基于UDP協(xié)議的衛(wèi)星用戶地面站維護(hù)平臺的設(shè)計(jì)及可靠性研究

康蕾蕾　劉玉豪　鄭曉哲

【摘要】 衛(wèi)星用戶地面站作為衛(wèi)星應(yīng)急通信設(shè)備具有使用方便、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。本文針對這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了具有快速配置、可靠傳輸?shù)木S護(hù)平臺。文中介紹了衛(wèi)星用戶地面站維護(hù)平臺的接口、基本功能、通信協(xié)議以及通信流程。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星應(yīng)急通信 維護(hù)臺 UDP 可靠通信

一、引言

當(dāng)突發(fā)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)候，常規(guī)的地面通信設(shè)備或者系統(tǒng)就會遭到嚴(yán)重破壞，衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)將能夠確保關(guān)鍵信息的傳輸，使上級能夠根據(jù)災(zāi)情進(jìn)行有效的指揮，從而拯救更多的生命和財(cái)產(chǎn)。衛(wèi)星應(yīng)急通信的特點(diǎn)是：具有開通時(shí)間短、傳輸距離遠(yuǎn)、通信容量較大、網(wǎng)絡(luò)部署快、組網(wǎng)方式靈活、可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)如圖1所示。

二、基于UDP協(xié)議的衛(wèi)星用戶地面站維護(hù)平臺的設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

本課題主要針對衛(wèi)星應(yīng)急通信的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)維護(hù)平臺。當(dāng)?shù)卣饘?dǎo)致常規(guī)地面通信遭到嚴(yán)重破壞時(shí)，可以把衛(wèi)星用戶地面站拿過來，作為與衛(wèi)星通信的交換機(jī)，這里就需要一個(gè)維護(hù)臺來配置這個(gè)衛(wèi)星用戶地面站，讓其快速的進(jìn)入工作狀態(tài)，例如對槽號、話路號的優(yōu)先級、衛(wèi)星呼出權(quán)、CO中繼權(quán)、會議召集權(quán)等參數(shù)的快速配置，從而確保關(guān)鍵信息的及時(shí)傳輸。

2.2 接口要求

衛(wèi)星用戶地面站和維護(hù)臺之間通過TCP/IP協(xié)議通信，物理層采用以太網(wǎng)接口。UDP協(xié)議作為傳輸協(xié)議，消息數(shù)據(jù)作為UDP的凈荷。

2.3 基本功能

配置管理功能：完成用戶屬性、會議和衛(wèi)星模塊的配置功能，并具備配置數(shù)據(jù)單獨(dú)文件生成和加載功能；狀態(tài)監(jiān)控：監(jiān)視用戶站的各種工作狀態(tài)，并能完成對用戶站的自檢和自檢結(jié)果處理功能；計(jì)費(fèi)功能：完成呼叫記錄的獲取、存儲、檢索和計(jì)費(fèi)功能；配置數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能：完成從用戶站配置獲取數(shù)據(jù)，并具有配置數(shù)據(jù)單獨(dú)生成配置文件功能；多用戶站管理：維護(hù)臺能夠管理多個(gè)用戶站，根據(jù)用戶站ID選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)，但同一時(shí)刻只管理一個(gè)用戶站。

2.4 通信協(xié)議的格式

消息的組成如表1所示，每條消息以數(shù)據(jù)幀的格式采用FLAG封裝，每一條消息以標(biāo)志字符（FLAG）開始和結(jié)束，A字段為鏈路層凈荷的長度，C字段為一個(gè)序號，用于完成消息的可靠傳輸。CRC字段是一個(gè)循環(huán)冗余的檢驗(yàn)碼，以檢測數(shù)據(jù)幀中的錯(cuò)誤。

三、衛(wèi)星用戶地面站與維護(hù)臺的可靠通信流程

3.1 識別

因?yàn)閁DP協(xié)議本身是面向無連接的，而本協(xié)議中加入的識別機(jī)制則解決了這一不可靠因素，使連接更快速，更有目的性。本過程完成通信雙方之間的識別，獲得雙方的IP地址。通信采用廣播（廣播地址為255.255.255.255）形式。目的地址均為廣播地址，源地址為發(fā)送方的IP地址。識別過程如下圖2。

