吳 悅，劉 彬，李國通

（1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所 上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203）

基于OPNET的改進星上總線架構(gòu)建模與仿真

吳 悅1，2，劉 彬2，李國通1，2

（1.中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所 上海200050；2.上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201203）

針對傳統(tǒng)總線架構(gòu)難以滿足大量星間數(shù)據(jù)傳輸場景下的時延約束的問題，文章利用路徑優(yōu)化（Route Optimization）的方法，提出了一種改進的星上總線架構(gòu)方案。改進的衛(wèi)星系統(tǒng)采用多級總線的拓撲結(jié)構(gòu)，選用上下兩條1553B總線構(gòu)成連接各分系統(tǒng)的主干網(wǎng)，上總線負責高性能、高可靠的星務數(shù)據(jù)采集與管理，下總線負責高實時、高速率的星間鏈路數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)，分系統(tǒng)內(nèi)部選用全雙工RS-422串口通信線。構(gòu)建了基于OPNET的仿真驗證平臺，采用分層次的設計思想，對衛(wèi)星系統(tǒng)分別建立了仿真的網(wǎng)絡模型、節(jié)點模型和進程模型，利用事件輪詢（Event Loop）的運行機制，實現(xiàn)了1553B總線和RS-422串口通信協(xié)議的仿真。仿真結(jié)果表明，改進的總線架構(gòu)方案平均包時延減少了27.6%，最大包時延降低了42.4%，并具有更強的適應性和擴展性，可應對速率更高的星間鏈路。

衛(wèi)星；1553B總線；仿真；OPNET

隨著有效載荷種類的日益增多和星間鏈路傳輸速率的提高，對星內(nèi)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)臅r效性和可靠性提出了更高的要求，采用單一總線的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足任務的需求。數(shù)據(jù)總線技術是航天電子系統(tǒng)的關鍵核心技術之一，為飛行器各電子設備之間的信息交換提供高速“實時”高可靠的通信鏈路[1]。選擇合適的總線標準，改善數(shù)據(jù)總線應用的標準設計，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)總線的未來發(fā)展方向[2]。

目前國內(nèi)航天領域的數(shù)據(jù)總線以 MIL-STD-1553B為主，主要用于控制管理，有些衛(wèi)星上使用 IEEE1394或者SpaceWire用于高速數(shù)據(jù)傳輸[3]。針對大數(shù)據(jù)量、復雜數(shù)據(jù)環(huán)境下星上數(shù)據(jù)處理的可靠性和實時性問題，文獻[4]優(yōu)化設計了星上總線網(wǎng)絡，星內(nèi)采用SpaceWire總線，利用蟲洞路由機制，非阻塞數(shù)據(jù)包交換時延在0.5 μs以下。文獻[5]提出了基于1553B總線和SpaceWire總線的高低速星載混合網(wǎng)絡系統(tǒng)，星載設備內(nèi)總線采用雙CompactPCI總線設計，能夠適應有效載荷增加，并達到即插即用的目的。高速光纖總線技術在歐洲空間局（ESA）和美國航空航天局（NASA）均得到了應用，NASA的EO-1衛(wèi)星上也采用SFODB光纖高速數(shù)據(jù)總線[6]，ESA在國際空間站中采用光纖介質(zhì)的千兆以太網(wǎng)[7]。

文中以某型號衛(wèi)星為應用背景，分析了現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)中總線方案的特點，針對其不能滿足時延約束的問題，提出了一種改進的總線方案。改進的衛(wèi)星系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的形式，第一層采用上下兩條1553B總線，是連接各分系統(tǒng)的主干網(wǎng)，第二層選用RS-422全雙工串行通信線，負責分系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸。為了驗證方案的有效性，文中利用OPNET進行仿真建模，分別建立了仿真的網(wǎng)絡模型、節(jié)點模型和進程模型，采用事件輪詢（Event Loop）的運行機制，實現(xiàn)了1553B總線和RS-422串口通信協(xié)議的仿真。仿真結(jié)果表明，提出的優(yōu)化方案能夠可提高信息傳輸?shù)膶崟r性，改善網(wǎng)絡流量的負載均衡，滿足空間任務的需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 單級總線系統(tǒng)架構(gòu)

