極化復(fù)用方式下高性能數(shù)傳基帶奇偶合路實時處理方法*

張鑫宇 楊甲森 張雪豐 徐聰 陳志敏 智佳 陳托

1(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

低軌遙感數(shù)傳主要采用X 頻段[1]。國際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定X 頻段星地數(shù)傳任務(wù)在8025～8400 MHz 內(nèi)開展[2]，共375 MHz 帶寬。如何在有限帶寬約束下提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a速率是衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)面臨的主要問題之一[3]。實踐表明，極化分割頻率復(fù)用技術(shù)（簡稱極化復(fù)用）是解決上述問題的有效途徑[4]。

極化復(fù)用技術(shù)通過同一頻帶將滿足一定極化隔離要求的兩路調(diào)制載波信號向地面站發(fā)射，地面站利用極化的正交特性將兩路數(shù)據(jù)在同一頻域和時域內(nèi)分隔開，從而拓展頻率資源[5]。以中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項先進(jìn)天基太陽天文臺（Advanced Spacebased Solar Observatory,ASO-S）[6]和CASEarth 衛(wèi)星[7]為例，其數(shù)據(jù)傳輸均采用X 頻段，通過極化復(fù)用技術(shù)分別實現(xiàn)了最高2×500 Mbit·s-1和2×810 Mbit·s-1的傳輸速率。

數(shù)傳基帶奇偶傳輸幀合路處理是極化復(fù)用方式下，地面應(yīng)用系統(tǒng)判讀星載設(shè)備狀態(tài)以及獲取空間探測成果的前提和基礎(chǔ)，其主要問題在于奇偶兩路數(shù)據(jù)到達(dá)時間存在不確定的時間差。傳統(tǒng)的奇偶傳輸幀合路處理方法先將幀數(shù)據(jù)緩存，然后按照“虛擬信道幀計數(shù)”對緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，再將虛擬信道幀計數(shù)連續(xù)的傳輸幀逐一推出進(jìn)行后續(xù)解源包等處理。這種處理方法效率較低，主要有兩方面原因：一是涉及復(fù)雜耗時的排序操作；二是以非循環(huán)使用方式進(jìn)行內(nèi)存管理，每次數(shù)據(jù)處理后，需通過內(nèi)存移動方式對緩存進(jìn)行整理。特別是在奇偶路數(shù)據(jù)到達(dá)時間差較長時，由于緩存的數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)排序和內(nèi)存移動的時間更長，效率更低。因此，目前對極化復(fù)用方式下數(shù)傳基帶數(shù)據(jù)的處理，主要采用衛(wèi)星過境時存儲奇偶路原始數(shù)據(jù)文件，過境后進(jìn)行文件回放的事后處理模式。在實時采集與處理模式下，現(xiàn)有方法通常只支持低碼速率數(shù)傳基帶數(shù)據(jù)的處理任務(wù)，無法滿足實時采集、處理及判讀的航天器快速響應(yīng)需求。

本文面向空間科學(xué)衛(wèi)星高速數(shù)傳實時處理需求，提出一種極化復(fù)用方式下高性能數(shù)傳基帶奇偶合路實時處理方法。一方面充分利用各虛擬信道單路數(shù)據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，有效規(guī)避現(xiàn)有處理方法包含的復(fù)雜耗時排序操作，另一方面采用環(huán)形隊列代替非循環(huán)內(nèi)存管理設(shè)計，減少頻繁的內(nèi)存移動操作，實現(xiàn)極化復(fù)用方式下衛(wèi)星數(shù)傳基帶數(shù)據(jù)的高速處理。

1 問題分析

1.1 數(shù)傳數(shù)據(jù)處理流程

極化復(fù)用方式下空間段和地面段的數(shù)傳數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示。在空間段，遵照空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）制定的高級在軌系統(tǒng)（AOS）空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議[8]，數(shù)傳分系統(tǒng)將各載荷源包復(fù)接為不同虛擬信道的傳輸幀[9]，根據(jù)虛擬信道幀計數(shù)將傳輸幀分為奇偶兩路進(jìn)行編碼調(diào)制，并分別進(jìn)入相控陣天線的左右旋通道向地面站發(fā)射；在地面段，地面接收分系統(tǒng)完成奇偶兩路數(shù)據(jù)的解調(diào)、解擾、譯碼后，將兩路數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給任務(wù)運行分系統(tǒng)，進(jìn)行奇偶幀合路、解復(fù)接、解源包等處理。

