張　恒，張迎春

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種動態(tài)時分復(fù)用方法及FPGA實(shí)現(xiàn)

張恒，張迎春

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要作為一種重要的多業(yè)務(wù)綜合接入方法,時分復(fù)用可有效提高衛(wèi)星通信鏈路的業(yè)務(wù)承載量，但傳統(tǒng)方法不適用于鏈路和業(yè)務(wù)隨機(jī)變化的應(yīng)用?；凇肮潭〞r隙動態(tài)分配”的思路提出一種時分復(fù)用方法，并采用硬件描述語言在FPGA上實(shí)現(xiàn)。根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量及優(yōu)先級分配持有的鏈路時隙，使業(yè)務(wù)接入或撤銷由“被動”變?yōu)椤爸鲃印?，在保證重要業(yè)務(wù)穩(wěn)定傳輸?shù)耐瑫r提高了鏈路中業(yè)務(wù)占有率，通過固定幀長調(diào)整幀頻的方式自適應(yīng)鏈路的實(shí)時變化。

關(guān)鍵詞時分復(fù)用；綜合接入；現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)；動態(tài)分配

0引言

時分復(fù)用[1]是一種重要的多業(yè)務(wù)綜合接入方式，在衛(wèi)星廣播網(wǎng)絡(luò)[2]和多路視頻通信系統(tǒng)[3]中廣泛應(yīng)用，有效提高了鏈路的業(yè)務(wù)承載量。

針對越來越多的鏈路速率多樣、分業(yè)務(wù)速率及類型可變等應(yīng)用場合，文獻(xiàn)[4]提出了動態(tài)幀概念，通過固定幀頻、調(diào)整時隙數(shù)目的方式適應(yīng)業(yè)務(wù)速率和鏈路速率的變化，本質(zhì)上屬于同步時分復(fù)用。每種信息周期性地占用固定的1個或幾個時隙，鏈路接收端根據(jù)信息在復(fù)接幀中占用的時隙位置進(jìn)行相應(yīng)的分接。當(dāng)信息速率發(fā)生變化時，幀結(jié)構(gòu)也相應(yīng)改變，這樣勢必造成接收端鏈路的短暫失步，所接入的多種信息相關(guān)影響，不利于連續(xù)、穩(wěn)定傳輸。

基于異步時分復(fù)用[5]模式采用“固定時隙動態(tài)分配”的思路，針對多種連續(xù)流數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)給出一種動態(tài)時分復(fù)用的解決方法，由數(shù)據(jù)量驅(qū)動時隙申請，進(jìn)而根據(jù)鏈路傳輸能力及業(yè)務(wù)優(yōu)先級分配時隙，在不改變幀結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)靈活接入與撤銷、分業(yè)務(wù)速率連續(xù)可調(diào)且相關(guān)獨(dú)立，并自動適應(yīng)鏈路承載能力的實(shí)時變化。

1動態(tài)時分復(fù)用

基于時分復(fù)用的綜合業(yè)務(wù)接入方式通常要求業(yè)務(wù)總速率不超過鏈路速率，不足部分固定填充為無效數(shù)據(jù)，這種幀構(gòu)成方式限定了綜合業(yè)務(wù)對鏈路的利用效率[6-8]，對于速率不斷變化的鏈路也不利于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

鏈路速率及質(zhì)量可統(tǒng)一體現(xiàn)為鏈路時隙。為提高對它的利用效率，時分復(fù)用需要根據(jù)各業(yè)務(wù)在一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)量分配時隙，有多少數(shù)據(jù)就分配多少時隙，當(dāng)鏈路時隙多于傳輸業(yè)務(wù)總數(shù)據(jù)量所需時再作必要的填充；若鏈路時隙不足，則延遲甚至丟棄次要業(yè)務(wù)，優(yōu)先傳輸重要業(yè)務(wù)，保證重要業(yè)務(wù)的穩(wěn)定傳輸，由此實(shí)現(xiàn)動態(tài)時分復(fù)用。

