吳廣洋

(中國(guó)科學(xué)院軟件研究所,北京 100190)

0 引言

在偏遠(yuǎn)地區(qū)、深海地區(qū)以及沙漠地區(qū),難以在以上區(qū)域鋪設(shè)地面通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨很多難題。通衛(wèi)星通信由于其覆蓋范圍廣,通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),可以形成覆蓋全球的通信網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái),科研院所對(duì)于寬帶衛(wèi)星通信應(yīng)用取得了一定的成果。寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信的服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸、視頻傳輸、語(yǔ)音傳輸?shù)?。本文首先介紹基于此標(biāo)準(zhǔn)的寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分別細(xì)致介紹各個(gè)分系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),為基于DVBRCS2標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提供建議。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆赏競(jìng)餍l(wèi)星、Hub/NCC主站、衛(wèi)星終端和網(wǎng)絡(luò)管理軟件組成[1-2],衛(wèi)星提供終端和主站之間的連接,也可以提供多波束連接。NCC主控站執(zhí)行控制終端接入過(guò)程和終端運(yùn)行監(jiān)控;小站(RCST)實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),終端包含星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、星網(wǎng)混合、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等多種組網(wǎng)方式[3];網(wǎng)絡(luò)管理(NMS)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)主控站和小站的初始化配置、鏈路配置、狀態(tài)監(jiān)控等功能。

2 NCC 主站軟件

2.1 主站軟件架構(gòu)

主站軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4],主要包括:接入控制模塊,資源分配模塊,回傳模塊(回傳接收模塊、Rle解析模塊、回傳信令處理模塊、回傳ACM模塊、回傳業(yè)務(wù)處理模塊和回傳業(yè)務(wù)發(fā)送模塊),前向模塊(前向業(yè)務(wù)接收模塊、前向業(yè)務(wù)處理模塊、前向數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、速率控制模塊和前向信令生成模塊),網(wǎng)管接口(管控接口實(shí)時(shí)配置數(shù)據(jù)接收模塊、管控接口網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)送模塊和管控接口網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)采集模塊),小站狀態(tài)監(jiān)控模塊和中斷處理模塊(周期性驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行)。

圖1 主站軟件架構(gòu)

2.2 軟件功能模塊

(1)管控接口模塊。

解析全局配置文件讀取衛(wèi)星配置信息,終端優(yōu)先級(jí)信息,ACM開關(guān)加密開關(guān)等;讀取小站配置文件,獲取基本配置信息;讀取資源配置文件,解析資源配置;解析前向鏈路配置,解析時(shí)隙配置。

(2)接入控制模塊。

該模塊負(fù)責(zé)控制小站進(jìn)入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),包括小站登錄認(rèn)證、小站粗同步、小站精確同步保持,小站下線和小站恢復(fù)上線控制。當(dāng)小站進(jìn)入精同步保持狀態(tài)后才可以進(jìn)行業(yè)務(wù)通信。輸入:回傳信令(通過(guò)回傳信令數(shù)據(jù)接收模塊傳入)和系統(tǒng)資源配置信息;對(duì)接收的回傳信令進(jìn)行解析(包括LB登錄信令解析和CB信令解析),生成前向應(yīng)答信令和前向廣播信令,解析CB信令,生成資源請(qǐng)求隊(duì)列。

(3)傳輸模塊。

該模塊包括以下子模塊:回傳數(shù)據(jù)處理,回傳業(yè)務(wù)處理,回傳業(yè)務(wù)發(fā)送,前向業(yè)務(wù)接收,前向業(yè)務(wù)處理,前向數(shù)據(jù)發(fā)送;交換時(shí)序:小站軟件--(回傳數(shù)據(jù))--》 回傳數(shù)據(jù)接收模塊 --(回傳業(yè)務(wù) RLE封裝)---》協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊(協(xié)議轉(zhuǎn)換)--(回傳IP數(shù)據(jù))------》萬(wàn)兆交換機(jī) ----前向IP數(shù)據(jù)--》業(yè)務(wù)接收模塊 -----IP數(shù)據(jù)-----》前向發(fā)送模塊(前向格式封裝)----前向業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)----》小站。

(4)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。

輸入回傳數(shù)據(jù),解析解調(diào)板外信息,解析RLE封裝,解析出信令傳遞給接入控制模塊,解析出業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的地地址,輸出回傳業(yè)務(wù)回傳信令。

