CN115022404B

CN115022404B - 一种缓存控制方法和设备

Info

Publication number: CN115022404B
Application number: CN202210948578.4A
Authority: CN
Inventors: 潘云强; 李亚林; 徐璐; 郭立浩; 孙杨; 李洋; 顾剑飞
Original assignee: Beijing Rongwei Technology Co ltd; Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Beijing Rongwei Technology Co ltd; Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2042-08-09
Also published as: CN115022404A

Abstract

本发明公开了一种缓存控制方法和设备，应用于进行星地激光通信的卫星中，卫星包括设置在缓存上的至少两个缓存区域，缓存区域的容量为单个物理帧的容量，该方法包括：循环读取各缓存区域并判断各缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧；若当前缓存区域中存在有效物理帧，从当前缓存区域中输出有效物理帧，并将有效物理帧作为下行物理帧进行电光调制后以下行光信号发送到地面站；若在地面站发送的上行光信号中提取到下行帧序号，根据下行帧序号查询预设帧序号表并从各缓存区域中确定目标缓存区域；释放目标缓存区域，以使目标缓存区域成为空闲区域，从而更加可靠的进行缓存控制，进而提高了星地激光通信的数据传输效率。

Description

一种缓存控制方法和设备

技术领域

本申请涉及星地激光通信技术领域，更具体地，涉及一种缓存控制方法和设备。

背景技术

在星地激光通信中，近地面缓存区域的非均匀大气层是激光通信信道的重要组成部分。激光在大气中传输会不可避免的受到大气的影响，这种影响主要包括衰减效应和湍流效应。激光在大气中传输时会与大气分子、气溶胶和水蒸气等粒子相互作用，这种相互作用会直接导致光波前畸变，接收光功率出现起伏和衰减，从而恶化通信系统性能。大气的湍流效应会引起光束漂移、光束扩展和光强闪烁等现象。由于大气层是实时动态变化的，其引起的大气折射率随机起伏变化，这种湍流效应进一步改变光束光场的随机变化，宏观上表现为光场空间相干性退化、光束漂移起伏、到达角起伏；大气信道中的气溶胶对激光传输的吸收和散射作用以及大气湍流导致信号光的强度闪烁，都将严重降低信号光功率，导致接收端信号光的光束质量变差，接收信号信噪比降低，从而降低星地激光通信系统的通信性能和通信链路的可靠性。除了雨、云、雾等极端天气条件，天气条件较好情况下的大气湍流、大气散射、大气吸收都会对星地激光光束质量造成影响，从而影响星地激光通信。

采用错误重传的方法，可以适应星地激光通信的深衰落传输信道环境，提高星地激光通信的工程化应用水平。为了实现错误重传，需要对数据进行缓存。

因此，如何更加可靠的进行缓存控制，进而提高星地激光通信的数据传输效率，是目前有待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种缓存控制方法和设备，用以提高星地激光通信中缓存控制的可靠性。

第一方面，提供一种缓存控制方法，应用于进行星地激光通信的卫星中，所述卫星包括设置在缓存上的至少两个缓存区域，所述缓存区域的容量为单个物理帧的容量，所述方法包括：

循环读取各所述缓存区域并判断各所述缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧；

若当前缓存区域中存在所述有效物理帧，从当前缓存区域中输出所述有效物理帧，并将所述有效物理帧作为下行物理帧进行电光调制后以下行光信号发送到地面站；

若在地面站发送的上行光信号中提取到下行帧序号，根据所述下行帧序号查询预设帧序号表并从各所述缓存区域中确定目标缓存区域；

释放所述目标缓存区域，以使所述目标缓存区域成为空闲区域；

其中，所述预设帧序号表是根据不同帧序号和所述缓存区域的对应关系建立的，所述上行光信号携带了上行物理帧，所述下行帧序号是地面站有效接收到所述下行物理帧后，从所述下行物理帧中提取并添加到所述上行物理帧中的。

在本申请一些实施例中，所述方法还包括：

当检测到各所述缓存区域中存在空闲区域时，从卫星获取编码数据；

基于所述编码数据进行物理帧组帧，并添加包括新帧序号的物理帧头后生成新物理帧；

将所述新物理帧存入空闲区域，并在所述预设帧序号表中将与空闲区域对应的帧序号更新为所述新帧序号；

其中，所述新帧序号是按照预设更新规则对与空闲区域对应的帧序号处理后确定的。

在本申请一些实施例中，所述方法还包括：

若当前缓存区域中不存在所述有效物理帧，或已从当前缓存区域中输出所述有效物理帧，读取当前缓存区域的下一个缓存区域。

在本申请一些实施例中，在循环读取各所述缓存区域并判断各所述缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧之前，所述方法还包括：

