基于VPX架構的機動通信系統模塊化集成設計

摘要：針對機動通信系統通用化、系列化、模塊化的需求，本文設計了一種基于VPX架構的模塊化綜合集成方案，詳細闡述了機動通信系統中的超短波、短波、無線寬帶、光纖、被復線等設備及基礎承載平臺的集成設計方法。

關鍵詞：機動通信系統；LRM；VPX；模塊化；集成

一、引言

機動通信系統是一種針對特種任務，在特定的區域構建起來，能夠承載數據通信、話音通信和視頻通信等多種通信業務的機動通信網絡。該網絡是一個包含了光纖、被復線、微波、衛星、電臺、寬帶無線通信等各種通信子網絡的綜合通信系統集合，在實際鋪設和使用過程中，機動通信系統具有高度的機動性和靈活性，要求能夠根據實際環境和通信需求進行靈活配置、按需擴展。

目前，隨著現代信息技術發展，機動通信系統的需求不斷提高，大量專用與通用的信息系統裝備也隨之應運而生，各類通信裝備蓬勃發展，不同形態和體制的裝備相繼被研制和投入使用，使得當前機動通信系統的發展態勢呈現出“煙囪式”的發展模式[1]。各種通信裝備在通信系統的綜合集成過程中，開始出現設備種類繁多、設備功能重復堆疊、通信網絡布線布局復雜困難、集成系統維護保障效率低下等一系列的問題。機動通信系統為了保證機動性，其通信手段通常以無線通信為主，有線通信為輔，結合網絡交換設備，最終構成一個完整的通信網絡，其中無線通信設備主要包括超短波、短波及寬帶無線通信設備，有線通信設備則以被復線傳輸設備及光纖傳輸設備為主。由于機動通信系統既包括無線通信設備，又包括有線通信設備，設備種類豐富，因此設備的綜合集成是機動通信系統的重點研究內容，涉及各類通信裝備的通用化、系列化和模塊化，使得整個通信系統能夠實現靈活配置、按需擴展。為此，本文從通信裝備通用化、系列化、模塊化設計出發，分析了LRM架構的優勢，并基于LRM中的VPX架構提出了一種機動通信系統綜合集成設計方案。

二、實現思路

機動通信系統的綜合集成，首先要考慮的就是設備集成的基礎架構，目前應用較為廣泛的基礎架構是LRM（Line Replaceable Module，現場可更換模塊）。LRM的含義非常廣泛，一般包括了安裝結構相對獨立、功能互為補充的各種通用功能模塊，LRM架構的標準化程度非常高，可以顯著地縮短裝備研制周期。同時，將三級維護降為二級，方便維護，大大提高了維修性，符合機動通信系統通用化、系列化、模塊化的需求。

由于LRM內涵廣泛，因此目前學術界和業界所制定的LRM模塊標準也非常多，較為主流的LRM架構模塊包括美國的SEM-E模塊、歐洲的ASAAC模塊以及符合VITA（VME International Trade Association，即VME國際貿易協會）所制定的一系列標準的VPX模塊。在上述LRM架構模塊中，VPX模塊的技術開放程度較高，而技術難度相對較低，同時模塊的兼容性比較好[2]，非常適合應用于機動通信系統綜合集成的基礎硬件平臺。因此本方案基于LRM中的VPX架構進行機動通信系統的集成設計。

三、系統組成

本文基于LRM中的VPX架構，提出了一種機動通信系統的綜合集成設計方案。在該方案中，機動通信系統模塊化集成的典型組成包括基礎承載平臺、通信網絡控制、光纖通信、被復線通信、超短波通信、短波通信及區域寬帶通信等各種模塊，如圖1所示。

在圖1中，基礎承載平臺作為系統集成的硬件基礎，是整個機動通信系統的核心模塊，包括統一化的機箱、總線、數據交換以及健康管理模塊；通信網絡控制功能模塊用于完成整個通信系統網絡的信道接入、路由控制以及網絡管理；光纖、被復線通信模塊是典型的有線型通信設備；超短波、短波及無線寬帶通信模塊則是典型的無線型通信設備。

