一种基于OFDM和跨层设计的星载交换方案

正交频分复用(OFDM)具有很高的频谱利用律和良好的抗多径衰落能力,而且OFDM信号中的各个子载波可独立使用,使得OFDM成为卫星通信中备受关注的新技术之一。基于OFDM提出一种全新星载交换方案,该星载交换方案具有灵活、高效、适应性强等特点。结合跨层设计思想,给出了此星载交换方案在一种工作场景下的性能优化算法,此算法可根据每个传输业务的QoS要求、业务速率、当前点波束星地上下行链路信道状态、点波束星地上下行链路发射信号功率上限,实现在各个传输业务之间自适应分配子载波并自适应配置每个子载波的调制制式,尽可能满足每个传输业务的QoS要求。

一种基于SDN技术的星载交换系统组网架构

为了解决目前星载交换系统中路由交换技术的协议开销大、信令复杂、服务质量(QoS)保障能力弱等问题,提出一种基于软件定义网络(SDN)技术的星载交换系统组网架构,对卫星通信SDN控制器和星载SDN交换机的系统结构和功能模块进行了初步设计,实现了星载交换系统控制平面与转发平面的分离,为进一步开展相关研究打下了基础。通过实验仿真,分析比较了SDN星载交换系统和传统星载交换系统的系统负荷和路由收敛时间。结果表明,SDN星载交换系统在降低星载计算能力需求和有效提高拓扑结构稳定性上具有明显优势,可以有效减少传统星载交换系统的有效负荷,优化卫星信道资源利用率,提高卫星通信网络的QoS保障能力。

基于OFDM星载交换的星地下行链路子载波分配与峰均比抑制联合优化方法

提出了一种基于OFDM的全新星载交换方案,此星载交换方案可通过星上子载波交换实现业务交换。以点波束星地下行链路为研究对象,结合跨层设计思想,提出了一种适用于点波束星地下行链路的子载波分配和峰均比抑制方法。此方法可根据点波束星地下行链路信号发射功率上限、当前点波束星地下行链路信道状态、每个星地下行链路传输业务目的地和QoS要求,并结合抑制点波束星地下行链路OFDM信号的峰均比,实现在属于不同地面设备的各个星地下行链路传输业务之间自适应分配子载波,实现充分利用点波束星地下行链路资源、满足传输业务的QoS要求,同时抑制星地下行链路OFDM信号的峰均比,而且不会因抑制星地下行链路OFDM信号的峰均比而增加额外的边带信息和传输功率。

基于OFDM星载交换的星地下行链路跨层设计

该文基于一种全新的基于OFDM的星载交换方案,给出了此星载交换方案的星地下行链路跨层设计工作流程和相关实现方法,此方法根据星地下行链路信号发射功率上限、关于每个地面设备的当前点波束星地下行链路信道状态、每个星地下行链路传输业务目的地、业务类型、业务传输速率要求等参数,实现在属于不同地面设备的各个星地下行链路传输业务之间自适应分配子载波并自适应配置每个子载波的调制制式,生成每个传输业务与子载波的对应关系,充分利用链路资源并满足传输业务的QoS要求。

适合星载交换机的调度算法

针对卫星有效载荷处理速度和存储容量受限的情况,提出适合星载交换机的修正DRR调度算法。采用OPNET网络仿真软件,建立低轨卫星星座系统交换机模型,应用修正DRR算法,验证该算法性能。结果表明在星载交换机资源受限情况下,即使业务流量较大,修正DRR算法也可以保证无掉包现象发生,且交换时延低于10ms,复杂度为O(1)。

面向天地一体化信息网络的星载交换技术发展现状与趋势

针对天地一体化信息网络的建设需求,分别对星载信道化交换技术和分组交换技术的关键问题与研究现状进行分析。其中,信道化交换的分析包括柔性数字信道化和微波光子变频交换,分组交换则以软件定义卫星网络为代表进行探讨。然后,针对空间组网与交换的未来研究方向,从系统容量、可靠性、管控效能、服务质量的角度,对星载交换技术的发展趋势与挑战进行展望,为天地一体化信息网络的长期规划提供参考。

星载交换机中高性能队列管理器的研究与实现

针对星载交换机中硬件处理速度和存储器容量受限的情况,设计实现了一个高性能队列管理器。采用虚拟输出排队机制改善输入缓存中存在的队头阻塞问题;使用前向地址指针pre_addr和后向地址指针nxt_addr控制信元的写入和读出。通过ModelSim SE行为级时序仿真可知,其能够达到星载交换机的队列时延要求,具有较高的交换性能及稳定性。

