一種衛(wèi)星通信多業(yè)務(wù)復(fù)接與解復(fù)接方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周琳凱，黃智偉，阮智利，徐 亮

（1.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210003；2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局，北京 100000）

0 引言

近年來，我國的通信行業(yè)經(jīng)歷了快速發(fā)展，其中，衛(wèi)星通信以其通信容量大，不受地理環(huán)境限制，系統(tǒng)開設(shè)簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)，獲得了巨大的關(guān)注和發(fā)展。特別是在遇險(xiǎn)救生、搶險(xiǎn)救災(zāi)、海上航行等領(lǐng)域，衛(wèi)星通信有著無可比擬的優(yōu)勢。因此，對(duì)于衛(wèi)星通信的研究有著長足的現(xiàn)實(shí)和應(yīng)用意義[1]。

1 典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成及衛(wèi)星業(yè)務(wù)流程

1.1 典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

通常，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可分為空間段、測控段、用戶段，在此基礎(chǔ)上我們也可將衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為通信衛(wèi)星、測控系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、運(yùn)控系統(tǒng)等幾個(gè)分系統(tǒng)?？臻g段主要指通信衛(wèi)星，通信衛(wèi)星運(yùn)行在衛(wèi)星軌道上，運(yùn)行衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器等衛(wèi)星通信載荷；測控段主要指測控系統(tǒng)，測控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)通信衛(wèi)星在軌運(yùn)行姿態(tài)、角度等工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、遙測、指令分發(fā)與控制；用戶段主要由運(yùn)控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成，其中運(yùn)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)測控、應(yīng)用管理、決策支持，應(yīng)用系統(tǒng)主要指衛(wèi)星通信終端設(shè)備以及地面的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)[2]。

1.2 衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)流程

衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般采用星狀組網(wǎng)，控制方式采用地面站集中管理控制的方式，業(yè)務(wù)采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式。

衛(wèi)星通信終端攜帶終端身份參數(shù)，通過控制信令發(fā)送入網(wǎng)注冊(cè)信令，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)進(jìn)行身份鑒權(quán)驗(yàn)證，如合法則允許進(jìn)入規(guī)劃的衛(wèi)星通信網(wǎng)，如不合法則拒絕該終端的注冊(cè)請(qǐng)求[3]。

當(dāng)衛(wèi)星通信終端A需要與衛(wèi)星通信終端B進(jìn)行通信業(yè)務(wù)時(shí)，主要流程如下。

（1）終端A通過控制信令向地面網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)發(fā)送呼叫請(qǐng)求，參數(shù)內(nèi)容包括衛(wèi)星業(yè)務(wù)的類型、通信速率、呼叫號(hào)碼等。

（2）網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)收到終端A發(fā)送的業(yè)務(wù)呼叫請(qǐng)求后，進(jìn)行被叫側(cè)的忙閑檢測，如不具備通信條件，則向主叫發(fā)送呼叫拒絕消息。

（3）如果被叫具備通信條件，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)則進(jìn)行衛(wèi)星資源運(yùn)算并進(jìn)行資源分配，告知通信雙方相應(yīng)的通信參數(shù)。

（4）終端A和終端B收到通信參數(shù)分配后進(jìn)行本地參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完后，通信雙方間即建立起了點(diǎn)到點(diǎn)的通信鏈路，通信雙方即可在業(yè)務(wù)通道上進(jìn)行業(yè)務(wù)交互。

（5）當(dāng)通信結(jié)束后，通信雙方中的任一方可通過控制信令發(fā)送通信結(jié)束請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)收到通信結(jié)束請(qǐng)求后，通過控制信令向通信雙方發(fā)送通信結(jié)束應(yīng)答消息，拆除通信，釋放衛(wèi)星資源。

2 多業(yè)務(wù)復(fù)接與解復(fù)接方案

2.1 多業(yè)務(wù)復(fù)接與解復(fù)接方案的提出

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，針對(duì)每次具體的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)需求，發(fā)起衛(wèi)星鏈路建立流程，每次建立的衛(wèi)星通信鏈路只能用來傳輸此次特定業(yè)務(wù)類型衛(wèi)星業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)每種業(yè)務(wù)類型和特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的資源分配。衛(wèi)星通信終端只能針對(duì)同一種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、調(diào)制、發(fā)射等工作，這樣針對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)行衛(wèi)星鏈路的建立和拆除，可以很好的保障單個(gè)業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量和穩(wěn)定性[4]。用戶需要多路業(yè)務(wù)時(shí)，就需要建立多條衛(wèi)星鏈路。

