一种动态时分复用方法及FPGA实现

张　恒，张迎春

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



一种动态时分复用方法及FPGA实现

张恒，张迎春

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要作为一种重要的多业务综合接入方法,时分复用可有效提高卫星通信链路的业务承载量，但传统方法不适用于链路和业务随机变化的应用。基于“固定时隙动态分配”的思路提出一种时分复用方法，并采用硬件描述语言在FPGA上实现。根据业务数据量及优先级分配持有的链路时隙，使业务接入或撤销由“被动”变为“主动”，在保证重要业务稳定传输的同时提高了链路中业务占有率，通过固定帧长调整帧频的方式自适应链路的实时变化。

关键词时分复用；综合接入；现场可编程门阵列(FPGA)；动态分配

0引言

时分复用[1]是一种重要的多业务综合接入方式，在卫星广播网络[2]和多路视频通信系统[3]中广泛应用，有效提高了链路的业务承载量。

针对越来越多的链路速率多样、分业务速率及类型可变等应用场合，文献[4]提出了动态帧概念，通过固定帧频、调整时隙数目的方式适应业务速率和链路速率的变化，本质上属于同步时分复用。每种信息周期性地占用固定的1个或几个时隙，链路接收端根据信息在复接帧中占用的时隙位置进行相应的分接。当信息速率发生变化时，帧结构也相应改变，这样势必造成接收端链路的短暂失步，所接入的多种信息相关影响，不利于连续、稳定传输。

基于异步时分复用[5]模式采用“固定时隙动态分配”的思路，针对多种连续流数据业务给出一种动态时分复用的解决方法，由数据量驱动时隙申请，进而根据链路传输能力及业务优先级分配时隙，在不改变帧结构的情况下实现多业务灵活接入与撤销、分业务速率连续可调且相关独立，并自动适应链路承载能力的实时变化。

1动态时分复用

基于时分复用的综合业务接入方式通常要求业务总速率不超过链路速率，不足部分固定填充为无效数据，这种帧构成方式限定了综合业务对链路的利用效率[6-8]，对于速率不断变化的链路也不利于数据的稳定传输。

链路速率及质量可统一体现为链路时隙。为提高对它的利用效率，时分复用需要根据各业务在一定时间内的数据量分配时隙，有多少数据就分配多少时隙，当链路时隙多于传输业务总数据量所需时再作必要的填充；若链路时隙不足，则延迟甚至丢弃次要业务，优先传输重要业务，保证重要业务的稳定传输，由此实现动态时分复用。

这样在综合业务接入过程中，撤销某种业务将不再产生数据量，从而释放所占用链路时隙并自动用于传输其他业务数据；接入某种业务将产生相应的数据量，并根据该业务的优先级为其分配当前可用的链路时隙。在提高链路时隙利用效率的同时，使业务的接入和撤销更加灵活。

动态时分复用是一种数据综合接入方式，并不提供同步机制。动态时分复接帧结构如图1所示。为便于分接同步，复接帧由同步字和业务区组成，业务区包含多个时隙，用于发送业务数据和必要的填充数据。业务数据或填充数据采用组包发送模式且包结构相同，由识别字和数据区组成，识别字长度由式(1)确定。

图1　动态时分复接帧结构

包识别字长度Lh可由模块端口数n决定：

n≤2lh-1。

(1)

业务区每个时隙对应一个数据包，不同数据包在业务区中不要求有固定顺序，因此包是独立的数据发送和接收单位，使相应的时隙可以动态而灵活地进行分配。

当业务区全部为填充包时，传输效率为0；当业务区全部为业务包时，传输效率最大，

(2)

式中，N为复接帧时隙个数；Lsyn为同步字长度。

根据系统同步时间、误码率、链路效率、传输延时和业务种类等指标要求可确定同步字长度、包长度及时隙个数，从而确定复接帧长度，而帧频则随链路承载能力的变化而自动调整[4]。

2FPGA实现

动态时分复用采用硬件描述语言在FPGA上实现。发送端由成帧、动态时隙分配、业务组包发送、填充组包发送及数据综合等模块组成。接收端由帧同步和包解析等模块组成。

2.1　复接

在发送端，令每种待传输的业务都对应一个端口，并根据用户对业务的优先级定义确定业务与端口间的对应关系。若共有n个业务端口，并令端口0对应优先级最高的业务，依次端口n-1对应优先级最低的业务，并将端口号作为包识别字。每个端口由送入的业务发送时钟、发送使能、发送数据以及一个由FIFO实现的缓冲区组成如图2所示。

图2　发送端模块组成

各业务数据首先缓存在相应的缓冲区中，当缓冲区中数据量达到包数据区长度时，向动态时隙分配模块申请时隙。后者根据链路时隙(经成帧模块划分出同步字时隙后的剩余时隙)及当前传输状态来分配时隙，若存在链路时隙且上一时隙利用完毕，则依优先级由高到低次序处理所有未响应的时隙申请。每个端口会利用所分配的时隙对缓冲区中的数据组包发送。

当链路时隙所能传输的数据量大于综合业务数据量与帧同步字、包头开销总和时，组包发送填充数据。填充数据的组包发送模块始终处于时隙申请状态，但其优先级排在所有待发送业务之后(即若业务数据对应端口[0,n-2]，则填充数据对应端口n-1)，从而可将未被业务数据利用的链路时隙分配给填充数据。

