基于FSM技術的地球站網控設計與實現

許星辰，張迎春，郭 巍

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

0 引言

在通信衛星的轉發器資源（主要是帶寬資源和功率資源）一定的情況下，衛星通信系統一般通過DAMA技術來提高衛星轉發器資源的利用率。在DAMA方式下，整個衛星轉發器的資源統一由中央站的衛星網控中心（NCC）管理。地球站開機后要先在網控中心入網登記，通信時，需要向網控中心提出資源申請，然后才能使用網控中心分配的轉發器資源;通信完畢后將轉發器資源釋放，交回網控中心控制。使用DAMA技術可以有效地提高衛星轉發器的利用率，同時要求每個地球站必須具備適應DAMA體制的網控功能，使之和網控中心一起完成整個衛通系統資源的統一管理和控制。地球站網控（NCU）是地球站在DAMA衛通系統入網工作的關鍵，利用有限狀態機（FSM）技術和模塊化設計技術可以有效地提高目標系統的可靠性。

1 網控工作過程

典型的DAMA體制衛通網絡系統呈網狀網結構，系統配置專用的網控信道用于網控中心和地球站之間網絡信令的傳輸，實現衛星資源分配，網控信道為星狀網。網控中心到地球站的信息通過時分復用信道廣播，一般配置主、備各一路;地球站到網控中心的信息采用競爭申請（Aloha）信道發送。Aloha發送可能發生碰撞，導致通信失敗，可以采取增加重發次數和Aloha信道的數量來減少碰撞概率，提高發送成功率。典型的DAMA體制網絡拓撲結構和通信流程如圖1所示。

在DAMA方式下，地球站開機后，首先接收NCC廣播的網絡通告信令。信令中包括主、備TDM信道參數信息、Aloha信道參數等信息。NCU根據網絡通告信令中的Aloha信道上報本站的身份和業務類型等信息，登記身份并申請入網。

以電話業務為例，入網成功的地球站，當用戶撥號呼叫另一個地球站時，NCU發起資源申請，并根據網控中心分配的業務信道資源控制地球站信道設備，使其能和遠端站通信。用戶掛機后，NCU報告釋放資源并控制地球站信道設備。

圖1 DAMA衛通網絡拓撲結構和通信流程圖

對于地球站NCU來說，必須保證具有以下基本能力:

①網控信令的生成和解析能力;

②入網和網絡維護控制能力;

③DAMA方式資源申請、釋放能力;

④對地球站信道設備的參數保存、恢復及實時監控能力。

作為地球站在DAMA衛通系統工作的重要部分，NCU運行的可靠性和穩定性是其可靠工作的基礎。如果地球站NCU出錯，輕則導致該站無法參與通信，嚴重時可能通過網控信道影響到整個衛通系統的正常運行。例如，由于軟件的設計缺陷，在一定條件下，某站的NCU不停地通過aloha信道向NCC發送信號，這會導致aloha沖突概率增大，降低全網資源的利用率。因此，如何提高NCU軟件的可靠性和穩定性就成為設計工作關注的關鍵所在。

2 系統設計方案

2.1 硬件設計

NCU的主要特征表現為對外通信接口較多但通信量不大、控制復雜;因此采用以中央處理器（CPU）為核心，通過大規模可編程邏輯器件（FPGA）擴展出多個通信端口，組成一個性能強大、高度集成、適應性好的嵌入式系統。主要利用FPGA實現高速數據通信，利用CPU實現靈活控制。

NCU采用了模塊化設計的理念進行設計。所謂模塊化設計，就是將具有特定功能的部分作為一個模塊，通過組合調用這些功能模塊來組成總的系統。模塊化設計有利于縮短開發周期，降低系統的復雜度。特別是軟件采用模塊化結構開發，可簡化編程過程，降低調試難度，提高目標系統的可靠性。

NCU的組成如圖2所示，CPU選用高性能的C8051F023單片機，FPGA器件選用XILINX公司的XC3S4000芯片，采用Verilog硬件描述語言設計FPGA軟件。FLASH采用ATMEL24C16器件，用于掉電保存系統參數。

圖2 NCU組成框圖

NCU對外通信接口綜述如下:

①網控信道數據接口:同步數據接口，支持HDLC協議，RS422電平，速率可變，最大速率128 kbps，數量1個;

②網控信道監控接口:異步數據接口，速率可變，最大速率115200bps，可提供RS232電平接口2個，RS485接口2個;

③業務信道監控接口:異步數據接口，速率可變，最大速率115200bps，可提供RS232電平接口2個，RS485接口2個。

FPGA用來擴展所需的外部通信接口，通過總線共擴展了1個支持HDLC協議的同步串口和8個標準的異步串行口。通信接口由多個具有特定功能的模塊構成，包括總線控制模塊、波特率發生器模塊、數據緩存模塊、同步檢測模塊、同步接收模塊、同步發送模塊、異步接收模塊以及異步發送模塊等。

2.2 軟件設計

同硬件和FPGA設計一樣，軟件采用模塊化設計方法進行規劃，系統的軟件體系結構如圖3所示。系統初始化完成后，開始執行主控模塊，主控模塊通過調用各個接口處理模塊，共同完成NCU的任務。

各個功能模塊描述如下:

圖3 NCU軟件體系結構

①系統初始化模塊:完成系統參數的讀取，重要變量的賦初值，各個端口參數的配置等工作;

②主控模塊:是軟件的核心部分。維護NCU的工作狀態，接收各接口處理模塊上報的事件，做出正確的處理動作并發送到相應的接口處理模塊執行。

③網控接口處理模塊:用于網控信道網控信令的處理和發送;

④設備監控接口處理模塊:用于站內衛通設備實時監控數據的處理和發送;

此外，每個接口處理模塊采用分層結構，從低到高依次為端口驅動程序、數據收發模塊和命令處理模塊。端口驅動程序用于字節收發;數據收發模塊用于幀結構處理;命令處理模塊處理協議數據的有效內容。

3 實現與測試

3.1 基于FSM技術的軟件實現

為了增加軟件系統的可靠性，在FPGA功能模塊和軟件功能模塊的實現中，使用了大量的基于FSM技術的程序架構。

FSM是一種重要的形式化技術，經常在軟件設計中采用。FSM就是描述一個由有限個獨立狀態組成的過程，這些狀態可以互相轉移。FSM可以用3個要素來表示:狀態、事件、動作。在任意時刻機器只能處于給定數目狀態中的一個。當某一時刻機器接收到一個輸入事件時，狀態機做出動作，同時也可能伴隨著狀態的轉移。狀態的轉移和動作不僅與輸入事件有關，而且與機器的前一狀態有關。采用有限狀態機可以降低系統的復雜性，簡化軟件結構，提升軟件的質量和可靠性。

NCU中利用FSM實現的重要功能模塊包括同步串口接收/發送模塊、同步檢測模塊、波特率發生器模塊、異步串口接收/發送模塊以及主控模塊，網控數據收發模塊以及監控數據收發模塊等。

3.2 主控模塊的實現

FSM實現的主要分為2步，首先要準確地輸出目標系統的狀態轉移圖，然后把狀態轉移圖轉化為代碼實現。

FSM是靠事件的觸發來進行狀態變化的，即“事件驅動、狀態轉移”。通常用狀態轉移圖來表示FSM，用閉合節點代表狀態，節點之間使用有向線表示狀態轉移情況，有向線上標明觸發該轉移的事件和相應動作。事件驅動的狀態機具有良好的開放性，可以很方便地增加新的狀態。

圖4即為簡化的NCU軟件主控模塊的狀態轉移圖，實際情況要比這復雜的多。主控模塊FSM共分為4個狀態。初始化完成后，進入“搜索通告信令狀態”，此狀態下收到通告幀即申請入網，進入“入網狀態”。“入網狀態”要處理NCC的查詢事件以維護網絡，長時間丟失通告信令還會轉移到“搜索通告信令狀態”;當用戶呼叫事件發生時，向NCC發起資源申請后進入“等待分配狀態”。該狀態下超時后會重發申請，申請失敗和申請被拒絕事件都會導致轉移到“入網狀態”;如果資源申請成功，則通知業務系統開始通信，進入“等待通信結束狀態”。在“等待通信結束狀態”下，如果發生通信結束事件，則釋放資源，轉移到“入網狀態”。

圖4 主控模塊狀態轉移圖

根據目標系統FSM的狀態轉移圖，使用Verilog硬件描述語言（FPGA設計）或者C語言（CPU軟件設計），可以很方便地采用Switch…Case語句實現該FSM功能。

3.3 可靠性測試

著名的軟件可靠性非齊次Possion過程（NHPP）模型是軟件可靠性建模研究發展歷程的一個里程碑，被證明有著很多優良的性能。這類模型假設在測試過程中軟件的累計故障數{N（t），t≥0}服從NHPP分布，表示累計故障數的均值函數m（t）=E（N（t）），軟件可靠性在（t，t+x）時間段內的定義為:

軟件可靠性模型和評估方法應該考慮測試覆蓋這一重要因素，并考慮測試過程中測試剖面是否發生變化。在對RCU軟件進行可靠性測試過程中，針對上述兩方面問題，建立一個基于測試覆蓋的軟件可靠性增長模型，并根據測試過程修正測試剖面，將其分為階段A和階段B。

階段A執行438個測試用例，共發生5次軟件失效，累積故障數8個。此后對測試剖面進行了修正，進入階段B，又進行了320次測試，共發生3次失效，累積故障數5個。PhaseB測試結束后測試覆蓋率達到96.73%。將時刻=438視為變點，分析這組測試數據，并應用最小二乘法估計參數值，計算得到軟件可靠性估計:R（x|t）=0.9805。

4 結束語

該NCU系統設計在提高可靠性上采取了多種技術手段。首先采用高集成度硬件方案簡化電路，增加了硬件可靠性;其次通過軟件模塊化設計，簡化軟件體系，易于測試與修改，提高軟件可靠性;在軟件功能模塊的具體實現上，大量應用有限狀態機的架構設計，使其結構簡單、邏輯清晰，進一步提高軟件可靠性。目前，基于該設計的NCU已經在不同多址方式的SCPC/DAMA、CDMA/DAMA衛通系統中應用，運行穩定可靠，通用性好，易于移植。經工程使用驗證，實現了設計目標。

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