CN112671675B - 一种多级子带交换网络构建方法 - Google Patents

一种多级子带交换网络构建方法 Download PDF

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Abstract

一种多级子带交换网络构建方法，基于N个交换容量为W0的TST子带交换单元构建交换容量为NW0的子带交换网络，根据交换关系计算子带映射函数和子带逆映射函数，在子带交换之前首先进行子带映射，在子带交换之后再进行子带逆映射，从而利用多个小容量子带交换单元建立更大容量的TST子带交换网络。本发明针对子带交换规模进一步增加和单个TST子带交换单元容量有限的矛盾，给出了利用多个小容量TST子带交换单元构建大容量子带交换网络的方法，特别适用于对高通量卫星柔性转发载荷交换网络的设计和实现。

Description

一种多级子带交换网络构建方法
技术领域
本发明涉及一种多级子带交换网络构建方法，属于通信技术领域。
背景技术
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组合构成，交换级数至少为3级，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端口上N个子带之间的位置交换，等效于端口相同但频点不同的子带之间的频率变换；空分交换单元完成不同端口上相同子带之间的位置交换，等效于端口不同但频点相同的子带之间的端口交换。时分交换单元的交换容量为子带数量与每个子带的数据速率的积，假设每个子带的数据速率为B，时分交换单元的子带数量为K，则时分交换单元的交换容量W1＝KB，通常时分交换单元由一组乒乓存储器实现。因此单个存储器的带宽决定了时分交换单元的上限，即存储器的时钟频率为F，数据位宽为D，则存储器的带宽为W2＝FD，存储器的带宽W2需要超过子带数据的总带宽W1，即W2≥W1。对于一个具有M个端口的子带交换单元，其所能支持的最大子带数据吞吐量为WTotal＝MFD，对于具体的实现来说，端口数量M受限于其间的IO数量，工作频率F受限于器件的器件的速度，位宽D受限于器件的规模，因此对于超过WTotal的子带交换需求，是单个TST子带交换单元所无法实现的。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种多级子带交换网络构建方法。
本发明的技术解决方案是：
一种多级子带交换网络构建方法，包括步骤如下：
(1)定义所需构建的交换网络端口数量为M，每个端口包含K个子带，包括N个交换平面，每个交换平面包含一个端口数量为M，子带数量为
Figure BDA0002803696730000021
的小容量子带交换单元；
(2)为每一个交换输入端口定义子带映射函数，用于将交换输入端口的K个子带划分为N个子集，每个子集中的子带数量为
Figure BDA0002803696730000022
(3)利用N个交换平面，分别对来自M个交换输入端口的N个子集进行交换，其中N个交换平面与每个交换输入端口的N个子集一一对应；
(4)为每个交换输出端口定义子带逆映射函数，用于将发送到同一个交换输出端口的N个子集合成为K个子带，从而完成多级子带交换网络构建。
对于各交换输入端口子带划分后的N个子集，属于同一个子集的子带输入到同一个交换平面的同一个端口，且同一个交换平面的同一个端口输入的子带均来自于同一个交换输入端口的同一个子集。
所述子带映射函数，将同一个交换输入端口的K个子带划分为N个子集，每个子集中的子带数量为
Figure BDA0002803696730000023
且两个不同的子集之间的交集为空集，所有子集的并集为映射前子带集合。
所述步骤(2)的实现方法如下：
(2.1)对同一个交换输入端口的K个子带进行编号，分别用1、2、3......K表示；
(2.2)为每个交换输入端口定义子带映射函数FCM，
Figure BDA0002803696730000024
其中
Figure BDA0002803696730000025
为形成第i个子集的子带映射函数；
(2.3)对划分后的子集中
Figure BDA0002803696730000026
个子带进行编号，分别用
Figure BDA0002803696730000027
表示；
(2.4)对划分后的子集中的子带分别利用子带映射函数计算映射前的子带编号：第i个子集的第j个子带的映射前子带编号为
Figure BDA0002803696730000028
