一种卫星数据通道控制系统及方法与流程

本发明涉及卫星通信，尤其涉及一种卫星数据通道控制系统及方法。

背景技术：

1、卫星地面站系统中，卫星收发设备和地面网络之间进行数据面信息传输的通路，一般为卫星收发信机和地面网络之间的数据通道，这个数据通道中的设备主要包括卫星收发信机、数据面协议转换设备以及地面段网络设备等，数据通道实现将卫星信号转换为地面网络数据，继而传输到地面网元设备；同时将来自地面网络侧的数据传输到卫星收发信机，转换为卫星空中接口数据帧然后发送给卫星。

2、在高轨卫星通信系统中，由于卫星位置相对静止，卫星通信链路可长时间保持固定的状态，数据通道参数无需频繁调整，而且由于每颗卫星资源需要分配给大量的地面站，每个地面站的传输带宽相对不高，因此对数据通道的控制响应速度要求不高，在此类系统中，对数据通道的控制方法一般通过上层网络协议接口交互的方式来实现，该技术需要在卫星收发信机和相关网络控制设备上配置专门的控制实体和控制接口，控制实体间通过tcp/udp/ip等通用网络传输协议建立连接，进行控制信息的交互，控制信息的反馈经由“底层-上层-上层“的传输路径，控制信令的下达经由“上层到上层再到底层”的传输路径，每次控制闭环需进行多次在设备上层间以及设备内部上下层间交互的子过程，信息传输的环节较多，闭环时间较长。

3、然而在低轨卫星通信系统中，由于卫星轨道位置低，其相对于地面站作高速运动，星地通信链路始终处于快速变化状态中，而且由于可用带宽资源更高，数据通路需承载更高传输速率和更复杂的业务，整个系统将对数据通道控制响应的实时性提出更高要求。

4、目前针对卫星收发信机和地面网络间数据通道的控制多采用上层网络对接的方法，该方法响应时延大，在低轨卫星应用场景下，会造成数据通道未能及时根据卫星链路变化情况做出调整，从而造成传输效率的下降，该方法也未考虑将实时要求高的控制信息直接在网络底层通过数据面传输通道传输。此外，该方法还需配置专用的物理接口，在卫星多通道应用场景中将增加硬件接口复杂度。

技术实现思路

1、本发明提供一种数据通道控制方法及系统，主要针对宽带卫星收发信机和地面网络间数据通道的控制，以解决在高速卫星数据传输的场景中对数据通路的响应速度的控制问题，使其能够快速适配卫星链路的变化情况。

2、为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种卫星数据通道控制系统，所述系统包括：

3、一数据协议转换设备，其中，

4、所述数据协议转换设备具体包括：

5、控制接口模块，用于生成控制帧，并通过数据通道发往宽带卫星收发信机中的数据接口单元；

6、数据流控制模块，用于对控制帧和数据帧在网络底层进行合路传输的控制；

7、控制帧接收队列，用于接收并存储来自宽带卫星收发信机方向的控制帧，

8、控制帧发送队列，用于存储发往宽带卫星收发信机和数据流控制模块的控制帧。

9、具体的，所述接口控制模块根据下行控制帧接收信息或上位机的用户信令来生成新的上行控制帧，上行控制帧主要包括数据通道的控制参数，所述控制参数包括发送周期、队列容量、网络接口速率，用以调整数据通道的工作状态。

10、进一步的，所述数据流控制模块还用于：

11、在上行传输通道中，根据数据业务数据帧的当前传输状态，检查当前控制帧发送窗口，计算控制帧传输的时刻和数据业务帧的数据量，并将控制帧写入卫星侧发送队列；并在下行数据通道中从卫星侧接收读取传输帧，读取帧类型信息和控制帧独特字信息，如果为控制帧类型，则将对应的帧写入控制帧接收队列。

