一种多通道自适应带宽切换方法及系统

1.本发明属于航天器高速数据传输技术领域，具体涉及一种多通道自适应带宽切换方法及系统。


背景技术：

2.随着空间探测任务难度的增加，航天器内部需配备高分辨率的有效载荷，有效载荷间信息交换量和交换速率也随之增加。现有的总线技术已经不能支持超高速率星载数据网络，因此欧洲航空航天局提出了新一代超高速串行链路spacefibre技术以满足有效载荷间数据交换的新需求。
3.spacefibre技术的一个重要特点是支持多通道功能，即单条物理链路包含多条物理通道。多通道功能不仅可以有效扩展数据传输带宽，还为数据传输的安全性提供了保障，以确保spacefibre技术可以应用于可靠性要求较高的场合。当一条物理链路上的某条或多条物理通道由于线缆故障等原因发生故障时，多通道功能可以提供热冗余切换服务。热冗余切换服务是指在不停机的情况下实现热冗余通道自动接替故障通道，从而在规定的时间内继续完成数据的收发。当不存在热冗余通道时，多通道功能可以提供降级切换服务。降级切换服务是指将数据自动地分发到剩余的活跃通道上完成数据的传输。活跃通道是指在通信过程中用于发送有效数据信息的物理通道。
4.热冗余切换服务和降级切换服务的关键是切换管理，切换结构对整个传输系统的有序和稳定运行起到至关重要的作用。现有技术只说明了spacefibre协议热冗余切换服务和降级切换服务的工作原理，并没有说明具体的切换管理实现方式。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种多通道自适应带宽切换方法及系统，提供了spacefibre协议多通道热冗余切换服务和降级切换服务的实现架构。
6.本发明提出了一种多通道自适应带宽切换方法，所述方法首先基于物理链路的多条物理通道设置通道稳定时限和数据发送通道上限；然后实时检测每条物理通道的当前状态，根据物理通道状态及稳定时限对每条物理通道的状态进行确认，同时对所有物理通道的确认状态进行检测，当检测到链路中任一通道确认状态发生变化时根据实时无故障通道数与数据发送通道上限判断是否存在热冗余通道，若存在热冗余通道，则分配热冗余通道和活跃通道；若不存在热冗余通道，则分配活跃通道，从而实现多通道的带宽切换。
7.作为上述技术方案的改进之一，所述方法对某一条物理通道状态进行确认时，要求该条物理通道状态累计有效时间达到稳定时限，进而得到该条物理通道的确认状态，所有物理通道状态确认后形成链路状态确认信号。
8.作为上述技术方案的改进之一，所述方法对链路中所有通道的确认状态进行检测，若链路中所有通道的确认状态均未发生变化，则说明无需进行带宽切换；若链路中任一通道的确认状态发生变化，则进一步比较实时无故障物理通道数与数据发送通道上限，若
所述实时无故障通道数不超过数据发送通道上限，则表示不存在热冗余通道；若实时无故障物理通道数大于数据发送通道上限，则表示存在热冗余通道。
9.作为上述技术方案的改进之一，所述方法将链路的物理通道编号为0至n-1，n为物理通道数，根据spacefibre协议规定：当存在热冗余通道时，编号较小的无故障物理通道作为活跃通道，剩余无故障物理通道作为热冗余通道。因此在分配热冗余通道和活跃通道时，将链路状态确认信号中从最低有效位(有效位是指转化为二进制后为1的位)开始，共l比特有效位对应的物理通道作为活跃通道并置位活跃通道信号相应l比特为1，活跃通道信号剩余n-l比特为0，将链路状态确认信号剩余高有效位对应的物理通道作为热冗余通道并置位热冗余通道信号相应m-l比特为1，热冗余通道信号剩余比特均为0。在分配活跃通道时，直接将链路状态确认信号中有效位对应的物理通道作为活跃通道并置位活跃通道信号的相应m比特为1，活跃通道信号的剩余n-m比特为0；热冗余通道信号n比特全为0。l为数据发送通道上限，m为实时无故障通道数。
