基于DVB-RCS2标准的卫星通信系统软件设计

吴广洋

(中国科学院软件研究所,北京 100190)

在偏远地区、深海地区以及沙漠地区,难以在以上区域铺设地面通信网络,网络覆盖面临很多难题。通卫星通信由于其覆盖范围广,通过卫星网络,可以形成覆盖全球的通信网络。近年来,科研院所对于宽带卫星通信应用取得了一定的成果。宽带卫星移动通信的服务实现数据信息传输、视频传输、语音传输等。本文首先介绍基于此标准的宽带卫星移动通信系统结构,分别细致介绍各个分系统的软件设计,为基于DVBRCS2标准卫星系统软件设计提供建议。

卫星网络拓扑由透传卫星、Hub/NCC主站、卫星终端和网络管理软件组成[1-2],卫星提供终端和主站之间的连接,也可以提供多波束连接。NCC主控站执行控制终端接入过程和终端运行监控;小站(RCST)实现地面设备网络互联,终端包含星状网、网状网、星网混合、点对点等多种组网方式[3];网络管理(NMS)软件实现对主控站和小站的初始化配置、链路配置、状态监控等功能。

2.1 主站软件架构

主站软件结构图如图1所示[4],主要包括:接入控制模块,资源分配模块,回传模块(回传接收模块、Rle解析模块、回传信令处理模块、回传ACM模块、回传业务处理模块和回传业务发送模块),前向模块(前向业务接收模块、前向业务处理模块、前向数据发送模块、速率控制模块和前向信令生成模块),网管接口(管控接口实时配置数据接收模块、管控接口网络状态发送模块和管控接口网络状态采集模块),小站状态监控模块和中断处理模块(周期性驱动程序运行)。

图1 主站软件架构

2.2 软件功能模块

(1)管控接口模块。

解析全局配置文件读取卫星配置信息,终端优先级信息,ACM开关加密开关等;读取小站配置文件,获取基本配置信息;读取资源配置文件,解析资源配置;解析前向链路配置,解析时隙配置。

(2)接入控制模块。

该模块负责控制小站进入卫星网络,包括小站登录认证、小站粗同步、小站精确同步保持,小站下线和小站恢复上线控制。当小站进入精同步保持状态后才可以进行业务通信。输入:回传信令(通过回传信令数据接收模块传入)和系统资源配置信息;对接收的回传信令进行解析(包括LB登录信令解析和CB信令解析),生成前向应答信令和前向广播信令,解析CB信令,生成资源请求队列。

(3)传输模块。

该模块包括以下子模块:回传数据处理,回传业务处理,回传业务发送,前向业务接收,前向业务处理,前向数据发送;交换时序:小站软件--(回传数据)--》 回传数据接收模块 --(回传业务 RLE封装)---》协议转换模块(协议转换)--(回传IP数据)------》万兆交换机 ----前向IP数据--》业务接收模块 -----IP数据-----》前向发送模块(前向格式封装)----前向业务数据----》小站。

(4)协议转换模块。

输入回传数据,解析解调板外信息,解析RLE封装,解析出信令传递给接入控制模块,解析出业务转发给目的地地址,输出回传业务回传信令。

(5)资源分配模块。

本文前面提到的各小站回传信令和业务都是占用带宽资源的,各小站不是独占某一通道的资源,要想传信令和业务需先申请带宽资源,这里主站需要采用MF-TDMA方式给各个小站分配回传链路的资源。时隙按照申请包的大小分配,也可以按照申请的速度分配,根据业务的信噪比在调频载波分配时隙。包括信令业务资源请求解析模块、优先级请求队列转模块、资源分配模块、对资源池信息初始化、分配LB信令、注册CB信令时隙、分配CB时隙和TBTP生成模块,小站接收TBTP资源分配结果,携带的信息在分配的载波所在分配的时隙内发射。

3.1 小站软件架构

小站终端接入卫星通信NCC主站,接受主站的监控管理,并完成业务传输;实现互联网接入、语音通话、文件传输和视频会议等业务,小站软件架构如图2所示。

图2 小站软件架构

3.2 软件功能模块

(1)小站接入控制模块。

上电后,小站启动下载网络信息表,广播信息和Mac地址表。小站根据广播信息进行前向链路和回传链路校准,完成校准之后,根据用户ID,找到资源信息和帧配置结构,找到登录时隙开始登录过程,与网控设备进行粗同步和精同步过程,同步完成后,小站登录完成,与主站保持同步状态。

(2)协议解析处理模块。

接收网控的信令,对Timub 信令进行解析,Timu信令解析,对广播资源结构进行解析包括超帧结构,帧结构,Bct解析,对资源分配结果Tbtp进行解析,CB信令生成,CR信令产生。

