王婧婧，趙艷秋，陳越新

(西南電子電信技術(shù)研究所，四川 成都 610041)

甚小孔徑終端(Very Small Aperture Terminal，VSAT)是衛(wèi)星通信的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，是指一類具有甚小口徑天線的小型或微型地球站，與一個(gè)中心站或其他小站協(xié)同工作，構(gòu)成 VSAT 網(wǎng)絡(luò)［1］。

實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析是網(wǎng)絡(luò)管理的重要內(nèi)容［2］，是監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的重要支撐。本文以通信體制為TDM/MF－TDMA/DAMA(即外向信道采用時(shí)分復(fù)用，內(nèi)向信道采用多頻時(shí)分多址，信道分配方式為按需分配)的星形VSAT網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象［3］，探討了實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析在此類VSAT網(wǎng)絡(luò)中的具體應(yīng)用。

其中，實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析分別涉及一部分獨(dú)立或相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)信息，如實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲猩婕案餍≌綢D、地理位置等信息。如何從網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中獲取這些參數(shù)并進(jìn)行有效的組織，是實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析實(shí)現(xiàn)方法的重要內(nèi)容。對(duì)此，本文提出了基于分組的雙線程分層分類參數(shù)提取方法。

最后，采用UML面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ?］，盡可能規(guī)范而有效地建立此類VSAT網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析的通用模型［5－7］。該通用模型對(duì)此類VSAT網(wǎng)絡(luò)具備一定的普適性及可復(fù)用性，可為此類VSAT網(wǎng)絡(luò)相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)形式

首先，對(duì)于傳輸體制為TDM/MF－TDMA/DAMA的星形VSAT網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析的應(yīng)用具有分層分析、全網(wǎng)同步與實(shí)時(shí)處理的特點(diǎn)。即主要針對(duì)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層分別分析并相互結(jié)合，且對(duì)全網(wǎng)內(nèi)向信道與外向信道進(jìn)行實(shí)時(shí)同步分析。

基于以上3個(gè)特點(diǎn)，對(duì)此類VSAT網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析的具體應(yīng)用作具體分析。

1.1 實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

VSAT網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕溌穼优c網(wǎng)絡(luò)層兩層。對(duì)于鏈路層，由于研究對(duì)象為星形網(wǎng)絡(luò)，各小站只能與中心站直接連接，因此鏈路層拓?fù)湫畔⒖梢詢H包含各小站ID、上下線情況，以及地理位置分布信息。網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)渑c計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類似，應(yīng)包含各路由器分布及連接情況、各路由器端口IP地址，以及各路由器端口所連接的子網(wǎng)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)渑c鏈路層拓?fù)渲g存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即各VSAT小站以及中心站應(yīng)有各自對(duì)應(yīng)的內(nèi)置或直連的出口路由器。

此外，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)能實(shí)時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)中小站的上下線情況、地理位置變化情況、各路由器連接變更情況等實(shí)時(shí)變化信息。

綜上，對(duì)于本文研究的VSAT網(wǎng)絡(luò)類型，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的雙層立體結(jié)構(gòu)，且兩層之間通過(guò)出口路由器相關(guān)聯(lián)，如圖1所示。

1.2 實(shí)時(shí)通聯(lián)分析

圖1 實(shí)時(shí)雙層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

對(duì)于VSAT網(wǎng)絡(luò)，其聯(lián)通關(guān)系可定義為VSAT傳輸網(wǎng)絡(luò)所承載的網(wǎng)絡(luò)層業(yè)務(wù)信息。當(dāng)然，對(duì)于不由VSAT無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)信息，如某小站連接的地面網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通聯(lián)，不應(yīng)包含在VSAT網(wǎng)絡(luò)的通聯(lián)分析范圍內(nèi)。此外，通聯(lián)關(guān)系還同時(shí)涉及相應(yīng)經(jīng)過(guò)的小站以及小站之間交互的網(wǎng)控信息。對(duì)于星形網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層的一次通聯(lián)還可能涉及中心站的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程。

具體的通聯(lián)分析應(yīng)用方式如維持一張用于通聯(lián)過(guò)程監(jiān)測(cè)與故障管理的通聯(lián)信息表。應(yīng)包含每次通聯(lián)中涉及的相關(guān)信息，包括通聯(lián)雙方節(jié)點(diǎn)的IP地址、本次通聯(lián)業(yè)務(wù)類型、本次通聯(lián)的流量、通聯(lián)時(shí)間，以及連接建立與數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中涉及的鏈路層小站(或中心站)及各站之間交互的網(wǎng)控信息等。這些網(wǎng)控信息可能同時(shí)涉及外向信道與不同的內(nèi)向信道，且交互過(guò)程遵循嚴(yán)格的同步時(shí)序。此外，通聯(lián)信息表中的內(nèi)容應(yīng)隨著每次通聯(lián)過(guò)程的進(jìn)行實(shí)時(shí)添加記錄。