上述這些功能模塊共同組成了機動通信系統模塊化集成的典型架構，是一個開放的架構，可支持擴展以上功能之外的相關通信設備的模塊化集成。

四、實現方案

（一）基礎承載平臺

基礎承載平臺是整個系統集成必需硬件模塊的統稱，包括機箱、背板、控制與管理、以太網交換及電源模塊。其中，機箱和背板是基于VITA46[3]、VITA48[4]標準設計的，支持通用的VPX模塊化集成，統一總線定義，具備良好的兼容性、開放性和擴展性；控制與管理模塊主要完成機箱內部功能模塊運行狀態的監控與管理，實現設備健康管理功能；以太網交換模塊主要完成功能模塊間數據交互及對外數據交互；電源模塊則能夠保障提供基礎承載平臺及各功能模塊的工作供電。

在結構上，VPX機箱的設計采用4U高度機箱、3U標準VPX板卡。結構形式為前后對插，其中前插板完成核心功能，后插板引出系統的對外信號線。安裝方式上，本機箱采用標準19英寸插箱形式，可通過三節導軌或L型導軌安裝；熱設計采用導冷加風冷結合的散熱方式，風機轉速可調；支持功耗不低于400W的散熱能力。

在本方案中，VPX機箱支持16個槽位，其中交換模塊固定裝配于第7槽位和第8槽位、控制與管理模塊固定裝配于第14槽位、電源模塊固定裝配于第15和16槽位，其余槽位可裝配通用功能模塊。系統內部的各個功能模塊通過背板集成總線實現互聯互通，背板總線包括數據總線、擴展總線、時分總線、時統總線、管理總線及電源。背板總線及模塊槽位如圖2所示。

下面對背板集成總線的各個部分的設計進行詳細介紹：

①數據總線。數據總線的設計符合標準IEEE 802.3z中規定的1000 BASE-X標準接口，數據連接方式采用以槽位7、槽位8為數據中心的雙星形式，每個通用槽位與2個交換槽位分別提供2路以太網信號連接。

②擴展總線。擴展總線的設計主要是為各相鄰模塊之間提供一個交互數據的通道。本方案中，擴展總線能夠支持4對差分信號，數據傳輸速率可達到1.25Gbps（Giga Bits Per Second， 千兆比特每秒），特征阻抗為100速，槽位6和槽位9跨過交換槽位7和交換槽位8連接，槽位7和槽位8單獨連接。

③時分總線。時分總線符合STBUS總線標準，包含幀同步、時鐘、數據輸出、數據輸入信號。幀同步、時鐘、數據輸出信號符合EIA-899 M-LVDS標準，數據傳輸速率大小可以達到250Mbps，特征阻抗大小為100Ω，數據輸入采用單端信號，電平標準為3.3V_LVTTL，特征阻抗大小設計為65Ω，時分總線復分接電路部署于控制與管理模塊。

④時統總線。在本方案中，時統總線按照EIA-899 M-LVDS的標準來設計，含1PPS、TOD及10Mbps這三種時鐘信號，數據傳輸速率大小能夠達到250Mbps，特征阻抗大小設計為100Ω。

⑤管理總線。管理總線要求雙總線IPMB-A、IPMB-B冗余設計，熱備份，采用I2C總線標準，速率400kbps，要求功能模塊內通過I2C總線緩沖芯片隔離，功能模塊內信號應上拉至輔助電源，上拉阻值4.7kΩ。

⑥電源設計。電源的主要功能是提供整機（含基礎承載平臺和各個功能模塊）工作的主電源及輔助電源連接，其中，主電源布線能承載42A以上電流，而輔助電源布線能承載8A以上電流。

在本方案中，由于總線的設計滿足各個通用功能槽位的信號定義一致，通用功能模塊與其所插入的槽位無關，因此基礎承載平臺具有良好的可擴展性，并且可以靈活配置。

（二）無線傳輸集成設計

機動通信系統主要傳輸手段是無線傳輸設備，主要包含超短波、短波及無線寬帶等電臺。無線傳輸設備通常包含基帶模塊、射頻功放以及天線等部分，在傳統電臺中，這些部分通常是一體化設計，組成獨立的設備，一般來說，為了盡可能地提高無線傳輸的距離和范圍，傳統電臺的射頻功放部分的結構設計尺寸往往都比較大，難以小型化，因此極大地限制了無線傳輸設備的模塊化設計。為了解決無線傳輸模塊化的集成需求，本系統中提出一種無線傳輸集成方案，其具體的系統實現如圖3所示。