SDN交换机及其星载交换的实现方案初探

随着互联网技术和应用的不断发展,网络中的新技术、新业务层出不穷,网络的复杂度越来越高。传统的卫星网络已难以满足高吞吐量、灵活多变的业务需求。针对传统卫星网络中的问题,业界提出在卫星网络引入SDN技术,实现软件定义卫星网络SDSN。对现有SDN交换机的实现方式进行归纳总结,针对卫星网络特殊环境分析卫星结点中SDN星载交换设备的系统功能,并提出一种基于OpenFlow协议的SDN星载交换机实现方案。

基于OFDM星载交换的星地上行链路跨层设计算法

以基于OFDM的星载交换方案为研究背景,提出了此星载交换方案的星地上行链路跨层设计工作流程和相关算法。此算法以使点波束星地上行链路的传输容量最大化为目标,根据各个地面设备的星地上行链路信号发射功率上限、当前星地上行链路信道状态、每个星地上行链路传输业务的业务类型、业务传输速率要求等参数,在各个星地上行链路传输业务之间自适应分配子载波并自适应配置每个子载波的调制制式,生成每个传输业务与子载波的对应关系,充分利用链路资源并尽可能满足传输业务的QoS要求。

基于RapidIO的星载交换机的设计与实现

随着星载交换技术的发展,人们对星载交换机的交换容量、平台标准化水平的要求不断提高。RapidIO具有高带宽、低延时、高可靠性的优点,可以满足芯片间和板间的通信需求。因此,对基于RapidIO的星载交换机的体系架构进行研究,实现了包括协议转换、大容量交换结构在内的关键电路。最后,使用Xilinx的xc6vlx240T FPGA实现了完整的交换结构。它具有16个端口,单端口速率5 Gb/s,峰值吞吐率可以达到80 Gb/s。

实现变长分组交换的星载交换机中队列管理器的FPGA设计

针对星载交换机中硬件资源消耗受限的情况,该文设计实现了一种可以进行变长分组调度的队列管理器电路,详细介绍了各个模块的设计思想和工作流程。使用Verilog HDL编程实现各个模块的功能,并通过ModelSim前仿真得出,该电路逻辑可实现,能够满足队列管理器的功能设计要求,具有较高的效率。

一种星地一体的高速星载标签交换机流量控制机制的设计与仿真

为了优化大容量星载交换机的设计,提出了一种星载标签交换技术体制,针对该体制建立了星地一体化卫星网络的队列模型和流量控制机制,根据星载交换机存储资源使用状态调整地面网络设备队列调度权重,降低星载交换机存储资源使用量和丢包率.使用NS2软件仿真分析了长延迟条件下星上缓存队列阈值、星上缓存区容量、地面设备队列调度权重之间的关系.为星载标签交换机和星地一体化网络的设计提供了参考依据.

星载IP交换机中变长调度Clos交换结构的设计

针对星载设备对体积、硬件资源消耗等严格限制的情况,为提高IP交换机的吞吐性能,同时尽可能地降低硬件开销与时延等,设计了一种用于星载IP交换机中的三级Clos交换结构。该结构可支持多个优先级,并采用变长分组调度机制,能够直接处理IP分组。该结构还对原有的三级Clos结构进行改进,将中间级部分整合为一个模块完成,便于在中间级实行集中调度,从而避免了在输出级模块中形成阻塞,同时简化了交换结构的实现过程,降低了硬件资源耗费。使用Xilinx xc5vlx330t FPGA实现了完整的16!16的八优先级变长调度交换结构,其峰值吞吐率可达16 Gb/s。综合结果显示,整个交换结构占用slice register 80352个、block RAM 252块,满足星载交换机的设计需求。

星载IP交换机中负载平衡CIOQ交换结构的设计

卫星所处的空间环境要求星载设备具有高可靠性,同时在硬件资源消耗方面也需要严格控制。针对星载设备的特殊要求,设计了一种应用于CIOQ交换结构、带有负载平衡和互连故障规避能力的级间调度技术,可提高系统的吞吐率和可靠性。改进的FIRM迭代匹配调度算法能在较短时间内完成一次迭代匹配调度过程,实现了高效的端口交换匹配。使用Xilinx xc7vx690t FPGA实现了完整的16×16的交换结构,其峰值吞吐率可达160 Gb/s,可满足星载交换机的系统设计需求。

