一种速率可变的宽带柔性交换方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种速率可变的宽带柔性交换方法。本发明可用于网络交换方面，能够对星上宽带柔性转发器中经过信道化带宽速率可变的数据进行柔性交换。

背景技术：

通信卫星近些年来越来越多的被用于各个国家的现代化通信体系建设中。综合对比多种通信方式来看，通信卫星有着通信距离远、没有国界限制和覆盖范围广等优点。数字转发器是卫星通信系统中的核心部件之一，而数字交换网络是数字转发器中最为关键的部分，所以研究出灵活性和可靠性更好的柔性交换方法是卫星通信系统中的一个重要问题。

中国电子科技集团公司第五十四研究所在提出的专利申请“一种带宽粒度可变的微波数字柔性转发技术”(申请日：2015.07.08，申请号：201510395524.X，公开号：104932992A)中公开了一种带宽粒度可变的微波数字柔性转发系统的设计方法。

该方法的实施步骤是：①多个合路信号数据依次串行存储在第1存储器至第N+1存储器，根据带宽粒度配置选择分路路数2M；②当第一存储器的写入地址到达M-1时，在高倍工作时钟控制下，第1存储器至第N+1存储器同时分别按照读出地址0至M-1依次读出M组合路信号数据；③第1存储器至第N存储器的N个合路信号数据分别与第1组滤波器系数至第N组滤波器系数一一对应相乘后相加，得到多相滤波后的第M-1路子信道至第0路子信道的串行数据；第2存储器至第N+1存储器的N个合路信号数据分别与第N+1组滤波器至第2N组滤波器系数一一对应相乘后相加，得到多相滤波后的第2M-1路子信道至第M路子信道的串行数据，从而实现可配置的分析滤波器组多相滤波模块；④分析滤波器组多相滤波后的两路串行数据在高倍工作时钟控制下分别通过先入后出堆栈排列为一路串行数据，将这一路串行数据进行2M点IFFT计算；⑤将2M点IFFT计算结果采用“顺序写入，控制读出”的方式得到交换后的串行数据；⑥将交换后的串行数据进行2M点FFT计算，在高倍工作时钟控制下将计算结果存入临时存储器，在数据时钟的控制下每次从临时存储器中读出两个FFT计算结果；⑦将两个FFT计算结果分别经可配置多相滤波处理后得到两路综合滤波器组多相滤波后的串行数据；⑧将两个FFT计算结果分别经可配置多相滤波处理后得到两路综合滤波器组多相滤波后的串行数据。该方法通过改变存储器存储深度可灵活调整兼容不同的处理带宽，而整体结构不用调整，具有设备功耗低，可扩展能力强，处理带宽可变，处理分路路数灵活可变等优点。但是，该方法的不足是：数字柔性转发技术中的交换网络采用传统的时隙电路交换方式，控制存储器是利用双端口随机存取存储器实现的，在交换的同时需要改变交换策略时，控制存储器会存在读写冲突，此时就必须中断交换，配置完成后再进行交换，所以，不能实现在配置的同时不中断交换。

李煌在其发表的硕士学位论文《卫星宽带柔性转发器中交换系统的设计研究与硬件实现》(知网，2015年1月南京理工大学)中提出了一种数据转发星上载荷的设计方法。该方法利用高速数据处理技术与“时间-空间-时间”数字交换网络设计了整个交换系统。“时间-空间-时间”数字交换网络包括两级时分交换和一级空分交换，数据时分交换的过程由时间接线器完成，控制方式为顺序写入，控制读出。不同波束之间空分交换的过程则由空间接线器来完成，控制方式为输出控制。该方法对数据进行透明转发，可以实现任意波束任意子带之间的交换。但是，该方法存在的不足之处是：时间交换器和空间交换器的控制存储器都是通过双端口随机存取存储器实现的，在交换的同时需要改变交换策略时，控制存储器会存在读写冲突，此时就必须中断交换，配置完成后再进行交换；交换网络时隙划分固定，处理带宽固定，不适用于带宽速率变化的场合；另外“时间-空间-时间”交换网络中由于存在三级控制存储器，对于要实现广播和组播功能时的控制比较复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种速率可变的宽带柔性交换方法，以解决柔性交换网络处理带宽固定，不能实现不中断交换，广播和组播控制复杂的问题。