這樣在綜合業(yè)務(wù)接入過程中，撤銷某種業(yè)務(wù)將不再產(chǎn)生數(shù)據(jù)量，從而釋放所占用鏈路時隙并自動用于傳輸其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；接入某種業(yè)務(wù)將產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)量，并根據(jù)該業(yè)務(wù)的優(yōu)先級為其分配當(dāng)前可用的鏈路時隙。在提高鏈路時隙利用效率的同時，使業(yè)務(wù)的接入和撤銷更加靈活。

動態(tài)時分復(fù)用是一種數(shù)據(jù)綜合接入方式，并不提供同步機(jī)制。動態(tài)時分復(fù)接幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。為便于分接同步，復(fù)接幀由同步字和業(yè)務(wù)區(qū)組成，業(yè)務(wù)區(qū)包含多個時隙，用于發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和必要的填充數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或填充數(shù)據(jù)采用組包發(fā)送模式且包結(jié)構(gòu)相同，由識別字和數(shù)據(jù)區(qū)組成，識別字長度由式(1)確定。

圖1　動態(tài)時分復(fù)接幀結(jié)構(gòu)

包識別字長度Lh可由模塊端口數(shù)n決定：

n≤2lh-1。

(1)

業(yè)務(wù)區(qū)每個時隙對應(yīng)一個數(shù)據(jù)包，不同數(shù)據(jù)包在業(yè)務(wù)區(qū)中不要求有固定順序，因此包是獨(dú)立的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單位，使相應(yīng)的時隙可以動態(tài)而靈活地進(jìn)行分配。

當(dāng)業(yè)務(wù)區(qū)全部為填充包時，傳輸效率為0；當(dāng)業(yè)務(wù)區(qū)全部為業(yè)務(wù)包時，傳輸效率最大，

(2)

式中，N為復(fù)接幀時隙個數(shù)；Lsyn為同步字長度。

根據(jù)系統(tǒng)同步時間、誤碼率、鏈路效率、傳輸延時和業(yè)務(wù)種類等指標(biāo)要求可確定同步字長度、包長度及時隙個數(shù)，從而確定復(fù)接幀長度，而幀頻則隨鏈路承載能力的變化而自動調(diào)整[4]。

2FPGA實(shí)現(xiàn)

動態(tài)時分復(fù)用采用硬件描述語言在FPGA上實(shí)現(xiàn)。發(fā)送端由成幀、動態(tài)時隙分配、業(yè)務(wù)組包發(fā)送、填充組包發(fā)送及數(shù)據(jù)綜合等模塊組成。接收端由幀同步和包解析等模塊組成。

2.1　復(fù)接

在發(fā)送端，令每種待傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)都對應(yīng)一個端口，并根據(jù)用戶對業(yè)務(wù)的優(yōu)先級定義確定業(yè)務(wù)與端口間的對應(yīng)關(guān)系。若共有n個業(yè)務(wù)端口，并令端口0對應(yīng)優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)，依次端口n-1對應(yīng)優(yōu)先級最低的業(yè)務(wù)，并將端口號作為包識別字。每個端口由送入的業(yè)務(wù)發(fā)送時鐘、發(fā)送使能、發(fā)送數(shù)據(jù)以及一個由FIFO實(shí)現(xiàn)的緩沖區(qū)組成如圖2所示。

圖2　發(fā)送端模塊組成

各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)首先緩存在相應(yīng)的緩沖區(qū)中，當(dāng)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)量達(dá)到包數(shù)據(jù)區(qū)長度時，向動態(tài)時隙分配模塊申請時隙。后者根據(jù)鏈路時隙(經(jīng)成幀模塊劃分出同步字時隙后的剩余時隙)及當(dāng)前傳輸狀態(tài)來分配時隙，若存在鏈路時隙且上一時隙利用完畢，則依優(yōu)先級由高到低次序處理所有未響應(yīng)的時隙申請。每個端口會利用所分配的時隙對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)組包發(fā)送。

