衛通鏈路狀態自動化確認設計與實現

戴昱彤

(中國人民解放軍63819部隊，四川 宜賓 644000)

0 引言

衛星通信是地球上的通信站之間利用人造通信衛星作為中繼站而進行的一種通信方式。衛星通信地球站(簡稱衛通站)主要設備組成一般包括天線、高功率放大器(簡稱高功放)、上下變頻器、低噪聲放大器(LNA)、調制解調器(MODEM)、數據傳輸終端、監控單元、電源等設備。隨著衛通站設備集成度的提高，出現了不同的設備形態，而且還在不斷變化之中。按設備功能來定義衛通站的組成則具有普遍的適應性，衛通站的基本組成可分為以下幾種[1]：

1)天饋伺跟分系統(簡稱天線分系統)；

2)發射設備分系統(簡稱發射分系統)；

3)接收設備分系統(簡稱接收分系統)；

4)終端設備分系統(簡稱終端分系統)；

5)監控分系統(也稱衛通網管站、衛通監控系統)；

6)電源分系統。

通常，監控分系統(以下稱監控系統)實現對發射設備分系統、接收設備分系統、終端設備分系統的具體設備的狀態監視與參數設置，監控系統通過交換機與設備的監控接口連接。有的新型監控系統還實現了與上、下級的權限控制管理功能。監控系統將衛通設備監控信息進行收集、匯總和分析，對設備運行的狀態信息進行實時顯示,對產生的設備故障及時地進行告警或處理,以保證衛通系統可靠地運行[2-3]。

衛通信號頻譜中包含有設備參數以外的鏈路信息，例如相鄰信號間是否存在干擾、某衛通設備幅頻特性是否良好等。故在設備狀態確認環節，觀測信號頻譜是必要的。對衛通鏈路信號頻譜的監測亦是衛通鏈路監控的一個方向。直接通過頻譜來分析鏈路狀態亦被證明是可行的[4-6],且已有不少鏈路頻譜監控系統成品[7-12]。在不影響通信運行和信號傳輸的前提下，通過預先設置的指定信道，對衛星載波信號進行不間斷自動監測、處理、存儲監測結果。通過分析載波信號的載噪比、信號功率等參數，并根據設定的載噪比門限值實現異常情況的判斷和自動告警。

目前已有的衛通監控系統，還未對設備指標與信號頻譜進行綜合利用。整套設備的鏈路狀態確認需崗位人員借助監控系統的信息進行手動參數查看分析，通過設置頻譜儀參數進行頻譜觀測。設備告警時，對設備狀態信息的搜集程度還不夠深入、及時。而鏈路狀態確認是衛通崗位人員經常需進行的工作，若能將此過程實現自動化，將大大提升工作效率。

1 衛通站鏈路狀態確認現行方法及不足

1.1 衛通站設備基本組成

通信地球站負責數據通信的設備一般有天線、高功放、低噪聲放大器、變頻器、中頻單元、調制解調器等，如圖1所示。

圖1 典型地球站設備組成

由圖1可知，衛通設備可監測的設備數量、種類較多。每種設備的參數數量大。可監測信號頻譜的點亦較多。在鏈路狀態確認環節，崗位人員需查看多臺設備的多個參數以確認設備工作正常。查看關鍵節點的頻譜以確認信號狀態良好。對于只有一臺頻譜儀的衛通站，崗位人員通常將頻譜儀接連至關鍵節點，如中頻單元，觀察目標鏈路上、下行信號所占頻段頻譜，通過兩者頻譜形態大致判斷信號正常與否。若想觀察兩個以上監測點的信號頻譜，還需插拔線纜，不僅耗時費力，且頻繁插拔線纜也容易造成設備接口損耗。而在發生鏈路故障時，則必須更換頻譜觀測點以定位設備故障，整個故障排除過程由于重新插拔線纜、重新設置頻譜觀測參數，用時較長，通常在10 min以上。

1.2 鏈路狀態現行確認方法

當衛通鏈路開通時，崗位人員均需根據通知對設備參數進行設置。鏈路開通后，需根據鏈路指標對設備及鏈路狀態進行逐步確認。另外，還需要對關鍵節點的頻譜進行觀察，以確保系統幅頻響應正常、載波間無過多干擾等。實施流程大致如圖2所示。

從圖2分析可知，該流程存在以下待優化的方面：

1)確認過程效率較低。鏈路指標需人工比對，設備狀態需軟件查看，頻譜數據需實地設置觀察，整個過程需崗位人員實地手動進行花費時間較長，且以一定概率存在人為誤差。

圖2 鏈路狀態確認流程

2)對崗位人員能力要求較高。對頻譜儀的參數設置需要崗位人員對于頻譜儀的操作及信號波形特征(與數據頻點、帶寬和調制解調方式有關)非常熟悉。另一方面，在分析比特信噪比(Eb/N0)是否在合適區間時，只有經歷過多次的崗位人員才能做出判斷。因為針對不同的調制解調方式，要達到目標誤碼率，比特信噪比的下限要求是不同的，且差異較大。