在很多情況下，用戶需要能夠同時(shí)提供多種業(yè)務(wù)，比如，語音、視頻、IP數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)同時(shí)進(jìn)行，又不用建立多條衛(wèi)星鏈路。為此，我們通過衛(wèi)星通信終端應(yīng)用層和物理層進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種多業(yè)務(wù)復(fù)接和解復(fù)接幀結(jié)構(gòu)，在發(fā)送端通過對(duì)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的業(yè)務(wù)幀封裝，最后形成統(tǒng)一的復(fù)接幀在衛(wèi)星鏈路上進(jìn)行傳輸，在接收端按特定的復(fù)接幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解調(diào)和解析，對(duì)不同類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分發(fā)，由此實(shí)現(xiàn)在同一衛(wèi)星鏈路上實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)傳輸和處理[5]。這樣可以免去建立多條衛(wèi)星鏈路帶來的鏈路開銷，提高了衛(wèi)星資源的利用率。

2.2 多業(yè)務(wù)復(fù)接與解復(fù)接方案的設(shè)計(jì)

2.2.1 業(yè)務(wù)復(fù)接與解復(fù)接的方案設(shè)計(jì)

針對(duì)目前通用的幾種業(yè)務(wù)類型進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，對(duì)于數(shù)據(jù)量較大速率較高的視頻業(yè)務(wù)，我們?cè)诮⑿l(wèi)星鏈路時(shí)根據(jù)視頻終端的實(shí)際使用情況，分配固定的通信帶寬，同時(shí)采用高速FPGA直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，來保證視頻數(shù)據(jù)的采樣準(zhǔn)確性和及時(shí)性，并由視頻數(shù)據(jù)復(fù)接組幀模塊對(duì)復(fù)接業(yè)務(wù)幀進(jìn)行組幀，之后將視頻復(fù)接幀傳送到FPGA接口收發(fā)模塊進(jìn)行統(tǒng)一處理。其他類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用CPU應(yīng)用層進(jìn)行處理，對(duì)于多路語音和傳真業(yè)務(wù)，通過群路聲碼語音模塊進(jìn)行多路語音/傳真的數(shù)據(jù)采集，并在應(yīng)用層由專門的處理線程進(jìn)行語音/傳真復(fù)接幀的組幀處理；對(duì)于IP數(shù)據(jù)，通過在CPU側(cè)對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行原生套接字抓包的方法來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡IP數(shù)據(jù)包的捕獲，實(shí)現(xiàn)透明傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的功能，捕獲數(shù)據(jù)后由應(yīng)用層專門的處理線程來進(jìn)行IP數(shù)據(jù)復(fù)接幀的組幀處理；同理，對(duì)于異步數(shù)據(jù)，由異步數(shù)據(jù)處理模塊采集完異步數(shù)據(jù)后由應(yīng)用層專門的處理線程進(jìn)行異步數(shù)據(jù)的復(fù)接幀組幀處理[6]。

在CPU應(yīng)用層進(jìn)行了語音優(yōu)先保證算法設(shè)計(jì)，在與HDLC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的語音隊(duì)列進(jìn)行優(yōu)先處理，使得在IP數(shù)據(jù)量較大、帶寬資源較為緊張時(shí)，能最大程度的保障用戶語音通信的感受。

將FPGA傳輸?shù)囊曨l復(fù)接幀數(shù)據(jù)和CPU采集的其他復(fù)接幀都傳輸?shù)紿DLC模塊，由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和調(diào)制發(fā)送。

當(dāng)衛(wèi)星通信終端作為接收方時(shí)，首先接收到完整的業(yè)務(wù)復(fù)接幀，之后按照幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并將不同的業(yè)務(wù)幀發(fā)送到不同的處理線程進(jìn)行處理解析，由各專門的處理模塊來完成與各業(yè)務(wù)終端的交互，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的解復(fù)接。如圖2所示。

2.2.2 復(fù)接幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了在同一衛(wèi)星鏈路上傳輸多種類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的復(fù)接和解復(fù)接，在此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種通用復(fù)接業(yè)務(wù)幀結(jié)構(gòu)，將不同類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由不同的處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和幀結(jié)構(gòu)封裝，最后由HDLC模塊進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)的效驗(yàn)和時(shí)序處理，以確保需要傳輸數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，復(fù)接幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 復(fù)接業(yè)務(wù)幀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文主要提出了一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)衛(wèi)星通信中多業(yè)務(wù)復(fù)接與解復(fù)接方案，首先介紹了典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成并詳細(xì)介紹了衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的流程，其次重點(diǎn)介紹了衛(wèi)星通信多業(yè)務(wù)復(fù)接與解復(fù)接的原理和方案。該方案通過設(shè)計(jì)獨(dú)有的多業(yè)務(wù)復(fù)接幀，可將單一的衛(wèi)通業(yè)務(wù)通道擴(kuò)展為語音、傳真、IP數(shù)據(jù)、視頻、異步數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)共同復(fù)用的綜合業(yè)務(wù)通道，極大地?cái)U(kuò)展了衛(wèi)星通信的應(yīng)用、滿足多種場景下對(duì)衛(wèi)星通信的不同需求，可以極大地節(jié)約衛(wèi)星帶寬資源，具備較強(qiáng)的推廣應(yīng)用意義。