初始化所述预设帧序号表中的各帧序号。

第二方面，提供一种缓存控制设备，应用于进行星地激光通信的卫星中，所述设备包括缓存和控制芯片，所述缓存上设置有至少两个缓存区域，所述缓存区域的容量为单个物理帧的容量，所述控制芯片包括：

读取模块，用于循环读取各所述缓存区域并判断各所述缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧；

发送模块，用于若当前缓存区域中存在所述有效物理帧，从当前缓存区域中输出所述有效物理帧，并将所述有效物理帧作为下行物理帧进行电光调制后以下行光信号发送到地面站；

提取模块，用于若在地面站发送的上行光信号中提取到下行帧序号，根据所述下行帧序号查询预设帧序号表并从各所述缓存区域中确定目标缓存区域；

释放模块，用于释放所述目标缓存区域，以使所述目标缓存区域成为空闲区域；

在本申请一些实施例中，所述控制芯片还包括写入模块，用于：

在本申请一些实施例中，所述读取模块还用于：

在本申请一些实施例中，所述控制芯片还包括初始化模块，用于：

初始化所述预设帧序号表中的各帧序号。

在本申请一些实施例中，所述预设帧序号表设置于所述控制芯片的内部。

通过应用以上技术方案，在应用于进行星地激光通信的卫星中，卫星包括设置在缓存上的至少两个缓存区域，缓存区域的容量为单个物理帧的容量，循环读取各缓存区域并判断各缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧；若当前缓存区域中存在有效物理帧，从当前缓存区域中输出有效物理帧，并将有效物理帧作为下行物理帧进行电光调制后以下行光信号发送到地面站；若在地面站发送的上行光信号中提取到下行帧序号，根据下行帧序号查询预设帧序号表并从各缓存区域中确定目标缓存区域；释放目标缓存区域，以使目标缓存区域成为空闲区域；其中，预设帧序号表是根据不同帧序号和缓存区域的对应关系建立的，上行光信号携带了上行物理帧，下行帧序号是地面站有效接收到下行物理帧后，从下行物理帧中提取并添加到上行物理帧中的，从而更加可靠的进行缓存控制，进而提高了星地激光通信的数据传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提出的一种缓存控制方法的流程示意图；

图2示出了本发明另一实施例提出的一种缓存控制方法的原理示意图；

图3示出了本发明实施例中FPGA芯片对DDR的写控制流程示意图；

图4示出了本发明实施例中FPGA芯片对DDR的读控制流程示意图；

图5示出了本发明实施例中FPGA芯片对DDR帧序号表的维护流程示意图；

图6示出了本发明实施例提出的一种缓存控制设备中控制芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提出一种缓存控制方法，应用于进行星地激光通信的卫星中，卫星包括设置在缓存上的至少两个缓存区域，缓存区域的容量为单个物理帧的容量，通过循环读各个缓存区域的物理帧实现重传机制，通过检测上行光信号中的下行帧序号来释放相应缓存区域，从而请求新的物理帧，实现数据更新。通过上述简单的流程控制，实现了数据缓存和数据重传的功能。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S101，循环读取各所述缓存区域并判断各所述缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧。

本实施例中，在缓存区域以物理帧的形式缓存数据，物理帧是星地激光通信中物理层协议下的数据格式，由从卫星获取的有效载荷数据的编码数据组帧并添加物理帧头后生成。每个缓存区域中可存储一个物理帧，物理帧在带有帧序号时为有效物理帧，循环读取各缓存区域并判断是否存在有效物理帧。

步骤S102，若当前缓存区域中存在所述有效物理帧，从当前缓存区域中输出所述有效物理帧，并将所述有效物理帧作为下行物理帧进行电光调制后以下行光信号发送到地面站。

本实施例中，若当前缓存区域中存在有效物理帧，需要将该有效物理帧发送到地面站，具体的，从当前缓存区域中输出所述有效物理帧，然后将有效物理帧作为下行物理帧进行电光调制，并以下行光信号发送到地面站。

为了提高缓存控制的可靠性，在本申请一些实施例中，所述方法还包括：

本实施例中，缓存中的各缓存区域按顺序排列，下一个缓存区域在当前缓存区域不是最后一个缓存区域时为在当前缓存区域之后的相邻缓存区域，下一个缓存区域在当前缓存区域为最后一个缓存区域时为第一个缓存区域。

