基于FPGA的低轨卫星通信网络仿真系统

电子通信装置的制造及其应用技术基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统技术领域1.本发明属于低轨卫星通信网络仿真技术领域，具体涉及一种基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统。背景技术：2.目前，低轨卫星通信网络是卫星通信领域的研究热点。但是，由于卫星发射成本高以及卫星通信与地面通信具有较大差异，因此，在实际发射卫星前做好低轨卫星通信网络的模拟仿真至关重要。3.在相关技术中，低轨卫星通信网络的仿真是基于虚拟机的仿真：即在计算机上构建大量的虚拟机并设计专用软件来控制虚拟机之间的通断关系和通信延迟，将虚拟机视为低轨卫星通信网络的卫星节点。4.但是，基于虚拟机的仿真存在许多问题：由于通过虚拟机来构建仿真网络，能够产生的虚拟机数量和提供的数据传输速率受限于计算机的性能，所以支持的卫星节点少，提供的通信速率低，且不能实现并行通信。技术实现要素：5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：6.本发明提供一种基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统，所述系统包括：输入网口、拆帧模块、高带宽存储器hbm、hbm控制模块、tst模块、组帧模块、输出网口以及配置接口；其中，7.所述输入网口，用于向所述拆帧模块传送输入数据；8.所述拆帧模块，用于将接收到的所述输入数据进行提取，得到用户数据，并将所述用户数据与其对应的用户号组合后，向所述hbm控制模块发送；9.所述hbm控制模块，用于根据接收到的所述用户号查询该用户的延迟时间，基于所述延迟时间计算该用户号对应的用户数据的发送时间，向所述hbm写入所述用户数据及其对应的发送时间；并用于向所述tst模块发送用户数据；10.所述高带宽存储器hbm，用于存取所述用户数据及其对应的发送时间；11.所述tst模块，用于将接收到的所述用户数据进行时隙交换，通过控制时隙交换关系模拟低轨卫星通信网络的链路通断；并用于向所述组帧模块写入时隙交换后的用户数据；12.所述组帧模块，用于将所述时隙交换后的用户数据组合并通过所述输出网口发送，得到仿真结果；13.所述配置接口，用于配置用户数据链路的延迟时间以及用户数据链路之间的通断关系。14.在本发明的一个实施例中，所述hbm控制模块包括：数据和时间填充模块、用户队列管理模块、延迟存储模块以及时间维护模块；其中，15.所述数据和时间填充模块，用于从所述拆帧模块获取用户数据及其对应的用户号并写入所述hbm；16.所述用户队列管理模块，用于缓存用户的数据存储地址和时间存储地址；17.所述延迟存储模块，用于存储用户数据的延迟时间；18.所述时间维护模块，用于维护系统的基准时间。19.在本发明的一个实施例中，所述用户队列管理模块，具体用于在缓存用户的数据存储地址和时间存储地址时：建立用户队列fifo，每个用户的fifo缓存一个用户的数据存储地址和时间存储地址。20.在本发明的一个实施例中，在缓存用户的数据存储地址和时间存储地址后，所述用户队列管理模块还用于：21.为每个用户的fifo设置一个递减计数器；所述递减计数器用于存储当前用户的队首数据的剩余等待时间；22.在所述递减计数器到达0时，读取当前队首用户的数据存储地址，并从所述数据存储地址中获取对应的用户数据向所述tst模块发送；同时读取当前用户的时间存储地址，计算下一份数据的剩余等待时间，并赋值给所述递减记数器。23.在本发明的一个实施例中，所述递减计数器的初值为用户的fifo的队首数据的延迟时间。24.在本发明的一个实施例中，所述配置接口包括延迟配置接口和连接关系配置接口；25.所述延迟配置接口，用于动态配置用户数据链路的延迟时间；26.所述连接关系配置接口，用于接收外部的通断关系描述，向连接关系配置模块传输。27.在本发明的一个实施例中，所述tst模块包括tst结构的电路交换网络：其中，第一级为t型网络，第二级为s型网络，第三级为t型网络；28.所述tst模块在用于将接收到的所述用户数据进行时隙交换，通过控制时隙交换关系模拟低轨卫星通信网络的链路通断时，具体用于：29.第一级t型网络使用顺序写入、控制读出方式，进行输入数据链路上的时隙交换；第二级s型网络使用输入控制方式或输出控制方式，进行不同的数据链路之间的时隙交换；第三级t型交换网络使用控制写入、顺序读出方式，进行输出数据链路上的时隙交换。