极化复用方式下高性能数传基带奇偶合路实时处理方法*

张鑫宇 杨甲森 张雪丰 徐聪 陈志敏 智佳 陈托

1(中国科学院国家空间科学中心 北京 100190)

2(中国科学院大学 北京 100049)

0 引言

低轨遥感数传主要采用X 频段[1]。国际电信联盟（ITU）规定X 频段星地数传任务在8025～8400 MHz 内开展[2]，共375 MHz 带宽。如何在有限带宽约束下提高数据传输的码速率是卫星数传分系统面临的主要问题之一[3]。实践表明，极化分割频率复用技术（简称极化复用）是解决上述问题的有效途径[4]。

极化复用技术通过同一频带将满足一定极化隔离要求的两路调制载波信号向地面站发射，地面站利用极化的正交特性将两路数据在同一频域和时域内分隔开，从而拓展频率资源[5]。以中国科学院战略性先导专项先进天基太阳天文台（Advanced Spacebased Solar Observatory,ASO-S）[6]和CASEarth 卫星[7]为例，其数据传输均采用X 频段，通过极化复用技术分别实现了最高2×500 Mbit·s-1和2×810 Mbit·s-1的传输速率。

数传基带奇偶传输帧合路处理是极化复用方式下，地面应用系统判读星载设备状态以及获取空间探测成果的前提和基础，其主要问题在于奇偶两路数据到达时间存在不确定的时间差。传统的奇偶传输帧合路处理方法先将帧数据缓存，然后按照“虚拟信道帧计数”对缓存数据进行排序，再将虚拟信道帧计数连续的传输帧逐一推出进行后续解源包等处理。这种处理方法效率较低，主要有两方面原因：一是涉及复杂耗时的排序操作；二是以非循环使用方式进行内存管理，每次数据处理后，需通过内存移动方式对缓存进行整理。特别是在奇偶路数据到达时间差较长时，由于缓存的数据量大，导致数据排序和内存移动的时间更长，效率更低。因此，目前对极化复用方式下数传基带数据的处理，主要采用卫星过境时存储奇偶路原始数据文件，过境后进行文件回放的事后处理模式。在实时采集与处理模式下，现有方法通常只支持低码速率数传基带数据的处理任务，无法满足实时采集、处理及判读的航天器快速响应需求。

本文面向空间科学卫星高速数传实时处理需求，提出一种极化复用方式下高性能数传基带奇偶合路实时处理方法。一方面充分利用各虚拟信道单路数据内部数据结构特征，有效规避现有处理方法包含的复杂耗时排序操作，另一方面采用环形队列代替非循环内存管理设计，减少频繁的内存移动操作，实现极化复用方式下卫星数传基带数据的高速处理。

1 问题分析

1.1 数传数据处理流程

极化复用方式下空间段和地面段的数传数据处理流程如图1 所示。在空间段，遵照空间数据系统咨询委员会（CCSDS）制定的高级在轨系统（AOS）空间数据链路协议[8]，数传分系统将各载荷源包复接为不同虚拟信道的传输帧[9]，根据虚拟信道帧计数将传输帧分为奇偶两路进行编码调制，并分别进入相控阵天线的左右旋通道向地面站发射；在地面段，地面接收分系统完成奇偶两路数据的解调、解扰、译码后，将两路数据通过网络发送给任务运行分系统，进行奇偶帧合路、解复接、解源包等处理。

由图1 可见，奇偶帧合路处理是地面段解源包等后续处理的前提，也是地面支撑系统监视卫星有效载荷在轨工作状态的基础。合路处理的问题主要来自奇偶两路数据到达存在不确定的时间差，这个时间差来源包括两部分：一是两路解调器锁定时间差；二是两路数据解调后从地面接收分系统通过专线网络传输至任务运控分系统的网络传输时间差。

图1 极化复用方式下空间段与地面段数传处理流程Fig.1 Processing flow of space segment and ground segment data using dual-polarized technology

1.2 奇偶传输帧结构

AOS 协议通过固定长度的传输帧实现多种类型的数据传输，传输帧格式如图2 所示[8]。其中虚拟信道标识符（VCID）是同一物理信道下实现信道复用的关键[10]，也是地面段进行解复接处理的依据。极化复用方式下的奇/偶帧指图2 中虚拟信道帧计数为奇/偶数的传输帧，每个虚拟信道独立计数，互不交叉。