本发明一种速率可变的宽带柔性交换方法的具体步骤如下：

(1)获得同步时隙帧：

将输入的异步时隙帧通过异步先入先出队列FIFO进行缓存和跨时钟域处理，得到柔性交换网络时钟下的同步时隙帧；

(2)同步时隙帧复接：

(2a)输入数据存储器利用两块随机存取存储器RAM形成乒乓缓存结构；

(2b)将输入数据存储器的写初始地址设置为0；

(2c)自写初始地址开始，将一个同步时隙帧中的各个时隙存储在输入数据存储器；

(2d)判读输入数据存储器的写初始地址是否等于L-1，若是，则执行步骤(3)，否则，将输入数据存储器的写初始地址加1，执行步骤(2c)；

(3)配置控制存储器CM：

(3a)选取两块简单双端口随机存取存储器RAM，作为柔性交换网络的两块控制存储器CM，对控制存储器CM进行配置；

(3b)用位宽为两个比特的寄存器标记两块控制存储器CM的状态，将两块控制存储器都未配置完成时的寄存器的状态设置为00，将配置完成第一块控制存储器时寄存器的状态设置为10，将配置完成第二块控制存储器时寄存器的状态设置为01；

(4)交换复接帧：

(4a)判断寄存器的当前状态，若为00，则执行步骤(4b),若为10，则执行步骤(4c),若为01，则执行步骤(4d)；

(4b)等待任意一块控制存储器CM配置完成，执行步骤(4a)；

(4c)选择第一块控制存储器CM作为交换控制存储器，第二块控制存储器用于正在交换过程中新的交换策略的配置，将柔性交换网络的模MN计数器的初始值赋为0，执行步骤(4e)；

(4d)选择第二块控制存储器CM作为交换控制存储器，第一块控制存储器用于正在交换过程中新的交换策略的配置，将柔性交换网络的模MN计数器的初始值赋为0，执行步骤(4e)；

(4e)从输入数据存储器中读出待交换的复接帧；

(4f)将待交换的复接帧存储到输出数据存储器；

(4g)判断模MN计数器的计数值是否等于M·N-1,若是，则执行步骤(5),否则，计数器加1，执行步骤(4e)，其中，M表示柔性交换网络输入端端口总数，N表示每个端口的时隙总数；

(5)将复接帧分接为时隙帧：

(5a)将输出数据存储器的起始读地址设置为0；

(5b)自起始读地址开始，依次从输出数据存储器读取N个时隙，得到一个时隙帧；

(5c)判断输出数据存储器的起始读地址是否等于L-1，若是，则执行步骤(6)，否则，将输出数据存储器的起始读地址加1，执行步骤(5b)；

(6)完成一次帧交换：

将输出数据存储器的起始读地址设置为0，完成一次帧的交换；

(7)判断输入柔性交换网络的所有时隙帧是否均完成交换，若是，执行步骤(8)，否则，执行步骤(1)；

(8)交换完成。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明选用两块控制存储器CM，一块作为交换控制存储器，另一块用于正在交换过程中新的交换策略的配置，克服了现有技术中不能在配置的同时不中断交换的问题，使得本发明具有配置和交换可以同时进行的优点。

第二，由于本发明采用一块交换控制存储器，能够方便的配置控制存储器实现组播和广播功能，克服了现有技术中实现广播和组播功能时的控制比较复杂的问题，使得本发明具有支持广播和组播功能，广播和组播功能实现简单的优点。

第三，由于本发明将需要交换带宽对应的多个时隙捆绑交换，克服了现有技术中交换网络时隙划分固定，处理带宽固定，不适用于带宽速率变化的场合的问题，使得本发明具有灵活性和适用性高的优点。

附图说明：

图1为本发明一种速率可变的宽带柔性交换方法流程图；

图2为本发明输入数据存储器复接时隙帧示意图；

图3为本发明控制存储器配置示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，对本发明一种速率可变的宽带柔性交换方法做进一步的描述。

为了有助于理解本发明，在以下的描述中用柔性交换网络数据源时钟频率156.25MHZ,信道化输出16个端口，记为端口0至端口15，每个端口512时隙，记为时隙0至时隙511，每个端口数据速率4Gbps,每个时隙数据位宽32位，每个端口输出16000个时隙帧，柔性交换网络时钟125MHZ，需要将1端口的0时隙至2时隙对应的带宽交换到0端口的1时隙至3时隙对应的带宽，作为本发明的实施例。

