CN114185825B - 一种基于多业务工作模式的架构统型系统 - Google Patents

一种基于多业务工作模式的架构统型系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多业务工作模式的架构统型系统，包括物理层处理单元、Hail处理及切换单元、流程结束及异常处理单元、状态恢复及开关调度单元、自动重传处理单元和协议主控单元。采用本发明实现了将CCSDS Proximity‑1协议要求的各项功能从并行处理和串行处理的维度进行拆分，对并行处理部分按照处理的相似程度进行融合设计，形成通用的FPGA内部流式处理单元，即物理层处理单元、Hail处理及切换单元、流程结束及异常处理单元、状态恢复及开关调度单元和自动重传处理单元，对串行处理的部分则合并至协议主控单元，采用基于状态基的处理方法进行灵活控制，解决了传统协议实现方法中各模式独立设计，资源消耗大的问题，最大限度的支撑了深空型号小型化及低功耗的发展要求。

Description

一种基于多业务工作模式的架构统型系统
技术领域
本发明涉及一种基于多业务工作模式的架构统型系统，属于深空探测中继通信领域。
背景技术
在火星探测等深空探测活动中，达到其入轨的燃料消耗远大于一般LEO和MEO卫星，比如地月转移轨道相较于LEO轨道，运输相同重量的载荷所消耗的燃料是20倍的关系，地火转移轨道相较于LEO轨道，运输相同重量的载荷所消耗的燃料是接近30倍的关系，因此对产品的重量及功耗提出了极为严苛的要求。同时，由于通信距离远，地面的遥控指令有较大时延，而且因为和地球可见弧段时间有限，不能实时控制，因此主要依靠多探测器之间的自主通信，从而对通信协议的自主性、自适应性、智能性、兼容多工作模式等提出了极高的要求，大大增加了通信协议的复杂度。这就对在深空探测任务要求的重量及功耗包络范围内，从架构层面对通信协议的集成化及统型化设计提出了更高的要求。目前尚未见相关报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其将CCSDS Proximity-1协议全双工、半双工和单工模式各功能从并行处理和串行处理的维度进行拆分，对并行处理部分按照处理的相似程度进行融合设计，形成通用的FPGA内部流式处理单元，对串行处理的部分则合并至协议主控单元，采用基于状态基的处理方法进行灵活控制，解决了传统协议实现方法中各模式独立设计，资源消耗大的问题，最大限度的支撑了深空型号小型化及低功耗的发展要求。
本发明的技术解决方案为：
一种基于多业务工作模式的架构统型系统，包括：收发信机A和收发信机B，收发信机A包括：物理层处理单元A、Hail处理及切换单元A、流程结束及异常处理单元A、状态恢复及开关调度单元A、自动重传处理单元A和协议主控单元A；收发信机B包括：物理层处理单元B、Hail处理及切换单元B、流程结束及异常处理单元B、状态恢复及开关调度单元B、自动重传处理单元B和协议主控单元B；
在收发信机A中，协议主控单元A从外部接收有效帧并缓存后，向Hail处理及切换单元A发送Hail启动指令，Hail处理及切换单元A接收到Hail启动指令后首先通过控制信号将物理层处理单元A配置为信道1、发射和接收速率均为1kbps，其次生成Thail秒单载波、Nhail字节空闲序列、1个Hail控制SPDU和NTail字节尾序列，并通过业务信号将上述数据发送至物理层处理单元A，物理层处理单元A将接收到的数据调制至射频信号后发送至收发信机B的物理层处理单元B；
在收发信机B中，物理层处理单元B将接收到的信号解调后，抽取出Hail控制SPDU输出至Hail处理及切换单元B，Hail处理及切换单元B随即解析出业务信道的频点、发射速率及编码方式、接收速率及编码方式，并发送至协议主控单元B，协议主控单元B响应后首先通过控制信号将物理层处理单元B的发射配置为信道1、1kbps、编码，将物理层处理单元B的接收配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，其次向Hail处理及切换单元B发送Hail响应指令，Hail处理及切换单元B接收到Hail响应指令后生成循环往复的PLCW，并通过业务信号发送至物理层处理单元B，物理层处理单元B将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机A的物理层处理单元A；
在收发信机A中，物理层处理单元A将接收到的信号解调后，抽取出一帧PLCW输出至Hail处理及切换单元A，Hail处理及切换单元A确认接收正确后向协议主控单元A输出Hail响应成功指示，协议主控单元A随即通过控制信号将物理层处理单元A的发射和接收配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，并将缓存的外部有效帧输出至自动重传处理单元A，自动重传处理单元A随后将接收到的数据帧按照Go-Back-N传输机制的要求进行排列并依次通过业务信号发送至物理层处理单元A，物理层处理单元A将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机B的物理层处理单元B；
