基于DVB-RCS2標準的衛星通信系統軟件設計

吳廣洋

(中國科學院軟件研究所,北京 100190)

0 引言

在偏遠地區、深海地區以及沙漠地區,難以在以上區域鋪設地面通信網絡,網絡覆蓋面臨很多難題。通衛星通信由于其覆蓋范圍廣,通過衛星網絡,可以形成覆蓋全球的通信網絡。近年來,科研院所對于寬帶衛星通信應用取得了一定的成果。寬帶衛星移動通信的服務實現數據信息傳輸、視頻傳輸、語音傳輸等。本文首先介紹基于此標準的寬帶衛星移動通信系統結構,分別細致介紹各個分系統的軟件設計,為基于DVBRCS2標準衛星系統軟件設計提供建議。

1 系統設計架構

衛星網絡拓撲由透傳衛星、Hub/NCC主站、衛星終端和網絡管理軟件組成[1-2],衛星提供終端和主站之間的連接,也可以提供多波束連接。NCC主控站執行控制終端接入過程和終端運行監控;小站(RCST)實現地面設備網絡互聯,終端包含星狀網、網狀網、星網混合、點對點等多種組網方式[3];網絡管理(NMS)軟件實現對主控站和小站的初始化配置、鏈路配置、狀態監控等功能。

2 NCC 主站軟件

2.1 主站軟件架構

主站軟件結構圖如圖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、回傳業務處理模塊和回傳業務發送模塊),前向模塊(前向業務接收模塊、前向業務處理模塊、前向數據發送模塊、速率控制模塊和前向信令生成模塊),網管接口(管控接口實時配置數據接收模塊、管控接口網絡狀態發送模塊和管控接口網絡狀態采集模塊),小站狀態監控模塊和中斷處理模塊(周期性驅動程序運行)。

圖1 主站軟件架構

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星配置信息,終端優先級信息,ACM開關加密開關等;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,解析時隙配置。

(2)接入控制模塊。

該模塊負責控制小站進入衛星網絡,包括小站登錄認證、小站粗同步、小站精確同步保持,小站下線和小站恢復上線控制。當小站進入精同步保持狀態后才可以進行業務通信。輸入:回傳信令(通過回傳信令數據接收模塊傳入)和系統資源配置信息;對接收的回傳信令進行解析(包括LB登錄信令解析和CB信令解析),生成前向應答信令和前向廣播信令,解析CB信令,生成資源請求隊列。

(3)傳輸模塊。

該模塊包括以下子模塊:回傳數據處理,回傳業務處理,回傳業務發送,前向業務接收,前向業務處理,前向數據發送;交換時序:小站軟件--(回傳數據)--》 回傳數據接收模塊 --(回傳業務 RLE封裝)---》協議轉換模塊(協議轉換)--(回傳IP數據)------》萬兆交換機 ----前向IP數據--》業務接收模塊 -----IP數據-----》前向發送模塊(前向格式封裝)----前向業務數據----》小站。

(4)協議轉換模塊。

輸入回傳數據,解析解調板外信息,解析RLE封裝,解析出信令傳遞給接入控制模塊,解析出業務轉發給目的地地址,輸出回傳業務回傳信令。

(5)資源分配模塊。

本文前面提到的各小站回傳信令和業務都是占用帶寬資源的,各小站不是獨占某一通道的資源,要想傳信令和業務需先申請帶寬資源,這里主站需要采用MF-TDMA方式給各個小站分配回傳鏈路的資源。時隙按照申請包的大小分配,也可以按照申請的速度分配,根據業務的信噪比在調頻載波分配時隙。包括信令業務資源請求解析模塊、優先級請求隊列轉模塊、資源分配模塊、對資源池信息初始化、分配LB信令、注冊CB信令時隙、分配CB時隙和TBTP生成模塊,小站接收TBTP資源分配結果,攜帶的信息在分配的載波所在分配的時隙內發射。

3 小站軟件

3.1 小站軟件架構

小站終端接入衛星通信NCC主站,接受主站的監控管理,并完成業務傳輸;實現互聯網接入、語音通話、文件傳輸和視頻會議等業務,小站軟件架構如圖2所示。

圖2 小站軟件架構

3.2 軟件功能模塊

(1)小站接入控制模塊。

上電后,小站啟動下載網絡信息表,廣播信息和Mac地址表。小站根據廣播信息進行前向鏈路和回傳鏈路校準,完成校準之后,根據用戶ID,找到資源信息和幀配置結構,找到登錄時隙開始登錄過程,與網控設備進行粗同步和精同步過程,同步完成后,小站登錄完成,與主站保持同步狀態。

(2)協議解析處理模塊。

接收網控的信令,對Timub 信令進行解析,Timu信令解析,對廣播資源結構進行解析包括超幀結構,幀結構,Bct解析,對資源分配結果Tbtp進行解析,CB信令生成,CR信令產生。

