；
(5.2)在中间节点组1的状态矩阵第m行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合H中；
(5.3)在中间节点组2的状态矩阵的第p行中，寻找所有状态为未占用的节点，记录这些节点的列号，并存储在集合K中；
(5.4)计算集合H和集合K的交集H∩K，如果
则任意选取H∩K中的一个元素r，将中间节点组1状态矩阵m行r列的节点状态定义为已占用；将中间节点组2状态矩阵p行r列的节点状态定义为已占用；对交换关系<m,n,p,q>，输出路径<m,n>→<m,r>→<p,r>→<p,q>，并将交换关系状态修改为已规划；
如果
则本次交换路径规划失败，将交换关系状态修改为冲突；
交换路径置换模块，用于对交换关系链表中节点状态为冲突的交换关系进行交换路径置换；
配置模块，用于根据最后获得的规划路径，生成对柔性转发处理器的配置信息。
6.根据权利要求5所述的一种子带交换路径规划系统，其特征在于，所述交换关系包括输入端口号m、输入子带编号n、输出端口号p和输出子带编号q；子带交换的规模为M个端口，每个端口包含N个子带；交换关系链表的最大深度为M×N，每个链表节点存储一个四元组<m,n,p,q>用以表示交换关系。
7.根据权利要求6所述的一种子带交换路径规划系统，其特征在于，所述交换路径置换的具体方法包括步骤如下：
(a)随机选取交换关系链表中的一个状态为冲突的链表节点，该节点对应的交换关系四元组为<m’,n’,p’,q’>；其中，m’表示冲突的链表节点的输入端口号，n’表示冲突的链表节点的输入子带编号，p’表示冲突的链表节点的输出端口号，q’表示冲突的链表节点的输出子带编号；
(b)生成取值为0或者1的随机数，根据随机数选取执行步骤：如果随机数的值为0，执行步骤(c)；如果随机数的值为1，执行步骤(f)；
(c)在中间节点组1的状态矩阵第m’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(d)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输出端口号为p’，且占用了中间节点组2的第p’行、第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点1设置为未占用；
(e)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p’行、第h列节点，建立交换关系<m’,n’,p’,q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(f)在中间节点组2矩阵第p’行中，寻找任意一个状态为未占用的节点，记录这个节点的列号，用h表示；
(g)在交换关系链表中，寻找状态为已规划并满足如下条件的链表节点：交换关系的输入端口号为m’，且占用了中间节点组1的第m’行，第h列的节点；将这个交换关系的状态设置为冲突，并将对应的中间节点2设置为未占用；
(h)利用中间节点组1第m’行、第h列节点和中间节点组2第p行、第h列节点，建立交换关系<m’,n’,p’,q’>，将这个交换关系状态设置为已规划，将这两个中间节点的状态设置为占用，执行步骤(i)；
(i)如果交换关系链表中没有状态为冲突的节点，则子带交换路径置换过程结束，否则执行步骤(a)。
8.根据权利要求7所述的一种子带交换路径规划系统，其特征在于，生成对柔性转发处理器的配置信息的步骤如下：
(8.1)对交换关系链表进行遍历，从链表头部开始，依次读取每一条状态为己规划的交换路径，假设这条路径对应的交换关系为<m,n,p,q>，所占用的中间节点分别为：m行r列中间节点1和p行r列的中间节点2，执行步骤(8.2)；
(8.2)向第一级时分交换单元增加配置信息<r,n>，向第二级空分交换单元增加配置信息<r,m,p>，向第三级时分交换单元增加配置信息<q,r>。
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