数据综合模块对同步字及业务包、填充包数据做必要的时序调整，然后复接发送出去。

接入某种业务需先按其优先级分配端口并打开发送使能；而撤销某种业务只需断开端口或关闭发送使能即可。

2.2　分接

与一般的帧同步过程相似，接收端首先采用自相关法搜索帧同步字，当连续3帧搜索到同步字后即确认已经帧同步。帧同步后则逐帧长搜索帧同步字，一旦相应位置的数据与同步字的相关值较小则开始逐码元搜索，但仍认为处于帧同步状态。

根据发送端复接帧结构及成帧过程可知，帧同步也就意味着包同步。完成帧同步后，剔除帧头并将业务数据送入包解析模块。

相应于发送模块，接收端每种业务同样各自对应一个端口(含一个由FIFO实现的缓冲区)且端口号与发送端相同如图3所示。包解析模块利用同步信息对业务区内各数据包进行解析，提取端口号并送入相应端口。

图3　接收端模块组成

每个业务端口对由外部送入的业务接收时钟进行调整[7]，进而将其缓冲区中的数据按其节拍送出，从而完成动态时分复用的分接过程。

3应用示例及结论

设模块端口数为8个，有语音、视频和测试(误码仪同步数据)等3种业务数据待传，其中话音由四线模拟话音经A/D变换及压缩编码后的数字话音，视频为视频编解码后的数字视频。根据预定优先级分别占用端口1、2、4，填充数据占用端口7，其余端口预留。业务与端口的对应关系如表1所示。

令复接帧同步字长度Lsyn为16 bit，包头长度为4 bit，包数据区长度为512 bit，时隙数N=20。采用占空比为360/400的周期信号模拟信道时隙信号，发送时钟为4 MHz/s(由NCO产生)，则根据式(2)可知，总的信息速率不超过3.567 Mbps。对分接后的话音采用相反的处理流程回复模拟话音，以便观测。

表1　业务与端口的对应关系

调整测试端口数据速率，使其与话音、视频数据总的信息速率逐渐接近进而超过上限，观测话音数据传输情况。发现在速率调整过程中，话音传输始终未受影响，当达到并超过信息速率上限后，没有为填充数据端口分配发送时隙。调整信道发送时钟频率，重复上述过程，现象相同。断开并重新接入测试数据，话音传输未受影响。

结合上述应用示例可以得出以下结论：

① 传输稳定性。当业务总量在某时间内超出链路承载能力时，能够优先保证重要数据(比如示例中的话音)的稳定传输。改变数据接入的端口序号，可以改变重要等级进而影响发送优先级。

② 接入/撤销灵活性。基于数据量驱动的时隙分配模式使业务发送由原来的“被动”方式变为“主动”方式，使业务接入及撤销更加灵活。

③ 链路自适应性。通过固定帧长、改变帧频，动态时分复用能够适应链路承载能力的变化，包括链路速率和质量等，业务数据可以实现不间断传输，这是因为链路的接收端始终保持了帧同步状态。

④ 链路效率。采用一个填充端口且只对可能剩余的链路时隙进行综合的、必要的填充，数据填充量会根据有效业务数据量及链路信息承载能力进行调整，有利于提高链路的利用效率。

此外，由于采用逐包发送模式，必须待业务量足够后才能申请时隙进行发送，因此增加了业务传输延时，显然其延时量与业务包长度直接相关，且接入高优先级端口的业务传输延时不会大于低优先级的延时。

对其他待传数据业务经过一定处理后匹配图2和图3中的接入端口，即可采用本文方法综合接入链路，模块复用性好。

4结束语

动态时分复用为链路多业务综合接入提供了一种解决方法，适用于将多路连续数据流接入同一链路，在保证重要业务稳定传输、有效利用链路时隙的前提下，可自适应链路承载能力的实时变化。对于突发数据流，如以太网数据，需要转成连续数据流后[9]再进行动态接入。

若不允许高优先级数据长期占据发送时隙而导致低优先级数据延时增大甚至丢弃情况的出现，可在端口优先级的调整中考虑延迟时间因素[10]。

参考文献

[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理 [M] (第6版).北京:国防工业出版社,2011:288-290.

[2]汪春霆,张俊祥,潘申富.卫星通信系统[M].北京:国防工业出版社,2012：238-240.

[3]孙正平.多路光纤视频通信系统的研究[D].天津：天津工业大学,2013：5-8.

[4]孔繁青.时分复用设备动态帧结构技术研究[J].无线电通信技术,2005,31(4):12-14.

[5]王群.计算机网络教程[M].北京:清华大学出版社,2005：46-50.

[6]霍炎,荆涛,陈栋.等.数据交叉连接系统中复用与解复用的设计[J],北京交通大学学报,2006,30(5):55-58.

[7]姜毅，齐月静.基于FPGA的非标准二次群路的分接处理[J].仪器仪表学,2007,28(9):55-58.

[8]杨豪,颜青,张辉.多通道HDLC通信控制器在站间通信的应用[J].无线电工程,2013,43(9):61-64.

[9]罗速.TDM通道承载以太网业务的速率适配器设计与实现[D].成都：西南交通大学,2013：20-33.

[10]盛亮.基于动态优先的数据链时隙分配模型[J].无线电通信技术,2011,37(27):26-28.

张恒男，(1982—)，工程师。主要研究方向：信号与信息处理。

张迎春男，(1979—)，高级工程师。主要研究方向：信号与信息处理。

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

作者简介

收稿日期：2015-03-13

中图分类号TN912.11

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0085-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.23

引用格式：张恒，张迎春.一种动态时分复用方法及FPGA实现[J].无线电工程，2015，45(6)：85-87，95.