在收发信机B中，物理层处理单元B载波锁定、位同步锁定并接收到有效帧后，向协议主控单元B输出通信建立成功指示，协议主控单元B随即通过控制信号将物理层处理单元的发射配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，并将缓存的外部有效帧输出至自动重传处理单元B，自动重传处理单元B将接收到的数据帧按照Go-Back-N传输机制的要求发送至物理层处理单元B的同时，会接收物理层处理单元B输出的源自收发信机A的有效帧，并提取出连续接收数据帧的最大帧号，填写至PLCW帧中的相应帧号位置，并发送至物理层处理单元B，物理层处理单元B将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机A的物理层处理单元A；
在收发信机A中，物理层处理单元A将接收到的信号解调后，将接收到的有效帧和PLCW输出至自动重传处理单元A，自动重传处理单元A提取出PLCW中的帧号，并将有效帧帧号小于等于所提取PLCW帧号的数据帧从缓存中移除，同时向协议主控单元A输出要数指示及其数量，协议主控单元A响应后会输出相应数量的数据帧至自动重传处理单元A；当协议主控单元A接收到外部启动半双工模式的控制信号后，向状态恢复及开关调度单元A发送半双工启动指令，状态恢复及开关调度单元A接收到指令后会生成Token帧，并输出至物理层处理单元A，待确认Token帧已经调制至射信号并发送至收发信机B后，通过控制信号将物理层处理单元A的发射关闭；
收发信机B的物理层处理单元B将接收到的信号解调后，输出Token帧至状态恢复及开关调度单元B，状态恢复及开关调度单元B随即提取Token帧中的时间信息，并开始计时，计时完毕后生成Token帧，并输出至物理层处理单元B，待确认Token帧已经调制至射频信号并发送至收发信机A后，通过控制信号将物理层处理单元B的发射关闭；
当收发信机A协议主控单元A接收到外部有效帧发送完毕的控制信号后，向流程结束及异常处理单元A发送数据帧完结指令，流程结束及异常处理单元A接收到数据帧完结指令后会生成LNMD帧，并输出至物理层处理单元A，并向物理层处理单元A持续发送空闲序列；物理层处理单元A将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机B的物理层处理单元B；
收发信机B的物理层处理单元B将接收到的信号解调后，输出LNMD帧至流程结束及异常处理单元B，当流程结束及异常处理单元B接收到数据帧完结指令后，会生成RNMD帧，并输出至物理层处理单元B，待确认RNMD帧已经调制至射频信号并发送至收发信机A后，通过控制信号将物理层处理单元B的发射和接收关闭；
收发信机A的物理层处理单元A将接收到的信号解调后，输出RNMD帧至流程结束及异常处理单元A，流程结束及异常处理单元A确认帧有效后随即将物理层处理单元A的发射和接收关闭。
Thail秒单载波，用于收发信机B物理层处理单元B的载波同步。
Nhail字节空闲序列，用于收发信机B物理层处理单元B的位同步。
1个Hail控制SPDU，具体为Supervisory Protocol Data Unit，用于告知对方收发信机业务信道的频点、发射速率及编码方式、接收速率及编码方式。
NTail字节尾序列，用于确保收发信机B物理层处理单元B准确得到Hail控制SPDU的译码结果。
循环往复的PLCW，具体为一直循环且帧号为0的Proximity Link Control Word，用于确保对方收发信机可以接收到Hail响应信号。
Go-Back-N传输机制，具体如下：
收发信机A自动重传处理单元A首先从协议主控单元A接收NARQ帧，其数值和Go-Back-N的传输窗口的长度相等，随后按照次序依次进行发送，当发送帧号到达窗口的上限后随即返回至窗口下限位置。
Token帧，用于告知对方收发信机半双工通信的时间。
LNMD帧，用于告知对方收发信机本地数据帧已发送完毕。
RNMD帧，用于告知对方收发信机通信流程结束。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)将通信协议各项功能从顶层架构上按照并行处理和串行处理的维度进行拆分，打破了各项独立功能的边界，减少了资源的消耗并提升了处理的灵活性，能够满足深空探测任务要求的重量及功耗包络范围要求。
(2)将各并行处理逻辑按照处理的相似程度进行融合设计，形成通用的FPGA(Field-Programmable Gate Array)内部流式处理单元，即物理层处理单元、Hail处理及切换单元、流程结束及异常处理单元、状态恢复及开关调度单元和自动重传处理单元，保证了资源配置最优。
(3)将串行处理逻辑合并至协议主控单元，采用基于状态基的处理方法进行灵活控制，可实现对不同模式的灵活切换，进一步降低了控制调度开销。
(4)将全双工ARQ处理算法和半双工ARQ处理算法集成至自动重传处理单元，实现了资源的极大复用，并提升了通信吞吐率。