12、进一步优选的，所述数据流控制模块按固定时间周期来控制帧插入业务数据流，以实现对控制帧和数据业务数据帧在网络底层的合路传输，具体包括：

13、用以调用系统函数，获取当前系统时钟计数值scccur的第一单元；

14、用以将计数值的差值和预设的处理周期值比较，进行以下操作的第二单元：

15、当scccur-sccprev≥sccperiod时，将scccur作为下一处理周期的起始时刻，进入第三单元；

16、当scccur-sccprew＜sccperiod时，不进行操作，结束；

17、其中，scccur为当前系统时钟计数值，由第一单元中获取；sccprev为上一处理周期的起始时刻，由上一周期的第十四单元中更新；sccperiod为处理周期时间对应的计数值；

18、用以统计当前数据面协议处理模块中等待发送的数据业务数据帧的数据量的第三单元；

19、用以计算应用于本次处理周期的业务数据帧发送窗口值的第四单元，所述第四单元计算方法如下：

20、

21、其中：

22、wdata为当前周期业务数据的发送窗口值，单位为字节；

23、rsat_link为当前卫星链路的传输速率，单位为字节/秒；

24、reth_link为当前地面网络接口的传输速率，单位为字节/秒；

25、tproc为数据处理周期值，单位为秒；

26、sdata为当前待处理业务数据总数据量，单位为字节，该参数从第三单元中获取到；

27、wadj为调整窗口值，单位为字节，其数值大小取决于上一周期业务数据面和控制面的帧发送情况，在上一周期的第十三单元中进行设置；

28、用以根据业务数据帧发送窗口值将业务数据帧批量写入卫星侧发送队列的第五单元；

29、用以统计发送控制帧总长度,即卫星侧发送队列中当前的数据量的第六单元，单位为字节，将队列中控制帧长度记为cfli，下标i表示控制帧在队列中的序号，则控制帧总长度记为i＝1表示队列的首帧，i＝n为队列最后一帧；

30、用以计算控制帧的发送窗口值的第七单元，第七单元的计算方法如下所示：

31、

32、其中：

33、wctrl为控制帧的发送窗口值，单位为字节；

34、用以当n>0且时，则为队列中所有控制帧执行出列操作，申请帧缓存空间，生成帧指针并写入卫星侧发送队列；

35、当n>0且时，先将满足且的前k个控制帧执行出列操作的第八单元；

36、用以判断当前控制帧队列中的队首帧是否等待超时，如未超时则本次周期发送操作结束，转到第十二单元执行；如超时则转到第十单元执行的第九单元；

37、用以如果额外发送的超时控制帧长度sextra未超过控制发送窗口一半，则转到第十二单元执行，否则转到第十一单元执行的第十单元；

38、用以将当前队首控制帧出列，并将帧长累加到sextra，返回第九单元执行的第十一单元；

39、用以执行队列更新，将队列中所有未发送的超时控制帧作丢弃处理，将所有剩余未超时的控制帧的等待时间twait增加tproc的第十二单元；

40、用以将下一周期的调整窗口值wadj更新为sextra的第十三单元；

41、用以将sccprev更新为scccur的第十四单元。

42、第二方面，为了解决本发明实施例的技术问题，本发明实施例还提供了一种卫星数据通道通道控制方法，所述方法包括：

43、s201、控制接口模块根据下行控制帧接收信息或上位机的用户信令生成新的上行控制帧，所述上行控制帧包括数据通道的控制参数，所述控制参数包括发送周期、队列容量、网络接口速率以调整数据通道的工作状态；

44、s202、控制接口模块访问控制帧发送队列，如所述控制帧发送队列已满，则将队列头的控制帧丢弃，将队列头指针回退一个位置，然后将新的控制帧写入队列尾部；

45、s203、数据流控制模块根据数据业务的当前传输状态，检查当前控制帧发送窗口，计算控制帧出队列的时刻和传输的数据业务量；

46、s204、数据流控制模块按以太网帧格式对上行控制帧进行封装，向帧缓存管理模块申请内存空间并存储，并生成帧地址指针，执行卫星侧发送队列的入队列操作；

47、s205、卫星侧发送队列根据帧地址指针，提取帧缓存管理模块对应的控制帧以直接内存访问方式传输到多速率网卡，发送到卫星收发信机的数据接口单元。

48、进一步的，所述s203具体包括：

49、s401、调用系统函数，获取当前系统时钟计数值scccur；

50、s402、将计数值的差值和预设的处理周期值比较，进行以下操作：

51、当scccur-sccprev≥sccperiod时，将scccur作为下一处理周期的起始时刻，进入s403；

52、当scccur-sccprev＜sccperiod时，不进行操作，结束；

53、其中，scccur为当前系统时钟计数值，由s401中获取；sccprev为上一处理周期的起始时刻，由上一周期的s414中更新；sccperiod为处理周期时间对应的计数值；

