許星辰，張迎春，郭 巍

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

0 引言

在通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器資源（主要是帶寬資源和功率資源）一定的情況下，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般通過(guò)DAMA技術(shù)來(lái)提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源的利用率。在DAMA方式下，整個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的資源統(tǒng)一由中央站的衛(wèi)星網(wǎng)控中心（NCC）管理。地球站開(kāi)機(jī)后要先在網(wǎng)控中心入網(wǎng)登記，通信時(shí)，需要向網(wǎng)控中心提出資源申請(qǐng)，然后才能使用網(wǎng)控中心分配的轉(zhuǎn)發(fā)器資源;通信完畢后將轉(zhuǎn)發(fā)器資源釋放，交回網(wǎng)控中心控制。使用DAMA技術(shù)可以有效地提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的利用率，同時(shí)要求每個(gè)地球站必須具備適應(yīng)DAMA體制的網(wǎng)控功能，使之和網(wǎng)控中心一起完成整個(gè)衛(wèi)通系統(tǒng)資源的統(tǒng)一管理和控制。地球站網(wǎng)控（NCU）是地球站在DAMA衛(wèi)通系統(tǒng)入網(wǎng)工作的關(guān)鍵，利用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)可以有效地提高目標(biāo)系統(tǒng)的可靠性。

1 網(wǎng)控工作過(guò)程

典型的DAMA體制衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)呈網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)配置專用的網(wǎng)控信道用于網(wǎng)控中心和地球站之間網(wǎng)絡(luò)信令的傳輸，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源分配，網(wǎng)控信道為星狀網(wǎng)。網(wǎng)控中心到地球站的信息通過(guò)時(shí)分復(fù)用信道廣播，一般配置主、備各一路;地球站到網(wǎng)控中心的信息采用競(jìng)爭(zhēng)申請(qǐng)（Aloha）信道發(fā)送。Aloha發(fā)送可能發(fā)生碰撞，導(dǎo)致通信失敗，可以采取增加重發(fā)次數(shù)和Aloha信道的數(shù)量來(lái)減少碰撞概率，提高發(fā)送成功率。典型的DAMA體制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信流程如圖1所示。

在DAMA方式下，地球站開(kāi)機(jī)后，首先接收NCC廣播的網(wǎng)絡(luò)通告信令。信令中包括主、備TDM信道參數(shù)信息、Aloha信道參數(shù)等信息。NCU根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通告信令中的Aloha信道上報(bào)本站的身份和業(yè)務(wù)類型等信息，登記身份并申請(qǐng)入網(wǎng)。

以電話業(yè)務(wù)為例，入網(wǎng)成功的地球站，當(dāng)用戶撥號(hào)呼叫另一個(gè)地球站時(shí)，NCU發(fā)起資源申請(qǐng)，并根據(jù)網(wǎng)控中心分配的業(yè)務(wù)信道資源控制地球站信道設(shè)備，使其能和遠(yuǎn)端站通信。用戶掛機(jī)后，NCU報(bào)告釋放資源并控制地球站信道設(shè)備。

圖1 DAMA衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信流程圖

對(duì)于地球站NCU來(lái)說(shuō)，必須保證具有以下基本能力:

①網(wǎng)控信令的生成和解析能力;

②入網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)控制能力;

③DAMA方式資源申請(qǐng)、釋放能力;

④對(duì)地球站信道設(shè)備的參數(shù)保存、恢復(fù)及實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。

作為地球站在DAMA衛(wèi)通系統(tǒng)工作的重要部分，NCU運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性是其可靠工作的基礎(chǔ)。如果地球站NCU出錯(cuò)，輕則導(dǎo)致該站無(wú)法參與通信，嚴(yán)重時(shí)可能通過(guò)網(wǎng)控信道影響到整個(gè)衛(wèi)通系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如，由于軟件的設(shè)計(jì)缺陷，在一定條件下，某站的NCU不停地通過(guò)aloha信道向NCC發(fā)送信號(hào)，這會(huì)導(dǎo)致aloha沖突概率增大，降低全網(wǎng)資源的利用率。因此，如何提高NCU軟件的可靠性和穩(wěn)定性就成為設(shè)計(jì)工作關(guān)注的關(guān)鍵所在。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

NCU的主要特征表現(xiàn)為對(duì)外通信接口較多但通信量不大、控制復(fù)雜;因此采用以中央處理器（CPU）為核心，通過(guò)大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷‵PGA）擴(kuò)展出多個(gè)通信端口，組成一個(gè)性能強(qiáng)大、高度集成、適應(yīng)性好的嵌入式系統(tǒng)。主要利用FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，利用CPU實(shí)現(xiàn)靈活控制。

NCU采用了模塊化設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。所謂模塊化設(shè)計(jì)，就是將具有特定功能的部分作為一個(gè)模塊，通過(guò)組合調(diào)用這些功能模塊來(lái)組成總的系統(tǒng)。模塊化設(shè)計(jì)有利于縮短開(kāi)發(fā)周期，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。特別是軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，可簡(jiǎn)化編程過(guò)程，降低調(diào)試難度，提高目標(biāo)系統(tǒng)的可靠性。