(5)本发明可应用在以月球、火星为代表的深空探测中，体现了深空探测任务中系统最优、资源最优的设计理念。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种基于多业务工作模式的架构统型系统，实现了将CCSDS Proximity-1协议要求的各项功能从并行处理和串行处理的维度进行拆分，对并行处理部分按照处理的相似程度进行融合设计，形成通用的FPGA内部流式处理单元，即物理层处理单元、Hail处理及切换单元、流程结束及异常处理单元、状态恢复及开关调度单元和自动重传处理单元，对串行处理的部分则合并至协议主控单元，采用基于状态基的处理方法进行灵活控制，相较于各功能模式独立设计的传统方法，极大的降低了资源，体现了深空探测任务中系统最优、资源最优的设计理念。
如图1所示，一种基于多业务工作模式的架构统型系统，包括：收发信机A和收发信机B，每个收发信机包括：物理层处理单元、Hail处理及切换单元、流程结束及异常处理单元、状态恢复及开关调度单元、自动重传处理单元和协议主控单元。
收发信机A的协议主控单元A从外部接收有效帧并缓存后，向Hail处理及切换单元A发送Hail启动指令，Hail处理及切换单元A接收到指令后首先通过控制信号将物理层处理单元A配置为信道1，发射和接收速率均为1kbps，其次生成Thail秒单载波、Nhail字节空闲序列、1个Hail控制SPDU和NTail字节尾序列，并通过业务信号发送至物理层处理单元A，物理层处理单元A将接收到的数据经调制至射频后发送至收发信机B。
其中，Thail秒单载波和Nhail字节空闲序列的功能是便于对方收发信机的载波同步和位同步，Hail控制SPDU(Supervisory Protocol Data Unit)主要用于告知对方收发信机业务信道的频点、发射速率及编码方式、接收速率及编码方式，NTail字节尾序列是为了确保对方收发信机可以准确得到Hail控制SPDU的译码结果。
收发信机B的物理层处理单元B将接收到的信号解调后，抽取出Hail控制SPDU输出至Hail处理及切换单元B，Hail处理及切换单元B随即解析出业务信道的频点、发射速率及编码方式、接收速率及编码方式，并发送至协议主控单元B，协议主控单元B响应后首先通过控制信号将物理层处理单元B的发射配置为信道1、1kbps、编码，将接收配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，其次向Hail处理及切换单元B发送Hail响应指令，Hail处理及切换单元B接收到指令后生成循环往复的PLCW，即帧号为0的Proximity LinkControl Word帧，并通过业务信号发送至物理层处理单元B，物理层处理单元B将接收到的数据经调制至射频后发送至收发信机A。
收发信机A的物理层处理单元A将接收到的信号解调后，抽取出一帧PLCW输出至Hail处理及切换单元A，Hail处理及切换单元A确认接收正确后向协议主控单元A输出Hail响应成功指示，协议主控单元A随即通过控制信号将物理层处理单元A的发射和接收配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，并将缓存的外部有效帧输出至自动重传处理单元A，自动重传处理单元A随后将接收到的数据帧按照Go-Back-N传输机制的要求进行排列并依次通过业务信号发送至物理层处理单元A，经调制至射频后发送至收发信机B。
比如：收发信机A自动重传处理单元A首先从协议主控单元A接收NARQ帧，其数值和Go-Back-N的传输窗口的长度相等，随后按照次序依次进行发送，当发送帧号到达窗口的上限后随即返回至窗口下限位置。
收发信机B的物理层处理单元B载波锁定、位同步锁定并接收到有效帧后，向协议主控单元B输出通信建立成功指示，协议主控单元B随即通过控制信号将物理层处理单元B的发射配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，并将缓存的外部有效帧输出至自动重传处理单元B，自动重传处理单元B将接收到的数据帧按照Go-Back-N传输机制的要求发送至物理层处理单元B的同时，会接收物理层处理单元B输出的源自收发信机A的有效帧，并提取出连续接收数据帧的最大帧号，填写至PLCW帧中的相应帧号位置，并发送至物理层处理单元B，物理层处理单元B将接收到的数据经调制至射频后发送至收发信机A。
收发信机A的物理层处理单元A将接收到的信号解调后，将接收到的有效帧和PLCW输出至自动重传处理单元A，自动重传处理单元A提取出PLCW中的帧号，并将编号小于等于所提取PLCW帧号的数据帧从缓存中移除，同时向协议主控单元A输出要数指示及其数量，协议主控单元A响应后会输出相应数量的数据帧至自动重传处理单元A。