當(dāng)鏈路時隙所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大于綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量與幀同步字、包頭開銷總和時，組包發(fā)送填充數(shù)據(jù)。填充數(shù)據(jù)的組包發(fā)送模塊始終處于時隙申請狀態(tài)，但其優(yōu)先級排在所有待發(fā)送業(yè)務(wù)之后(即若業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對應(yīng)端口[0,n-2]，則填充數(shù)據(jù)對應(yīng)端口n-1)，從而可將未被業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)利用的鏈路時隙分配給填充數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)綜合模塊對同步字及業(yè)務(wù)包、填充包數(shù)據(jù)做必要的時序調(diào)整，然后復(fù)接發(fā)送出去。

接入某種業(yè)務(wù)需先按其優(yōu)先級分配端口并打開發(fā)送使能；而撤銷某種業(yè)務(wù)只需斷開端口或關(guān)閉發(fā)送使能即可。

2.2　分接

與一般的幀同步過程相似，接收端首先采用自相關(guān)法搜索幀同步字，當(dāng)連續(xù)3幀搜索到同步字后即確認(rèn)已經(jīng)幀同步。幀同步后則逐幀長搜索幀同步字，一旦相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)與同步字的相關(guān)值較小則開始逐碼元搜索，但仍認(rèn)為處于幀同步狀態(tài)。

根據(jù)發(fā)送端復(fù)接幀結(jié)構(gòu)及成幀過程可知，幀同步也就意味著包同步。完成幀同步后，剔除幀頭并將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)送入包解析模塊。

相應(yīng)于發(fā)送模塊，接收端每種業(yè)務(wù)同樣各自對應(yīng)一個端口(含一個由FIFO實(shí)現(xiàn)的緩沖區(qū))且端口號與發(fā)送端相同如圖3所示。包解析模塊利用同步信息對業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)各數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，提取端口號并送入相應(yīng)端口。

圖3　接收端模塊組成

每個業(yè)務(wù)端口對由外部送入的業(yè)務(wù)接收時鐘進(jìn)行調(diào)整[7]，進(jìn)而將其緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按其節(jié)拍送出，從而完成動態(tài)時分復(fù)用的分接過程。

3應(yīng)用示例及結(jié)論

設(shè)模塊端口數(shù)為8個，有語音、視頻和測試(誤碼儀同步數(shù)據(jù))等3種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)待傳，其中話音由四線模擬話音經(jīng)A/D變換及壓縮編碼后的數(shù)字話音，視頻為視頻編解碼后的數(shù)字視頻。根據(jù)預(yù)定優(yōu)先級分別占用端口1、2、4，填充數(shù)據(jù)占用端口7，其余端口預(yù)留。業(yè)務(wù)與端口的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

令復(fù)接幀同步字長度Lsyn為16 bit，包頭長度為4 bit，包數(shù)據(jù)區(qū)長度為512 bit，時隙數(shù)N=20。采用占空比為360/400的周期信號模擬信道時隙信號，發(fā)送時鐘為4 MHz/s(由NCO產(chǎn)生)，則根據(jù)式(2)可知，總的信息速率不超過3.567 Mbps。對分接后的話音采用相反的處理流程回復(fù)模擬話音，以便觀測。

表1　業(yè)務(wù)與端口的對應(yīng)關(guān)系

調(diào)整測試端口數(shù)據(jù)速率，使其與話音、視頻數(shù)據(jù)總的信息速率逐漸接近進(jìn)而超過上限，觀測話音數(shù)據(jù)傳輸情況。發(fā)現(xiàn)在速率調(diào)整過程中，話音傳輸始終未受影響，當(dāng)達(dá)到并超過信息速率上限后，沒有為填充數(shù)據(jù)端口分配發(fā)送時隙。調(diào)整信道發(fā)送時鐘頻率，重復(fù)上述過程，現(xiàn)象相同。斷開并重新接入測試數(shù)據(jù)，話音傳輸未受影響。

