星载转发器备份环模块化设计方法与流程

本发明属于星载转发器技术领域，尤其涉及一种星载转发器备份环模块化设计方法。

背景技术：

通信卫星转发器是卫星向用户提供服务的主要载荷。由于卫星的不可维护性，为提高卫星的可靠性，星上设备均采用备份设计。合理的将主份设备与备份设备用开关连接起来，形成备份环，则可以实现主份故障时通过开关切换至备份。

卫星设计时会针对转发器的高功率放大器进行备份设计，备份环为n:k备份(n≥k)，其中高功率放大器的总数量为n，主份数量为k，备份的数量为n-k。例如行波管放大器8:6备份，则高功率放大器采用行波管的形式，共有8个行波管，其中6个是主份，2个备份。用户对高功率放大器的备份要求为

(1)任意n-k个主份放大器失效，均可通过切换至备份，而不影响总的有效工作放大器数量；

(2)当失效主份切换至对应的第一备份时不影响其他通路工作。

随着转发器数量的不断增加，备份环的规模不断增大，在满足用户要求的前提下，优化备份环设计显得至关重要。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载转发器备份环模块化设计方法，解决了复杂开关备份环的设计，该方法的设计约束为形成最小备份环，即总开关数量最少，且在满足用户要求的前提下使得从主份切换至备份时通过的开关数量最少。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种星载转发器备份环模块化设计方法，所述方法包括如下步骤：(1)对要求的备份环进行分割，形成需生长的各个子模块；(2)根据步骤(1)中需生长的各个子模块，基础模块通过延长生长或衍生生长生成所需的各个子模块；(3)将所需的各个子模块连接形成备份环；(4)根据备份环连接条件满足备份环的备份支持性。

上述星载转发器备份环模块化设计方法中，在步骤(1)中，对于一个n:k备份环，能够分割成n-k个子模块；其中，子模块的分割方法如下：

a)n-k＝1，不分割；

b)n-k＝2分成两个子模块；其中，

如果n和k均为奇数，两个子模块分别为和

如果n和k均为偶数，两个子模块为同等形式即子模块；

c)n-k≥3，分成n-k个子模块。

上述星载转发器备份环模块化设计方法中，在步骤(2)中，针对n:k的备份环，当n-k≤2时，即构成备份环的子模块数量≤2时，采用延长生长；其中，延长生长即在4:3基础模块的基础上，在主份连接开关和备份连接开关之间加入新的主份连接开关，依次循环操作，使支链延长；针对任意n:k的备份环，其基础模块生长都能采用衍生生长，即在4:3基础模块的基础上，在支链上增加传递开关，传递开关的两个端口连接原支链上的主份连接开关和备份连接开关，传递开关的另外两个端口分别接入需增加的新的主份连接开关。

上述星载转发器备份环模块化设计方法中，基础模块为4:3模块或5:4模块；其中，一个4:3模块总共有3个主份连接开关，1个备份连接开关，没有传递开关；主份连接开关有4个端口，一个端口用于和备份开关连接形成备份环基础模块，一个端口连接主份设备，一个端口作为输出端口，剩余一个端口成为连接端，用于与其他子模块的连接端连接，形成更大的备份环；备份开关有四个端口，一个端口与备份设备连接，另外三个端口分别与其他开关相连形成三条支链；一个5:4模块总共有3个主份连接开关，1个备份连接开关，一个传递开关。主份连接开关有4个端口，一个端口用于和传递开关连接形成备份环基础模块，一个端口连接主份设备，一个端口作为输出端口，剩余一个端口成为连接端，用于与其他子模块的连接端连接，形成更大的备份环；备份开关有四个端口，一个端口与备份设备连接，另外两个端口作为主份设备连接和输出端，剩余一个端口与传递开关连接。传递开关连接三个主份连接开关形成三条支链，与一个备份连接开关形成一个端链。

上述星载转发器备份环模块化设计方法中，在步骤(3)中，将所需的各个子模块连接形成备份环包括：分别以两个备份连接开关为起点，选取两个子模块的连接端相连，按照等长原则连接，即连接端连接后其所属的子模块中备份连接开关之间间隔的开关数相同，直至所有可以互相连接的子模块连接端连接完毕；其中，所有的子模块都应与其他子模块相连，不能出现一个子模块的所有连接端均与另一个子模块相连；如果连接端的总数为奇数，则在所有连接端完成连接后，有且仅有一个连接端剩余，该连接端接负载。