54、s403、统计当前数据面协议处理模块中等待发送的业务数据的数据帧量；

55、s404、计算应用于本次处理周期的业务数据帧发送窗口值，计算方法如下：

56、

57、其中：

58、wdata为当前周期业务数据的发送窗口值，单位为字节；

59、rsat_link为当前卫星链路的传输速率，单位为字节/秒；

60、reth_link为当前地面网络接口的传输速率，单位为字节/秒，如采用千兆以太网接口，该参数为125m字节/秒；

61、tproc为数据处理周期值，单位为秒；

62、sdata为当前待处理业务数据总数据帧量，单位为字节，该参数从s403中获取到；

63、wadj为调整窗口值，单位为字节，其数值大小取决于上一周期业务数据面和控制面的帧发送情况，在上一周期的s413中进行设置；

64、s405、根据业务数据帧发送窗口值将业务数据帧批量写入卫星侧发送队列；

65、s406、统计发送控制帧总长度,即发送队列中当前的数据量，单位为字节，将队列中控制帧长度记为cfli，下标i表示控制帧在队列中的序号，则控制帧总长度记为i＝1表示队列的首帧，i＝n为队列最后一帧；

66、s407、计算控制帧的发送窗口值，计算方法如下所示：

67、

68、其中：

69、wctrl为控制帧的发送窗口值，单位为字节；

70、s408、当n>0且时，则为队列中所有控制帧执行出列操作，申请帧缓存空间，生成帧指针并写入卫星侧发送队列；

71、当n>0且时，先将满足且的前k个控制帧执行出列操作，

72、s409、判断当前控制帧队列中的队首帧是否等待超时，如未超时则本次周期发送操作结束，转到s412；如超时则转到s410，

73、s410、如果额外发送的超时控制帧长度sextra未超过控制发送窗口一半，则转到s412，否则转到s411；

74、s411、将当前队首控制帧出列，并将帧长累加到sextra，返回s409；

75、s412、执行队列更新，将队列中所有未发送的超时控制帧作丢弃处理，将所有剩余未超时的控制帧的等待时间twait增加tproc；

76、s413、然后将下一周期的调整窗口值wadj更新为sextra；

77、s414、将sccprev更新为scccur。

78、进一步的，所述方法还包括：

79、s301、卫星收发信机的数据接口单元将当前卫星链路工作状态参数写入控制帧的信息字段，所述工作状态参数包括调制编码方式、信号带宽、信道数量，并填充帧首部信息生成下行控制帧发送给数据协议转换设备；

80、s302、数据协议转换设备通过多速率网卡接收控制帧，并储存到帧管理模块中；

81、s303、帧管理模块检验控制帧的以太网帧首部地址、类型和长度信息，生成帧描述符并将地址指针写入卫星侧接收队列；

82、s304、数据流控制模块从卫星侧接收队列读取数据帧，读取帧类型信息和控制帧独特字信息，如果为控制帧类型，则将该帧写入控制帧接收队列；

83、s305、控制接口模块通过轮询方式从控制帧接收队列得到控制帧，读取帧的地址、类型、独特字和长度等字段信息，与预设的参数表比对判断接收控制帧的正确性，读取信息字段中卫星链路参数，保存到本地参数列表。

84、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明实施例具有以下的优点：提高对卫星收发信机数据通道动态控制的速度，使其能适应卫星链路快速变化的情况，从而提升整体数据传输效率和可靠性。同时，由于控制信息直接在数据通道中传输，无需额外增加专用的高速控制接口，进一步降低硬件接口复杂度。