30.在本发明的一个实施例中，所述tst模块还包括第一数据转换和缓存模块、第二数据转换和缓存模块、连接关系配置模块；31.所述第一数据转换和缓存模块，用于通过axi接口接收所述用户数据，并将所述用户数据按顺序写入所述第一级t型网络的数据ram；32.所述第二数据转换和缓存模块，用于接收经过结构的电路交换网络处理后的用户数据，提取时隙交换后的用户数据并发送到组帧模块；33.所述连接关系配置模块，用于将获取到的外部的通断关系描述，转换成tst结构的电路交换网络的连接关系，通过配置信号动态配置用户数据链路之间的通断关系。34.在本发明的一个实施例中，与所述hbm进行数据交互的标准接口为axi接口。35.在本发明的一个实施例中，所述输入网口传送的数据帧为巨型以太网帧。36.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：37.本发明提供一种基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统，该系统包括：输入网口、拆帧模块、高带宽存储器hbm、hbm控制模块、tst模块、组帧模块、输出网口以及配置接口。其中，输入网口用于向拆帧模块传送输入数据；拆帧模块用于将接收到的上述输入数据进行提取，得到用户数据，并将该用户数据与其对应的用户号组合后，向hbm控制模块发送。hbm控制模块用于根据接收到的用户号查询该用户的延迟时间，基于延迟时间计算该用户号对应的用户数据的发送时间，然后向高带宽存储器hbm写入用户数据及其对应的发送时间；并向tst模块发送用户数据。hbm用于存取用户数据及其对应的发送时间；tst模块用于将接收到的用户数据进行时隙交换，通过控制时隙交换关系模拟低轨卫星通信网络的链路通断；并向组帧模块写入时隙交换后的用户数据。组帧模块用于将时隙交换后的用户数据组合并通过输出网口发送，得到仿真结果；配置接口用于配置用户数据链路的延迟时间以及用户数据链路之间的通断关系。本发明使用hbm对数据进行存储，读写速率高、存储空间大，因此利用hbm的大内存与高速的读写，能支持大规模节点和高数据速率仿真；且本发明通过hbm控制模块，基于配置的延迟时间对用户数据进行延迟转发来模拟卫星网络的传输延迟，通过tst模块控制用户数据的时隙交换关系来模拟低轨卫星通信网络的链路通断情况，在能够实现真实的并行通信情况下，得到较高质量的仿真结果。38.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。附图说明39.图1是本发明实施例提供的一种基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统结构示意图；40.图2是本发明实施例提供的一种巨型以太网帧的结构示意图；41.图3是本发明实施例提供的一种hbm控制模块的组成结构示意图；42.图4是本发明实施例提供的一种hbm内存空间划分示意图；43.图5是本发明实施例提供的一种tst模块的结构示意图；44.图6是本发明实施例提供的一种t型网络两种实现方式示意图；45.图7是本发明实施例提供的一种s型网络结构示意图。具体实施方式46.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。47.图1是本发明实施例提供的一种基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统，如图1所示，该系统包括：输入网口10、拆帧模块20、hbm30(high bandwidth memory，高带宽存储器)、hbm控制模块40、tst模块50、组帧模块60、输出网口70以及配置接口80；其中，48.输入网口10，用于向拆帧模块20传送输入数据；49.拆帧模块20，用于将接收到的输入数据进行提取，得到用户数据，并将用户数据与其对应的用户号组合后，向hbm控制模块40发送；50.hbm控制模块40，用于根据接收到的用户号查询该用户的延迟时间，基于延迟时间计算该用户号对应的用户数据的发送时间，向hbm30写入用户数据及其对应的发送时间；并用于向tst模块50发送用户数据；51.高带宽存储器hbm30，用于存取用户数据及其对应的发送时间；52.tst模块50，用于将接收到的用户数据进行时隙交换，通过控制时隙交换关系模拟低轨卫星通信网络的链路通断；并用于向组帧模块60写入时隙交换后的用户数据；53.