一种星载CICQ交换机单组播分组调度算法

以缓解联合输入交叉队列(CICQ)交换机分组调度中的组播HOL Blocking问题为目标,同时对因GEO信道问题传输失败而需要重传的分组进行补偿,提出一种新的单组播混合调度算法,即缓解组播头分组阻塞算法RMHB。该算法在交换机尽量工作于Work-Conserving的前提下,尽量缓解组播队列头分组对次分组的阻塞,在单组播分组裁决中,将分组在信道中重传的次数作为考虑的首要因素。目前尚未见到CICQ结构中在考虑GEO卫星信道状态的情况下,进行单组播混合业务分组调度的方法。

一种多优先级变长调度星载IP交换机交换结构的设计

针对星载IP交换机中硬件资源使用受限的情况,设计实现了一种具有8个优先级、采用指针复制和变长分组调度机制的大容量共享存储交换结构,给出了电路的具体组成、关键调度算法和工作流程.使用Xilinx V4sx55FPGA实现了完整的8×8交换结构,电路共占用了164K字节片上存储器资源和5982个4输入查找表,可以满足三模冗余设计要求.在系统工作主频为100MHz、片外采用SRAM、数据位宽为64的情况下,交换结构的峰值吞吐率可以达到1.6Gbps;片外采用133MHz DDR存储器、位宽为64时,交换结构的峰值吞吐率可以达到4.25Gbps;该交换单元进行多级扩展后,可以满足10Gbps以上的系统设计需求.

高性能星载IP交换机路由查找算法的研究与实现

由于卫星空间环境的特殊性,星载设备在设计上受到了体积、功耗、可靠性等诸多因素的限制限制,因此地面路由器中采用的路由查找算法不能简单的搬到星上路由器中。为此,提出一种将压缩二叉树算法、哈希查找相结合的适合星上的IP路由查找方法。使用Xilinx xc6vlx130t FPGA实现了该查找算法,电路共占用338K字节片上存储器资源和1 256个Slices,可以满足三模冗余设计要求。在系统工作主频为100 MHz、包长为64字节的情况下,查找电路的峰值查找速度能达到10.24 Gb/s,可以满足10 Gb/s以上的系统设计需求。

一种星载IP交换机队列管理器的设计

针对星载IP交换机中硬件存储资源使用受限的情况,提出了一种适用于共享存储交换结构、存储资源占用少的队列管理器。通过添加索引的方法,使得所有的单播队列能够共享一个指针存储区。根据位图映射,将组播指针转化为多个单播指针,即可把组播操作的数据流按照单播操作方式写到相应的逻辑队列路径,达到节约存储器资源的目的。该队列管理器通过链表数据结构的头部和尾部来控制指针索引的写入和输出。最后,在Xilinx的xc6vlx130t FPGA进行了综合实现,结果显示,该方案相比基于指针复制的队列管理器,在8端口的交换机中存储器资源的使用量要节约22%以上。

星载IP交换机中基于流的变长调度机制的设计和实现

当调度器面对数量众多的流进行队列选择时,使用传统的轮询方式依次检测队列状态会耗费大量时间。本设计在队列管理器与调度器之间的接口处使用出发队列,有效降低了调度过程中的延时。同时,为了降低硬件复杂度,节约硬件资源,本设计采用了基于DRR的变长调度机制。通过在Xilinx xc6vlx240t的FPFA上进行综合实现,电路占用了882个Slice寄存器、804个Slice查找表和36个块RAM/FIFO,有利于满足三模冗余的要求。

星载Clos网络的全分布式容错调度算法

针对星载交换结构受空间辐射影响造成的可靠性严重下降问题,该文提出了一种支持全分布式调度的三级Clos网络及其全分布式容错(Fully Distributed Fault Tolerant,FDFT)调度算法,以提高星载交换结构在交叉点故障下的容错能力。该Clos网络的中间级和输出级采用联合输入交叉点队列,以支持Clos网络和交换单元内部的全分布式调度。FDFT采用一种分布式故障检测算法获得交叉点故障信息。基于对交叉点故障影响范围的分析,FDFT在输入级采用一种容错信元分发算法,实现无故障路径的负载均衡。理论分析证明,当任一输入/输出级交换单元故障个数不超过(m-n)或所有中间级交换单元故障个数不超过(m-n)时,其中m,n分别为输入级交换单元输入、输出端口数,FDFT能够达到100%吞吐率。仿真结果进一步验证,故障随机发生情况下,FDFT能够抵抗比故障任意发生情况下更多的故障,且在不同的业务场景下具有良好的吞吐率和时延性能。