CN114614877B - 基于tdm/tdma体制的卫星通信数据封装系统及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装系统及其封装方法，旨在增加软件上位机的利用率，提高卫星通信中传输较短PDU数据的可靠性。该实现方法在物理层实现，主要由：与上位机接口模块、RAM模块、GSE封装模块、GSE解封模块、CRC32校验模块组成。CRC32的校验可在FPGA内进行，与数据的封装同时完成，并通过GSE传输帧与上位机交互，减少了上位机的时间占用，提高上位机的效率。此外，对于完整的GSE包也采用CRC32校验，提高了较短IP数据传输的可靠性。

Description

基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装系统及其封装方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装方法。
背景技术
在卫星通信中，前向TDM发出的是遵循国际标准的DVB格式的载波。在DVB-S2的标准中，基于高效传输IP数据的目的，采用了GSE(Generic Stream Encapsulation)封装，其中将数据长度小于当前基带帧长度的数据协议单元(PDU)可以封装在一个完整的GS包中，将长度大于当前基带帧长度的PDU按照基带帧大小可以拆成开始GS包、中间GS包和结束GS包。在已经封装有PDU数据，基带帧未满，后续没有新的PDU时，添加Padding包。
在结束包的最后需要添加4个字节的CRC32校验，以检测在重组被拆分的PDU时，某些包可能丢失的风险导致的错误重组。CRC32校验对需要进行CRC32检验的数据进行逐字节的计算，遍历所有数据，在重组时，也需要重复这一步骤。这一过程如果在软件内完成，会造成大量的时间占用，降低效率。
此外，GSE只对需要拆分的PDU进行了CRC32的校验，而完整的GSE包没有保护措施。若物理层没有足够的错误检测能力，会存在满足完整的GSE包判定的错误数据，造成误传。
返向的TDMA的数据封装协议也可采用类似DVB-S2的标准，其中涉及到了多台远端站的数据重组，现有的DVB-S2标准不能区分不同的远端站。
发明内容
发明目的：提出一种基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装系统，并进一步提出一种基于上述数据封装系统的封装方法，从而有效解决现有技术存在的上述问题。
第一方面，提出一种基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装系统，该系统包括与上位机接口模块、RAM模块、GSE封装模块、GSE解封模块、以及CRC32校验模块。
与上位机接口模块用于对接上位机，将IP数据包生成为GSE传输帧。RAM模块用于存储所述GSE传输帧。GSE封装模块读取所述GSE传输帧，判断将封装成何种GSE数据包，并封装数据至所述RAM模块中存储。GSE解封模块根据GSE标准还原数据，还原的数据同步输入CRC32模块进行校验。CRC32校验模块接收来自所述GSE解封模块还原后的数据，同步计算数据的校验字节，并存储在最后一个有效数据的后4个地址位，形成GSE数据包，然后从所述RAM模块中读出所述GSE数据包并发送。
在进一步方面进一步的实施例中，与上位机接口模块生成的GSE传输帧的帧头包括传输帧类型、当前IP数据传输的调制方式和编码方式、GSE封装的LT值，当前IP数据包的总长度以及保留字节。
在进一步方面进一步的实施例中，RAM模块包括第一RAM和第二RAM。第一RAM存储所述与上位机接口模块发送的GSE传输帧；第二RAM存储已经封装完成的GSE数据包。通过存储多个的方式可以实现所有模块的并行工作，提高封装效率。
在进一步方面进一步的实施例中，RAM模块还包括第一RAM的写标志位WR1和读标志位RD1以及第二RAM的写标志位WR2和读标志位RD2。