图2 CCSDS AOS 传输帧格式Fig.2 CCSDS AOS transmission frame format

AOS 协议规定传输帧的虚拟信道帧计数占24 bit，取值为0 至 224-1，最高可计数16 777 216 帧，帧计数达到 224-1后归零，从0 开始重新计数，帧计数周期加1。AOS 传输帧的帧计数周期占4 bit，取值为0 至 24-1，最高可计数16 个周期。针对虚拟信道帧计数归零折返现象和奇偶帧分路的特点，引入逻辑虚拟信道帧计数CL的概念，其定义为

其中，Cc为传输帧中的帧计数周期值，Cf为传输帧中的虚拟信道帧计数值。在卫星过境时间较短时，逻辑帧计数不会出现归零折返现象。即使通过中继等手段延长了数传时间，致使逻辑帧计数归零折返，仍可对当前逻辑帧计数概念进行延伸，引入“归零折返”计数变量作为当前逻辑帧计数的进位，确保逻辑帧计数始终为递增状态。

1.3 问题形式化定义

设共有N个虚拟信道，奇路基带原始数据Do是由N个虚拟信道奇帧数据包Oi（i=1,2,...,N）组成的集合，即

偶路基带原始数据DE是由N个虚拟信道偶帧数据包Ei（i=1,2,...,N）组成的集合，即

将某虚拟信道i的 奇帧数据包Oi和 偶帧数据包Ei分别表示为如下有序组：

这里奇帧数据到达时刻to「j/2与偶帧数据达到时刻te(k/2)无关。

奇偶帧合路处理，要求分别将各虚拟信道的奇偶帧数据包按照逻辑虚拟信道帧计数组织成完整的数据包

2 方法设计

2.1 方法框架

奇偶合路实时处理方法的工作原理如图3 所示，其包括环形队列存储器、奇/偶路解复接处理器、奇偶合路处理器、奇偶合路处理平台5 个模块。

图3 奇偶合路实时处理方法工作原理Fig.3 Odd-even frames real-time combination method framework

环形队列存储器用于存储各处理器的输入输出数据，设计具有内存访问互斥保护的顺序读取、写入操作，保持先进先出的特性。根据管理的数据对象不同，环形队列存储器包括存储奇/偶路基带的奇/偶路数传基带环形队列存储器、存储各虚拟信道奇/偶帧数据的虚拟信道奇/偶帧数据环形队列存储器等，其数量与卫星数传虚拟信道的数量相适应。

奇/偶路解复接处理器对奇/偶路数传基带数据Do（DE）进行帧同步格式处理，验证航天器标识符等字段的正确性，进而根据虚拟信道标识符对奇/偶传输帧{O1,O2,...，ON}（{E1,E2,...,EN}）进行解复接处理，计算虚拟信道逻辑帧计数，将奇/偶帧单路数据分为多个虚拟信道奇/偶帧数据Oi（Ei）i=1,2,...,N，并将其分别写入相应虚拟信道奇/偶帧环形队列存储器中。

奇偶合路处理器依据奇偶合路处理算法，对各虚拟信道奇/偶)帧数据Oi（Ei）完成奇偶帧合路处理，生成各虚拟信道的合路传输帧

奇偶合路处理平台负责各环形队列存储器的缓存申请与释放，并按图4 中的数据处理流程，控制各处理器从各环形队列存储器中顺序读取数据，并且进行解复接及合路处理，实现合路处理过程中的数据流转控制。

图4 奇偶合路处理流程设计Fig.4 Processing flow of odd-even frames combination

2.2 环形队列缓冲设计

环形队列缓冲设计如图5 所示，物理上是通过一组地址连续内存实现的。设计变量包括缓冲申请容量Lmax、当前存储的有效数据量Lval、写指针Pw、读指针Pr，同时设计有内存互斥访问的写入和读出操作。

图5 环形队列结构设计Fig.5 Structure of circular queue

缓冲申请容量Lmax的设计是内存管理的关键。若Lmax过小，缓冲区数据迅速充满，后续数据将写入失败；若Lmax过大，将浪费大量内存空间。由于奇偶路解复接处理不涉及复杂运算，处理速率高，奇/偶路数传基带环形队列存储器作为两个接收缓存，申请空间无需太大，其Lmax设计为128 MByte；各虚拟信道奇/偶帧数据环形队列存储器Lmax的设计原则为：在奇偶路数传速率为v（单位bit·s-1）、可容忍最大传输时延为t（单位s）的情况下，缓冲申请容量满足Lmax≥v tLfrm.其中Lfrm为传输帧帧长。

将长度为Lwd的数据写入缓存时，步骤如下。

步骤1若Lval+Lwd＞Lmax，说明存储空间不足，返回失败，否则进入下一步。

步骤2若Pw+Lwd≤Lmax，可将长度为Lwd的数据在Pw位 置顺序写入，并执行写指针移动Pw+=Lwd，Lval+=Lwd，返回成功，否则进入下一步。

步骤3先将长度为Lmax-Pw的数据在Pw位置写入，再将剩余长度为Lwd-(Lmax-Pw) 的数据从缓存头部写入，并执行写指针移动Pw=Lwd-(Lmax-Pw)，Lval+=Lwd，返回成功。