結(jié)合上述應(yīng)用示例可以得出以下結(jié)論：

① 傳輸穩(wěn)定性。當(dāng)業(yè)務(wù)總量在某時間內(nèi)超出鏈路承載能力時，能夠優(yōu)先保證重要數(shù)據(jù)(比如示例中的話音)的穩(wěn)定傳輸。改變數(shù)據(jù)接入的端口序號，可以改變重要等級進(jìn)而影響發(fā)送優(yōu)先級。

② 接入/撤銷靈活性?；跀?shù)據(jù)量驅(qū)動的時隙分配模式使業(yè)務(wù)發(fā)送由原來的“被動”方式變?yōu)椤爸鲃印狈绞剑箻I(yè)務(wù)接入及撤銷更加靈活。

③ 鏈路自適應(yīng)性。通過固定幀長、改變幀頻，動態(tài)時分復(fù)用能夠適應(yīng)鏈路承載能力的變化，包括鏈路速率和質(zhì)量等，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)不間斷傳輸，這是因?yàn)殒溌返慕邮斩耸冀K保持了幀同步狀態(tài)。

④ 鏈路效率。采用一個填充端口且只對可能剩余的鏈路時隙進(jìn)行綜合的、必要的填充，數(shù)據(jù)填充量會根據(jù)有效業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量及鏈路信息承載能力進(jìn)行調(diào)整，有利于提高鏈路的利用效率。

此外，由于采用逐包發(fā)送模式，必須待業(yè)務(wù)量足夠后才能申請時隙進(jìn)行發(fā)送，因此增加了業(yè)務(wù)傳輸延時，顯然其延時量與業(yè)務(wù)包長度直接相關(guān)，且接入高優(yōu)先級端口的業(yè)務(wù)傳輸延時不會大于低優(yōu)先級的延時。

對其他待傳數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)經(jīng)過一定處理后匹配圖2和圖3中的接入端口，即可采用本文方法綜合接入鏈路，模塊復(fù)用性好。

4結(jié)束語

動態(tài)時分復(fù)用為鏈路多業(yè)務(wù)綜合接入提供了一種解決方法，適用于將多路連續(xù)數(shù)據(jù)流接入同一鏈路，在保證重要業(yè)務(wù)穩(wěn)定傳輸、有效利用鏈路時隙的前提下，可自適應(yīng)鏈路承載能力的實(shí)時變化。對于突發(fā)數(shù)據(jù)流，如以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)成連續(xù)數(shù)據(jù)流后[9]再進(jìn)行動態(tài)接入。

若不允許高優(yōu)先級數(shù)據(jù)長期占據(jù)發(fā)送時隙而導(dǎo)致低優(yōu)先級數(shù)據(jù)延時增大甚至丟棄情況的出現(xiàn)，可在端口優(yōu)先級的調(diào)整中考慮延遲時間因素[10]。

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張恒男，(1982—)，工程師。主要研究方向：信號與信息處理。

張迎春男，(1979—)，高級工程師。主要研究方向：信號與信息處理。

A Dynamic Time-division Multiplexing Method and

Its Implementation in FPGA

ZHANG Heng，ZHANG Ying-chun

(The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China)

AbstractAs one of the most important methods for multi-service integrated access,the time-division multiplexing is able to increase the satellite communication link capacity effectively.But ordinary methods are not suitable for the application in which random variations in link and service exist.One time-division multiplexing method based on dynamic allocation of fixed timeslot is proposed and implemented on hardware platform of field programmable gate array (FPGA) which allocates existing timeslots according to data quantity and priority to make service access or cancellation from passivity to initiative and increase business occupancy in data link as well as keep transmission of important service steady.It adapts to changes of link capacity by adjusting frequency of frame whose length is fixed.

Key wordstime-division multiplexing(TDM);integrated access;field programmable gate array (FPGA);dynamic allocation

作者簡介

收稿日期：2015-03-13

中圖分類號TN912.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2015)06-0085-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.23

引用格式：張恒，張迎春.一種動態(tài)時分復(fù)用方法及FPGA實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2015，45(6)：85-87，95.