(3)前向數據接收處理模塊。

獲取前向廣播數據,對廣播數據進行過濾處理,提取有效數據,對信令數據進行分類,包括:Timu,Timub,Sct,Fct,Bct和Tbtp2,分別對信令進行解析處理,根據小站狀態生成回傳信令放置到發送隊列;將業務數據發送到局域網用戶。

(4)回傳數據處理發送模塊。

輪詢epoll_event事件,獲取回傳網絡數據,對網絡回傳的數據進行過濾處理,將處理后的數據包放入PDU發送隊列,進行發送。

4 網管管理軟件

4.1 網管系統架構

本系統的主要目標是通過對網絡運行的管理到達保障網絡平穩高效的運行目的。根據前面章節對網絡管理技術和網絡管理協議的分析和比較以及對系統的需求分析,本系統基于Web開發平臺進行設計。通過對系統所要實現功能的研究分析[5],網絡運行管理系統分為四大模塊:配置服務模塊、數據采集服務模塊、數據處理服務模塊和管控Web平臺模塊。

(1)管控Web平臺層。

用戶通過管控Web平臺層對系統進行參數配置,并實時監視衛星網絡的運行狀態,及時處理網絡故障,同時根據要求生成系統報表,支持拒阻管理高級任務。

(2)數據中心。

由關系數據庫和數據文件組成。

(3)數據服務平臺層。

配置服務向管控Web平臺層提供業務調度執行,數據輪詢采集,告警數據處理,Traps數據采集處理和Syslog數據采集處理。

(4)SNMP協議層。

SNMP協議層,為數據服務平臺提供支持數據通信的SNMP應用程序架構,及基于SNMP協議的通信開發平臺。

(5)網絡層。

支持接入以太網和衛星網絡的設備。

(6)代理層。

基于SNMP協議和管控系統MIB庫進行AGENT開發,形成相應物理設備的代理,可實時獲取設備的數據信息,發送給數據服務平臺,同時支持對設備進行配置。

(7)物理層。

具體的網絡設備包括衛星、終端、主控設備和路由器等。

4.2 軟件功能模塊

管控Web平臺模塊主要功能是提供用戶可視化配置和監控界面,管控Web平臺模塊分為6個子模塊:平臺管理、節點管理、用戶管理、性能管理、資源管理和安全管理。

(1)平臺管理。

平臺管理主要針對低軌星座網絡中的動態網絡拓撲、全網設備、全網用戶視圖、全網業務視圖等進行管理,為網絡管理員和指揮員提供最直觀的全網信息概覽。

(2)節點管理。

用于實時展示全網所有的衛星節點的詳細信息。與此同時,考慮到管理員的權限不同,本網管系統還設置了通過設置不同權限來分配不同級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用戶顯示列表和信息清單,以及全網用戶所對應的網絡用戶的清單。對于同一個用戶在不同時間段內傳輸的同一種數據業務,本網絡管理系統中認為它們分屬不同的網絡數據傳輸業務,因此在網絡中具有不同的業務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、需求導入導出。

(4)性能管理。

低軌星座通信網絡性能管理模塊包括實時性能、詳細性能和性能匯總功能,采用動態表圖的方式來展示網絡的節點資源、通信狀態、資源利用情況、實時帶寬、性能存儲、誤碼率、時延抖動等性能指標的動態展示。

實時性能主要指星載平臺的實時計算資源使用狀態、星上存儲使用狀態、上/下行帶寬等。管理員能夠通過用戶友好的界面來直觀獲取網絡實時狀態信息,并對網絡狀態變化趨勢進行合理預測與分析。

而詳細性能模塊通過對大時間尺度內的性能數據進行展示與分析,能夠對歷史數據進行集成展示,更加有利于從全局層面判斷網絡性能的變化趨勢。

性能管理模塊顯示通信網絡和衛星節點的實時性能和歷史性能,主要針對網絡的性能,包括實時帶寬、性能存儲、誤碼率、發包總數、收包總數、實時業務量、平均時延、平均吞吐量、平均時延抖動和丟包率。性能管理模塊分為性能監控任務管理模塊、衛星網絡性能監控模塊和衛星性能監控模塊。

(5)資源管理。

資源管理的主要目的是對離散分布的各類低軌星座通信網絡管控系統資源進行監視、統一管控,為網絡任務的執行、網絡業務的傳輸提供可靠的支持。

(6)安全管理。

安全管理能夠對用戶進行權限設置,記錄用戶的基本信息。當用戶終端接入網絡時能夠對接入設備的合法性和用戶權限進行驗證,能夠對業務傳輸的服務質量進行檢測和管控。針對低軌星座通信網絡管控系統中涉及的系統、載荷、網絡等告警信息進行管理。

5 結語

文章詳細研究衛星移動通信系統和DVB-RCS2協議標準,設計系統架構,對衛星移動通信的關鍵軟件進行設計,包括網絡主站軟件、小站軟件和網管軟件,并詳細研究了各個軟件的架構和功能,為通信系統研究提供了軟件設計參考。