(5)資源分配模塊。

本文前面提到的各小站回傳信令和業(yè)務(wù)都是占用帶寬資源的,各小站不是獨(dú)占某一通道的資源,要想傳信令和業(yè)務(wù)需先申請(qǐng)帶寬資源,這里主站需要采用MF-TDMA方式給各個(gè)小站分配回傳鏈路的資源。時(shí)隙按照申請(qǐng)包的大小分配,也可以按照申請(qǐng)的速度分配,根據(jù)業(yè)務(wù)的信噪比在調(diào)頻載波分配時(shí)隙。包括信令業(yè)務(wù)資源請(qǐng)求解析模塊、優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求隊(duì)列轉(zhuǎn)模塊、資源分配模塊、對(duì)資源池信息初始化、分配LB信令、注冊(cè)CB信令時(shí)隙、分配CB時(shí)隙和TBTP生成模塊,小站接收TBTP資源分配結(jié)果,攜帶的信息在分配的載波所在分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)射。

3 小站軟件

3.1 小站軟件架構(gòu)

小站終端接入衛(wèi)星通信NCC主站,接受主站的監(jiān)控管理,并完成業(yè)務(wù)傳輸;實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入、語(yǔ)音通話、文件傳輸和視頻會(huì)議等業(yè)務(wù),小站軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 小站軟件架構(gòu)

3.2 軟件功能模塊

(1)小站接入控制模塊。

上電后,小站啟動(dòng)下載網(wǎng)絡(luò)信息表,廣播信息和Mac地址表。小站根據(jù)廣播信息進(jìn)行前向鏈路和回傳鏈路校準(zhǔn),完成校準(zhǔn)之后,根據(jù)用戶ID,找到資源信息和幀配置結(jié)構(gòu),找到登錄時(shí)隙開始登錄過(guò)程,與網(wǎng)控設(shè)備進(jìn)行粗同步和精同步過(guò)程,同步完成后,小站登錄完成,與主站保持同步狀態(tài)。

(2)協(xié)議解析處理模塊。

接收網(wǎng)控的信令,對(duì)Timub 信令進(jìn)行解析,Timu信令解析,對(duì)廣播資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析包括超幀結(jié)構(gòu),幀結(jié)構(gòu),Bct解析,對(duì)資源分配結(jié)果Tbtp進(jìn)行解析,CB信令生成,CR信令產(chǎn)生。

(3)前向數(shù)據(jù)接收處理模塊。

獲取前向廣播數(shù)據(jù),對(duì)廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理,提取有效數(shù)據(jù),對(duì)信令數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,包括:Timu,Timub,Sct,Fct,Bct和Tbtp2,分別對(duì)信令進(jìn)行解析處理,根據(jù)小站狀態(tài)生成回傳信令放置到發(fā)送隊(duì)列;將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)用戶。

(4)回傳數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊。

輪詢epoll_event事件,獲取回傳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理,將處理后的數(shù)據(jù)包放入PDU發(fā)送隊(duì)列,進(jìn)行發(fā)送。

4 網(wǎng)管管理軟件

4.1 網(wǎng)管系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的主要目標(biāo)是通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的管理到達(dá)保障網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)高效的運(yùn)行目的。根據(jù)前面章節(jié)對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的分析和比較以及對(duì)系統(tǒng)的需求分析,本系統(tǒng)基于Web開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)功能的研究分析[5],網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理系統(tǒng)分為四大模塊:配置服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)處理服務(wù)模塊和管控Web平臺(tái)模塊。

(1)管控Web平臺(tái)層。

用戶通過(guò)管控Web平臺(tái)層對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置,并實(shí)時(shí)監(jiān)視衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)處理網(wǎng)絡(luò)故障,同時(shí)根據(jù)要求生成系統(tǒng)報(bào)表,支持拒阻管理高級(jí)任務(wù)。

(2)數(shù)據(jù)中心。

由關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)文件組成。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)層。

配置服務(wù)向管控Web平臺(tái)層提供業(yè)務(wù)調(diào)度執(zhí)行,數(shù)據(jù)輪詢采集,告警數(shù)據(jù)處理,Traps數(shù)據(jù)采集處理和Syslog數(shù)據(jù)采集處理。

(4)SNMP協(xié)議層。

SNMP協(xié)議層,為數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供支持?jǐn)?shù)據(jù)通信的SNMP應(yīng)用程序架構(gòu),及基于SNMP協(xié)議的通信開發(fā)平臺(tái)。