10.本发明还提出了一种用于实现以上之一所述方法的多通道自适应带宽切换系统，所述系统包括：信号发送模块、物理通道簇、链路状态检测簇和热冗余控制模块；
11.所述信号发送模块，用于向所述链路状态检测簇发送稳定时限信号和向所述热冗余控制模块发送数据发送通道上限信号；所述稳定时限信号中设置有稳定时限；所述数据发送通道上限信号中设置有数据发送通道上限；
12.所述物理通道簇包括n条物理通道，n＝2k(k∈n)，并编号为0至n-1，用于对物理通道的状态进行检测得到物理通道状态信号，并将物理通道状态信号传递给所述链路状态检测簇；
13.所述链路状态检测簇包括n个链路状态检测模块，并且每条物理通道对应单一链路状态检测模块；所述链路状态检测模块根据稳定时限信号和物理通道状态信号，对每条物理通道的状态进行确认后向所述热冗余控制模块发送链路状态确认信号；
14.所述热冗余控制模块根据数据发送通道上限信号和链路状态确认信号输出n比特活跃通道信号、n比特热冗余通道信号和k 1比特活跃通道数目信号，以对热冗余通道和活跃通道进行分配，或对活跃通道进行分配。活跃通道信号和热冗余通道信号中的每个比特位均对应相应编号的物理通道。当活跃通道信号中的某比特为有效位，则表示该有效位对应的物理通道为活跃通道。当热冗余通道信号中的某比特为有效位，则表示该有效位对应的物理通道为热冗余通道。
15.作为上述技术方案的一种改进，所述链路状态检测簇还包括选择器0、选择器1和计数器；
16.所述选择器0以物理通道状态作为选通信号，生成计数器使能信号和计数器清零信号：当物理通道的状态为1时，计数器使能信号置位，计数器清零信号取消置位；当物理通道的状态为0时，计数器使能信号清除，计数器清零信号置位；
17.所述计数器清零信号和计数器使能信号传输到计数器进行时间累计：当计数器清零信号置位时，计数器值归零；当计数器使能信号为高电平时且时间累计值未达到稳定时限，则计数器值继续增加；当计数器使能信号且时间累计值增加至稳定时限，则计数器保持不变；
18.所述链路状态检测模块实时地将时间累计值与稳定时限进行比较，当时间累计值
达到稳定时限则生成选择器1的选通信号；所述选择器1接收到选通信号后生成物理通道状态确认信号并传输到热冗余控制模块。
19.本发明提出了自适应带宽切换系统的硬件架构，解决了切换故障通道的问题；
20.本发明采用基于时间累计的物理通道状态确认处理以及低复杂度热冗余控制策略。
21.本发明能够实现的技术效果：
22.1)可以实时检测物理链路变化；
23.2)可实现带宽的自适应调整，自动切换故障的物理通道，无需外界干预；
24.3)不仅支持带宽的减少，还支持带宽的增加；
25.4)切换方式简单易行，消除了复杂控制逻辑引入的物理通道切换隐患，保障了多通道传输系统实时、稳定、可靠。
附图说明
26.图1为本发明系统结构框图；
27.图2为本发明系统链路状态检测模块结构框图；
28.图3为本发明系统的热冗余控制模块切换方法流程图。
具体实施方式
29.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
30.如图1为一种多通道热冗余切换系统的实现结构图。多通道热冗余切换系统分为信号发送模块、物理通道簇、链路状态检测簇和热冗余控制模块。其中物理通道簇共包含n＝2k(k∈n)条物理通道，编号顺序分别为0至n-1。链路状态簇包含n个链路状态检测模块。物理通道簇与链路状态检测簇为满的单射关系，即每条物理通道对应单一链路状态检测模块。n条物理通道的状态组合而成的物理链路状态传递给链路状态检测簇。链路状态检测簇中的每个链路状态检测模块根据稳定时限信号和物理通道状态信号，对每条物理通道的当前状态进行确认处理。链路状态检测簇将链路状态确认信号传输至热冗余控制模块。热冗余控制模块根据数据发送通道上限信号和链路状态确认信号输出n比特活跃通道信号、n比特热冗余通道信号和k 1比特活跃通道数目信号。