3)存在重復工作。針對同一鏈路狀態的多次鏈路狀態確認，崗位人員均需要比對相同的參數，設置頻譜儀時，亦需要將相同的參數用于設置頻譜儀。

4)各類數據未精確存儲與充分利用——比特信噪比等關鍵參數目前只觀察其是否在合適范圍，實際可存儲并與類似鏈路狀態時的參數值相比較。

鏈路開通后，鏈路狀態確認是崗位人員經常要做的工作，目前的流程實施與當前自動化、操作少人化、遠程化的發展趨勢不相適應，需要借助更先進的方法來實現鏈路狀態確認。

2 狀態確認自動化設計

2.1 自動化確認的需求及難點

通過分析圖2可知，衛通鏈路狀態確認的自動化實現，需要獲取兩種信息：1)設備指標及狀態；2)信號的頻譜信息。

當前，衛通設備配備了監控軟件。配發的頻譜儀用于觀察某個節點的頻譜數據。設備的狀態與參數值可通過訪問監控軟件服務器獲得。為獲取相應節點頻譜，崗位人員需要將待測信號點連接到頻譜儀。為觀察到有效頻譜，在參數設置時還需結合本次鏈路的參數值(頻點、數據帶寬等)。設備的節點有多個，怎樣在無需插拔線纜及無需人員每次輸入參數值的情況下獲取某點頻譜，是整個自動化流程實現的難點。

2.2 系統組成

為實現鏈路狀態確認自動化，通過對獲取信息方式及所需信息的分析，整個系統組成及設備間的連接關系如圖3所示。

圖3 系統架構圖

狀態確認自動化軟件(簡稱自動化軟件)主機通過交換機與衛通監控系統連接，自動化軟件通過建立UDP連接通信獲取設備參數。頻譜選通電路(以下簡稱選通電路)為定制可編程電路。軟件向選通電路發送控制信號，以告知選通電路選通哪路信號進入頻譜儀。當頻譜儀接收到某監測點信號后，自動化軟件通過與頻譜儀的通信，告知頻譜儀顯示的中心頻點、帶寬等信息，最終將目標頻譜獲取至系統并顯示、存儲。

2.3 數據設計及獲取

2.3.1 鏈路參數的錄入

在鏈路參數比對、頻譜參數設置等環節，均需使用鏈路參數。所以在系統首頁面，實現對鏈路參數的錄入、修改與刪除。圖4為鏈路參數錄入頁面，修改頁面與此頁面相似。

圖4 鏈路參數錄入頁面實現

所有的鏈路參數將用于鏈路參數比對環節，上變頻頻率、中頻發送點頻、發數據速率、調制編碼方式將用于上行鏈路節點的頻譜設置；下變頻頻率、中頻接收點頻、收數據速率、解調譯碼方式將用于下行鏈路節點的頻譜設置。

2.3.2 需獲取的設備工作參數

梳理鏈路狀態的核心參數，形成需查詢獲得的衛通設備工作參數如表1所示。

由表1可知，無論上行鏈路還是下行鏈路，獲取的參數均涉及多臺設備。在實現自動化查詢時，需要發送多條查詢指令至監控軟件服務器。軟件實現時發現，服務器對外發送的指令種類較多，需要做好信息的篩選再解碼數據信息。

表1 參數查詢列表

2.3.3 鏈路節點頻譜數據獲取

為獲取信號頻譜信息，需要在設備與自動化軟件主機間加入控制電路，電路的主要功能是選通關注節點的頻譜至頻譜儀，再通過主機與頻譜儀的通信，獲得節點的頻譜信息。需獲取頻譜的節點有：高功放輸出端口；上、下變頻器的輸入輸出端口。上變頻器的輸入、輸出端口和高功放的輸出端口頻譜信息用于上行鏈路的狀態確認；下變頻器的輸入輸出端口信號頻譜用于下行鏈路的狀態確認。整個硬件電路連接關系及端口類型如圖5所示。

圖5 頻譜獲取硬件電路連接關系圖

控制主機通過串口與選通電路板相連，選通電路板將串口接收到的信號轉換成為選通開關的對應控制信號，選通某路信號輸出至與頻譜儀的連接線。至此，某路信號進入頻譜儀。主機通過USB口與頻譜儀的GPIB口連接，利用儀器編程方法，將已錄入系統的上行(或下行)鏈路參數用于頻譜儀顯示控制，確保目標信號在頻譜儀顯示中心。為得到更有用的數據，根據調制解調方式及數據帶寬選擇適宜的顯示帶寬，最后將頻譜數據取至主機。

從頻譜獲取機理可知，頻譜獲取自動化后，主機根據流程運行需要可自動選擇某路信號進入頻譜儀，無需線纜插拔。頻譜信號的顯示設置無需人工輸入，僅利用已存入的鏈路信息即可實現某路頻譜的顯示設置。頻譜數字化獲取進入系統后，計算頻譜參數(如3 dB帶寬)成為可能，且可存儲，為進一步的頻譜信息數據挖掘與應用提供了途徑。