(2.5)根据上述步骤(2.4)计算结果，为每个子集分配子带，将来自同一个交换输入端口的K个子带划分为N个子集。
N个交换平面输出的相同交换输入端口的子带组成N个逆映射前子带集合，子带逆映射函数将这N个逆映射前子带集合合并为包含K个子带的输出子带集合。
所述步骤(4)的实现方法如下：
(4.1)对N个交换平面输出的第h个交换输入端口的子带进行编号，用<P，Q>二元组表示第P个逆映射前子带集合中的第Q个子带，其中1≤P≤N，
Figure BDA0002803696730000031
(4.2)对第h个交换输出端口逆映射之后的K个子带进行编号，分别用1、2、3......K表示；
(4.3)定义子带逆映射函数<P，Q>＝FIM(X)，1≤X≤K；
(4.4)对逆映射之后的子带进行遍历，利用子带逆映射函数FIM(X)计算出逆映射之后第X个子带对应的逆映射前子带集合编号P和集合中的子带编号Q；
(4.5)根据上述步骤(4.4)计算结果，完成对逆映射前子带集合的合并，将来自N个交换平面输出到同一个交换输出端口的子带
Figure BDA0002803696730000032
合成为K个子带。
子带映射函数
Figure BDA0002803696730000033
和子带逆映射函数FIM，具体步骤如下
(6.1)定义M行K列的子带映射矩阵AM×K和子带逆映射矩阵BM×K；
(6.2)将矩阵AM×K和BM×K的全部元素初始化为0，将所有子带交换关系标记为未完成；
(6.3)针对一个未完成映射计算的子带交换关系，(X1，Y1)→(X2，Y2)，从子带映射矩阵AM×K中选取第X1行AM×K(X1，：)，寻找第一个为不0的元素，记录列编号Z1；从子带逆映射矩阵BM×K中选取第X2行BM×K(X2，：)，如果列编号区间
Figure BDA0002803696730000034
内存在0元素，则记下第一个0元素的列编号Z2，并将该子带交换关系标记为完成，否则将该子带交换关系标记为失败；
(6.4)针对一个未完成映射计算的子带交换关系，(X1，Y1)→(X2，Y2)，从子带映射矩阵AM×K中选取第X1行AM×K(X1，：)，寻找全部不为0的元素，然后随机选取其中的一个，记录列编号Z1；从子带逆映射矩阵BM×K中选取第X2行BM×K(X2，：)，寻找所有不为0的元素，如果列编号区间
Figure BDA0002803696730000041
Figure BDA0002803696730000042
存在0元素，则记录列编号Z2，并将该子带交换关系标记为完成；否则，随机从
Figure BDA0002803696730000043
寻找一个1元素，记录列编号Z2，将Z2对应的子带交换关系(X3，Y3)→(X4，Y4)的状态设置为失败，将子带交换关系(X1，Y1)→(X2，Y2)状态设置为完成；
(6.5)对子带交换网络的所有子带交换关系进行遍历，如果存在状态为未完成的子带交换关系，则跳转到步骤(6.3)；如果存在状态为失败的子带交换关系，则跳转到步骤(6.4)；否则，跳转到步骤(6.6)；
(6.6)针对每个状态为已完成的子带交换关系，其对应的子带映射函数值为
Figure BDA0002803696730000044
(6.7)针对每个状态为已完成的子带交换关系，其对应的子带逆映射函数值为
Figure BDA0002803696730000045
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大规模子带交换网络的构建问题，给出了一种基于N个交换容量为W0的TST子带交换单元构建交换容量为NW0的子带交换的方法。当受限于卫星载荷器件规模和功耗所限，无法采用单个交换单元实现全部交换容量时，本发明给出了一种可行的替代方案；
(2)本发明可以利用现有成熟的小规模子带交换单元构建更大规模的子带交换网络，能够利用现有的成熟小规模交换单元成果，缩短研制进度；
(3)本发明可以利用现有成熟的小规模子带交换单元构建更大规模的子带交换网络，能够分散热耗，提升载荷的热设计指标，降低载荷的重量，增强工程化相关能力。
附图说明
图1为多平面子带交换示意图；
图2为子带映射函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步介绍。
针对子带交换规模进一步增加和单个TST子带交换容量有限的矛盾，本发明提出一种基于N个交换容量为W0的TST子带交换单元构建交换容量为NW0的子带交换的方法。
具体地，一种多级子带交换网络构建方法，包括步骤如下：
(1)定义所需构建的交换网络端口数量为M，每个端口包含K个子带，包括N个交换平面，每个交换平面包含一个端口数量为M，子带数量为