如圖3所示，本方案將無線基帶處理模塊和射頻功放拆開進行設計，同時，兩者之間通過高速傳輸的光纖連接，使得電臺的模塊化設計成為可能，特別是在系統中存在多個無線通道的情況下，可以將基帶部分設計為通用的功能模塊插入VPX基礎承載平臺中，其中具體的設計思路如下：

①無線基帶處理模塊。前插板通過CPU、FPGA及總線接口電路完成核心處理，后插板通過光模塊將基帶信號傳送給與其相連接的射頻功放。

②射頻功放部分。射頻功放部分可以按照機動通信系統的特點和實際的通信應用需求，進行針對性的設計和布置，既可以單路設計，也可以雙路設計，也可以帶合路器設計，甚至可以通過光纖延伸到數十公里之外。

綜上所述，在本方案中，無線傳輸集成設計使得無線傳輸模塊可以按通信系統的具體需求進行靈活配置，能夠滿足機動通信系統的通用化、系列化和模塊化要求。

（三）有線傳輸集成設計

有線傳輸的模塊化集成設計相對于無線傳輸來說更簡單，其原理就是將傳統的有線傳輸設備（如SDH光端機、SHDSL被復線傳輸設備等）按照本文VPX基礎集成平臺功能模塊的設計標準進行結構的適應性改造，主要涉及結構設計，也就是將通信設備板卡化，設計為符合VITA46和VITA48標準的VXP板卡。

有線傳輸集成設計的具體實現方案如圖4所示。其中，有線傳輸模塊的前插板通過CPU、FPGA、SDH/SHDSL及接口電路完成信道傳輸的主要功能，而后插板則通過光模塊或者變壓器來完成光纖或被復線傳輸線路的物理信號適配。

（四）通信系統健康管理

本方案中，控制與管理模塊固定裝配于第14槽位，用于完成VITA46.11[5]標準中所規定的健康管理功能，其具體的工作內容主要包括：①通過管理總線實時采集并上報功能模塊的工作電壓、電流和溫度；②接收管理指令并控制功能模塊的通斷電狀態；③實時監控機箱風扇的工作狀態，根據機箱內各個模塊的工作溫度實時地、自動調整風扇轉速；④顯示各個功能模塊的基本信息，含模塊軟件版本、模塊生產廠商及生產日期、累計加電時間等；⑤提供可視化配置管理接口；⑥支持WEB和SNMP協議。

五、結束語

本文按照通用化、系列化、模塊化的設計思路，提出了一種基于VPX總線架構的機動通信系統的模塊化集成設計的方案。同時詳細描述了集成基礎平臺的系統組成實現，并在此基礎上提出了系統總線、無線傳輸設備、有線傳輸設備以及健康管理等各個模塊的集成設計方案。本文所提出的方案是一個通用化架構，開放性高，同時還具備較強的兼容性及互操作性，因此能夠滿足不同通信系統的設計需求，不僅能夠應用于機動通信系統對靈活配置、按需擴展等要求較高的機動通信系統，同時還可以應用于固定站通信系統。

作者單位：張云勇 雷鵬 周朋 中國電子科技集團公司第七研究所

參" 考" 文" 獻

[1]張海山，譚淇文，雷飛鵬. 機動通信系統綜合集成方法研究[J].通信技術， 2018，51（9）：2171-2175.

[2]曾銳，平麗浩，梅源. LRM模塊及其相關標準[J]. 電子機械工程， 2007，23（04）：1-5.

[3]VITA 46.VPX Baseline Standard[M].2013.

[4]VITA 48. Ruggedized Enhanced Design Implementation（REDI）[M].2013.

[5]VITA 46.11. System Management on VPX[M].2013.