[发明专利]一种用于空间环境的弹性交换装置

说明书

技术领域

一种用于空间环境的弹性交换装置属于卫星通信技术领域。

背景技术

交换装置是大规模通信网络的枢纽，其作用是在请求通信的终端之间建立起通信链路，支持信息端到端的有效传递。从功能上看，传统的交换装置包括控制系统、存储器和数据接口三大组成部分。控制系统主要负责地址映射，即按照映射表中指定的映射关系，将存储器中存储的来自输入数据线(简称“入线”)的数据读出到相应的输出数据线(简称“出线”)上，完成交换功能。存储器在数据输入阶段对数据进行存储，在数据输出阶段将数据输出。数据接口负责对交换装置内外不同信号格式进行转换与适配，并实现必要的串并、并串变换操作。

如今，存储器通常由超大规模集成电路存储芯片构成。由于各种原因，存储器在工作时不可避免地存在错误。存储器错误主要分为硬错误和软错误两种。硬错误表现为在某个或某些位置上存取数据重复出错，错误无法通过其他手段纠正。它的成因包括由于使用不当或外部强电磁辐射造成存储单元烧毁，或存储单元本身偶然损坏等。常见的存储器错误多为软错误。软错误主要由电磁辐射和噪声干扰等因素引起，出错的位置具有随机性，出错概率可以通过某些手段进行控制。

在地面通信网络中，电磁辐射较弱，存储器出错概率很小，基本不会影响通信质量。然而，在卫星通信应用环境中，电磁辐射远强于地面环境，存储器出现软错误的概率较大。具体来说，空间环境充满了来自宇宙的各种粒子(如质子、电子、α粒子、γ射线等)，这些高能粒子撞击存储芯片可导致存储单元电平发生改变，产生单粒子反转效应(Single Event Upset)，造成数据错误；单个高能粒子导致瞬态电流在逻辑电路中传播，产生单粒子瞬时脉冲效应(SingleEvent Transient)，破坏读写信号的稳定性。特别是随着存储器向高速、大容量、低功耗方向发展，软错误问题变得愈发严峻。低电压将减少电容容量从而增加存储单元对于辐射粒子的敏感性；更快的时钟频率给粒子更多机会中断读或写命令；更高的存储单元密度增加了单粒子触发多个数据位发生反转(称为“单粒子多位反转”效应)的概率。在空间环境中，为保证通信质量，必须采取有效的措施降低存储器软错误率。

降低软错误率的方法主要包括加固封装(如在芯片上封装一层塑料)、改进内部设计(如在存储单元内部增加电容器)、纠错编码等。加固封装的方法不能完全隔离电磁辐射，只能起到有限的防护作用；改进内部设计的方法使得芯片复杂度更高，潜在风险加大，并且成本较高。相比而言，纠错编码是一种低成本、技术成熟、稳定可靠的方法，得到了广泛应用。纠错编码的基本原理是按照某种规则，在原始数据基础上加入一定量的校验数据，使原始数据和校验数据之间存在某种约束关系。这些约束关系可用来发现和纠正一定数量的错误。原始数据占全部数据的比重称为码率。一般来说，对于同一类型的编码，码率越低纠错能力越强，但校验数据占用的存储开销也越大。由于存储器的总容量受限，校验数据占用的存储空间越大，交换装置能支持的数据路数就越小。

现有的交换装置中，存储器纠错编码大都采用一种固定类型的编码方法和固定的码率。这样的设计固然简单，但纠错能力却固定不变。而在实际的空间环境中，飞行器的运动以及太阳活动对辐射带的影响都将引起电磁辐射强度的改变，造成存储器软错误率的动态变化。遇到较恶劣的环境时，纠错能力可能无法保证所需的可靠性；遇到较理想的环境时，纠错能力又可能过剩，反而付出了不必要的存储开销代价，限制了交换容量。总之，现有的交换装置，其编码方案缺乏灵活性，纠错能力无法与复杂多变的空间环境相适应。

发明内容

基于以上背景，我们发明了一种用于空间环境的弹性交换装置。与传统的交换装置相比，本发明最大的特点是能提供纠错能力不等的多种编码方案，通过编码方案和交换规模的动态调整，自动适应由空间环境变化导致的存储器软错误率变化，从而在保证所要求的可靠性基础上，最小化编码存储开销，最大化交换容量，取得可靠性和容量的折中。

本发明的特征在于：

(1)它含有：控制系统、存储器、编码器、译码器和数据接口(如图1所示)，其中：

控制系统，含有：编译码控制单元、存储器分配单元和地址映射单元，其中：