(5)網(wǎng)絡(luò)層。

支持接入以太網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

(6)代理層。

基于SNMP協(xié)議和管控系統(tǒng)MIB庫(kù)進(jìn)行AGENT開發(fā),形成相應(yīng)物理設(shè)備的代理,可實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)信息,發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),同時(shí)支持對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。

(7)物理層。

具體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括衛(wèi)星、終端、主控設(shè)備和路由器等。

4.2 軟件功能模塊

管控Web平臺(tái)模塊主要功能是提供用戶可視化配置和監(jiān)控界面,管控Web平臺(tái)模塊分為6個(gè)子模塊:平臺(tái)管理、節(jié)點(diǎn)管理、用戶管理、性能管理、資源管理和安全管理。

(1)平臺(tái)管理。

平臺(tái)管理主要針對(duì)低軌星座網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、全網(wǎng)設(shè)備、全網(wǎng)用戶視圖、全網(wǎng)業(yè)務(wù)視圖等進(jìn)行管理,為網(wǎng)絡(luò)管理員和指揮員提供最直觀的全網(wǎng)信息概覽。

(2)節(jié)點(diǎn)管理。

用于實(shí)時(shí)展示全網(wǎng)所有的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息。與此同時(shí),考慮到管理員的權(quán)限不同,本網(wǎng)管系統(tǒng)還設(shè)置了通過(guò)設(shè)置不同權(quán)限來(lái)分配不同級(jí)別的可訪問信息的粒度以及消息全面性。

(3)用戶管理。

用戶管理模塊中的全網(wǎng)用戶顯示列表和信息清單,以及全網(wǎng)用戶所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)用戶的清單。對(duì)于同一個(gè)用戶在不同時(shí)間段內(nèi)傳輸?shù)耐环N數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),本網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中認(rèn)為它們分屬不同的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù),因此在網(wǎng)絡(luò)中具有不同的業(yè)務(wù)ID與用戶ID。用戶需求分析包括需求采集、需求抽取、需求匯總、需求合理性分析、需求沖突分析、需求導(dǎo)入導(dǎo)出。

(4)性能管理。

低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)性能管理模塊包括實(shí)時(shí)性能、詳細(xì)性能和性能匯總功能,采用動(dòng)態(tài)表圖的方式來(lái)展示網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)資源、通信狀態(tài)、資源利用情況、實(shí)時(shí)帶寬、性能存儲(chǔ)、誤碼率、時(shí)延抖動(dòng)等性能指標(biāo)的動(dòng)態(tài)展示。

實(shí)時(shí)性能主要指星載平臺(tái)的實(shí)時(shí)計(jì)算資源使用狀態(tài)、星上存儲(chǔ)使用狀態(tài)、上/下行帶寬等。管理員能夠通過(guò)用戶友好的界面來(lái)直觀獲取網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,并對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行合理預(yù)測(cè)與分析。

而詳細(xì)性能模塊通過(guò)對(duì)大時(shí)間尺度內(nèi)的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行展示與分析,能夠?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行集成展示,更加有利于從全局層面判斷網(wǎng)絡(luò)性能的變化趨勢(shì)。

性能管理模塊顯示通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性能和歷史性能,主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能,包括實(shí)時(shí)帶寬、性能存儲(chǔ)、誤碼率、發(fā)包總數(shù)、收包總數(shù)、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)量、平均時(shí)延、平均吞吐量、平均時(shí)延抖動(dòng)和丟包率。性能管理模塊分為性能監(jiān)控任務(wù)管理模塊、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控模塊和衛(wèi)星性能監(jiān)控模塊。

(5)資源管理。

資源管理的主要目的是對(duì)離散分布的各類低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)資源進(jìn)行監(jiān)視、統(tǒng)一管控,為網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的傳輸提供可靠的支持。

(6)安全管理。

安全管理能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行權(quán)限設(shè)置,記錄用戶的基本信息。當(dāng)用戶終端接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)能夠?qū)尤朐O(shè)備的合法性和用戶權(quán)限進(jìn)行驗(yàn)證,能夠?qū)I(yè)務(wù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和管控。針對(duì)低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)中涉及的系統(tǒng)、載荷、網(wǎng)絡(luò)等告警信息進(jìn)行管理。

5 結(jié)語(yǔ)

文章詳細(xì)研究衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和DVB-RCS2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu),對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)通信的關(guān)鍵軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),包括網(wǎng)絡(luò)主站軟件、小站軟件和網(wǎng)管軟件,并詳細(xì)研究了各個(gè)軟件的架構(gòu)和功能,為通信系統(tǒng)研究提供了軟件設(shè)計(jì)參考。