步骤S103，若在地面站发送的上行光信号中提取到下行帧序号，根据所述下行帧序号查询预设帧序号表并从各所述缓存区域中确定目标缓存区域。

本实施例中，上行光信号携带了上行物理帧，下行帧序号是地面站有效接收到下行物理帧后，从下行物理帧中提取并添加到上行物理帧中的。地面站经光电探测获取下行光信号并有效接收到下行物理帧后，从下行物理帧提取下行帧序号，并将该下行帧序号添加到上行物理帧，经电光调制后向卫星发送上行光信号，若基于光电探测提取到上行光信号中的下行帧序号，说明地面站已有效接收与该下行帧序号对应的下行物理帧，此时根据下行帧序号查询预设帧序号表，根据查询结果确定缓存中的目标缓存区域。

预设帧序号表是根据不同帧序号和所述缓存区域的对应关系建立的。

有效物理帧中包括多个编码帧，可选的，地面设备是在下行物理帧的译码成功率高于预设阈值时确定有效接收到下行物理帧的，该译码成功率为单个下行物理帧中译码成功的编码帧的个数与各编码帧的总数的比值。

可以理解的是，若在地面站发送的上行光信号中未提取到所述下行帧序号，继续从所述上行光信号中获取下一个上行物理帧。

步骤S104，释放所述目标缓存区域，以使所述目标缓存区域成为空闲区域。

本实施例中，由于地面站已经有效接收到该目标缓存区域中的物理帧，因此，不再向地面站发送该目标缓存区域中的物理帧并释放该目标缓存区域。

为了可靠的实现数据更新，在本申请一些实施例中，所述方法还包括：

本实施例中，实时或定期检测各缓存区域中是否存在空闲区域，若存在，则需要向该空闲区域中写入数据，以实现数据更新。具体的，先从卫星获取编码数据，该编码数据是按照预设编码方式对卫星有效载荷数据编码后生成的；然后基于编码数据进行物理帧组帧，并添加包括新帧序号的物理帧头，以生成新物理帧；将新物理帧存入该空闲区域，并在预设帧序号表中将与空闲区域对应的帧序号更新为新帧序号。

各缓存区域中的物理帧更新时，相应的帧序号也需要更新，按照预设更新规则对与空闲区域对应的帧序号处理后可确定新帧序号。

为了保证可靠性，在本申请一些实施例中，所述预设更新规则包括：

若所述目标缓存区域的帧序号不是预设最大序号，基于将所述目标缓存区域的帧序号加一后生成所述新帧序号；

若所述目标缓存区域的帧序号是所述预设最大序号，将预设最小序号作为所述新帧序号。

本实施例中，每次更新帧序号时将原帧序号加一，直至帧序号达到预设最大序号后，将预设最小序号作为新帧序号。

本领域技术人员还可使用其他预设更新规则进行生成新帧序号，如使帧序号进行递减，或进行哈希变换等，这并不影响本申请的保护范围。

为了进一步提高可靠性，在本申请一些实施例中，在循环读取各所述缓存区域并判断各所述缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧之前，所述方法还包括：

初始化所述预设帧序号表中的各帧序号。

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。

本申请实施例提供一种缓存控制方法，以物理帧为单位，采用大容量DDR作为缓存，采用FPGA芯片作为控制芯片。由FPGA芯片完成下行物理帧组帧、DDR的读写控制、上行解调等处理流程。将DDR分为4个缓存区域，每个缓存区域存储一帧物理帧数据，由FPGA芯片控制DDR缓存区域读写。

如图2所示，由FPGA芯片完成下行数据编码、物理帧组帧，采用大容量DDR缓存物理帧。将DDR分为4个缓存区域，记为缓存区域1、缓存区域2、缓存区域3、缓存区域4，每个缓存区域存放一个物理帧。FPGA芯片内开辟内部空间进行帧序号表的存储和更新，用于指示每个缓存区域中存储的物理帧的帧序号。