此外，以通聯(lián)信息表為基礎(chǔ)，還可經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到用于流量管理的流量統(tǒng)計(jì)表，以及用于單個(gè)節(jié)點(diǎn)流量監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)流量圖等。

2 實(shí)現(xiàn)原理分析

本節(jié)圍繞上述VSAT網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析的3個(gè)特點(diǎn)，探討其中涉及的相關(guān)參數(shù)的獲取方法，并總結(jié)為基于分組的雙線程分層分類參數(shù)獲取方法。

2.1 分層分類的參數(shù)獲取方法

根據(jù)分層分析的特點(diǎn)，首先將網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)分兩層進(jìn)行參數(shù)提取。

第一層為鏈路層網(wǎng)管網(wǎng)控信息，僅在中心站與各小站之間交互，且不承載網(wǎng)絡(luò)層業(yè)務(wù)信息。此類網(wǎng)管網(wǎng)控信息主要包含2個(gè)子類:

1)小站狀態(tài)信息，即中心站收集各小站狀態(tài)或各小站主動(dòng)報(bào)告自身狀態(tài)時(shí)在中心站與小站之間交互的信息。包括小站ID、上下線信息、小站地理位置信息等。顯然，此類信息可主要反映在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械逆溌穼泳W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒅小?/p>

2)中心站與小站之間交互的信道申請(qǐng)信息與信道分配信息。對(duì)于信道分配形式為按需動(dòng)態(tài)分配(DAMA)的星形VSAT網(wǎng)絡(luò)，與各小站連接的網(wǎng)絡(luò)用戶節(jié)點(diǎn)在有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，需由對(duì)應(yīng)的小站根據(jù)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量向中心站發(fā)出信道申請(qǐng)。中心站聯(lián)系當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信道的占用情況，為該小站在某內(nèi)向信道上分配一定起始位置與大小的信道。如上所述，此類信息應(yīng)包含在通聯(lián)信息表中。

第二層為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)信息，此類信息主要包含2個(gè)子類:

1)用于網(wǎng)絡(luò)層路由表維護(hù)與更新的路由信息。如RIP協(xié)議數(shù)據(jù)包、OSPF協(xié)議數(shù)據(jù)包，以及SNMP中的路由信息等。此類信息可主要用于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械木W(wǎng)絡(luò)層拓?fù)湫畔ⅲ?］。即在無(wú)法直接獲取各路由器內(nèi)部路由表的情況下，可根據(jù)在各站之間發(fā)送的路由信息，間接挖掘網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)湫畔?。此外，由于?jīng)空口傳輸?shù)穆酚尚畔筛髡境隹诼酚善靼l(fā)出，因此，可認(rèn)為這些路由信息包的源IP地址即為各站出口路由器的出口IP地址。由此，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲墟溌穼泳W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲g的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可確定。

2)用戶業(yè)務(wù)信息。即網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點(diǎn)之間互通的數(shù)據(jù)、話音等業(yè)務(wù)信息，包括通聯(lián)雙方IP地址、通聯(lián)起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型等。此類信息應(yīng)包含在通聯(lián)信息表中，并與上述鏈路層與通信建鏈有關(guān)的網(wǎng)控信息相結(jié)合。

以上分類即為此類VSAT網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析中涉及的相關(guān)參數(shù)信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)流中的來(lái)源，可稱為參數(shù)提取層。在此基礎(chǔ)上，按照第1節(jié)中各具體應(yīng)用的分類，將參數(shù)提取層中的各類信息按照不同的應(yīng)用進(jìn)行重新組織，稱為參數(shù)應(yīng)用層。最后，一些參數(shù)信息不一定能夠從數(shù)據(jù)流中直接提取，如網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)湫畔⑿枰獜穆酚尚畔⒅羞M(jìn)行挖掘等，因此，參數(shù)應(yīng)用層的信息還需進(jìn)行一定的信息挖掘和處理過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用需求，稱為參數(shù)挖掘?qū)印?/p>

綜上所述，可將各具體應(yīng)用涉及的參數(shù)信息的獲取方法總結(jié)為分層分類參數(shù)提取方法，如圖2所示。

圖2 分層分類的參數(shù)提取方法

2.2 基于分組的雙線程參數(shù)提取方法

根據(jù)實(shí)時(shí)處理與全網(wǎng)同步的特點(diǎn)，應(yīng)設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元，對(duì)全網(wǎng)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)處理單元為單位進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，此時(shí)系統(tǒng)處理延遲即固定為數(shù)據(jù)處理單元的大小。顯然數(shù)據(jù)處理單元應(yīng)盡量小，以保證系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求。整個(gè)處理系統(tǒng)按照“數(shù)據(jù)采集→參數(shù)提取→應(yīng)用實(shí)現(xiàn)”的步驟進(jìn)行。