当收发信机A协议主控单元A接收到外部启动半双工模式的控制信号后，向状态恢复及开关调度单元A发送半双工启动指令，状态恢复及开关调度单元A接收到指令后会生成Token帧，其用于告知对方收发信机半双工通信的时间，并输出至物理层处理单元A，待确认Token帧已经调制至射频并发送至收发信机B后，通过控制信号将物理层处理单元A的发射关闭。收发信机B的物理层处理单元B将接收到的信号解调后，输出Token帧至状态恢复及开关调度单元B，状态恢复及开关调度单元B随即提取Token帧中的时间信息，并开始计时，计时完毕后生成Token帧，并输出至物理层处理单元B，待确认Token帧已经调制至射频并发送至收发信机A后，通过控制信号将物理层处理单元B的发射关闭。
当收发信机A协议主控单元A接收到外部有效帧发送完毕的控制信号后，向流程结束及异常处理单元A发送数据帧完结指令，流程结束及异常处理单元A接收到指令后会生成LNMD(Local No More Data)帧，其用于告知对方收发信机本地数据帧已发送完毕，并输出至物理层处理单元A，并向物理层处理单元A持续发送空闲序列。物理层处理单元A将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机B的物理层处理单元B；收发信机B的物理层处理单元B将接收到的信号解调后，输出LNMD帧至流程结束及异常处理单元B，当流程结束及异常处理单元B接收到数据帧完结指令后，会生成RNMD(Remote No More Data)帧，其用于告知对方收发信机通信流程可结束，并输出至物理层处理单元B，待确认RNMD帧已经调制至射频并发送至收发信机A后，通过控制信号将物理层处理单元B的发射和接收关闭。收发信机A的物理层处理单元A将接收到的信号解调后，输出RNMD帧至流程结束及异常处理单元A，流程结束及异常处理单元A确认帧有效后随即将物理层处理单元A的发射和接收关闭。
本发明在火星着陆巡视器测控数传分系统UHF频段收发信机上经过了实现与验证，仅通过1片VIRTEX4，实现了CCSDS Proximity-1全双工/半双工/单工通信模式的全部功能性能，在轨表现良好，其中协议主控单元的资源仅为5％ALMs,6％DSP和8％RAM，其他单元的资源总和仅为53％ALMs，56％DSP和58％ RAM，极大的节约了资源。
本发明复杂度低，实现灵活，可以广泛的应用在以月球、火星为代表的深空探测中，为以后功率、重量等资源受限条件下月球及火星中继通信的建立提供强有力的技术支持，有着很好的技术价值和经济价值。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于包括：收发信机A和收发信机B，收发信机A包括：物理层处理单元A、Hail处理及切换单元A、流程结束及异常处理单元A、状态恢复及开关调度单元A、自动重传处理单元A和协议主控单元A；收发信机B包括：物理层处理单元B、Hail处理及切换单元B、流程结束及异常处理单元B、状态恢复及开关调度单元B、自动重传处理单元B和协议主控单元B；
在收发信机A中，协议主控单元A从外部接收有效帧并缓存后，向Hail处理及切换单元A发送Hail启动指令，Hail处理及切换单元A接收到Hail启动指令后首先通过控制信号将物理层处理单元A配置为信道1、发射和接收速率均为1kbps，其次生成Thail秒单载波、Nhail字节空闲序列、1个Hail控制SPDU和NTail字节尾序列，并通过业务信号将上述数据发送至物理层处理单元A，物理层处理单元A将接收到的数据调制至射频信号后发送至收发信机B的物理层处理单元B；
在收发信机B中，物理层处理单元B将接收到的信号解调后，抽取出Hail控制SPDU输出至Hail处理及切换单元B，Hail处理及切换单元B随即解析出业务信道的频点、发射速率及编码方式、接收速率及编码方式，并发送至协议主控单元B，协议主控单元B响应后首先通过控制信号将物理层处理单元B的发射配置为信道1、1kbps、编码，将物理层处理单元B的接收配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，其次向Hail处理及切换单元B发送Hail响应指令，Hail处理及切换单元B接收到Hail响应指令后生成循环往复的PLCW，并通过业务信号发送至物理层处理单元B，物理层处理单元B将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机A的物理层处理单元A；
在收发信机A中，物理层处理单元A将接收到的信号解调后，抽取出一帧PLCW输出至Hail处理及切换单元A，Hail处理及切换单元A确认接收正确后向协议主控单元A输出Hail响应成功指示，协议主控单元A随即通过控制信号将物理层处理单元A的发射和接收配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，并将缓存的外部有效帧输出至自动重传处理单元A，自动重传处理单元A随后将接收到的数据帧按照Go-Back-N传输机制的要求进行排列并依次通过业务信号发送至物理层处理单元A，物理层处理单元A将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机B的物理层处理单元B；