NCU的組成如圖2所示，CPU選用高性能的C8051F023單片機(jī)，F(xiàn)PGA器件選用XILINX公司的XC3S4000芯片，采用Verilog硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)FPGA軟件。FLASH采用ATMEL24C16器件，用于掉電保存系統(tǒng)參數(shù)。

圖2 NCU組成框圖

NCU對(duì)外通信接口綜述如下:

①網(wǎng)控信道數(shù)據(jù)接口:同步數(shù)據(jù)接口，支持HDLC協(xié)議，RS422電平，速率可變，最大速率128 kbps，數(shù)量1個(gè);

②網(wǎng)控信道監(jiān)控接口:異步數(shù)據(jù)接口，速率可變，最大速率115200bps，可提供RS232電平接口2個(gè)，RS485接口2個(gè);

③業(yè)務(wù)信道監(jiān)控接口:異步數(shù)據(jù)接口，速率可變，最大速率115200bps，可提供RS232電平接口2個(gè)，RS485接口2個(gè)。

FPGA用來(lái)擴(kuò)展所需的外部通信接口，通過(guò)總線共擴(kuò)展了1個(gè)支持HDLC協(xié)議的同步串口和8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串行口。通信接口由多個(gè)具有特定功能的模塊構(gòu)成，包括總線控制模塊、波特率發(fā)生器模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、同步檢測(cè)模塊、同步接收模塊、同步發(fā)送模塊、異步接收模塊以及異步發(fā)送模塊等。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

同硬件和FPGA設(shè)計(jì)一樣，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行規(guī)劃，系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)初始化完成后，開(kāi)始執(zhí)行主控模塊，主控模塊通過(guò)調(diào)用各個(gè)接口處理模塊，共同完成NCU的任務(wù)。

各個(gè)功能模塊描述如下:

圖3 NCU軟件體系結(jié)構(gòu)

①系統(tǒng)初始化模塊:完成系統(tǒng)參數(shù)的讀取，重要變量的賦初值，各個(gè)端口參數(shù)的配置等工作;

②主控模塊:是軟件的核心部分。維護(hù)NCU的工作狀態(tài)，接收各接口處理模塊上報(bào)的事件，做出正確的處理動(dòng)作并發(fā)送到相應(yīng)的接口處理模塊執(zhí)行。

③網(wǎng)控接口處理模塊:用于網(wǎng)控信道網(wǎng)控信令的處理和發(fā)送;

④設(shè)備監(jiān)控接口處理模塊:用于站內(nèi)衛(wèi)通設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理和發(fā)送;

此外，每個(gè)接口處理模塊采用分層結(jié)構(gòu)，從低到高依次為端口驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和命令處理模塊。端口驅(qū)動(dòng)程序用于字節(jié)收發(fā);數(shù)據(jù)收發(fā)模塊用于幀結(jié)構(gòu)處理;命令處理模塊處理協(xié)議數(shù)據(jù)的有效內(nèi)容。

3 實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 基于FSM技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)

為了增加軟件系統(tǒng)的可靠性，在FPGA功能模塊和軟件功能模塊的實(shí)現(xiàn)中，使用了大量的基于FSM技術(shù)的程序架構(gòu)。

FSM是一種重要的形式化技術(shù)，經(jīng)常在軟件設(shè)計(jì)中采用。FSM就是描述一個(gè)由有限個(gè)獨(dú)立狀態(tài)組成的過(guò)程，這些狀態(tài)可以互相轉(zhuǎn)移。FSM可以用3個(gè)要素來(lái)表示:狀態(tài)、事件、動(dòng)作。在任意時(shí)刻機(jī)器只能處于給定數(shù)目狀態(tài)中的一個(gè)。當(dāng)某一時(shí)刻機(jī)器接收到一個(gè)輸入事件時(shí)，狀態(tài)機(jī)做出動(dòng)作，同時(shí)也可能伴隨著狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。狀態(tài)的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作不僅與輸入事件有關(guān)，而且與機(jī)器的前一狀態(tài)有關(guān)。采用有限狀態(tài)機(jī)可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化軟件結(jié)構(gòu)，提升軟件的質(zhì)量和可靠性。

NCU中利用FSM實(shí)現(xiàn)的重要功能模塊包括同步串口接收/發(fā)送模塊、同步檢測(cè)模塊、波特率發(fā)生器模塊、異步串口接收/發(fā)送模塊以及主控模塊，網(wǎng)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)模塊以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)模塊等。

3.2 主控模塊的實(shí)現(xiàn)

FSM實(shí)現(xiàn)的主要分為2步，首先要準(zhǔn)確地輸出目標(biāo)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，然后把狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖轉(zhuǎn)化為代碼實(shí)現(xiàn)。