對(duì)于數(shù)據(jù)處理單元的選擇以及具體的實(shí)現(xiàn)步驟和方法分析如下:

首先，對(duì)全網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)處理單元為單位進(jìn)行全網(wǎng)同步采集。對(duì)于參數(shù)提取模塊來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于依次到達(dá)的數(shù)據(jù)處理單元所組成的數(shù)據(jù)單元流。由于全網(wǎng)同步的需要，各數(shù)據(jù)處理單元應(yīng)保留在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的真實(shí)發(fā)送時(shí)間，以在數(shù)據(jù)單元流中進(jìn)行全網(wǎng)排序，按照網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)順序進(jìn)行依次處理。發(fā)送時(shí)間以時(shí)間戳的形式作為每個(gè)數(shù)據(jù)處理單元的附加信息。

由此，對(duì)于參數(shù)提取模塊，數(shù)據(jù)采集所得的數(shù)據(jù)單元流如圖3所示。其中各數(shù)據(jù)處理單元的大小與發(fā)送時(shí)間(即時(shí)間戳)不一定相同，設(shè)各單元的時(shí)間戳按數(shù)據(jù)發(fā)送的先后順序分別為t1，t2，t3，t4。顯然，參數(shù)提取模塊應(yīng)首先處理時(shí)間戳為t1的數(shù)據(jù)單元，且在時(shí)間戳為t2的數(shù)據(jù)單元到來(lái)之前處理結(jié)束，依此類推。

圖3 “數(shù)據(jù)單元流”示意圖

由此可得，假設(shè)數(shù)據(jù)單元流中數(shù)據(jù)單元發(fā)送時(shí)間的最短時(shí)間間隔為τ，則參數(shù)提取模塊的運(yùn)行時(shí)間必須小于τ。

具體而言，數(shù)據(jù)處理單元的選擇一般可按編碼方式分為兩類。

1)編碼方式為卷積碼的網(wǎng)絡(luò)(見圖4)

圖4 “卷積碼”時(shí)的數(shù)據(jù)流形式

其中外向信道與內(nèi)向信道以一定大小的幀周期保持同步。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，外向信道分組按照特定的信息塊大小進(jìn)行編碼，之后各分組時(shí)分復(fù)用，并在幀頭或幀尾加上一定的同步信息，形成連續(xù)載波的外向信道數(shù)據(jù)。而內(nèi)向信道分組按照與外向信道相同或不同的信息塊大小進(jìn)行編碼，加上突發(fā)頭及保護(hù)帶寬等后，形成固定大小的數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊大小稱為時(shí)隙。綜上，內(nèi)向信道應(yīng)由若干大小為1個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)塊以連續(xù)或間隔若干個(gè)時(shí)隙的方式占用信道。

由此，對(duì)于編碼方式為卷積碼的VSAT網(wǎng)絡(luò)，若選取的數(shù)據(jù)處理單元為數(shù)據(jù)幀，則相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元的最短間隔τ為1個(gè)幀周期，即參數(shù)提取模塊的最長(zhǎng)處理時(shí)間為1個(gè)幀周期。但此時(shí)系統(tǒng)延遲為1個(gè)幀周期;若選取的數(shù)據(jù)處理單元為時(shí)隙，則相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元最短間隔τ為1個(gè)時(shí)隙，此時(shí)系統(tǒng)延遲為1個(gè)時(shí)隙。顯然，以時(shí)隙作為數(shù)據(jù)處理單元更能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。事實(shí)上，由于時(shí)隙由各數(shù)據(jù)分組以相同大小的編碼信息塊進(jìn)行編碼，并加上保護(hù)時(shí)隙等其他信息組成，因此，以時(shí)隙為單位相當(dāng)于譯碼后以分組為單位。

此外，由于外向載波與內(nèi)向載波在通信中以幀同步為前提對(duì)幀內(nèi)各自的數(shù)據(jù)分組按獨(dú)立的線程進(jìn)行處理，因此，當(dāng)以時(shí)隙或分組為數(shù)據(jù)處理單元時(shí)，管理參數(shù)提取同樣應(yīng)采用雙線程的工作模式，對(duì)外向信道與內(nèi)向信道分別進(jìn)行處理。

2)編碼方式為分組碼的網(wǎng)絡(luò)(見圖5)

圖5 “分組碼”時(shí)的數(shù)據(jù)流形式

其中外向信道與內(nèi)向信道同樣按照一定的幀周期同步。但與卷積碼編碼方式的網(wǎng)絡(luò)不同，外向信道分組與內(nèi)向信道分組編碼后的編碼信息塊不是固定大小。因此，各編碼信息塊發(fā)送時(shí)間的最短時(shí)間間隔不再是固定大小。