由圖1 可見，奇偶幀合路處理是地面段解源包等后續(xù)處理的前提，也是地面支撐系統(tǒng)監(jiān)視衛(wèi)星有效載荷在軌工作狀態(tài)的基礎(chǔ)。合路處理的問題主要來自奇偶兩路數(shù)據(jù)到達(dá)存在不確定的時間差，這個時間差來源包括兩部分：一是兩路解調(diào)器鎖定時間差；二是兩路數(shù)據(jù)解調(diào)后從地面接收分系統(tǒng)通過專線網(wǎng)絡(luò)傳輸至任務(wù)運控分系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時間差。

圖1 極化復(fù)用方式下空間段與地面段數(shù)傳處理流程Fig.1 Processing flow of space segment and ground segment data using dual-polarized technology

1.2 奇偶傳輸幀結(jié)構(gòu)

AOS 協(xié)議通過固定長度的傳輸幀實現(xiàn)多種類型的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸幀格式如圖2 所示[8]。其中虛擬信道標(biāo)識符（VCID）是同一物理信道下實現(xiàn)信道復(fù)用的關(guān)鍵[10]，也是地面段進(jìn)行解復(fù)接處理的依據(jù)。極化復(fù)用方式下的奇/偶幀指圖2 中虛擬信道幀計數(shù)為奇/偶數(shù)的傳輸幀，每個虛擬信道獨立計數(shù)，互不交叉。

圖2 CCSDS AOS 傳輸幀格式Fig.2 CCSDS AOS transmission frame format

AOS 協(xié)議規(guī)定傳輸幀的虛擬信道幀計數(shù)占24 bit，取值為0 至 224-1，最高可計數(shù)16 777 216 幀，幀計數(shù)達(dá)到 224-1后歸零，從0 開始重新計數(shù)，幀計數(shù)周期加1。AOS 傳輸幀的幀計數(shù)周期占4 bit，取值為0 至 24-1，最高可計數(shù)16 個周期。針對虛擬信道幀計數(shù)歸零折返現(xiàn)象和奇偶幀分路的特點，引入邏輯虛擬信道幀計數(shù)CL的概念，其定義為

其中，Cc為傳輸幀中的幀計數(shù)周期值，Cf為傳輸幀中的虛擬信道幀計數(shù)值。在衛(wèi)星過境時間較短時，邏輯幀計數(shù)不會出現(xiàn)歸零折返現(xiàn)象。即使通過中繼等手段延長了數(shù)傳時間，致使邏輯幀計數(shù)歸零折返，仍可對當(dāng)前邏輯幀計數(shù)概念進(jìn)行延伸，引入“歸零折返”計數(shù)變量作為當(dāng)前邏輯幀計數(shù)的進(jìn)位，確保邏輯幀計數(shù)始終為遞增狀態(tài)。

1.3 問題形式化定義

設(shè)共有N個虛擬信道，奇路基帶原始數(shù)據(jù)Do是由N個虛擬信道奇幀數(shù)據(jù)包Oi（i=1,2,...,N）組成的集合，即

偶路基帶原始數(shù)據(jù)DE是由N個虛擬信道偶幀數(shù)據(jù)包Ei（i=1,2,...,N）組成的集合，即

將某虛擬信道i的 奇幀數(shù)據(jù)包Oi和 偶幀數(shù)據(jù)包Ei分別表示為如下有序組：

這里奇幀數(shù)據(jù)到達(dá)時刻to「j/2與偶幀數(shù)據(jù)達(dá)到時刻te(k/2)無關(guān)。

奇偶幀合路處理，要求分別將各虛擬信道的奇偶幀數(shù)據(jù)包按照邏輯虛擬信道幀計數(shù)組織成完整的數(shù)據(jù)包

2 方法設(shè)計

2.1 方法框架

奇偶合路實時處理方法的工作原理如圖3 所示，其包括環(huán)形隊列存儲器、奇/偶路解復(fù)接處理器、奇偶合路處理器、奇偶合路處理平臺5 個模塊。

圖3 奇偶合路實時處理方法工作原理Fig.3 Odd-even frames real-time combination method framework

環(huán)形隊列存儲器用于存儲各處理器的輸入輸出數(shù)據(jù)，設(shè)計具有內(nèi)存訪問互斥保護(hù)的順序讀取、寫入操作，保持先進(jìn)先出的特性。根據(jù)管理的數(shù)據(jù)對象不同，環(huán)形隊列存儲器包括存儲奇/偶路基帶的奇/偶路數(shù)傳基帶環(huán)形隊列存儲器、存儲各虛擬信道奇/偶幀數(shù)據(jù)的虛擬信道奇/偶幀數(shù)據(jù)環(huán)形隊列存儲器等，其數(shù)量與衛(wèi)星數(shù)傳虛擬信道的數(shù)量相適應(yīng)。

