萇敬輝，劉愛(ài)軍，董超穎，邱文靜，高志祥

（1.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引 言

衛(wèi)星通信中心站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的一類核心站型，既是負(fù)責(zé)網(wǎng)系管理的網(wǎng)控站，也是提供地面網(wǎng)絡(luò)接入功能的網(wǎng)關(guān)站。相較于其他終端站型，它具有更強(qiáng)大的組網(wǎng)能力、更完備的裝備體系、更豐富的設(shè)備資源，同時(shí)擔(dān)負(fù)頻譜監(jiān)測(cè)、資源分配、入網(wǎng)測(cè)試以及培訓(xùn)指導(dǎo)等多種業(yè)務(wù)職能。

中心站系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性是衡量中心站性能的重要功能指標(biāo)之一，是影響整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)正常運(yùn)作與所屬用戶通信體驗(yàn)的關(guān)鍵因素。隨著任務(wù)保障的不斷增多、職能地位的不斷加重，如何保證中心站系統(tǒng)架構(gòu)具有較高的可靠性已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。

1 衛(wèi)星通信中心站現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)的基本情況

為實(shí)現(xiàn)較高的集成度和綜合化的業(yè)務(wù)能力，目前大部分的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器廠家都會(huì)采用高集成度、一體化獨(dú)立機(jī)箱的設(shè)計(jì)，將調(diào)制解調(diào)、編譯碼、業(yè)務(wù)接口以及加解密等功能模塊進(jìn)行集中放置。這種調(diào)制解調(diào)器具有較強(qiáng)的綜合業(yè)務(wù)能力和較高的通用性，接入相應(yīng)的射頻設(shè)備即可適用于固定站、車載站、艦載站以及機(jī)載站等多種搭載平臺(tái)。

目前，衛(wèi)星中心站也多采用這種一體化機(jī)箱式的調(diào)制解調(diào)器，在設(shè)備建設(shè)安裝、研發(fā)定型等方面獲得便利的同時(shí)，使得站內(nèi)的各射頻天線、調(diào)制解調(diào)器以及業(yè)務(wù)終端等功能模塊之間存在較為固定的連接關(guān)系與較強(qiáng)的耦合性，通常需要通過(guò)特定的線纜連接與參數(shù)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)站內(nèi)各通信鏈路的功能設(shè)定與模式規(guī)劃，進(jìn)而使中心站形成了一種“煙囪”式的系統(tǒng)架構(gòu)[1]，如圖1所示。這種“煙囪”式的系統(tǒng)架構(gòu)不僅不利于站內(nèi)設(shè)備資源的高效利用，還會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性造成較大影響。

圖1 衛(wèi)星通信中心現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)存在的問(wèn)題

在中心站現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)下的調(diào)制解調(diào)器機(jī)箱，通常具有著高度集成化和相互獨(dú)立的特點(diǎn)，其內(nèi)部的各組成元器件均處于固定連接與高度集成的狀態(tài)，可能會(huì)對(duì)中心站系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性帶來(lái)不良影響。

（1）調(diào)制解調(diào)器各功能模塊的串聯(lián)關(guān)系增大了故障概率。現(xiàn)有的調(diào)制解調(diào)器機(jī)箱內(nèi)部高度集成了眾多的功能模塊與業(yè)務(wù)接口，使得大部分功能模塊、接口均處于串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。在這種串聯(lián)的結(jié)構(gòu)下，任何一個(gè)單點(diǎn)故障都將可能造成中心站內(nèi)整個(gè)機(jī)箱、整條通信鏈路的失效。

（2）調(diào)制解調(diào)器各功能模塊缺少冗余各份機(jī)制。在冗余備份方面，調(diào)制解調(diào)器機(jī)箱內(nèi)部的各模塊間不存在備份接替的功能與機(jī)制，只能通過(guò)增加整備份機(jī)箱、特定切換開(kāi)關(guān)的方式來(lái)提高中心站的系統(tǒng)可靠性。這種方式需要中心站對(duì)各個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)、各類型號(hào)的調(diào)制解調(diào)器都購(gòu)置安裝一定數(shù)量的備份設(shè)備，不僅無(wú)法對(duì)故障率較高的功能模塊進(jìn)行針對(duì)性的備份，還大大增加了備份成本，占用了更多的機(jī)柜空間。