某型號衛(wèi)星的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，使用一條雙冗余的1553B總線將各分系統(tǒng)連接在一起，以星載計算機為核心單機，完成星上信息處理、單機控制與管理、星上時間同步與保持、有效載荷功能業(yè)務支持等主要功能。這種總線的拓撲結(jié)構(gòu)簡單，適用于有效載荷數(shù)量少、網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)量小的航天系統(tǒng)。

圖1 某衛(wèi)星系統(tǒng)單級總線架構(gòu)A

根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設的需求，現(xiàn)空間任務增加星間鏈路相關的兩條信息流，并對其提出了時延要求，如表1所示。任務還要求每條總線的最大負載限制在60%以下，保留40%吞吐量的余量用于擴充。

表1 星間鏈路信息流的時延約束

理論上1553B數(shù)據(jù)總線上信息傳輸總能力應為1 MB/s，考慮到典型的總線控制協(xié)議，實際的最大負載約為理論值的80%[8]。如果總線上長時間出現(xiàn)大量的消息需要發(fā)送，將造成信息傳輸?shù)臅r延增大，甚至傳輸?shù)氖?。總線負載的計算公式如下：

式（1）中Lbus為總線負載，Td為總線傳輸?shù)男畔⒘浚〝?shù)據(jù)字、狀態(tài)字和命令字，Tm為總線激活時間內(nèi)最大可能信息傳輸量[9]。某衛(wèi)星的星間鏈路信息速率最高為100 kbps，這部分數(shù)據(jù)將使總線負載增加13.6%左右。

信息流的時延可以看成傳輸時延和處理時延之和，對于現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)A，信息流從有效載荷A到高性能運算單元的時延計算公式如下：

式（2）中 Ti為數(shù)據(jù)包創(chuàng)建時的仿真時間，Tp為任務處理機的工作周期，Tw為等待時延，與任務處理機的周期和總線周期有關，Tq為排隊時延，隨著業(yè)務量的增大，排隊時延也會增大，Td為消息傳輸時延，m為消息的條數(shù)。Td的具體計算公式如下：

式（3）中TC為指令字的傳輸時間，TS為狀態(tài)字的傳輸時間，TD為數(shù)據(jù)字的傳輸時間，n為數(shù)據(jù)字的個數(shù)，TR為消息響應時間，TG為消息間隔時間[10]。實際開發(fā)中，星載計算機的總線周期為1 s，任務處理機工作周期Tp≤0.2，Tw的取值范圍為[0，1-Tp]，Td×m為0.007左右，因此延遲D1的平均值為+1.557，最大值為Tqmax+2.097。

信息流從高性能運算單元到任務處理機的時延計算公式如下：

式（4）中Tw為等待時延，Tq為排隊時延，Td為消息傳輸時延，m為消息的條個數(shù)。Tw的取值范圍為[0，1]，Td×m為0.003左右，因此延遲 D2的平均值為最大值為 Tqmax+ 1.003。根據(jù)上述對現(xiàn)有架構(gòu)A信息流時延的分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足任務要求。

1.2 多級總線系統(tǒng)架構(gòu)

為了提高信息傳輸?shù)膶嵭裕档涂偩€負載，可以采用增加帶寬（Increasing Bandwidth）和路徑優(yōu)化（Route Optimization）的方法。例如，使用高速總線（如Space Wire、千兆以太網(wǎng)或光纖通道）提高信道的帶寬，以降低信息的傳輸時延。但由于星載計算機總線周期的限制，降低傳輸時延對總時延的改善是有限的。