Figure BDA0002803696730000051
的小容量子带交换单元。
(2)为每一个交换输入端口定义子带映射函数，用于将交换输入端口的K个子带划分为N个子集，每个子集中的子带数量为
Figure BDA0002803696730000052
子带映射函数，将同一个交换输入端口的K个子带划分为N个子集，每个子集中的子带数量为
Figure BDA0002803696730000053
且两个不同的子集之间的交集为空集，所有子集的并集为映射前子带集合。
以第h个交换输入端口为例，其具体实现方法如下：
(2.1)对第h个交换输入端口的K个子带进行编号，分别用1、2、3......K表示；
(2.2)为第h个交换输入端口定义子带映射函数FCM，
Figure BDA0002803696730000054
其中
Figure BDA0002803696730000055
为形成第i个子集的子带映射函数；
(2.3)对划分后的子集中
Figure BDA0002803696730000061
个子带进行编号，分别用
Figure BDA0002803696730000062
表示；
(2.4)对划分后的子集中的子带分别利用子带映射函数计算映射前的子带编号：第i个子集的第j个子带的映射前子带编号为
Figure BDA0002803696730000063
(2.5)根据上述步骤(2.4)计算结果，为每个子集分配子带，将来自第h个交换输入端口的K个子带划分为N个子集。
子带映射函数示意图如图2所示。
(3)利用N个交换平面，分别对来自M个交换输入端口的N个子集进行交换，其中N个交换平面与每个交换输入端口的N个子集一一对应。
对于各交换输入端口子带划分后的N个子集，属于同一个子集的子带输入到同一个交换平面的同一个端口，且同一个交换平面的同一个端口输入的子带均来自于同一个交换输入端口的同一个子集。
(4)为每个交换输出端口定义子带逆映射函数，用于将发送到同一个交换输出端口的N个子集合成为K个子带，从而完成多级子带交换网络构建。
N个交换平面输出的相同交换输入端口的子带组成N个逆映射前子带集合，子带逆映射函数将这N个逆映射前子带集合合并为包含K个子带的输出子带集合。
实现方法如下：
(4.1)对N个交换平面输出的第h个交换输入端口的子带进行编号，用<P，Q>二元组表示第P个逆映射前子带集合中的第Q个子带，其中1≤P≤N，
Figure BDA0002803696730000064
(4.2)对第h个交换输出端口逆映射之后的K个子带进行编号，分别用1、2、3......K表示；
(4.3)定义子带逆映射函数<P，Q>＝FIM(X)，1≤X≤K；
(4.4)对逆映射之后的子带进行遍历，利用子带逆映射函数FIM(X)计算出逆映射之后第X个子带对应的逆映射前子带集合编号P和集合中的子带编号Q；
(4.5)根据上述步骤(4.4)计算结果，完成对逆映射前子带集合的合并，将来自N个交换平面输出到同一个交换输出端口的子带
Figure BDA0002803696730000071
合成为K个子带。
图1为多平面子带交换示意图。
子带映射函数
Figure BDA0002803696730000072
和子带逆映射函数FIM，具体步骤如下
(6.1)定义M行K列的子带映射矩阵AM×K和子带逆映射矩阵BM×K；
(6.2)将矩阵AM×K和BM×K的全部元素初始化为0，将所有子带交换关系标记为未完成；
(6.3)针对一个未完成映射计算的子带交换关系，(X1，Y1)→(X2，Y2)，从子带映射矩阵AM×K中选取第X1行AM×K(X1，：)，寻找第一个为不0的元素，记录列编号Z1；从子带逆映射矩阵BM×K中选取第X2行BM×K(X2，：)，如果列编号区间
Figure BDA0002803696730000073
内存在0元素，则记下第一个0元素的列编号Z2，并将该子带交换关系标记为完成，否则将该子带交换关系标记为失败；
(6.4)针对一个未完成映射计算的子带交换关系，(X1，Y1)→(X2，Y2)，从子带映射矩阵AM×K中选取第X1行AM×K(X1，：)，寻找全部不为0的元素，然后随机选取其中的一个，记录列编号Z1；从子带逆映射矩阵BM×K中选取第X2行BM×K(X2，：)，寻找所有不为0的元素，如果列编号区间
Figure BDA0002803696730000074
存在0元素，则记录列编号Z2，并将该子带交换关系标记为完成；否则，随机从
Figure BDA0002803696730000075