（3）調(diào)制解調(diào)器各功能模塊的高集成度不利于設(shè)備故障維修。當(dāng)調(diào)解調(diào)器遇到故障時(shí)，其機(jī)箱內(nèi)部眾多功能模塊與業(yè)務(wù)接口的高度集成狀態(tài)將十分不利于維護(hù)人員對(duì)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位判斷，也無(wú)法自主地進(jìn)行排查或更換故障硬件模塊。當(dāng)調(diào)制解調(diào)器出現(xiàn)故障告警時(shí)，中心站通常只能將整個(gè)機(jī)箱送廠維修。這不僅使得故障設(shè)備的維修流程變得復(fù)雜、維修周期冗長(zhǎng)，也使得廠家的售后負(fù)擔(dān)不斷加重，維修效率降低。按照一般經(jīng)驗(yàn)，從辦理手續(xù)、送修至廠家寄回，一般需要2周左右的時(shí)間。而對(duì)于國(guó)外設(shè)備，以現(xiàn)用的ComtechEFData、休斯公司調(diào)制解調(diào)器為參考，如遇到國(guó)內(nèi)無(wú)可換的元器件，維修耗時(shí)可能會(huì)多達(dá)1個(gè)月甚至以上。

2 采用資源池化的系統(tǒng)架構(gòu)方案

在中心站的現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)下，雖然不同網(wǎng)系、不同廠家的調(diào)制解調(diào)器在具體的功能與用途方面各有差異，但其機(jī)箱內(nèi)部的功能模塊基本相同。按照通信功能，可以將調(diào)制解調(diào)器內(nèi)的功能模塊劃分?jǐn)?shù)字化處理、信號(hào)處理和業(yè)務(wù)接口3個(gè)部分。其中，數(shù)字化處理部分主要用于中頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換與頻譜搬移；信號(hào)處理部分主要用于對(duì)數(shù)字信號(hào)的星座映射、接收判決、信道編譯碼以及信息加解密；業(yè)務(wù)接口部分則主要用于提供特定線纜接口與信源編譯碼，以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)與信源信宿之間的A/D和D/A變換。另外，機(jī)箱內(nèi)部各功能模塊的硬件平臺(tái)也具有較強(qiáng)的通用性，基本由FPGA、DSP等可編程邏輯器件來(lái)具體承載，并可通過(guò)加載不同的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制解調(diào)、編譯碼方式的動(dòng)態(tài)切換與參數(shù)變更。

基于衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器功能組成的相似性與硬件平臺(tái)的通用性，可以將其數(shù)字化處理、信號(hào)處理以及業(yè)務(wù)接口等具有相同用途和功能的硬件單元進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化處理，以組成可以共用的“資源池”系統(tǒng)，從而為中心站構(gòu)建出一種基于資源池化的系統(tǒng)架構(gòu)[2]（如圖2所示），降低設(shè)備間的耦合性，增強(qiáng)設(shè)備使用的靈活性。這種基于設(shè)備資源池化的中心站架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：解除了原有調(diào)制解調(diào)器機(jī)箱內(nèi)數(shù)字化處理、信號(hào)處理、業(yè)務(wù)接口等器件之間的綁定關(guān)系，能夠根據(jù)任務(wù)的需求實(shí)時(shí)對(duì)各類資源池內(nèi)的設(shè)備資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配、靈活調(diào)度、即時(shí)釋放；通過(guò)加載不同預(yù)存程序的方式，可以完成硬件平臺(tái)多種通信功能之間的切換，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的共享共用，為維修替換與擴(kuò)容升級(jí)提供便利；相應(yīng)的資源監(jiān)控系統(tǒng)還將能夠?qū)Τ貎?nèi)資源進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估、故障檢測(cè)、備份切換與自動(dòng)休眠，保證各資源池工作運(yùn)行的高效穩(wěn)定。

3 兩種系統(tǒng)架構(gòu)可靠性的對(duì)比分析

3.1 可靠性分析模型

旁聯(lián)系統(tǒng)模型是在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛的一種可靠性模型，多用于武器、航天等可靠性需求較高的系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)通常由n個(gè)元件、1個(gè)故障檢測(cè)與切換裝置組成（如圖3所示），其中1個(gè)為主用元件，n-1個(gè)為備用元件。當(dāng)主用元件發(fā)生故障時(shí)，故障檢測(cè)與切換裝置即可實(shí)現(xiàn)主備元件之間的動(dòng)態(tài)替換，且只有當(dāng)n個(gè)單元同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，整系統(tǒng)才會(huì)失效。