為此文中采用路徑優(yōu)化的方法，將不同的數(shù)據(jù)進行分流，通過不同的傳輸路徑，降低了信息的總體時延，并引導總線的負載均衡。改進的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)B如圖2所示，采用上下兩級1553B總線的拓撲結(jié)構(gòu)，上總線負責高性能、高可靠的星務數(shù)據(jù)采集與管理，下總線負責高實時、高速率的星間鏈路數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)，分系統(tǒng)內(nèi)部采用全雙工的RS-422通信線。減小總線周期可以降低數(shù)據(jù)等待時延Tw，因此下總線采用方式命令矢量字的工作方式，下總線的周期即為BC發(fā)送方式命令字的周期。

對于改進后系統(tǒng)架構(gòu)B，從有效載荷A到高性能運算單元的信息流時延計算公式如下：

式（5）與式（2）相比，增加了方式命令字的傳輸時延為Tm，大小為20 μs。設下總線的周期為Tc（Tc≤Tp），Tw的取值范圍為[Tm，Min（|Tp×k-Tc×n|）+Tm]，因此當 Tc為 Tp的約數(shù)時，Tw的最大值最小。在這種情況下，延遲D3的平均值為最大值為Tqmax+2Tp+1。

圖2 衛(wèi)星系統(tǒng)多級總線系統(tǒng)架構(gòu)B

從高性能運算單元到任務處理機的信息流時延計算公式如下：

式（6）與式（4）相比少了等待時延 Tw，Td×m為 0.003左右，因此延遲D4的平均值為，最大值為Tqmax+0.003。為了進一步對多級總線的方案進行驗證，文中利用OPNET仿真平臺，對兩種衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)進行建模仿真和分析對比。

2 仿真模型設計

OPNET將建模過程分成3個層次，對衛(wèi)星系統(tǒng)分別建立網(wǎng)絡（Network）模型、節(jié)點（Node）模型和進程（Process）模型[11]。與一般單一層次的建模方法相比，分層次的建模方法使仿真模型層次清晰，簡化了模型設計的方法[12]。

2.1 衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡模型

網(wǎng)絡層是3個層次中的最上層，將節(jié)點之間互相連接組成網(wǎng)絡，可以在這里運行仿真并查看仿真結(jié)果[13]。根據(jù)上述衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)方案，使用OPNET網(wǎng)絡建模軟件中的項目編輯器，建立改進的衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡模型。使用鏈路模型編輯器可以創(chuàng)建一個自定義的總線型鏈路模型，其中管道階段（Pipeline Stage）使用默認總線模型。

2.2 1553B協(xié)議仿真節(jié)點模型

節(jié)點層使用不同的模塊來描述節(jié)點對象的不同行為，將一個節(jié)點按業(yè)務和功能分解成不同的進程模塊。1553B總線按指令/響應的方式異步操作，總線上以消息包的形式傳輸信息，而每一個消息包都由命令字、數(shù)據(jù)字或狀態(tài)字組合而成，所有消息傳輸都由總線控制器（BC）發(fā)出的指令控制，相關終端（RT）對指令給予回答/響應[14]。

以高性能運算單元為例，它包含一個總線控制器（BC）和一個遠程終端（RT），使用OPNET軟件建立其節(jié)點模型如圖3所示。節(jié)點的具體功能可以分為：信源模塊（data_src）：模擬星間鏈路數(shù)據(jù)的產(chǎn)生；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊（data_route）：將接收到的星間鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到相應的處理模塊；總線控制器模塊（bc_proc）：維護同步消息和異步消息隊列，產(chǎn)生并發(fā)送命令字、數(shù)據(jù)字，接收并解析狀態(tài)字、數(shù)據(jù)字；遠程終端模塊（rt_proc）：接收并解析命令字，發(fā)送相應的狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字；CSMA模塊（csma_bc，csma_rt）：進行總線的忙和沖突檢測；1553B收發(fā)模塊（1553_rcv，1553_tx）：收發(fā)總線上的數(shù)據(jù)包。