组帧模块60，用于将时隙交换后的用户数据组合并通过输出网口70发送，得到仿真结果；54.配置接口80，用于配置用户数据链路的延迟时间以及用户数据链路之间的通断关系。55.本发明实施例提供的一种基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统包括：输入网口10、拆帧模块20、hbm30、hbm控制模块40、tst模块50、组帧模块60、输出网口70以及配置接口80。其中，输入网口10用于向拆帧模块20传送输入数据；拆帧模块20用于将接收到的上述输入数据进行提取，得到用户数据，并将该用户数据与其对应的用户号组合后，向hbm控制模块40发送。hbm控制模块40用于根据接收到的用户号查询该用户的延迟时间，基于延迟时间计算该用户号对应的用户数据的发送时间，然后向hbm30写入用户数据及其对应的发送时间；并向tst模块50发送用户数据。hbm30用于存取用户数据及其对应的发送时间；tst模块50用于将接收到的用户数据进行时隙交换，通过控制时隙交换关系模拟低轨卫星通信网络的链路通断；并向组帧模块60写入时隙交换后的用户数据。组帧模块60用于将时隙交换后的用户数据组合并通过输出网口70发送，得到仿真结果；配置接口80用于配置用户数据链路的延迟时间以及用户数据链路之间的通断关系。本发明实施例由于使用hbm30对数据进行存储，读写速率高、存储空间大，因此利用hbm30的大内存与高速的读写，能支持大规模节点和高数据速率仿真；且本发明通过hbm控制模块40，基于配置的延迟时间对用户数据进行延迟转发来模拟卫星网络的传输延迟，通过tst模块50控制用户数据的时隙交换关系来模拟低轨卫星通信网络的链路通断情况，在能够实现真实的并行通信情况下，得到较高质量的仿真结果。56.进一步，示例性的，如图2所示，提供了巨型以太网帧的数据格式示意图，在本发明实施例中，输入网口10可以设置为16个100g网口，对应的，输出网口70也设置为16个100g网口。从输入网口10传输的输入数据的数据帧可以是巨型以太网帧，参考图2。该巨型以太网帧载荷大小为8kb，每个以太网帧可以包含1000个64bit大小的用户数据链路，一个低轨卫星也可以包含若干条用户数据链路。由于有16个100g输入网口，所以支持的最高数据速率为1.6tbps；每个100g输入网口可以有1000个用户数据链路，所以本实施例中的用户数据链路为16000条。57.在本实施例中，与hbm30或hbm控制模块40或tst模块50进行数据交互的标准接口可以为axi接口。上述16000条用户数据链路在外部计算机组合成16条巨型以太网帧，通过100g输入网口10传送到拆帧模块20。58.拆帧模块20接收16条100g输入网口上的巨型以太网帧，从载荷拆分出1000个用户的64bit用户数据，再与该用户数据的用户号(可以理解为用于标记上述用户数据链路的标识)组合，再通过axi接口将用户数据和用户号传给hbm控制模块40。用户号和用户数据在以太网帧中的位置一一对应，例如第一份用户数据的用户号为1。axi接口与100g输入网口也是一一对应的，比如100g输入网口1的数据通过axi1接口发送。59.进一步，如图3所示，提供了hbm控制模块40的组成结构示意图，参考图3，hbm控制模块40包括：数据和时间填充模块401、用户队列管理模块402、延迟存储模块403以及时间维护模块404；其中，60.数据和时间填充模块401，用于从拆帧模块20获取用户数据及其对应的用户号并写入hbm30；用户队列管理模块402，用于缓存用户的数据存储地址和时间存储地址；延迟存储模块403，用于存储用户数据的延迟时间；时间维护模块404，用于维护系统的基准时间。61.在本实施例中，基准时钟(基准时间)由本地记数产生，基准时钟在系统时钟的上升沿自增1，基准时钟记数值代表从仿真开始后经过的系统时钟周期数。通过数据和时间填充模块401获取到用户数据和该数据对应的用户号后，hbm控制模块40根据用户号和获取该用户数据使用的axi端口号，从延迟存储模块403中查找该用户号的用户数据延迟时间，然后根据时间维护模块404的基准时间，加上延迟时间得到该用户数据的发送时间，再将该用户数据和对应的发送时间通过axi端口写入hbm30；并向用户队列管理模块402发送用户数据的数据存储地址和发送时间的时间存储地址。62.