圖6 鏈路狀態確認流程

2.4 流程設計

目前，針對單條開通鏈路的狀態確認流程有兩項：1)上行鏈路狀態確認流程；2)下行鏈路狀態確認流程。

詳細流程設計如圖6所示。

圖6中，鏈路狀態確認流程中，首先由主機向監控軟件發送查詢請求，獲取當前設備上行(或下行)鏈路參數值，將之與要求的鏈路參數相比較，判斷是否一致；然后，獲取某些表征設備工作狀態的關鍵參數(載波發送、發送載波電平、收載波電平值)；最后，依次獲取中頻或射頻節點的頻譜數據，用以顯示頻譜及自動計算相關參數。整個流程由軟件自動完成。

鏈路狀態確認流程運行完成后，崗位人員可以僅從一個軟件頁面獲取所有鏈路狀態確認所需信息。參數比對的結果有明顯的標識顯示某步驟比對是否成功。頻譜為直接獲取并顯示。整個流程進行的結果頁面可以以圖片形式保存，方便事后查閱。

2.5 軟件架構設計

衛通設備操作人員類型單一，簡化訪問控制等環節，針對鏈路狀態確認自動化這一單一功能，該功能實現架構如圖7所示。

圖7 狀態確認自動化軟件架構

針對兩個不同的鏈路狀態確認流程，需要3個功能模塊：1)查詢鏈路參數。一套鏈路參數由鏈路狀態建立之初，崗位人員輸入數據庫。鏈路狀態不變，這個參數就無需重復輸入；2)查詢設備參數。由軟件與監控系統服務器通信獲得；3)獲取設備頻譜。由軟件協同控制選通電路與頻譜儀獲得。流程根據需要調用這3個功能模塊。

3 實現結果與分析

根據軟件架構設計所選取的實現方式，用Qt編寫實現了狀態確認自動化軟件。圖8為上行鏈路狀態確認自動化實現頁面，下行鏈路實現界面類似，流程內容有所差異。

圖8 上行鏈路狀態確認自動化實現頁面

狀態確認流程自動化實現以后，可“一鍵式”實現上行(或下行)鏈路的狀態確認。自動獲取相應設備參數與鏈路參數進行比對，比對結果圖形化顯示。多個關鍵節點頻譜依次自動獲取，其間系統自動調用鏈路參數設置頻譜到達適宜觀測位置。設備參數比對與頻譜信息集中展示于一個頁面。自動化確認方法與實現前鏈路狀態確認流程相比較，在耗費時間、準確性等方面的差異如表2所示。

較之自動化以前的鏈路狀態確認流程，自動化流程確認實現后，具有以下優點：

1)在確認效率、準確率方面，大大縮短了狀態確認使用的時間，提高了比對準確性。以往鏈路狀態確認時，大量重復工作——如參數比對、頻譜儀設置——由于系統自動讀取已存鏈路參數進行自動化實施而消失。

表2 不同狀態確認方式的差異

2)在對崗位人員的能力依賴有所減弱。在頻譜儀的參數設置、鏈路參數的比對上，只需一次輸入鏈路參數，即可多次、準確地進行設置、比對。

3)更換頻譜觀測點無需插拔線纜、降低了設備接口損耗。

4)新增了針對設備參數、頻譜數據的精確存儲，為進一步的數據挖掘與運用打好了基礎。由于數據是針對鏈路狀態進行的分類存儲，存儲的數據對崗位人員的知識學習亦有很大幫助。

依托于鏈路狀態確認流程自動化的實現，還實現了故障鏈路狀態自動化保存。在系統中，實現了定時向集中監控服務器發送告警查詢指令，一旦查詢到鏈路從正常狀態轉為“發送告警”(或“接收告警”)，軟件自動啟動上行(或下行)鏈路狀態確認流程，并將整個流程的進行過程及比對結果保存至數據庫。待崗位人員上崗時，可對不在崗期間的故障鏈路狀態進行確認，根據和同樣鏈路狀態的正常確認流程結果相比對，便于找到產生故障的節點及原因。

4 結束語

鏈路狀態確認是衛通崗位人員經常進行的一項工作。鏈路狀態確認流程自動化實現后，該過程更加快捷、準確，且大幅降低了對崗位人員的知識依賴，該方法亦便于實現遠程化狀態確認，是與目前少人化、無人化操作相適應的；另一方面，對于設備參數、頻譜數據的分類存儲亦有助于進一步的數據挖掘，有助于提升人員的崗位知識水平。

對于同時開通多條鏈路的衛通站，由于多條鏈路可共用射頻設備，同樣適用此方法。在軟件實現時，整合參數獲取與比對等環節，仍然可以大幅提升工作效率。另外，在經費允許情況下，可由單塊頻譜采集卡專門負責一個節點的實現方法，可降低頻譜獲取時間，從而進一步縮短整個流程的完成時間。