熱備件平時與工作設備(主用設備)一起存放於地球站收發設備在線機櫃中，與主用設備一同構成二備一工作模式，當主用設備出現故障時，只需通過設備面板本地控制或監控台遠程控制進行主備切換，即可完成熱備件的取用；對於離線的冷備件，系統採用以下取用策略：(1)系統某主用設備單元故障報警，通過本地控制/遠程控制方式進行主備切換，恢復系統正常工作狀態；(2)利用備件管理系統查詢倉庫中相應故障設備單元的完好備件餘量，並打印顯示完好備件存放位置和相關信息；(3)若有餘量且備件性能檢測系統中也有相應備件，則率先從備件性能檢測系統中取出相應備件進行更換，恢復系統雙機熱備工作模式，同時從倉庫中取出一個相應備件單元放入備件性能檢測系統中，恢復備件性能檢測系統的完整性，並記錄更換信息；(4)若有餘量但備件性能檢測系統中無相應備件，則根據具體信息從相應庫位中選擇一個備件進行更換，恢復系統雙機熱備工作模式，並記錄更換信息；(5)替換下的故障單元放入備件性能檢測系統進一步確認故障狀態和進行故障定位分析，然後做好標記，再存入專門的故障設備倉庫中，同時進行故障單元的入庫登記；(6)若無可用備件，則修改系統對應故障設備單元的熱備件狀態以及系統對應的該設備單元的雙機熱備工作狀態，上報備件缺少情況，以便及時採購進行備件補充。
2備件性能檢測系統
基於上述備件維護管理策略可知，要實現地球站收發設備備件的離線性能檢測，擬設計構建備件性能檢測系統，以對備件性能的長期穩定性進行測試與維護，使更換備件的上線成功率達100%，確保更換備件的可用性和可靠性，從而為衞星通信系統的連續穩定運行提供可靠保障。地球站收發設備的備件分為系統級備件和部件級備件，其中系統級備件是指具備集成為有線閉環測試系統條件的備件，部件級備件是指不具備集成為有線閉環測試系統條件的備件。依據收發設備的備件分類情況，可將備件性能檢測系統分為系統級備件性能檢測系統和部件級備件性能檢測平台，組成框圖如圖1所示。
2．1系統級備件性能檢測系統
備件性能檢測系統是針對具備集成為有線閉環測試系統條件的備件進行測試的平台，其設計思想是：利用信息產生器及模擬轉發器將地球站的發送鏈路和接收鏈路的部分零散備件集成為一個自發自收的有線閉環檢測鏈路，用來完成系統級備件的加電測試，並通過監測環路時延值達到對備件的檢查與維護，確保更換備件的可用性和可靠性。同時，可完成返修設備及新增設備的驗收考核測試、新進人員的業務培訓、模擬故障處理演練等任務，具體組成框圖如圖2所示。
2．2部件級備件性能檢測平台
部件級備件性能檢測平台是針對不具備集成為有線閉環測試系統條件的備件進行測試的平台，其設計思想是：利用信號源、頻譜儀、矢量網絡分析儀、邏輯分析儀、功率計等測試儀器對零散的部件級備件進行定期檢測維護和指標測試，以確保部件級備件的可用性和可靠性。同時，可作為新購置備件的驗收測試平台，具體組成框圖如圖3所示。
3備件管理系統
3．1備件管理系統的體系結構
對於地球站收發設備的備件設備的管理，傳統的管理方法是直接將備件設備放入庫房，需要時人工從繁雜的備件設備中查找需要更換的備件設備，費時費力且延誤備件上線時間，降低了系統不間斷運行的可靠性；並且在系統備件狀態發生變化時，表格記錄形式無法得到及時更新，容易造成管理上的混亂。因此，為提高備件的使用效率，解決備件分散和備件存取造成的管理混亂等問題，本文建立備件管理系統，通過構建備件信息數據庫，設計實現備件出入庫管理和備件檔案管理流程，實現備件設備信息的科學管理，併為地球站裝備管理和採購提供數據支持。備件管理系統的體系結構如圖4所示。
3．2備件管理系統的功能模塊