写标志位WR1监控所述第一RAM的存储状态，当所述第一RAM已存满GSE传输帧时，WR1=0，与上位机接口模块停止生成GSE传输帧；当第一RAM未存满时，WR1=1，与上位机接口模块生成GSE传输帧；
读标志位RD1监控所述第一RAM的存储状态，当第一RAM存有GSE传输帧，RD1 = 1，GSE封装模块读取数据进行封装判断，进而封装数据，当第一RAM内为空时，RD1 = 0，GSE封装模块不读取数据；
写标志位WR2监控所述第二RAM的存储状态，当第二RAM已存满GSE数据包时，WR2=0，GSE封装模块停止封装GSE数据包；当第二RAM未存满时，WR2=1，GSE封装模块生成GSE数据包；
读标志位RD2监控所述第二RAM的存储状态，当第二RAM存有GSE数据包，RD2 = 1，读取数据发送GSE数据包；当第二RAM内为空时，RD1 = 0，停止发送GSE数据包。
在进一步方面进一步的实施例中，GSE封装模块读取所述第一RAM内的GSE传输帧时，保存帧头内的参数，其中当前IP数据包的总长度与当前基带帧剩余长度对比，判定当前GSE传输帧应该被封装为何种数据包，并将封装的数据存入所述第二RAM内。
在进一步方面进一步的实施例中，GSE封装模块被还包括使能信号：使能CRC32校验模块，在封装数据时同步计算校验字节。
在进一步方面进一步的实施例中，CRC32校验模块根据由0X104C11DB7表示的生成多项式计算4个字节的校验；所述CRC32校验模块对所有类型的GSE数据包均进行校验，包括完整的GSE包。
多项式如下：
在进一步方面进一步的实施例中，GSE解封模块根据GSE标准还原数据，还原的数据同步输入所述CRC32模块进行校验，所述CRC32模块得出的校验结果与GSE数据包的检验字节比对，完全一致，则存储在RAM模块内；若存在误差，丢弃该GSE数据包；与上位机接口模块从RAM模块内读取还原的数据生成GSE传输帧发送给上位机。
CRC32的校验可在FPGA内进行，与数据的封装同时完成，并通过GSE传输帧与上位机交互，减少了上位机的时间占用，提高上位机的效率。此外，对于完整的GSE包也采用CRC32校验，提高了较短IP数据传输的可靠性。
第二方面，提出一种基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装方法，该封装方法分为发送端和接收端两部分。
在发送端，上位机将IP数据包，通过与上位机接口模块生成GSE传输帧；在RAM模块中存储GSE传输帧，以供GSE封装模块读取，GSE封装模块根据读取的GSE传输帧判断将封装成何种GSE数据包，并封装数据，存储在RAM模块中；存储过程中，CRC32检验模块同步计算数据的校验字节，并存储在最后一个有效数据的后4个地址位，完成GSE数据包，然后从RAM模块中读出该GSE数据包并发送；
在接收端，接收GSE数据包，并存储在RAM模块内，GSE解封模块根据GSE标准还原数据，还原的数据同步输入CRC32模块进行校验，CRC32模块得出的校验结果与GSE数据包的检验字节比对，完全一致，存储在RAM模块内，若存在误差，丢弃该GSE数据包；与上位机接口模块从RAM模块内读取还原的数据生成GSE传输帧发送给上位机。
有益效果：在本发明中，与上位机接口模块中提出了一种IP数据的帧头格式，将封装所需的参数提取出来，便于GSE封装模块将IP数据封装；RAM模块中可存储多个数据包以及对应的标志位，使得IP数据的传输和封装同时进行，减少发送延时，提高传输效率。CRC32校验模块对完整的GSE包也会添加校验字节，提高了较短IP数据传输的可靠性。CRC32模块在FPGA内进行，只需要数据长度的时钟周期即可完成GSE数据的封装，相比用上位机处理GSE封装，大大减少了上位机的时间占用，提高上位机的效率。此外，在具体实施方式中，还提出了TDMA体制下GSE封装的格式，按照此格式进行IP数据的封装，可以实现中心站可以对不同远端站发送来的数据进行区分重组。