上述星载转发器备份环模块化设计方法中，在步骤(4)中，备份环连接条件为：当n-k>2，任意3个主份连接开关不能直接相连，即每2个主份连接开关相连后再与其他主份连接开关相连，中间要增加传递开关；当n-k≥5，在使用4:3子模块时，与同一个备份连接开关相连的主份连接开关不能超过4个，即需要在备份连接开关和主份连接开关之间增加传递开关。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明能够解决复杂开关备份环的设计，该方法的设计约束为形成最小备份环，即总开关数量最少，且在满足用户要求的前提下使得从主份切换至备份时通过的开关数量最少。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的4:3基础模块的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的5:4基础模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基础模块延长生长的示意图；

图4是本发明实施例提供的基础模块衍生生长的示意图；

图5是本发明实施例提供的子模块连接示意图；

图6是本发明实施例提供的1个15:12的备份环的连接示意图；

图7是本发明实施例提供的另一备份环的连接示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种星载转发器备份环模块化设计方法，该方法包括如下步骤：

(1)对要求的备份环进行分割，形成需生长的各个子模块；

(2)根据步骤(1)中需生长的各个子模块，基础模块通过延长生长或衍生生长生成所需的各个子模块；

(3)将所需的各个子模块连接形成备份环；

(4)根据备份环连接条件满足备份环的备份支持性。

需要理解的是，步骤(1)中的要求的备份环就是步骤(3)中形成的备份环，具体的是，步骤(1)中的备份环还没有形成。

具体方法如下：

(1)备份环分割

对于一个n:k备份环，可以分割成n-k个子模块。例如，一个8:6的备份环，可以分割成2个子模块。

子模块的分割方法如下。

a)n-k＝1，不分割，直接进入第二步。

b)n-k＝2分成两个子模块

如果n、k为奇数，两个子模块分别为和例如一个11:9的备份环，将被分割成6:5和5:4两个子模块。

如果n、k为偶数，两个子模块为同等形式即子模块。

c)n-k≥3，分成n-k个子模块。

划分子模块，需要考虑的因素为各个子模块间的差距尽量小最大子模块与最小子模块之差≤2。

例如，一个16:13的备份环，可以划分成两个6:5子模块和一个4:3子模块。15:12的备份环，可以划分成三个5:4的备份环，但是为减少奇数模块的数量，分成6:5,5:4和4:3三个模块。

(2)生成子模块

子模块的生成基础为4:3模块或5:4模块，这两种模块成为基础模块，分别如图1和图2所示。此两种模块可以作为所有备份环生成的基础。更小的备份环在此不讨论。

为指代明确，此处对开关分类命名如下：

主份连接开关：与主份设备相连的开关；

备份连接开关：与备份设备相连的开关，即使该开关上还连接了主份设备，仍然称为备份连接开关；

传递开关：只与其他开关相连不直接连接设备的开关。

如图1所示，从4:3基础模块看出，一个基础模块一共有3个主份连接开关，1个备份连接开关，没有传递开关。主份连接开关有4个端口，一个端口用于和备份开关连接形成备份环基础模块，一个端口连接主份设备，一个端口作为输出端口，剩余一个端口成为连接端，用于与其他子模块的连接端连接，形成更大的备份环。备份开关有四个端口，一个端口与备份设备连接，另外三个端口分别与其他开关相连形成三条支链。

如图2所示，从5:4基础模块看出，一个基础模块一共有3个主份连接开关，1个备份连接开关，一个传递开关。主份连接开关有4个端口，一个端口用于和传递开关连接形成备份环基础模块，一个端口连接主份设备，一个端口作为输出端口，剩余一个端口成为连接端，用于与其他子模块的连接端连接，形成更大的备份环。备份开关有四个端口，一个端口与备份设备连接，另外两个端口作为主份设备连接和输出端，剩余一个端口与传递开关连接。传递开关连接三个主份连接开关形成三条支链，与一个备份连接开关形成一个端链。