奇/偶路解復(fù)接處理器對奇/偶路數(shù)傳基帶數(shù)據(jù)Do（DE）進(jìn)行幀同步格式處理，驗證航天器標(biāo)識符等字段的正確性，進(jìn)而根據(jù)虛擬信道標(biāo)識符對奇/偶傳輸幀{O1,O2,...，ON}（{E1,E2,...,EN}）進(jìn)行解復(fù)接處理，計算虛擬信道邏輯幀計數(shù)，將奇/偶幀單路數(shù)據(jù)分為多個虛擬信道奇/偶幀數(shù)據(jù)Oi（Ei）i=1,2,...,N，并將其分別寫入相應(yīng)虛擬信道奇/偶幀環(huán)形隊列存儲器中。

奇偶合路處理器依據(jù)奇偶合路處理算法，對各虛擬信道奇/偶)幀數(shù)據(jù)Oi（Ei）完成奇偶幀合路處理，生成各虛擬信道的合路傳輸幀

奇偶合路處理平臺負(fù)責(zé)各環(huán)形隊列存儲器的緩存申請與釋放，并按圖4 中的數(shù)據(jù)處理流程，控制各處理器從各環(huán)形隊列存儲器中順序讀取數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行解復(fù)接及合路處理，實現(xiàn)合路處理過程中的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)控制。

圖4 奇偶合路處理流程設(shè)計Fig.4 Processing flow of odd-even frames combination

2.2 環(huán)形隊列緩沖設(shè)計

環(huán)形隊列緩沖設(shè)計如圖5 所示，物理上是通過一組地址連續(xù)內(nèi)存實現(xiàn)的。設(shè)計變量包括緩沖申請容量Lmax、當(dāng)前存儲的有效數(shù)據(jù)量Lval、寫指針Pw、讀指針Pr，同時設(shè)計有內(nèi)存互斥訪問的寫入和讀出操作。

圖5 環(huán)形隊列結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.5 Structure of circular queue

緩沖申請容量Lmax的設(shè)計是內(nèi)存管理的關(guān)鍵。若Lmax過小，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)迅速充滿，后續(xù)數(shù)據(jù)將寫入失??；若Lmax過大，將浪費大量內(nèi)存空間。由于奇偶路解復(fù)接處理不涉及復(fù)雜運算，處理速率高，奇/偶路數(shù)傳基帶環(huán)形隊列存儲器作為兩個接收緩存，申請空間無需太大，其Lmax設(shè)計為128 MByte；各虛擬信道奇/偶幀數(shù)據(jù)環(huán)形隊列存儲器Lmax的設(shè)計原則為：在奇偶路數(shù)傳速率為v（單位bit·s-1）、可容忍最大傳輸時延為t（單位s）的情況下，緩沖申請容量滿足Lmax≥v tLfrm.其中Lfrm為傳輸幀幀長。

將長度為Lwd的數(shù)據(jù)寫入緩存時，步驟如下。

步驟1若Lval+Lwd＞Lmax，說明存儲空間不足，返回失敗，否則進(jìn)入下一步。

步驟2若Pw+Lwd≤Lmax，可將長度為Lwd的數(shù)據(jù)在Pw位 置順序?qū)懭?，并?zhí)行寫指針移動Pw+=Lwd，Lval+=Lwd，返回成功，否則進(jìn)入下一步。

步驟3先將長度為Lmax-Pw的數(shù)據(jù)在Pw位置寫入，再將剩余長度為Lwd-(Lmax-Pw) 的數(shù)據(jù)從緩存頭部寫入，并執(zhí)行寫指針移動Pw=Lwd-(Lmax-Pw)，Lval+=Lwd，返回成功。

將長度為Lrd的數(shù)據(jù)讀出時，步驟如下。

步驟1若Lrd＞Lval，說明有效數(shù)據(jù)不足，返回失敗，否則進(jìn)入下一步。

步驟2若Pr+Lrd＜Lmax，可從Pr處順序讀出長度為Lrd的數(shù)據(jù)并執(zhí)行讀指針移動Pr+=Lrd，Lval-=Lrd，返回成功，否則進(jìn)入下一步。

步驟3先將長度為Lmax-Pr的數(shù)據(jù)從Pr處順序讀出，再將剩余長度為Lrd-(Lmax-Pr)的數(shù)據(jù)從緩存頭部讀出，并執(zhí)行讀指針移動Pr=Lrd-(Lmax-Pr)，Lval-=Lrd，返回成功。