活跃通道信号和热冗余信号中的每个比特位均对应相应编号的物理通道。稳定时限信号和数据发送通道上限信号是由用户根据实际应用场景进行配置的。稳定时限信号决定了链路状态检测的时间和准确性：稳定时限过长会影响链路状态检测的反应速度，导致链路不能及时响应链路变化；稳定实现过短会影响链路状态检测的准确性，造成链路状态的错误检测。因此，在赋值稳定时限信号时需要综合考虑链路检测的速度和准确性。数据发送通道上限信号决定了物理通道的余度，通常来说冗余的余度越高，系统稳定性也就越高。但是余度过多会导致系统成本提高，也会带来切换管理的额外开销。所以，应用时要根据系统特点和可靠性要求，设计数据发送通道上限信号。
31.为了防止误检测，链路状态检测模块采用基于时间累计的物理通道状态确认处理。只有当物理通道状态信号累计有效时间达一定值时，链路状态检测模块才能完成确认处理操作并输出物理通道状态确认信号。n路物理通道状态确认信号共同组成链路状态确
认信号。链路状态检测模块的实现结构如图2所示。外部输入的物理通道状态作为选择器0的选通信号，生成计数器使能信号和计数器清零信号：当物理通道的状态为1时，计数器使能信号置位，计数器清零信号取消置位；当物理通道的状态为0时，计数器使能信号清除，计数器清零信号置位。计数器清零信号和计数器使能信号传输到计数器进行时间累计：当计数器清零信号置位时，计数器值归零；当计数器使能信号为高电平时且时间累计值未达到稳定时限，则计数器继续增加；当计数器使能信号且时间累计值增加至稳定时限，则计数器保持不变。链路状态检测模块实时地将时间累计值与稳定时限进行比较，当时间累计值达到稳定时限值生成选择器1的选通信号。此时，选择器1生成物理通道状态确认信号并传输到热冗余控制模块。
32.如图3所示为热冗余控制模块流程图，该模块负责依据物理链路状态确认信号和数据发送通道上限信号进行带宽切换。热冗余控制模块接收到来自链路状态检测簇的链路确认信号，并与之前寄存的确认信号进行差异检查以检测通道状态变化。若两者相等，说明链路状态无变化，则热冗余控制再次进入检测通道状态变化步骤。若链路确认信号的新接收值与寄存值不同，说明链路状态发生了变化。此时，热冗余控制模块进入检测热冗余通道步骤。假设实时无故障通道数目为m(m≤n)。若l《m，则表示存在热冗余通道，热冗余控制模进入分配热冗余通道和活跃通道步骤：根据spacefibre协议规定，当存在热冗余通道时，编号较小的无故障物理通道作为活跃通道，剩余无故障物理通道作为热冗余通道。因此在分配热冗余通道和活跃通道时，将链路状态确认信号中从最低有效位开始共l比特有效位对应的物理通道作为活跃通道，活跃通道信号相应l比特为1，活跃通道信号剩余n-l比特为0。将链路状态确认信号剩余高有效位对应的物理通道作为热冗余通道，热冗余通道信号相应m-l比特为1，热冗余通道信号剩余比特均为0。若l≥m，则表示不存在热冗余通道，热冗余控制模块进入分配活跃通道步骤：将链路状态确认信号中有效位对应的物理通道作为活跃通道并置位活跃通道信号的相应m比特，活跃通道信号的剩余n-m比特为0；近端热冗余通道信号n比特位全为0。考虑存在下面的情况：n＝5(共五条物理通道)，m＝3(某两条物理通道故障，假设故障物理通道的编号为0和3，则五条物理通道的当前状态用二进制表示为10110)。若令l＝2(数据发送通道上限为2)，则活跃通道信号为00110，热冗余通道信号为10000。若令l＝3(数据发送通道上限为3)，则活跃通道信号为10110，热冗余通道信号为00000。
33.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的切换方式简单易行，消除了复杂控制逻辑引入的物理通道切换隐患，保障了多通道传输系统实时、稳定、可靠。
34.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。