圖3 高性能運算單元節(jié)點模型

2.3 1553B協(xié)議仿真進程模型

進程模型實現(xiàn)節(jié)點內(nèi)部每個模塊的具體功能，由有限狀態(tài)機（FSM）表示，在有限狀態(tài)機的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件中可以使用C/C++代碼對具體的行為進行定義。在高性能運算單元節(jié)點內(nèi)部，除了1553B收發(fā)模塊，其他的模塊都存在進程模型。

節(jié)點BC進程模型設計如圖4所示，包含3個強制狀態(tài)和3個非強制狀態(tài)。各個狀態(tài)的具體功能分別為：初始化狀態(tài)（init）：初始化相關的總線表、消息隊列、分段重組緩存區(qū)、狀態(tài)變量和全局變量；空閑狀態(tài)（idle）：當前沒有事件需要處理；掛起狀態(tài)（pause）：發(fā)送完一個控制字后，程序進入掛起狀態(tài)，等待一個狀態(tài)字的到來，在接收到相應狀態(tài)字之后，根據(jù)控制字中的T/R字段來確定程序是回到空閑狀態(tài)，還是轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)字接收狀態(tài)；數(shù)據(jù)字接收狀態(tài)（rcv_data）：接收RT發(fā)送的數(shù)據(jù)字，當所有數(shù)據(jù)字都接收完畢，這一輪的通信完成，進入空閑狀態(tài)，并觸發(fā)事件輪詢中斷；事件輪詢狀態(tài)（event_loop）：查詢消息隊列，取出優(yōu)先級最高的消息，發(fā)送對應的控制字，進入下一輪的通信，直到消息隊列為空，進入空閑狀態(tài)。

節(jié)點RT進程模型設計如圖5所示，包含3個強制狀態(tài)和3個非強制狀態(tài)。各個狀態(tài)的具體功能分別為：初始化狀態(tài)（init）：初始化相關的分段重組緩存區(qū)、狀態(tài)變量和全局變量；空閑狀態(tài)（idle）：當前沒有事件需要處理；處理時延狀態(tài)（proc_delay）：模擬遠程終端處理命令字所需要的響應時間；接收命令字狀態(tài)（command_rcv）：對收到的命令字進行合法性判斷，若不合法則回到空閑狀態(tài)，若合法則根據(jù)其T/R字段判斷進入數(shù)據(jù)接收還是發(fā)送狀態(tài)； 數(shù)據(jù)接收狀態(tài)（data_rcv）：接收BC發(fā)送的數(shù)據(jù)字，當所有數(shù)據(jù)字都接收完畢， 發(fā)送一個狀態(tài)字并回到空閑狀態(tài)； 數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)（data_send）：發(fā)送一個狀態(tài)字和若干數(shù)據(jù)字，發(fā)送完畢后，回到空閑狀態(tài)。當RT需要發(fā)送數(shù)據(jù)給BC時，則將狀態(tài)字上的服務請求字段（SERVICE REQUEST）置1，或在矢量字中相應的子地址字段置1，表明該子地址有消息需要發(fā)送。

圖4 節(jié)點BC的進程模型

圖5 節(jié)點RT的進程模型

3 仿真結(jié)果分析

利用設計好的仿真模型，設定運控、測控和星間鏈路的輸入條件，對衛(wèi)星系統(tǒng)進行了實時仿真。在實際系統(tǒng)模型中，一般都是假定消息的到達是服從泊松（Poisson）分布的[15]。衛(wèi)星系統(tǒng)外部接口信息速率如表2所示，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的間隔時間為指數(shù)分布（泊松過程）。

表2 衛(wèi)星系統(tǒng)外部接口信息速率

1553B總線仿真的基本參數(shù)為：星載計算機總線周期1 s，消息間隔50 μs，響應時間12 μs，誤碼率10-8?？偩€上各種消息的長度和周期如表3所示。