2.3 奇偶合路處理算法設(shè)計

利用各虛擬信道奇偶路數(shù)據(jù)內(nèi)部虛擬信道幀計數(shù)均保持有序的特征，奇偶合路處理算法避免大量冗余比較。如圖6 所示，對于某虛擬信道，若奇偶某路數(shù)據(jù)尚未到達(dá)，則另一路數(shù)據(jù)等待；若奇偶數(shù)據(jù)均已到達(dá)，且奇偶兩路最先到達(dá)的傳輸幀計數(shù)差值為1，則將計數(shù)較小者推出進(jìn)行后續(xù)處理；若差值不為1，說明存在丟幀情況，直接將計數(shù)較小者拋除不處理，避免錯誤數(shù)據(jù)影響后續(xù)處理，導(dǎo)致整個系統(tǒng)處理性能下降。

圖6 奇偶合路處理算法設(shè)計Fig.6 Odd-even channels combination algorithm

3 實驗與應(yīng)用

搭建CPU 主頻4.5 GHz、內(nèi)存64 GByte 的硬件測試環(huán)境，以CASEarth 衛(wèi)星2021 年11 月9 日喀什站第47 軌數(shù)傳數(shù)據(jù)為處理對象（數(shù)據(jù)情況列于表1，根據(jù)填充信道幀第一幀計數(shù)之差可知，奇偶兩路鎖定時差為0.67 s），通過兩個TCP 模擬發(fā)送軟件仿真地面站奇偶兩路解調(diào)器。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of test data

這里策劃了兩類實驗：一是方法設(shè)計驗證，包括緩存申請容量與可容忍最大時延的關(guān)系測試，環(huán)形隊列應(yīng)用前后的對比測試，驗證方法設(shè)計的正確性和有效性；二是處理性能極值測試，驗證方法對衛(wèi)星任務(wù)的支持能力。

3.1 方法設(shè)計驗證

該實驗中TCP 模擬發(fā)送軟件速率設(shè)為800 Mbit·s-1，與CASEarth 衛(wèi)星任務(wù)一致，時延通過偶路數(shù)據(jù)延時發(fā)送模擬。實驗結(jié)果如圖7 所示，圖中理論上限計算方法為緩沖申請容量除以發(fā)送速率。

圖7 不同緩沖申請容量可容忍的最大時延Fig.7 Maximum tolerable delay of different buffer capacity

實驗結(jié)果表明：所提出方法可容忍時延與緩沖申請容量成正比，驗證了緩沖容量申請原則的正確性；采用非循環(huán)內(nèi)存使用方式，由于每次數(shù)據(jù)處理后，需要通過耗時的內(nèi)存移動整理緩存，影響系統(tǒng)處理速度，導(dǎo)致在緩存申請容量達(dá)到一定值后，即使再增加緩存也不能有效增加可容忍的時延；實測值小于理論上限，分析其原因為，理論值的計算沒有考慮線程調(diào)度、解復(fù)接處理、軟件界面打印操作等因素。

3.2 處理性能極值測試

實時工程參數(shù)信道、回放工程參數(shù)信道、載荷科學(xué)數(shù)據(jù)信息奇/偶幀環(huán)形隊列存儲器Lmax取值分別為256 KByte，256 MByte，512 MByte，處理時間為182.533 s，平均處理速度為2603.01 Mbit·s-1，遠(yuǎn)優(yōu)于ASO-S 衛(wèi)星1 Gbit·s-1和CASEarth 衛(wèi)星1.6 Gbit·s-1的指標(biāo)要求。使用文件回放的方式模擬解調(diào)器，處理時間為57.078 s，平均處理速度為8324.328 Mbit·s-1，分析其主要原因為，文件回放方式消除了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的時間差，使奇幀數(shù)據(jù)到達(dá)時刻to「j/2與偶幀數(shù)據(jù)達(dá)到時刻te(k/2)相關(guān)，處理性能更高。

4 結(jié)語

極化復(fù)用技術(shù)是在有限帶寬約束下提高數(shù)傳速率的有效方法。利用極化復(fù)用方式下各虛擬信道奇偶單路數(shù)據(jù)內(nèi)部 虛擬信道幀計數(shù)無需排序即具有順序性的特征，設(shè)計奇偶合路處理算法，規(guī)避了傳統(tǒng)方法包含的復(fù)雜耗時排序操作；采用環(huán)形隊列設(shè)計，循環(huán)使用內(nèi)存，規(guī)避了頻繁內(nèi)存移動操作，顯著提升奇偶合路處理性能，解決了極化復(fù)用方式下衛(wèi)星數(shù)傳基帶處理低效的問題，在實際衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理任務(wù)中可取得較好的應(yīng)用效果。

奇偶合路算法依賴于虛擬信道幀計數(shù)，后續(xù)將開展針對因誤碼造成幀計數(shù)錯誤條件下的合路處理方法研究，從而更完整可靠地處理衛(wèi)星數(shù)傳基帶數(shù)據(jù)。