生成m:m-1的子模块。m：m-1的子模块由基础模块衍生而成，具体方法称为生长。根据备份环的总数不同，生长方式分为两种，称为延长生长和衍生生长。

延长生长：针对n:k的备份环，当n-k≤2时，即构成备份环的子模块数量≤2时，可以采用延长生长。延长生长即在4:3基础模块的基础上，在主份连接开关和备份连接开关之间加入新的主份连接开关，依次循环操作，使支链延长。如图3所示，通过对4:3基础模块的支链-1采用延长生长，形成一个5:4的基础模块。对每个支链的生长应采用均等的增速生长，例如若要形成一个7:6的子模块，需要在4:3的基础模块上增加三个主份连接开关，应在三条支链上每条支链增加一个开关。

延长生长有以下特点：

不会增加基础模块的连接端数量，因此一个基础模块的连接端数量为仍然3；

备份环中开关的数量增长与备份环规模的增长数量相同；

随着备份环子模块规模的增加，设备切换至备份经过的开关数多。

衍生生长：针对任意n:k的备份环，其基础模块生长都可以采用衍生生长。

衍生生长即在4:3基础模块的基础上，在支链上增加传递开关，传递开关的两个端口连接原支链上的主份连接开关和备份连接开关，传递开关的另外两个端口分别接入需增加的新的主份连接开关。如图4所示，通过对4:3基础模块的支链-1采用衍生生长，形成一个6:5的基础模块。对每个支链的生长应采用均等的增速生长，例如若要形成一个10:9的基础模块，需要在4:3的基础模块的每条支链上均做衍生生长。

衍生生长的特点有：

基础模块的连接端的数量3+传递开关的数量*2，即衍生的支数越多，连接端数量越多；

基础模块开关的总数，例如m：m-1模块，其开关数量为其中，roundup算子为向上取整，例如roundup(1.2)＝2。

基础模块的选择，一个n:k的备份环，可分割成n-k的基础模块m:m-1，那么偶数规模的子模块(m为偶数)则由4:3基础模块生长得到，奇数规模的子模块(m为奇数)则由5:4基础模块生成。

(3)子模块连接

在生成所需的子模块后，需要将各个子模块相连，形成备份环。

分别以两个备份连接开关为起点，选取两个子模块的连接端相连，此处尽量按照等长原则连接，即连接端连接后其所属的子模块中备份连接开关之间间隔的开关数尽量相同或相近，直至所有可以互相连接的子模块连接端连接完毕。举例说明等长原则，如图5所示，假设有一个14:11的备份环，划分为两个4:3的子模块和一个6:5的子模块。图中子模块1中连接端-1，通过连接线1与子模块2中的连接端-1相连。这样子模块1中的备份连接开关与子模块2中的备份连接开关之间隔了2个开关。同样的，子模块1中的连接端-5与子模块3中的连接端-1通过连接线2相连，两个备份连接开关中间隔了2个开关。子模块1的连接端-3与子模块2的连接端3通过连接线4相连，所属模块的备份连接开关间隔3个开关。

所有的子模块都应与其他子模块相连，不能出现一个子模块的所有连接端均与另一个子模块相连。

如果连接端的总数为奇数，则在所有连接端完成连接后，有且仅有一个连接端剩余，该连接端接负载。

如果为减小备份环中开关的数量，可是让备份环的子模块均采用延长生长模式。

(4)对备份环的备份支持性进行检查

当子模块的连接端数量少于子模块的数量时，则会出现备份环无法支持全部备份切换的情况。例如对于1个15:12的备份环，如果以图6连接方式，则无法实现任意3个主份hpa故障下，由备份接替工作的能力。

在两个子模块连接中加入传递开关，可以解决备份环全局备份能力。如图7所示，在3个5:4子模块的连接端，增加一个连接开关，该备份环可以满足任意3个主份放大器故障，可以由备份接替的能力。

要满足备份环n:k的全局支持性，在备份环连接时应保证如下：

a.当n-k>2，任意3个主份连接开关不能直接相连，即每2个主份连接开关相连后再与其他主份连接开关相连，中间要增加传递开关；

b.当n-k≥5，在使用4:3子模块是，与同一个备份连接开关相连的主份连接开关不能超过4个，即需要在备份连接开关和主份连接开关之间增加传递开关。

本实施例能够解决复杂开关备份环的设计，该方法的设计约束为形成最小备份环，即总开关数量最少，且在满足用户要求的前提下使得从主份切换至备份时通过的开关数量最少。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。