可选的，缓存DDR的规格可包括DDR1、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5等。

可选的，控制芯片还可以为GPU芯片。

如图3所示为FPGA芯片对DDR的写控制流程示意图，包括以下步骤：

步骤S201，开始。

步骤S202，将DDR分为4个缓存区域。

步骤S203，初始化4个缓存区域的帧序号。

步骤S204，是否有空闲区域，若是执行步骤S205，否则重新执行步骤S204。

步骤S205，生成1帧物理帧数据，并写入空闲区域。

步骤S206，更新与空闲区域对应的帧序号，执行步骤S204。

如图4所示为FPGA芯片对DDR的读控制流程示意图，包括以下步骤：

步骤S301，开始。

步骤S302，将DDR分为4个缓存区域。

步骤S303，缓存区域1中是否存在有效物理帧，若是执行步骤S304，否则执行步骤S305。

步骤S304，读出缓存区域1的数据并进行电光调制，执行步骤S305。

步骤S305，缓存区域2中是否存在有效物理帧，若是执行步骤S306，否则执行步骤S307。

步骤S306，读出缓存区域2的数据并进行电光调制，执行步骤S307。

步骤S307，缓存区域3中是否存在有效物理帧，若是执行步骤S308，否则执行步骤S309。

步骤S308，读出缓存区域3的数据并进行电光调制，执行步骤S309。

步骤S309，缓存区域4中是否存在有效物理帧，若是执行步骤S310，否则执行步骤S303。

步骤S310，读出缓存区域4的数据并进行电光调制，执行步骤S303。

如图5所示为FPGA芯片对DDR帧序号表的维护流程示意图，包括以下步骤：

步骤S401，开始。

步骤S402，初始化4个缓存区域的帧序号。

步骤S403，上行解调。

步骤S404，是否提取出下行帧序号，若是执行步骤S405，否则执行步骤S403。

步骤S405，从DDR帧序号表中查找到下行帧序号。

步骤S406，释放DDR相应缓存区域的存储空间。

通过应用以上技术方案，与现有技术相比，存在以下有益效果：

处理容量大。采用大容量DDR进行物理帧数据缓存，可以支持极高（数百Mbit~数Gbit）的数据容量，非常适用于超高速星地激光通信数据缓存。

流程控制简单。将DDR分为4个缓存区域，通过循环读4个缓存区域的有效数据实现重传机制，通过检测上行光信号接收的下行帧序号来释放DDR缓存区域，从而请求新的物理帧，实现数据更新。通过上述简单的流程控制，实现了数据缓存和数据重传的功能。

本申请实施例还提出了一种缓存控制设备，应用于进行星地激光通信的卫星中，所述设备包括缓存和控制芯片，所述缓存上设置有至少两个缓存区域，所述缓存区域的容量为单个物理帧的容量，如图6所示，所述控制芯片包括：

读取模块10，用于循环读取各所述缓存区域并判断各所述缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧；

发送模块20，用于若当前缓存区域中存在所述有效物理帧，从当前缓存区域中输出所述有效物理帧，并将所述有效物理帧作为下行物理帧进行电光调制后以下行光信号发送到地面站；

提取模块30，用于若在地面站发送的上行光信号中提取到下行帧序号，根据所述下行帧序号查询预设帧序号表并从各所述缓存区域中确定目标缓存区域；

释放模块40，用于释放所述目标缓存区域，以使所述目标缓存区域成为空闲区域；

在具体的应用场景中，所述控制芯片还包括写入模块，用于：

在具体的应用场景中，所述读取模块还用于：

在具体的应用场景中，所述控制芯片还包括初始化模块，用于：

初始化所述预设帧序号表中的各帧序号。

在具体的应用场景中，为了提高数据处理效率，所述预设帧序号表设置于所述控制芯片的内部。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种缓存控制方法，其特征在于，应用于进行星地激光通信的卫星中，所述卫星包括设置在缓存上的至少两个缓存区域，所述缓存区域的容量为单个物理帧的容量，所述方法包括：

其中，所述预设帧序号表是根据不同帧序号和所述缓存区域的对应关系建立的，所述上行光信号携带了上行物理帧，所述下行帧序号是地面站有效接收到所述下行物理帧后，从所述下行物理帧中提取并添加到所述上行物理帧中的；

所述方法还包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在循环读取各所述缓存区域并判断各所述缓存区域中是否存在带有帧序号的有效物理帧之前，所述方法还包括：

初始化所述预设帧序号表中的各帧序号。

4.一种缓存控制设备，其特征在于，应用于进行星地激光通信的卫星中，所述设备包括缓存和控制芯片，所述缓存上设置有至少两个缓存区域，所述缓存区域的容量为单个物理帧的容量，所述控制芯片包括：

所述控制芯片还包括写入模块，用于：

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述读取模块还用于：

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制芯片还包括初始化模块，用于：

初始化所述预设帧序号表中的各帧序号。

7.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述预设帧序号表设置于所述控制芯片的内部。