表3 總線上消息長度和周期

3.1 下總線周期

對于多級總線系統(tǒng)架構(gòu)，信息流從有效載荷A到高性能運算單元的平均時延與下總線的周期有關。經(jīng)過理論分析和仿真可知，下總線周期Tc為處理機工作周期Tp的約數(shù)時，平均時延最小。設定不同Tc（Tp=Tc），得出平均時延、總線負載與下總線周期Tc的關系如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可以看出，總線周期越小，總線負載越大，這是由于發(fā)送方式命令矢量字帶來的開銷越大引起的；而總線的周期越大，從有效載荷A到高性能運算單元的平均時延越大，這是由于傳輸過程中等待時延越大引起的。因此，在下總線周期的選取上，需綜合考慮平均時延和總線負載兩種因素權衡選取，在文中的設計場景下，下總線周期和任務處理機的工作周期選取100 ms比較合適。

3.2 兩種總線架構(gòu)比較

表4的仿真結(jié)果表明，當星間鏈路速率達到100 kbps時，系統(tǒng)架構(gòu)A已經(jīng)超過任務要求的60%最高負載限制。改進的系統(tǒng)架構(gòu)B采用上下兩條總線的結(jié)構(gòu)，下總線負責星間鏈路數(shù)據(jù)存儲與轉(zhuǎn)發(fā)，減輕了原本就很繁忙的上總線的負載壓力。

從圖8可以看出，改進的系統(tǒng)架構(gòu)B的平均時延比系統(tǒng)架構(gòu)A更小，從有效載荷A到高性能運算單元的平均時延從1.604降低到1.161，平均時延性能改善27.6%，并且能夠滿足任務提出的時延約束要求，最大包時延從 2.107降低到1.214，性能改善42.4%。從圖9可以看出，隨著星間鏈路速率的提升，系統(tǒng)架構(gòu)A的時延性能迅速惡化，而系統(tǒng)架構(gòu)B能始終保持較低時延，說明架構(gòu)B具有更強的適應性和擴展性，可應對星間鏈路速率的變化。

圖6 平均時延與總線周期的關系

圖7 總線負載與總線周期的關系

表4 衛(wèi)星系統(tǒng)的總線負載比較

圖8 兩種總線架構(gòu)的平均時延比較

圖9 星間鏈路速率與平均時延關系

4 結(jié)束語

文中結(jié)合實際工程，根據(jù)任務中的數(shù)據(jù)傳輸需求，優(yōu)化了星內(nèi)總線系統(tǒng)，并利用OPNET建模軟件進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明，本文提出的總線優(yōu)化方案是切實可行的，能夠滿足任務要求的平均時延和最大總線負載，并且系統(tǒng)具有更強的適應性和擴展性，可進一步指導工程方案的設計。

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Modeling and simulation of an improved bus architecture based on OPNET

WU Yue1，2，LIU Bin2，LI Guo-tong1，2
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology，Chinese Academy of Science，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Engineering Center for Micro-satellite，Shanghai 201203，China）

We proposedimproved bus architecture for a large number of satellite data transmission scenarios using route optimization method.Improved satellite system uses a multi-stage bus topology；two up and down 1553B bus connecting various subsystems on thesatellite and constitute the backbone network.The upperbus takes charge ofcollecting and processing highperformance，high-reliability satellite traffic data.The lower bus is responsible forstorage and retransmission of high real time and high speed inter-satellite link data.Payload subsystem uses full duplex RS-422 serial port communication subsystem thread.Based on OPNET simulation software，using hierarchical designideologywe constructed a satellite real time simulation platform.In this platform，we implementedsimulation of 1553B bus and RS-422 serial communication protocol using event loopoperation mechanism.The simulation results show that the improved bus architecturereduce average packet delay of 27.6% and decreasethe maximum packet delay of 42.4%compared to traditionalarchitecture.Moreover，the improved bus architecture hasstronger adaptability and expansibilityin case ofultra-high speedinter-satellite link.

satellite；1553B bus；simulation；OPNET

TN99

A

1674－6236（2016）23-0042-05

2015-12-08稿件編號：201512077

吳 悅（1992—），女，江蘇揚州人，碩士研究生。研究方向：衛(wèi)星導航技術。