步骤1，获得同步时隙帧。

将输入的异步时隙帧通过异步先入先出队列FIFO进行缓存和跨时钟域处理，得到柔性交换网络时钟下的同步时隙帧。本发明的实施例将数据源时隙帧经过写时钟为156.25MHZ,读时钟为125MHZ的异步先入先出队列FIFO，获得交换网络时钟下的同步时隙帧。

步骤2，同步时隙帧复接。

第1步，将输入端每个端口采用的简单双端口随机存取存储器RAM，作为本端口的输入数据存储器，输入数据存储器输入端的位宽等于输入柔性交换网络每个时隙的数据位宽，深度为输出端位宽为深度为N，任意一块输入数据存储器用于交换时，另外一块用于收到的同步时隙帧的复接，其中，M表示柔性交换网络输入端端口总数，S表示每个端口的数据速率，N表示每个端口的时隙总数，f表示柔性交换网络的时钟频率，w表示输入柔性交换网络的时隙帧每个时隙的数据位宽，本发明的实施例输入数据存储器为简单双端口随机存取存储器，输入端位宽32，深度8192，输出端位宽512，深度512。

第2步，将输入数据存储器的写初始地址设置为0。

第3步，自写初始地址开始，按照的步长，跳写N-1次，依次将一个同步时隙帧中的各个时隙存储在输入数据存储器，其中M表示柔性交换网络输入端端口总数，S表示每个端口的数据速率，f表示柔性交换网络的时钟频率，w表示输入柔性交换网络的时隙帧每个时隙的数据位宽；

第4步，判读输入数据存储器的写初始地址是否等于L-1，若是，则执行步骤3，否则，将输入数据存储器的写初始地址加1，执行本步骤第3步。

参照附图2，图中方格表示输入数据存储器的存储单元，TSx,y表示第x个同步时隙帧的y时隙，如TS1,0表示第一帧0时隙，方格外围数字表示对应单元的地址。本发明的实施例第一帧在输入数据存储器写地址的初始值是0，写地址跳跃步长为16，跳写511次，完成第一个同步时隙帧的存储，第二帧在输入数据存储器写地址的初始值是1，写地址跳跃步长为16，跳写511次，完成第二个同步时隙帧的存储，按照这样的方法依次完成第三个同步时隙帧到第十六个同步时隙帧的存储，完成同步时隙帧的复接，执行步骤3。

步骤3，配置控制存储器CM。

第1步，用两块随机存取存储器作为柔性交换网络的两块控制存储器CM，控制存储器CM的位宽为深度为M·N，将每个存储单元的低位写入对应单元时隙到来时需要读取的端口号，高位写入对应单元时隙到来时需要读取的时隙号。配置控制存储器CM时将需要交换的带宽在时隙帧中所划分的多个时隙捆绑，采用对应相同的交换策略，实现可变带宽交换，其中，M表示柔性交换网络输入端端口总数，N表示每个端口的时隙总数，表示以2为底对MN取对数，表示以2底对M取对数，表示以2底对N取对数。

参照附图3，图中方格表示控制存储器的存储单元。本发明的实施例有两块控制存储器CM，分别记为CMA和CMB，控制存储器每个单元的位宽13位，其中，低4位表示端口号，高9为表示时隙号，深度为8192，地址0到511存储的是一端口对应时隙到来时，需要读取的端口号和时隙号，地址512到1023存储的是二端口对应时隙到来时，需要读取的端口号和时隙号，以此类推。配置时在控制存储器CMA的1地址写入0000000000001，2地址写入0000000010001,2地址写入0000000100001。

第2步，用位宽为两个比特的寄存器标记两块控制存储器CM的状态，将两块控制存储器都未配置完成时的寄存器的状态设置为00，将配置完成第一块控制存储器时寄存器的状态设置为10，将配置完成第二块控制存储器时寄存器的状态设置为01。本发明的实施例用位宽为两个比特的寄存器标记两块控制存储器CM的状态，配置完成CMA寄存器状态设置为10。

步骤4，交换复接帧。

第1步，判断寄存器的当前状态，若为00，则本步骤第2步，若为10，则执行本步骤第3步，若为01，则执行本步骤第4步；

第2步，等待任意一块控制存储器CM配置完成，执行本步骤第1步；

第3步，选择第一块控制存储器CM作为交换控制存储器，第二块控制存储器用于正在交换过程中新的交换策略的配置，将柔性交换网络的模MN计数器的初始值赋为0，执行本步骤第5步；