在本实施例中，hbm可以通过禁止全局寻址，16个axi接口得到整体存储空间的1/16大小的独立内存空间。如图4所示，每个axi端口的独立内存空间划分为数据存储和时间存储，数据存储区域存储该接口对应的1000个用户的用户数据，时间存储则存储对应用户数据应当发送的时间(即发送时间)。63.可以理解，图3只是展示了第一条100g网口的处理模块，共有16个重复的hbm控制模块分别负责16个网口。64.进一步，用户队列管理模块402，具体用于在缓存用户的数据存储地址和时间存储地址时：建立用户队列fifo，每个用户的fifo缓存一个用户的数据存储地址和时间存储地址。65.在缓存用户的数据存储地址和时间存储地址后，用户队列管理模块402还用于：66.为每个用户的fifo设置一个递减计数器；该递减计数器用于存储当前用户的队首数据的剩余等待时间；67.在所述递减计数器到达0时，读取当前队首用户的数据存储地址，并从数据存储地址中获取对应的用户数据向所述tst模块50发送；同时读取当前用户的时间存储地址，计算下一份数据的剩余等待时间，并赋值给所述递减记数器。其中，递减计数器的初值为用户的fifo的队首数据的延迟时间。68.在本实施例中，示例性的，用户队列管理模块402可以使用2000个fifo分别缓存1000个用户的数据存储地址和时间存储地址，并且可以给每一个用户fifo设置一个递减计数器，该递减计数器存储当前用户的队首数据的剩余等待时间。在递减计数器到达0时读取将当前队首用户的数据存储地址，再根据该数据存储地址读取对应的用户数据，并通过axi接口将读取的用户数据发送到tst模块50。同时读取该用户的时间存储地址，计算下一份用户数据的剩余等待时间，并赋值给递减记数器。69.其中，递减计数器的初值可以为用户数据fifo顶部的数据的延迟时间值。可以理解，每一个hbm控制模块的数据接口(axi接口)负责一条输入数据线，一条输入数据线可以包含多个用户。由于低轨卫星网络的延迟在毫秒级，所以对于一个用户来说，在一份该用户的数据延迟转发前，需要存储多份该用户的数据。由于每份数据的延迟是动态变化的，所以原本应需要为每一份数据建立递减计数器，但是由于卫星的相对运行速度小于光速，在同一条数据链路上，先发送的数据一定先接收到。基于这样一个事实，对于同一个用户的数据队列fifo来说，只需要对数据队列的队首数据构建递减计数器。在递减计数器达到0后，读取下一份数据的发送时间，跟基准时钟比较计算得到剩余等待时间，并赋值给当前用户的递减计数器。70.进一步，配置接口80包括延迟配置接口和连接关系配置接口；延迟配置接口，用于动态配置用户数据链路的延迟时间；连接关系配置接口，用于接收外部的通断关系描述，向连接关系配置模块传输。71.在本实施例中，通过延迟配置接口配置延迟存储模块403，即在进行仿真时需要动态配置各个用户数据链路的延迟时间(例如，在仿真时可以通过延迟配置接口动态配置上述16000条用户数据链路的延迟，还可以通过连接关系配置接口动态配置16000条用户数据链路间的通断关系)。时间维护模块404维护系统的基准时间，基准时间可以使用64bit描述，基准时钟在系统时钟的上升沿自增1。基准时钟记数值代表从仿真开始后经过的系统时钟周期数，用户数据延迟时间和发送时间也可以使用64bit描述，数值含义和基准时钟类同。72.进一步，tst模块50包括tst结构的电路交换网络：其中，第一级为t型网络，第二级为s型网络，第三级为t型网络；该tst模块50在用于将接收到的所述用户数据进行时隙交换，通过控制时隙交换关系模拟低轨卫星通信网络的链路通断时，具体用于：73.第一级t型网络501使用顺序写入、控制读出方式，进行输入数据链路上的时隙交换；第二级s型网络502使用输入控制方式或输出控制方式，进行不同的数据链路之间的时隙交换；第三级t型网络503使用控制写入、顺序读出方式，进行输出数据链路上的时隙交换。74.tst模块50还包括第一数据转换和缓存模块504、第二数据转换和缓存模块505、连接关系配置模块506；其中，第一数据转换和缓存模块504用于通过axi接口接收所述用户数据，并将所述用户数据按顺序写入所述第一级t型网络501的数据ram；第二数据转换和缓存模块505，用于接收经过结构的电路交换网络处理后的用户数据，提取时隙交换后的用户数据并发送到组帧模块；连接关系配置模块506，用于将获取到的外部的通断关系描述，转换成tst结构的电路交换网络的连接关系，通过配置信号动态配置用户数据链路之间的通断关系。