3.2 雙線程

維護(hù)平臺后臺啟用兩個(gè)線程，分為控制線程與數(shù)據(jù)線程。采用雙線程機(jī)制，即兩個(gè)線程采用不同的容錯(cuò)策略?？刂凭€程在成功進(jìn)行握手后便由數(shù)據(jù)線程來接手?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，中間還需要數(shù)據(jù)端口發(fā)送鏈路保活消息，直至數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，整個(gè)過程中的所有檢測消息和數(shù)據(jù)傳輸均采用表1所描述的消息結(jié)構(gòu)。

3.3 鏈路通斷檢測

使用Keep-Alive保活消息，用于鏈路的通斷檢測。?；钚畔⒓皵?shù)據(jù)消息收發(fā)所用端口為：初始化收發(fā)序號均為0，狀態(tài)均為DOWN，KEEP_ALIVE的周期為3秒，連續(xù)3次KEEP_ALIVE發(fā)送后，對方無響應(yīng)認(rèn)為鏈路DOWN，并且清除隊(duì)列，暫停?；疃〞r(shí)、等待新的連接，否則發(fā)送新的?；顖?bào)文。

3.4 停等待機(jī)制

鏈路在UP狀態(tài)下，采用改進(jìn)的停等待機(jī)制。此機(jī)制能保證消息傳送的有序、不重復(fù)、防丟包，使接收方收到準(zhǔn)確無誤的消息。發(fā)送時(shí)在沒有收到響應(yīng)消息前，不能進(jìn)行下一條消息發(fā)送，。接收時(shí)對于相同序號的消息只處理第一次條，其它的只進(jìn)行確認(rèn)響應(yīng)。通信雙方各自維護(hù)自己的序號C字段，范圍為0～127循環(huán)，接收到消息并確認(rèn)正確后，將序號C字段的第7位置為1，組成響應(yīng)幀發(fā)送給對方，并記錄當(dāng)前接收的對端序號C字段的值，如果再次收到同樣序號C字段的消息只進(jìn)行響應(yīng)而不處理。

四、維護(hù)臺界面的測試

4.1 識別

維護(hù)平臺上加入識別連接界面，進(jìn)行與衛(wèi)星用戶地面站的數(shù)據(jù)通信，能達(dá)到快速識別，以便于對其進(jìn)行快速配置。利用本維護(hù)平臺目前能達(dá)到快速識別和連接到衛(wèi)星用戶地面站。點(diǎn)擊搜索按鈕，客戶端會發(fā)出廣播消息，用戶站收到此消息后會給出響應(yīng)消息，然后客戶端通過對收到的響應(yīng)消息進(jìn)行分析，得到用戶站的IP地址和設(shè)備ID號，并顯示在窗體中。如圖3所示。

4.2 保活

點(diǎn)擊連接按鈕，則線程回歸到主窗體中，主窗體上的信息欄會顯示“連接到用戶站：121.193.211.138”。如果連接中間出現(xiàn)斷開情況，則信息欄會給出“失去與用戶站（121.193.211.138）的聯(lián)系，請重新進(jìn)行設(shè)備識別”的提示，客戶機(jī)應(yīng)進(jìn)行設(shè)備的重新識別和通信連接的建立。

4.3 維護(hù)臺功能模塊的實(shí)現(xiàn)

維護(hù)臺通過以太網(wǎng)連接于用戶站連接，通過發(fā)送廣播包搜索設(shè)備，等1秒后，確認(rèn)是否有連接的用戶站，如果有多個(gè)用戶站響應(yīng)，選擇一個(gè)作為當(dāng)前設(shè)備，根據(jù)匯報(bào)的設(shè)備ID，選擇其對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行工作。

五、結(jié)論

對于衛(wèi)星用戶地面站和維護(hù)臺之間的可靠通信，本文加入了一些機(jī)制，使可靠性得到了保證。對于維護(hù)臺的設(shè)計(jì)以簡單、實(shí)用為原則，實(shí)現(xiàn)其要求的基本功能，能夠?qū)崿F(xiàn)快速投入使用、快速配置衛(wèi)星用戶地面站。隨著問題研究的深入，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，速率和可靠性之間存在的矛盾將是接下來要解決的問題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王毳. 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用. 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，2009，39（4）：50-52.

[2] 丹尼斯羅迪著，張更新，劉愛軍，張杭等譯. 衛(wèi)星通信[M]. 北京：人民郵電出版社，2002.