将长度为Lrd的数据读出时，步骤如下。

步骤1若Lrd＞Lval，说明有效数据不足，返回失败，否则进入下一步。

步骤2若Pr+Lrd＜Lmax，可从Pr处顺序读出长度为Lrd的数据并执行读指针移动Pr+=Lrd，Lval-=Lrd，返回成功，否则进入下一步。

步骤3先将长度为Lmax-Pr的数据从Pr处顺序读出，再将剩余长度为Lrd-(Lmax-Pr)的数据从缓存头部读出，并执行读指针移动Pr=Lrd-(Lmax-Pr)，Lval-=Lrd，返回成功。

2.3 奇偶合路处理算法设计

利用各虚拟信道奇偶路数据内部虚拟信道帧计数均保持有序的特征，奇偶合路处理算法避免大量冗余比较。如图6 所示，对于某虚拟信道，若奇偶某路数据尚未到达，则另一路数据等待；若奇偶数据均已到达，且奇偶两路最先到达的传输帧计数差值为1，则将计数较小者推出进行后续处理；若差值不为1，说明存在丢帧情况，直接将计数较小者抛除不处理，避免错误数据影响后续处理，导致整个系统处理性能下降。

图6 奇偶合路处理算法设计Fig.6 Odd-even channels combination algorithm

3 实验与应用

搭建CPU 主频4.5 GHz、内存64 GByte 的硬件测试环境，以CASEarth 卫星2021 年11 月9 日喀什站第47 轨数传数据为处理对象（数据情况列于表1，根据填充信道帧第一帧计数之差可知，奇偶两路锁定时差为0.67 s），通过两个TCP 模拟发送软件仿真地面站奇偶两路解调器。

表1 测试数据统计Table 1 Statistics of test data

这里策划了两类实验：一是方法设计验证，包括缓存申请容量与可容忍最大时延的关系测试，环形队列应用前后的对比测试，验证方法设计的正确性和有效性；二是处理性能极值测试，验证方法对卫星任务的支持能力。

3.1 方法设计验证

该实验中TCP 模拟发送软件速率设为800 Mbit·s-1，与CASEarth 卫星任务一致，时延通过偶路数据延时发送模拟。实验结果如图7 所示，图中理论上限计算方法为缓冲申请容量除以发送速率。

图7 不同缓冲申请容量可容忍的最大时延Fig.7 Maximum tolerable delay of different buffer capacity

实验结果表明：所提出方法可容忍时延与缓冲申请容量成正比，验证了缓冲容量申请原则的正确性；采用非循环内存使用方式，由于每次数据处理后，需要通过耗时的内存移动整理缓存，影响系统处理速度，导致在缓存申请容量达到一定值后，即使再增加缓存也不能有效增加可容忍的时延；实测值小于理论上限，分析其原因为，理论值的计算没有考虑线程调度、解复接处理、软件界面打印操作等因素。

3.2 处理性能极值测试

实时工程参数信道、回放工程参数信道、载荷科学数据信息奇/偶帧环形队列存储器Lmax取值分别为256 KByte，256 MByte，512 MByte，处理时间为182.533 s，平均处理速度为2603.01 Mbit·s-1，远优于ASO-S 卫星1 Gbit·s-1和CASEarth 卫星1.6 Gbit·s-1的指标要求。使用文件回放的方式模拟解调器，处理时间为57.078 s，平均处理速度为8324.328 Mbit·s-1，分析其主要原因为，文件回放方式消除了网络发送的时间差，使奇帧数据到达时刻to「j/2与偶帧数据达到时刻te(k/2)相关，处理性能更高。

4 结语

极化复用技术是在有限带宽约束下提高数传速率的有效方法。利用极化复用方式下各虚拟信道奇偶单路数据内部 虚拟信道帧计数无需排序即具有顺序性的特征，设计奇偶合路处理算法，规避了传统方法包含的复杂耗时排序操作；采用环形队列设计，循环使用内存，规避了频繁内存移动操作，显著提升奇偶合路处理性能，解决了极化复用方式下卫星数传基带处理低效的问题，在实际卫星数据处理任务中可取得较好的应用效果。

奇偶合路算法依赖于虚拟信道帧计数，后续将开展针对因误码造成帧计数错误条件下的合路处理方法研究，从而更完整可靠地处理卫星数传基带数据。