附图说明
图1为实现IP数据的GSE封装的结构示意图。
图2为实现IP数据的GSE解封的结构示意图。
图3为实现IP数据的传输中与上位机接口模块采用的帧结构。
图4为实现IP数据的GSE封装的GSE包格式示例。
图5为GSE解封的判定流程。
图6为TDMA体制下与上位机接口模块采用的帧结构。
图7为TDMA体制下的GSE封装的GSE包格式示例。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
如图1所示的实现IP数据的GSE封装的结构示意图，上位机的输出包括输出数据和输出参数；输出参数包括当前IP数据包发送的调制方式、当前IP数据包发送的编码方式，Label_Type_Indicator；输出数据包括2个字节的Protocol Type，Label以及需要传输的IP数据包。与上位机接口模块按照图3实现IP数据的传输中与上位机接口模块采用的帧结构输出数据（以下称GSE传输帧），根据RAM模块中第一RAM的写标志位WR1状态，判断是否可以数据写入第一RAM中，RAM的写地址同样由接口模块控制，RAM中每一个地址位存储的数据为1个字节。GSE传输帧写入第一RAM后，更新读标志位RD1的状态，并输出给GSE封装模块；GSE封装模块启动，更新读地址位，从第一RAM中读取数据。读取出的第二至第四个字节为调制编码方式和Label_Type_Indicator，暂时存储。读取的第五核第六字节合起来为GSE传输帧的总长度；所述的GSE传输帧总长度包括：2字节的Protocol Type ，根据Label_Type_Indicator值决定长度的Label，以及需要传输的IP数据包。
图4为实现IP数据的GSE封装的GSE包格式示例。GSE封装模块根据暂时存储的调制编码方式决定基带帧帧长和GSE传输帧的总长度，按照图4的示例判断当前IP包应该封装成完整包、开始包、中间包、结束包中的哪一种。判断编制遵循DVB-GSE协议。判断完成后，输出使能信号给CRC32校验模块，启动CRC32校验，同时更新读地址位，将GSE传输帧发送给CRC32校验模块。
CRC32校验模块接收到使能信号，根据GSE传输帧的每一次字节计算校验字节，同时更新第二RAM的写地址位，将进行封装的GSE数据包写入第二RAM内，直至所有GSE帧传输完成后，依次写入四个校验字节，完成封装，更新RD2的状态。后续的第二RAM的读地址、GSE数据包是与调制解调器之间的接口，在此不在过多叙述。
所述的RAM模块的两个RAM均可存储多个RAM数据包，以GSE封装可表示的最大长度4096字节作为一个RAM数据包的空间大小。以8192字节为例，每个RAM可存储2个GSE数据包或GSE传输帧。当第一RAM存在一个GSE传输帧，还可以继续从接口模块接收数据，同时GSE封装模块也可以正常工作。当第二RAM存在一个GSE数据包，CRC32校验模块也可以继续向RAM中写入，同时也可以从RAM中读出数据发送给调制解调器。如此可以保证在输入数据连续的情况下，提升IP数据封装的效率，是只能缓存一包数据的效率的2倍。
图2所示的实现IP数据的GSE解封的结构示意图。解调器与RAM模块的接口为：输入GSE数据包，输入写地址位，输出第一RAM的写标志WR1。在WR1 = 1即可以写入的状态下，解调器更新写地址位将解调出的基带帧写入第一RAM中。在本结构示意图中，解调器没有输出当前基带帧是否正确的标志，所以WR1 =1时所有的数据都会接收。如解调器可以输出标志，可以先行判断正确与否，再将正确的基带帧写入RAM内。