第4步，选择第二块控制存储器CM作为交换控制存储器，第一块控制存储器用于正在交换过程中新的交换策略的配置，将柔性交换网络的模MN计数器的初始值赋为0，执行本步骤第5步；

本发明的实施例判断寄存器的当前状态为10，选择CMA作为交换控制存储器，若在交换过程中需要更换交换策略，新的配置信息写入CMB，将柔性交换网络的模8192计数器的初始值赋为0，执行本步骤第5步。

第5步，将模MN计数器的计数值作为交换控制存储器的读地址，读取交换控制存储器，将读取到的端口号输入线译码器,线译码器的输出连接到输入数据存储器的读使能，将读取到的时隙号作为输入数据存储器的读地址，输入数据存储器的读使能和读地址结合，读出待交换的复接帧，其中，M表示柔性交换网络输入端端口的总数，表示以2为底对M取对数。本发明的实施例将模8192计数器的计数值作为交换控制存储器的读地址，读取交换控制存储器，将读取到的端口号输入4-16线译码器，4-16线译码器的输出连接到输入数据存储器的读使能，将读取到的时隙号作为输入数据存储器的读地址，输入数据存储器的读使能和读地址结合，读出待交换的复接帧。

第6步，每个端口采用简单双端口随机存取存储器RAM作为本端口的输出数据存储器，输出数据存储器输入端的位宽等于深度为N，输出端数据位宽等于输入柔性交换网络的每个时隙的数据位宽，深度为在读取交换控制存储器的同时，将模MN计数器的计数值转换为二进制，并将该二进制的低位输入另一线译码器,该线译码器的输出连接到输出数据存储器的写使能；二进制计数值的高位连接到输出数据存储器的写地址，输出数据存储器的写使能和写地址结合，完成待交换的复接帧到输出数据存储器的存储，其中，M表示柔性交换网络输入端端口总数，N表示每个端口的时隙总数，S表示每个端口的数据速率，f表示柔性交换网络的时钟频率，w表示输入柔性交换网络的时隙帧每个时隙的数据位宽，表示以2为底对M取对数，表示以2为底对N取对数；本发明的实施例在读取交换控制存储器的同时，将模8192计数器的计数值转换为二进制，并将该二进制的低4位输入另一4-16线译码器,该4-16线译码器的输出连接到随机存取存储器RAM的写使能；二进制计数值的高9位连接到随机存取存储器RAM的写地址，随机存取存储器RAM的写使能和写地址结合，完成待交换的复接帧到随机存取存储器RAM的存储，将该随机存取存储器RAM作为输出数据存储器。

第7步，判断模MN计数器的计数值是否等于M·N-1,若是，则执行步骤5,否则，计数器加1，执行本步骤第5步，其中，M表示柔性交换网络输入端端口总数，N表示每个端口的时隙总数。本发明的实施例判断模8192计数器的计数值是否等于8191,若是，则执行步骤5，否则，计数器加1，执行本步骤第5步。

步骤5，将交换后的复接帧分接为时隙帧。

第1步，将输出数据存储器的起始读地址设置为0。

第2步，自起始读地址开始，按照的步长，跳读N-1次，依次从输出数据存储器读取N个时隙，得到一个时隙帧，其中M表示柔性交换网络输入端端口总数，S表示每个端口的数据速率，f表示交换网络的时钟频率，w表示输入交换网络的时隙帧每个时隙的数据位宽；

第3步，判断输出数据存储器的起始读地址是否等于L-1，若是，则执行步骤6，否则，将输出数据存储器的起始读地址加1，执行本步骤第2步。

本发明的实施例自起始读地址0开始，按照16的步长，跳读511次，从输出数据存储器读取512个时隙，得到分接的第一个时隙帧，起始读地址加1，自地址1开始，按照16的步长，跳读511次，从输出数据存储器读取512个时隙，得到分接的第二个时隙帧，以此类推，自起始读地址15开始，按照16的步长，跳读511次，从输出数据存储器读取512个时隙，得到分接的第十六个时隙帧，执行步骤6。

步骤6，完成一次帧交换：

将输出数据存储器的起始读地址设置为0，完成一次帧的交换。本发明的实施例将输出数据存储器的起始起始读地址设置为0，完成一次16帧的交换。

步骤7，判断输入柔性交换网络的所有时隙帧是否均完成交换，若是，执行步骤8，否则，执行步骤1。

本发明的实施例判断柔性交换网络每个端口16000个时隙帧是否均完成交换，若是，执行步骤8，否则，执行步骤1。

步骤8，交换完成。