在收发信机B中，物理层处理单元B载波锁定、位同步锁定并接收到有效帧后，向协议主控单元B输出通信建立成功指示，协议主控单元B随即通过控制信号将物理层处理单元的发射配置为Hail控制SPDU要求的信道、速率及编码方式，并将缓存的外部有效帧输出至自动重传处理单元B，自动重传处理单元B将接收到的数据帧按照Go-Back-N传输机制的要求发送至物理层处理单元B的同时，会接收物理层处理单元B输出的源自收发信机A的有效帧，并提取出连续接收数据帧的最大帧号，填写至PLCW帧中的相应帧号位置，并发送至物理层处理单元B，物理层处理单元B将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机A的物理层处理单元A；
在收发信机A中，物理层处理单元A将接收到的信号解调后，将接收到的有效帧和PLCW输出至自动重传处理单元A，自动重传处理单元A提取出PLCW中的帧号，并将有效帧帧号小于等于所提取PLCW帧号的数据帧从缓存中移除，同时向协议主控单元A输出要数指示及其数量，协议主控单元A响应后会输出相应数量的数据帧至自动重传处理单元A；当协议主控单元A接收到外部启动半双工模式的控制信号后，向状态恢复及开关调度单元A发送半双工启动指令，状态恢复及开关调度单元A接收到指令后会生成Token帧，并输出至物理层处理单元A，待确认Token帧已经调制至射信号并发送至收发信机B后，通过控制信号将物理层处理单元A的发射关闭；
收发信机B的物理层处理单元B将接收到的信号解调后，输出Token帧至状态恢复及开关调度单元B，状态恢复及开关调度单元B随即提取Token帧中的时间信息，并开始计时，计时完毕后生成Token帧，并输出至物理层处理单元B，待确认Token帧已经调制至射频信号并发送至收发信机A后，通过控制信号将物理层处理单元B的发射关闭；
当收发信机A协议主控单元A接收到外部有效帧发送完毕的控制信号后，向流程结束及异常处理单元A发送数据帧完结指令，流程结束及异常处理单元A接收到数据帧完结指令后会生成LNMD帧，并输出至物理层处理单元A，并向物理层处理单元A持续发送空闲序列；物理层处理单元A将接收到的数据经调制至射频信号后发送至收发信机B的物理层处理单元B；
收发信机B的物理层处理单元B将接收到的信号解调后，输出LNMD帧至流程结束及异常处理单元B，当流程结束及异常处理单元B接收到数据帧完结指令后，会生成RNMD帧，并输出至物理层处理单元B，待确认RNMD帧已经调制至射频信号并发送至收发信机A后，通过控制信号将物理层处理单元B的发射和接收关闭；
收发信机A的物理层处理单元A将接收到的信号解调后，输出RNMD帧至流程结束及异常处理单元A，流程结束及异常处理单元A确认帧有效后随即将物理层处理单元A的发射和接收关闭；
其中，PLCW具体为一直循环且帧号为0的Proximity Link Control Word，SPDU具体为Supervisory Protocol Data Unit。
2.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：Thail秒单载波，用于收发信机B物理层处理单元B的载波同步。
3.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：Nhail字节空闲序列，用于收发信机B物理层处理单元B的位同步。
4.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：1个Hail控制SPDU，用于告知对方收发信机业务信道的频点、发射速率及编码方式、接收速率及编码方式。
5.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：NTail字节尾序列，用于确保收发信机B物理层处理单元B准确得到Hail控制SPDU的译码结果。
6.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：循环往复的PLCW，用于确保对方收发信机可以接收到Hail响应信号。
7.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：Go-Back-N传输机制，具体如下：
收发信机A自动重传处理单元A首先从协议主控单元A接收NARQ帧，其数值和Go-Back-N的传输窗口的长度相等，随后按照次序依次进行发送，当发送帧号到达窗口的上限后随即返回至窗口下限位置。
8.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：Token帧，用于告知对方收发信机半双工通信的时间。
9.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：LNMD帧，用于告知对方收发信机本地数据帧已发送完毕。
10.根据权利要求1所述一种基于多业务工作模式的架构统型系统，其特征在于：RNMD帧，用于告知对方收发信机通信流程结束。
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