(3)前向数据接收处理模块。

获取前向广播数据,对广播数据进行过滤处理,提取有效数据,对信令数据进行分类,包括:Timu,Timub,Sct,Fct,Bct和Tbtp2,分别对信令进行解析处理,根据小站状态生成回传信令放置到发送队列;将业务数据发送到局域网用户。

(4)回传数据处理发送模块。

轮询epoll_event事件,获取回传网络数据,对网络回传的数据进行过滤处理,将处理后的数据包放入PDU发送队列,进行发送。

4.1 网管系统架构

本系统的主要目标是通过对网络运行的管理到达保障网络平稳高效的运行目的。根据前面章节对网络管理技术和网络管理协议的分析和比较以及对系统的需求分析,本系统基于Web开发平台进行设计。通过对系统所要实现功能的研究分析[5],网络运行管理系统分为四大模块:配置服务模块、数据采集服务模块、数据处理服务模块和管控Web平台模块。

(1)管控Web平台层。

用户通过管控Web平台层对系统进行参数配置,并实时监视卫星网络的运行状态,及时处理网络故障,同时根据要求生成系统报表,支持拒阻管理高级任务。

(2)数据中心。

由关系数据库和数据文件组成。

(3)数据服务平台层。

配置服务向管控Web平台层提供业务调度执行,数据轮询采集,告警数据处理,Traps数据采集处理和Syslog数据采集处理。

(4)SNMP协议层。

SNMP协议层,为数据服务平台提供支持数据通信的SNMP应用程序架构,及基于SNMP协议的通信开发平台。

(5)网络层。

支持接入以太网和卫星网络的设备。

(6)代理层。

基于SNMP协议和管控系统MIB库进行AGENT开发,形成相应物理设备的代理,可实时获取设备的数据信息,发送给数据服务平台,同时支持对设备进行配置。

(7)物理层。

具体的网络设备包括卫星、终端、主控设备和路由器等。

4.2 软件功能模块

管控Web平台模块主要功能是提供用户可视化配置和监控界面,管控Web平台模块分为6个子模块:平台管理、节点管理、用户管理、性能管理、资源管理和安全管理。

(1)平台管理。

平台管理主要针对低轨星座网络中的动态网络拓扑、全网设备、全网用户视图、全网业务视图等进行管理,为网络管理员和指挥员提供最直观的全网信息概览。

(2)节点管理。

用于实时展示全网所有的卫星节点的详细信息。与此同时,考虑到管理员的权限不同,本网管系统还设置了通过设置不同权限来分配不同级别的可访问信息的粒度以及消息全面性。

(3)用户管理。

用户管理模块中的全网用户显示列表和信息清单,以及全网用户所对应的网络用户的清单。对于同一个用户在不同时间段内传输的同一种数据业务,本网络管理系统中认为它们分属不同的网络数据传输业务,因此在网络中具有不同的业务ID与用户ID。用户需求分析包括需求采集、需求抽取、需求汇总、需求合理性分析、需求冲突分析、需求导入导出。

(4)性能管理。

低轨星座通信网络性能管理模块包括实时性能、详细性能和性能汇总功能,采用动态表图的方式来展示网络的节点资源、通信状态、资源利用情况、实时带宽、性能存储、误码率、时延抖动等性能指标的动态展示。

实时性能主要指星载平台的实时计算资源使用状态、星上存储使用状态、上/下行带宽等。管理员能够通过用户友好的界面来直观获取网络实时状态信息,并对网络状态变化趋势进行合理预测与分析。

而详细性能模块通过对大时间尺度内的性能数据进行展示与分析,能够对历史数据进行集成展示,更加有利于从全局层面判断网络性能的变化趋势。

性能管理模块显示通信网络和卫星节点的实时性能和历史性能,主要针对网络的性能,包括实时带宽、性能存储、误码率、发包总数、收包总数、实时业务量、平均时延、平均吞吐量、平均时延抖动和丢包率。性能管理模块分为性能监控任务管理模块、卫星网络性能监控模块和卫星性能监控模块。

(5)资源管理。

资源管理的主要目的是对离散分布的各类低轨星座通信网络管控系统资源进行监视、统一管控,为网络任务的执行、网络业务的传输提供可靠的支持。

(6)安全管理。

安全管理能够对用户进行权限设置,记录用户的基本信息。当用户终端接入网络时能够对接入设备的合法性和用户权限进行验证,能够对业务传输的服务质量进行检测和管控。针对低轨星座通信网络管控系统中涉及的系统、载荷、网络等告警信息进行管理。

文章详细研究卫星移动通信系统和DVB-RCS2协议标准,设计系统架构,对卫星移动通信的关键软件进行设计,包括网络主站软件、小站软件和网管软件,并详细研究了各个软件的架构和功能,为通信系统研究提供了软件设计参考。