旁聯(lián)系統(tǒng)一般可分為冷備份、熱備份和溫備份3種方式。其中，在冷備份方式下，系統(tǒng)的備份元件將處于非工作狀態(tài)，即失效率為0；在熱備份方式下，系統(tǒng)的備份元件處于工作狀態(tài)，即失效率與主用元件的失效率相同；在溫備份方式下，系統(tǒng)的備份單元處于半工作狀態(tài)，即失效率非0但小于主用元件的失效率。另外，可以按照備份元件的失效率是否為0作為標(biāo)準(zhǔn)，將冷備份方式稱為理想的旁聯(lián)系統(tǒng)，將熱備份方式和溫備份方式稱為非理想的旁聯(lián)系統(tǒng)。假設(shè)一個(gè)旁聯(lián)系統(tǒng)中存在n個(gè)元件，每個(gè)元件的可靠性為R(t)=e-λt，則理想旁聯(lián)系統(tǒng)與非理想旁R聯(lián)系統(tǒng)的計(jì)算公式為：

圖2 基于資源池化技術(shù)的中心站系統(tǒng)架構(gòu)

其中λ為主用元件的故障率，λd為備用元件的故障率[4]。

圖3 旁聯(lián)系統(tǒng)模型

3.2 典型應(yīng)用場(chǎng)景下的可靠性對(duì)比分析

下面將應(yīng)用旁聯(lián)系統(tǒng)的模型，按照1:1備份、1:n備份兩種典型的使用模式，分別對(duì)這兩種系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1 調(diào)制解調(diào)器1:1備份使用下的可靠性分析

（1）應(yīng)用場(chǎng)景

針對(duì)遠(yuǎn)洋船只、駐外機(jī)構(gòu)等保障等級(jí)高、數(shù)量少的用戶，中心站通常會(huì)綜合配置成本與利用效率，為其所使用的調(diào)制解調(diào)器設(shè)備采用1:1的備份方案，即為其通信鏈路提供主備兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行服務(wù)保障，以具備較高的可靠性與穩(wěn)定性。

（2）可靠性模型

在1:1備份模式下，可以對(duì)兩種系統(tǒng)架構(gòu)建立相應(yīng)的可靠性模型（如圖4所示），并按照理想旁聯(lián)與非理想旁聯(lián)、原有架構(gòu)與池化架構(gòu)4種情況進(jìn)行討論。

①在原有系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建理想旁聯(lián)系統(tǒng)

假設(shè)原有系統(tǒng)架構(gòu)中調(diào)制解調(diào)器內(nèi)的數(shù)字化處理模塊、信號(hào)處理模塊、接口模塊的故障率分別為λ1、λ2、λ3。為便于仿真分析，假設(shè)中頻模塊、基帶處理模塊、接口模塊的故障相同，均為λ（λd為非理想狀態(tài)下備份設(shè)備待機(jī)時(shí)的故障率），從而可得理想旁聯(lián)系統(tǒng)下中心站原有系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性模型：

圖4 兩種系統(tǒng)架構(gòu)在1:1備份方案下的可靠性模型

②在池化系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建理想旁聯(lián)系統(tǒng)，同上，可得：

③在原有系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建非理想旁聯(lián)系統(tǒng)：

④在池化系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建理想旁聯(lián)系統(tǒng)：

（3）仿真分析

目前，中心站大部分調(diào)制解調(diào)器設(shè)備設(shè)計(jì)的最大壽命為15年。在沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累的情況下，計(jì)劃將各元件的平均故障時(shí)間等效為最大壽命時(shí)間，即可得平均故障率為7 600 Fit。對(duì)于備份元件，其故障率在未知的情況下，可設(shè)為主用元件工作時(shí)故障率的10%[4]，即λd=760 Fit?；谏鲜鰠?shù)，可在理想（冷備份）、非理想（溫備份、熱備份）的旁聯(lián)模型下，得到如圖5所示的對(duì)比結(jié)果及其相關(guān)結(jié)論。