對(duì)于此類網(wǎng)絡(luò)的外向信道數(shù)據(jù)，最小時(shí)間間隔應(yīng)為最小的編碼信息塊大小，即最小分組對(duì)應(yīng)的編碼信息塊大小。具體網(wǎng)絡(luò)有不同的最小外向信道分組大小。而對(duì)于此類網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)向信道，一般設(shè)置了一個(gè)最小時(shí)間單位時(shí)槽，各突發(fā)占用整數(shù)個(gè)時(shí)槽。因此，同樣采用分組為數(shù)據(jù)處理單元時(shí)，內(nèi)向信道數(shù)據(jù)單元可能的最小時(shí)間間隔即為時(shí)槽大小。只要相應(yīng)的參數(shù)提取模塊的運(yùn)行時(shí)間小于時(shí)槽大小，即可滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

如圖6所示，考慮到雙線程處理模式下，外向信道與內(nèi)向信道參數(shù)提取模塊的運(yùn)行時(shí)間可能不同步，如某主站數(shù)據(jù)分組比某小站數(shù)據(jù)分組的發(fā)送時(shí)間早，但參數(shù)提取過(guò)程較小站分組更長(zhǎng)，于是，小站分組的參數(shù)獲取更快，此時(shí)若立即存入上述參數(shù)提取層的參數(shù)庫(kù)表，則參數(shù)庫(kù)表的順序發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致后續(xù)參數(shù)實(shí)時(shí)讀取順序發(fā)生錯(cuò)誤。為解決此問題，可按各分組的時(shí)間戳大小為各分組依次加上一個(gè)分組順序標(biāo)號(hào)，并將標(biāo)號(hào)存入一個(gè)先進(jìn)先出的順序隊(duì)列，各分組的參數(shù)按照隊(duì)列信息指示的順序存入?yún)?shù)庫(kù)。

圖6 分組順序隊(duì)列

3 基于UML的實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析模型

本節(jié)對(duì)上述實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行總結(jié)，并用UML類圖進(jìn)行建模。模型按照?qǐng)D2所示的系統(tǒng)工作層次分為3部分。其中圖7為參數(shù)提取層模型的UML類圖。

圖7 參數(shù)提取層UML類圖

圖7中的參數(shù)提取層參數(shù)庫(kù)按照該層的分類方法是一個(gè)分類模型，用UML類圖表示如圖8所示。

圖8 參數(shù)提取層參數(shù)庫(kù)UML類圖

最后，“參數(shù)應(yīng)用層”與“參數(shù)挖掘?qū)印蓖瓿蓪?duì)“參數(shù)提取層”參數(shù)庫(kù)的重新組織與信息挖掘，最終完成相應(yīng)管理應(yīng)用，用UML類圖表示如9所示。

圖9 參數(shù)應(yīng)用層與挖掘?qū)覷ML類圖

上述各UML類圖中的參數(shù)類均包含各自相關(guān)的特征參數(shù)，且以統(tǒng)一的格式表征與存儲(chǔ)。各參數(shù)列表在此不作詳述。

4 小結(jié)

本文以通信體制為TDM/MF－TDMA/DAMA的星形VSAT網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，建立了此類VSAT網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通聯(lián)分析的通用模型。該模型充分結(jié)合VSAT網(wǎng)絡(luò)自身特性，對(duì)此類VSAT網(wǎng)絡(luò)具備一定的普適性和可復(fù)用性。提出了基于分組的雙線程分層分類參數(shù)提取方法，其思路也可為其他類型VSAT網(wǎng)絡(luò)相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)提供參考。

［1］MARAL G.VSAT networks［M］.Chichester:John Wiley ＆ Sons，2004.

［2］朱慶弦，張杰，張駿溫.網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.電視技術(shù)，2005，29(12):54－58.

［3］楊華，黃焱.DVB－RCS衛(wèi)星交互網(wǎng)通信體制研究［J］.電視技術(shù)，2010，34(9):10－12.

［4］BLAHA M，RUMBAUGH J.UML面向?qū)ο蠼Ｅc設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

［5］ITU－T Rec.M.3020，TMN interface specification methodology［S］.2007.

［6］王穎，王智立，邱雪松，等.基于流的IP網(wǎng)管理信息建模方法及其模型［J］. 通信學(xué)報(bào)，2008，29(12):102－107.

［7］夏海濤，吳格含，孟洛明，等.基于生命周期的通用業(yè)務(wù)管理信息建模的研究［J］. 電子學(xué)報(bào)，2004(7):1074－1077.

［8］楊國(guó)正，陸余良，夏陽(yáng).計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27(24):4710－4752.