解调器输出的基带帧无误时，基带帧也就是已经封装好的GSE数据包。第一RAM内存有GSE数据包后，更新RD1的状态，并输出给GSE解封模块。图5所示的就是GSE数据包的解封流程图。更新读地址从RAM中读取数据，根据输出的第一个字节的高四位进行判定：LT值是否正确，当前GSE包的类型。若高四位中的[1:0]的值为2‘’b11,那么舍弃当前GSE数据包，当RD1状态再次更新后，再次执行。若不为2’b11，则根据[3:2]的值判段GSE包的类型。判断标准遵循DVB-GSE的协议。若为完整包，继续更新读地址，读取GSE Length后，将RAM的输出数据发送给CRC32校验模块，并启动使能信号；若为Padding，那么舍弃当前GSE数据包，当RD1状态再次更新后，再次执行上述操作。若为其他类型的GSE包，则需要继续判定Frag ID是否一致，所有GSE数据包携带的有效数据的长度是否等于开始包的Total Length的值。完全一致，则当前的GSE数据包为正确包，存入第二RAM内，更新WR2的状态。若存在不同，那么舍弃当前GSE数据包，当RD1状态再次更新后，再次执行上述操作。
WR2的状态刷新后，与与上位机接口模块更新读地址位从第二RAM读取数据，并按照图3进行组帧后输出给上位机。通过上述操作完成IP数据的封装以及解封，期间上位机只需要发送IP数据和接收IP数据即可，无需进行CRC32校验，大大降低了时间占用，提升效率。此外完整类型的GSE包也需要进行CRC32校验，提高了数据传输的可靠性。
当工作在TDMA体制时，发送端会存在许多不同远端站进行IP数据的传输，按照现有的DVB-GSE协议无法区分不同远端站发送过来的非完整包的GSE数据包，所以需要对GSE的封装规则作出修改。
上位机传输数据后，经与与上位机接口模块组帧，组帧如图6所示。发送GSE传输帧至第一RAM。GSE传输帧的第一个字节为帧类型，用于区别DVB-GSE封装的帧，第二第三字节为调制编码方式，为QPSK 3/4为例，第四字节的低2位Label_Type 以 2’b10为例，无Label字节，第五至第七字节为终端ID，为当前远端站的终端ID，此标识唯一，不同的远端站ID不同，以24‘d’202101为例。第八到第九字节为TotalLength，第10-11为Protocol Type，Label的字节数由Label_Type确定，此例中为0。剩余字节为Data，长度等于TotalLength 减去2。
RAM模块中每个RAM的数据宽度为8位，深度为13位，可存储8192个地址，最大可存储2个TotlLength不超过4087个字节的GSE传输帧。每个传输帧的第一个字节存在地址0或者4096里，后续的数据的地址以此递增。
图7所示的是TDMA体制下的GSE封装的GSE包格式示例。
每个GSE包类型的前3个字节为可选的终端ID。只有GSE包位于基带帧的起始时，才需要添加ID。
2比特的‘S’‘E’含义与DVB-GSE协议相同。
FragID：只有完整包的2比特FragID等于2‘b00，其余包的FragID从01-03选取。
GSE length：12位组成，最大值不超过4087。含义与与DVB-GSE协议相同，完整包的GSE length包含4个字节的CRC32校验。
TotalLength：含义与与DVB-GSE协议相同，2个字节。
CRC：含义与与DVB-GSE协议相同，4个字节。
通过上述的GSE包格式示例，对GSE传输帧进行封装。在接收端，可通过终端ID对接收的GSE数据包进行区分，进而通过FragID和TotalLength解封GSE数据包。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (7)

1.基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装系统，其特征在于，包括：
与上位机接口模块，用于对接上位机，将IP数据包生成为GSE传输帧；
RAM模块，用于存储所述GSE传输帧；所述RAM模块包括第一RAM、第二RAM、写标志位WR1、读标志位RD1、写标志位WR2、读标志位RD2；
所述第一RAM存储所述与上位机接口模块发送的GSE传输帧；
所述第二RAM存储已经封装完成的GSE数据包；