①隨著工作時(shí)間的推移，各類系統(tǒng)的可靠性均逐漸下降，符合設(shè)備可靠性隨工作時(shí)間的變化規(guī)律；

②不管是池化架構(gòu)與原有架構(gòu)，還是理想與非理想狀態(tài)，1:1旁聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)可靠性均高于單個(gè)機(jī)箱設(shè)備的可靠性，可提升系統(tǒng)的可靠；

③理想的旁聯(lián)系統(tǒng)可靠性高于非理想旁聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。這主要是由于理想旁聯(lián)屬于冷備份模式，即備份設(shè)備的故障率通常會(huì)默認(rèn)為0。但是，實(shí)際應(yīng)用中，冷備份設(shè)備需要切換至工作狀態(tài)后才可完成主備設(shè)備的接替功能，其時(shí)效性相對(duì)較低；

④從圖5中可看出，理想與非理想旁聯(lián)模型下，池化架構(gòu)的可靠性均高于原有的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖5 在1:1備份方案下的可靠性仿真結(jié)果

3.2.2 調(diào)制解調(diào)器1:n備份使用下的可靠性分析

（1）應(yīng)用場(chǎng)景

該場(chǎng)景主要針對(duì)用戶與中心站間業(yè)務(wù)試線、地面網(wǎng)接入、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收等臨時(shí)性通信任務(wù)，即中心站空閑的調(diào)制解調(diào)器設(shè)備都可為用戶提供服務(wù)。相當(dāng)于除了1路主用傳輸線路外，中心站剩余的n條線路均可作為備份使用。

（2）可靠性模型

在1:n備份模式下，可以對(duì)新舊兩種系統(tǒng)架構(gòu)建立相應(yīng)的可靠性模型（如圖6所示），并按照理想旁聯(lián)與非理想旁聯(lián)、原有架構(gòu)與池化架構(gòu)4種情況進(jìn)行討論。

①在原有系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建理想旁聯(lián)系統(tǒng)：

②在池化系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建理想旁聯(lián)系統(tǒng)：

③在原有系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建非理想旁聯(lián)系統(tǒng)：

④在池化系統(tǒng)架構(gòu)下構(gòu)建理想旁聯(lián)系統(tǒng)：

（3）仿真分析

同樣，將各元件的平均故障率設(shè)為7 600 Fit，備份元件故障率設(shè)為760 Fit。假設(shè)設(shè)備已運(yùn)行了7.5年（最大壽命的一半），可得到如圖7所示的仿真結(jié)果及其相關(guān)結(jié)論。

圖6 兩種系統(tǒng)架構(gòu)在1:N備份方案下的可靠性模型

圖7 在1:N備份方案下的可靠性仿真結(jié)果

①隨著備份設(shè)備數(shù)量的增多，各類系統(tǒng)的可靠性均逐漸上升，但可靠性的增長(zhǎng)速率在逐漸減少。尤其是備份設(shè)備數(shù)量達(dá)到7個(gè)以上時(shí)，不論何種備份方式均無(wú)法進(jìn)一步提升可靠性。所以，備份設(shè)備所需配置的數(shù)量不是越多越好，應(yīng)結(jié)合可靠性與經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮；

②與1:1備份相同，理想的旁聯(lián)系統(tǒng)可靠性高于非理想旁聯(lián)系統(tǒng)的可靠性；

③通過(guò)圖7可以看出，在備份設(shè)備數(shù)量相同的條件下，池化系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性均高于原有的系統(tǒng)架構(gòu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

資源池化技術(shù)是降低設(shè)備間耦合性、增強(qiáng)使用靈活性的一種有效手段，目前已廣泛應(yīng)用于C-RAN和中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)（The Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）架構(gòu)[5-6]，是中心站在后續(xù)建設(shè)改造中可以借鑒參考的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要針對(duì)中心站現(xiàn)存的主要問(wèn)題，介紹了一種基于資源池化的系統(tǒng)架構(gòu)，并且參考旁聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)新舊兩種架構(gòu)的可靠性進(jìn)行對(duì)比分析。從對(duì)比結(jié)果可以看出，資源池化的系統(tǒng)架構(gòu)在提高設(shè)備資源使用效率和靈活程度的同時(shí)，能夠?yàn)橹行恼咎峁└晟频娜哂鄠浞菽Ｊ胶透叩目煽啃浴?/p>