75.如图5所示，提供了tst模块50的结构示意图。在本实施例中，t型网络可以有两个ram，一个是数据存储ram，另一个是存储控制ram。t型网络有两种实现方式，参见图6，顺序写入控制读出和控制写入顺序读出。顺序写入控制读出方法让数据按顺序依次写入数据存储ram，读出则根据控制ram的数据控制读出。控制写入顺序读出方法则将数据根据控制ram的数据控制写入数据存储ram，读出则按地址顺序依次读出。s型网络可以使用一个存储控制ram，s型网络有两种实现方式，输入控制方式和输出控制方式：在输入控制方式下，存储控制ram控制输出线路何时接到多个输入线路中的一个；在输出控制方式下，存储控制ram控制输入线路何时接到多个输出线路中的一个，在本实施例中，如图7所示，s型网络可以由16个16选1多路选择器和输出控制器实现。16个16选1多路选择器的输入都是从t型网络传过来的16个链路，通过输出控制模块控制16个多路选择器的输出。通过连接关系配置接口配置输出控制逻辑，s型网络实现相同位置的用户时隙的跨通道交换。76.参考图5，由于低轨卫星绕地轨道是固定的，不同卫星间的链路通断关系是可以提前计算得到，连接关系ram可以动态配置。连接关系配置接口接收外部的通断关系描述后，向连接关系配置模块506传输。连接关系配置模块506使用连接关系ram缓存tst电路交换网络连接关系，在仿真时读取连接关系ram并通过配置信号写入到tst电路交换网络的各个存储控制ram中。第一数据转换和缓存模块504通过axi接口接收到用户数据后，可以将用户数据按时间先后顺序写入到第一级t型网络501的数据存储ram中，具体地，可以将读取的用户数据缓存并在缓存完一次该链路上的所有用户数据后，将用户数据按时隙传输到第一级t型网络501。然后第一级t型网络501根据存储控制ram中的读出顺序将用户数据读出到s型网络。s型网络根据存储控制ram控制交叉节点矩阵，实现数据跨链路交换，将接收到的第一级t型网络501的用户数据传给第二级t型网络。第二级t型网络可以采用控制写入顺序读出的方式，即根据存储控制ram将用户数据写入，然后再顺序读出用户数据到第二数据转换和缓存模块505，将读出的用户数据通过axi接口写到组帧模块60。77.可知，在上述示例中，tst结构的电路交换网络总共使用了两个t型网络和一个s型网络。第一级t型网络501使用顺序写入控制读出方法，用来完成输入数据链路上的时隙交换。第二级s型网络502使用输入控制方式或输出控制方式完成不同的数据通道之间的时隙交换。第三级t型网络503使用控制写入顺序读出完成输出数据通道上的时间交换。这样两级t型网络采用不同的控制方式，s型网络采用任意一种方式，便于对交换网络进行控制。78.组帧模块60的功能和拆帧模块相反，组帧模块60可以将通过16条axi端口接收的用户数据分别组合成巨型以太网帧，并通过100g输出网口发送出去，得到仿真结果数据。axi接口与100g网口也是一一对应的。79.本发明实施例提供的基于fpga的低轨卫星通信网络仿真系统，具有以下优点：80.第一：本发明支持大规模节点和高数据速率的低轨卫星网络。在存取数据时使用了hbm，读写速率高，存储空间大，可以支持大规模节点和高数据速率。对输入数据可以通过时分复用自定义划分节点，输入数据速率可以自行调整，只需输入数据吞吐量小于hbm所支持的吞吐量。81.第二：本发明使用硬件模拟低轨卫星网络的链路通断情况，提供了真实并行的数据通道。tst结构的电路交换网络通过控制时隙交换关系模拟低轨卫星网络的链路通断情况，在tst交换网络中数据是并行流动的，并且使用系统时钟计数来控制延迟时间，延迟精度可以达到纳秒级。82.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。83.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。84.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。85.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。86.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。









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