所述写标志位WR1监控所述第一RAM的存储状态，当所述第一RAM已存满GSE传输帧时，WR1=0，与上位机接口模块停止生成GSE传输帧；当第一RAM未存满时，WR1=1，与上位机接口模块生成GSE传输帧；
所述读标志位RD1监控所述第一RAM的存储状态，当第一RAM存有GSE传输帧，RD1 = 1，GSE封装模块读取数据进行封装判断，进而封装数据，当第一RAM内为空时，RD1 = 0，GSE封装模块不读取数据；
所述写标志位WR2监控所述第二RAM的存储状态，当第二RAM已存满GSE数据包时，WR2=0，GSE封装模块停止封装GSE数据包；当第二RAM未存满时，WR2=1，GSE封装模块生成GSE数据包；
所述读标志位RD2监控所述第二RAM的存储状态，当第二RAM存有GSE数据包，RD2 = 1，读取数据发送GSE数据包；当第二RAM内为空时，RD1 = 0，停止发送GSE数据包；
GSE封装模块，读取所述GSE传输帧，判断将封装成何种GSE数据包，并封装数据至所述RAM模块中存储；所述GSE封装模块读取所述第一RAM内的GSE传输帧时，保存帧头内的参数，其中当前IP数据包的总长度与当前基带帧剩余长度对比，判定当前GSE传输帧应该被封装为何种数据包，并将封装的数据存入所述第二RAM内；
GSE解封模块，根据GSE标准还原数据，还原的数据同步输入CRC32模块进行校验；
CRC32校验模块，接收来自所述GSE解封模块还原后的数据，同步计算数据的校验字节，并存储在最后一个有效数据的后4个地址位，形成GSE数据包，然后从所述RAM模块中读出所述GSE数据包并发送。
2.根据权利要求1所述的数据封装系统，其特征在于，所述与上位机接口模块生成的GSE传输帧的帧头包括传输帧类型、当前IP数据传输的调制方式和编码方式、GSE封装的LT值，当前IP数据包的总长度以及保留字节。
3.根据权利要求1所述的数据封装系统，其特征在于，所述GSE封装模块还包括在封装数据时同步计算校验字节的CRC32校验模块。
4.根据权利要求3所述的数据封装系统，其特征在于，所述CRC32校验模块根据由0X104C11DB7表示的生成多项式计算4个字节的校验；所述CRC32校验模块对所有类型的GSE数据包均进行校验，包括完整的GSE包。
5.根据权利要求3所述的数据封装系统，其特征在于，所述GSE解封模块根据GSE标准还原数据，还原的数据同步输入所述CRC32模块进行校验，所述CRC32模块得出的校验结果与GSE数据包的检验字节比对，完全一致，则存储在RAM模块内；若存在误差，丢弃该GSE数据包；
与上位机接口模块从RAM模块内读取还原的数据生成GSE传输帧发送给上位机。
6.基于TDM/TDMA体制的卫星通信数据封装方法，所述封装方法基于权利要求1至5中任一项所述的数据封装系统实现，其特征在于，封装方法包括：
在发送端，上位机将IP数据包，通过与上位机接口模块生成GSE传输帧；在RAM模块中存储GSE传输帧，以供GSE封装模块读取，GSE封装模块根据读取的GSE传输帧判断将封装成何种GSE数据包，并封装数据，存储在RAM模块中；存储过程中，CRC32检验模块同步计算数据的校验字节，并存储在最后一个有效数据的后4个地址位，完成GSE数据包，然后从RAM模块中读出该GSE数据包并发送；
在接收端，接收GSE数据包，并存储在RAM模块内，GSE解封模块根据GSE标准还原数据，还原的数据同步输入CRC32模块进行校验，CRC32模块得出的校验结果与GSE数据包的检验字节比对，完全一致，存储在RAM模块内，若存在误差，丢弃该GSE数据包；
与上位机接口模块从RAM模块内读取还原的数据生成GSE传输帧发送给上位机。
7.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行所述计算机执行指令时，实现如权利要求6所述的数据封装方法。
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