寻找一个1元素，记录列编号Z2，将Z2对应的子带交换关系(X3，Y3)→(X4，Y4)的状态设置为失败，将子带交换关系(X1，Y1)→(X2，Y2)状态设置为完成；
(6.5)对子带交换网络的所有子带交换关系进行遍历，如果存在状态为未完成的子带交换关系，则跳转到步骤(6.3)；如果存在状态为失败的子带交换关系，则跳转到步骤(6.4)；否则，跳转到步骤(6.6)；
(6.6)针对每个状态为已完成的子带交换关系，其对应的子带映射函数值为
Figure BDA0002803696730000081
(6.7)针对每个状态为已完成的子带交换关系，其对应的子带逆映射函数值为
Figure BDA0002803696730000082
实施例：
假设子带交换网络的交换规模为2个端口(M＝2)，每个端口4个子带(K＝4)，由2个交换规模为2端口，每端口2个子带的交换单元构成。
交换关系如下表所示
序号 源端口号 源子带号 目的端口号 目的子带号
1 1 1 2 4
2 1 2 2 3
3 1 3 2 2
4 1 4 2 1
5 2 1 1 4
6 2 2 1 3
7 2 3 1 2
8 2 4 1 1
对于交换输入端口1的子带集合{1,2,3,4}，计算子映射函数，划分为2个子集，计算子带映射函数
Figure BDA0002803696730000083
映射后子带编号 1 2
映射前子带编号 4 3
Figure BDA0002803696730000091
映射后子带编号 1 2
映射前子带编号 2 1
得出划分后的子集如下
子集1：{4,3}，子集2：{2,1}
对于交换输入端口2的子带集合{1,2,3,4}，计算子映射函数，如下
Figure BDA0002803696730000092
映射后子带编号 1 2
映射前子带编号 4 3
Figure BDA0002803696730000093
映射后子带编号 1 2
映射前子带编号 2 1
划分为2个子集，子集1：{4,3}，子集2：{2,1}
对于交换输出端口1的子带集合，计算逆映射函数
FIM
逆映射后子带编号 1 2 3 4
逆映射前子带编号 <2,2> <2,1> <1,2> <1,1>
得到逆映射之后的子带集合为{1,2,3,4}
对于交换输出端口2的子带集合，计算逆映射函数
FIM
Figure BDA0002803696730000094
Figure BDA0002803696730000101
得到逆映射之后的子带集合为{1,2,3,4}。
通过上述示例可以看出，本发明通过求解映射和逆映射函数，将大规模子带交换网络分解为若干个小规模的子带交换网络，更有利于提升卫星载荷的工程化指标。
本发明提出了小规模子带交换单元构建更大规模子带交换的一种方法，解决了子带交换规模进一步增加和单个子带交换单元容量有限的矛盾，将一个大规模子带交换网络拆分为多个小规模的子带交换单元，一方面能够利用现有的成熟小规模交换单元成果，缩短研制进度；另一方面能够分散热耗，提升载荷的热设计指标，降低载荷的重量，增强工程化相关能力。
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 (5)

1.一种多级子带交换网络构建方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)定义所需构建的交换网络端口数量为M，每个端口包含K个子带，交换网络包括N个交换平面，每个交换平面包含一个端口数量为M，子带数量为
Figure FDA0003872726490000011
的小容量子带交换单元；
(2)为每一个交换输入端口定义子带映射函数，用于将交换输入端口的K个子带划分为N个子集，每个子集中的子带数量为
Figure FDA0003872726490000012
对于各交换输入端口子带划分后的N个子集，属于同一个子集的子带输入到同一个交换平面的同一个端口，且同一个交换平面的同一个端口输入的子带均来自于同一个交换输入端口的同一个子集；
所述子带映射函数，将同一个交换输入端口的K个子带划分为N个子集，每个子集中的子带数量为
Figure FDA0003872726490000013
且两个不同的子集之间的交集为空集，所有子集的并集为映射前子带集合；
(3)利用N个交换平面，分别对来自M个交换输入端口的N个子集进行交换，其中N个交换平面与每个交换输入端口的N个子集一一对应；
(4)为每个交换输出端口定义子带逆映射函数，用于将发送到同一个交换输出端口的N个子集合成为K个子带，从而完成多级子带交换网络构建。