FSM是靠事件的觸發(fā)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)變化的，即“事件驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移”。通常用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)表示FSM，用閉合節(jié)點(diǎn)代表狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)之間使用有向線表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況，有向線上標(biāo)明觸發(fā)該轉(zhuǎn)移的事件和相應(yīng)動(dòng)作。事件驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)機(jī)具有良好的開(kāi)放性，可以很方便地增加新的狀態(tài)。

圖4即為簡(jiǎn)化的NCU軟件主控模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，實(shí)際情況要比這復(fù)雜的多。主控模塊FSM共分為4個(gè)狀態(tài)。初始化完成后，進(jìn)入“搜索通告信令狀態(tài)”，此狀態(tài)下收到通告幀即申請(qǐng)入網(wǎng)，進(jìn)入“入網(wǎng)狀態(tài)”?！叭刖W(wǎng)狀態(tài)”要處理NCC的查詢事件以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，長(zhǎng)時(shí)間丟失通告信令還會(huì)轉(zhuǎn)移到“搜索通告信令狀態(tài)”;當(dāng)用戶呼叫事件發(fā)生時(shí)，向NCC發(fā)起資源申請(qǐng)后進(jìn)入“等待分配狀態(tài)”。該狀態(tài)下超時(shí)后會(huì)重發(fā)申請(qǐng)，申請(qǐng)失敗和申請(qǐng)被拒絕事件都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)移到“入網(wǎng)狀態(tài)”;如果資源申請(qǐng)成功，則通知業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)始通信，進(jìn)入“等待通信結(jié)束狀態(tài)”。在“等待通信結(jié)束狀態(tài)”下，如果發(fā)生通信結(jié)束事件，則釋放資源，轉(zhuǎn)移到“入網(wǎng)狀態(tài)”。

圖4 主控模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)FSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，使用Verilog硬件描述語(yǔ)言（FPGA設(shè)計(jì)）或者C語(yǔ)言（CPU軟件設(shè)計(jì)），可以很方便地采用Switch…Case語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)該FSM功能。

3.3 可靠性測(cè)試

著名的軟件可靠性非齊次Possion過(guò)程（NHPP）模型是軟件可靠性建模研究發(fā)展歷程的一個(gè)里程碑，被證明有著很多優(yōu)良的性能。這類模型假設(shè)在測(cè)試過(guò)程中軟件的累計(jì)故障數(shù){N（t），t≥0}服從NHPP分布，表示累計(jì)故障數(shù)的均值函數(shù)m（t）=E（N（t）），軟件可靠性在（t，t+x）時(shí)間段內(nèi)的定義為:

軟件可靠性模型和評(píng)估方法應(yīng)該考慮測(cè)試覆蓋這一重要因素，并考慮測(cè)試過(guò)程中測(cè)試剖面是否發(fā)生變化。在對(duì)RCU軟件進(jìn)行可靠性測(cè)試過(guò)程中，針對(duì)上述兩方面問(wèn)題，建立一個(gè)基于測(cè)試覆蓋的軟件可靠性增長(zhǎng)模型，并根據(jù)測(cè)試過(guò)程修正測(cè)試剖面，將其分為階段A和階段B。

階段A執(zhí)行438個(gè)測(cè)試用例，共發(fā)生5次軟件失效，累積故障數(shù)8個(gè)。此后對(duì)測(cè)試剖面進(jìn)行了修正，進(jìn)入階段B，又進(jìn)行了320次測(cè)試，共發(fā)生3次失效，累積故障數(shù)5個(gè)。PhaseB測(cè)試結(jié)束后測(cè)試覆蓋率達(dá)到96.73%。將時(shí)刻=438視為變點(diǎn)，分析這組測(cè)試數(shù)據(jù)，并應(yīng)用最小二乘法估計(jì)參數(shù)值，計(jì)算得到軟件可靠性估計(jì):R（x|t）=0.9805。

4 結(jié)束語(yǔ)

該NCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)在提高可靠性上采取了多種技術(shù)手段。首先采用高集成度硬件方案簡(jiǎn)化電路，增加了硬件可靠性;其次通過(guò)軟件模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化軟件體系，易于測(cè)試與修改，提高軟件可靠性;在軟件功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)上，大量應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、邏輯清晰，進(jìn)一步提高軟件可靠性。目前，基于該設(shè)計(jì)的NCU已經(jīng)在不同多址方式的SCPC/DAMA、CDMA/DAMA衛(wèi)通系統(tǒng)中應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通用性好，易于移植。經(jīng)工程使用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]呂海寰，蔡劍銘，甘仲民，等.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京:人民郵電出版社，1994.

[2]彭民德，肖健宇.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[3]張彪，王岳環(huán).實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)雙總線模塊化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2007，29（4）:53-54，71.

[4]井新宇.基于VHDL設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)FSM的方法[J].信息技術(shù)與信息化，2004（4）:29-31.

[5]徐小良，汪樂(lè)宇，周泓.有限狀態(tài)機(jī)的一種實(shí)現(xiàn)框架[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2003（5）:251-255.

[6]魏穎.基于變點(diǎn)分析的軟件可靠性多模型混合研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（4）:876-880.

[7]王秉鈞.VSAT衛(wèi)星通信工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1998.