2.根据权利要求1所述的一种多级子带交换网络构建方法，其特征在于，所述步骤(2)的实现方法如下：
(2.1)对同一个交换输入端口的K个子带进行编号，分别用1、2、3……K表示；
(2.2)为每个交换输入端口定义子带映射函数FCM，
Figure FDA0003872726490000014
其中
Figure FDA0003872726490000015
为形成第i个子集的子带映射函数；
(2.3)对划分后的子集中
Figure FDA0003872726490000016
个子带进行编号，分别用1、2、3……
Figure FDA0003872726490000017
表示；
(2.4)对划分后的子集中的子带分别利用子带映射函数计算映射前的子带编号：第i个子集的第j个子带的映射前子带编号为
Figure FDA0003872726490000021
(2.5)根据上述步骤(2.4)计算结果，为每个子集分配子带，将来自同一个交换输入端口的K个子带划分为N个子集。
3.根据权利要求1所述的一种多级子带交换网络构建方法，其特征在于，N个交换平面输出的相同交换输入端口的子带组成N个逆映射前子带集合，子带逆映射函数将这N个逆映射前子带集合合并为包含K个子带的输出子带集合。
4.根据权利要求3所述的一种多级子带交换网络构建方法，其特征在于，所述步骤(4)的实现方法如下：
(4.1)对N个交换平面输出的第h个交换输入端口的子带进行编号，用<P,Q>二元组表示第P个逆映射前子带集合中的第Q个子带，其中1≤P≤N，
Figure FDA0003872726490000022
(4.2)对第h个交换输出端口逆映射之后的K个子带进行编号，分别用1、2、3……K表示；
(4.3)定义子带逆映射函数<P,Q>＝FIM(X),1≤X≤K；
(4.4)对逆映射之后的子带进行遍历，利用子带逆映射函数FIM(X)计算出逆映射之后第X个子带对应的逆映射前子带集合编号P和集合中的子带编号Q；
(4.5)根据上述步骤(4.4)计算结果，完成对逆映射前子带集合的合并，将来自N个交换平面输出到同一个交换输出端口的子带
Figure FDA0003872726490000023
合成为K个子带。
5.根据权利要求1所述的一种多级子带交换网络构建方法，其特征在于，子带映射函数
Figure FDA0003872726490000024
和子带逆映射函数FIM，具体步骤如下
(6.1)定义M行K列的子带映射矩阵AM×K和子带逆映射矩阵BM×K；
(6.2)将矩阵AM×K和BM×K的全部元素初始化为0，将所有子带交换关系标记为未完成；
(6.3)针对一个未完成映射计算的子带交换关系，(X1,Y1)→(X2,Y2)，从子带映射矩阵AM×K中选取第X1行AM×K(X1,:)，寻找第一个为不0的元素，记录列编号Z1；从子带逆映射矩阵BM×K中选取第X2行BM×K(X2,:)，如果列编号区间
Figure FDA0003872726490000031
内存在0元素，则记下第一个0元素的列编号Z2，并将该子带交换关系标记为完成，否则将该子带交换关系标记为失败；
(6.4)针对一个未完成映射计算的子带交换关系，(X1,Y1)→(X2,Y2)，从子带映射矩阵AM×K中选取第X1行AM×K(X1,:)，寻找全部不为0的元素，然后随机选取其中的一个，记录列编号Z1；从子带逆映射矩阵BM×K中选取第X2行BM×K(X2,:)，寻找所有不为0的元素，如果列编号区间
Figure FDA0003872726490000032
Figure FDA0003872726490000033
存在0元素，则记录列编号Z2，并将该子带交换关系标记为完成；否则，随机从
Figure FDA0003872726490000034
寻找一个1元素，记录列编号Z2，将Z2对应的子带交换关系(X3,Y3)→(X4,Y4)的状态设置为失败，将子带交换关系(X1,Y1)→(X2,Y2)状态设置为完成；
(6.5)对子带交换网络的所有子带交换关系进行遍历，如果存在状态为未完成的子带交换关系，则跳转到步骤(6.3)；如果存在状态为失败的子带交换关系，则跳转到步骤(6.4)；否则，跳转到步骤(6.6)；
(6.6)针对每个状态为已完成的子带交换关系，其对应的子带映射函数值为
Figure FDA0003872726490000035
(6.7)针对每个状态为已完成的子带交换关系，其对应的子带逆映射函数值为
Figure FDA0003872726490000036
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