本文從系統實用性出發，對信號收發備件管理系統進行需求分析，將系統功能模塊劃分為基本信息管理、備件庫存管理、備件計劃管理、使用信息管理、查詢統計管理、系統信息管理等幾個部分。系統各模塊的功能如下：(1)基本信息管理基本信息管理用來設置系統的基礎數據信息，如用户信息、備件信息、備件供應商信息、倉庫及庫位信息等，以便為其它的管理模塊提供一個統一規範的基礎性數據，並且方便系統的維護。(2)備件庫存管理備件庫存管理是備件管理系統最為重要的管理模塊之一，該模塊涵蓋了備件從入庫到出庫之間的全部業務流程，主要實現對備件入庫管理、備件出庫管理、備件檔案管理、庫存備件明細、庫存備件彙總以及庫存報警等的管理。(3)備件計劃管理備件計劃管理主要實現備件採購計劃工作中的備件計劃、備件需求統計等功能。(4)庫房管理庫房及存放櫃管理是對備件存放的直接映射，通過庫房信息以及備件存放位置的信息，方便快捷地將備件定位到庫房存放櫃中，解決了原始的紙面記錄或無庫存記錄造成的弊端。(5)使用信息管理使用信息管理主要記錄備件上機使用情況，為合理採購備件，提供了第一手資料。(6)查詢統計管理查詢統計管理可提供靈活多樣且直觀的查詢統計方式，統計出的數據準確可靠，用户可以通過統計彙總出各個備件的庫存、維修、使用等數據，為領導決策提供依據。(7)系統信息管理系統信息管理主要完成對信號收發備件管理系統的用户信息和用户密碼修改的管理。
4結論
本文取得的研究結果為地球站收發設備的備件性能檢測、故障單元備件合理更換以及備件的系統化管理提供了一套科學有效的解決方案。根據系統發送鏈路和接收鏈路的特點，利用零散備件設計形成閉環檢測鏈路，對備件進行性能維護測試，確保了更換備件的完好性，提高了系統的可靠性；研製設計的備件管理系統對所有備件進行系統化管理，方便備件的查找和及時補充，大大提高了衞星通信系統的維護效率，為系統的穩定可靠運行提供了重要保障。同時，本文研究的備件維護管理策略、備件取用策略、備件管理方案等成果，具有廣闊的應用前景和推廣價值，可推廣應用於其它衞星系統中。
論文摘要：低軌道（LEO）衞星移動通信系統是衞星距離地面500～1500km，運行週期2～4小時的衞星通信系統。銥系統、全球星系統及系統是地軌道衞星移動通信系統發展最快的範例。LEO衞星移動通信系統具有廣闊的發展前景
1LEO衞星移動通信系統的特點
低軌（LEO）衞星移動通信系統與中軌（MEO）和靜止軌道（GEO）衞星移動通信系統比較，具有以下特點：
1.1由於具有更小的信號衰減和更低的傳播時延，低軌衞星通信系統更有利於實現個人全球通信。LEO系統的路徑傳輸損耗通常比GEO低幾十分貝，所需發射功率是GEO的1/200-1/2000，傳播時延僅為GEO的1/7~1/50，這對於實現終端手持化和達到話音通信所需要的延時要求是十分有利的。
1.2蜂窩通信、多址、點波束、頻率複用等技術的發展為LEO衞星移動通信提供了技術保障。
1.3由於地面移動終端對衞星的仰角較大，天線波束不易受到地面反射的影響，可避免多徑衰落。
1.4它在若干個軌道平面上佈置多個衞星，由星間通信鏈路將多個軌道平面上的衞星聯接起來。整個星座如同結構上連成一體的大型平台，在地球表面形成蜂窩狀服務小區，服務區用户至少被一個衞星覆蓋，用户可隨時接入系統。
1.5由於衞星的高速運動和衞星數目多，也帶來了多普勒頻移嚴重和星間切換控制複雜等問題。但不管怎樣，低軌衞星移動通信系統的上述特點對於支持實現個人通信是有巨大吸引力的。
2LEO衞星通信系統用户切換的一般過程
低軌衞星移動通信系統中，由於衞星的高速運動，使得它的波束覆蓋區也跟着移動，而波束覆蓋區的移動速度遠大於用户的運動速度，因此，在LEO衞星移動通信系統中，切換主要是由於衞星波束移動引起的。
對於衞星移動通信系統中的呼叫切換，通常經歷這樣一個過程：
2.1用户週期測量當前使用波束和鄰近波束的導頻信號或廣播信道的信號強度的變化，以便確定它是否正在穿越相鄰波束之間的邊界或者處於相鄰波束的重疊區內。
2.2若用户進入相鄰波束的重疊區，達到切換觸發的條件，將開始啟動切換過程。用户中止利用當前波束進行通信，等待分配信道利用新波束進行通信。
2.3切換過程開始後，需要在新到達波束中為該用户按照一定的信道分配算法進行信道分配，並在原先波束中釋放使用的信道；如果採用了波束內切換或信道重安排，則原先波束還須按照呼叫結束後的信道重安排算法進行波束內的信道優化分配，進行必要的波束內分配。分配完成後，將數據流從舊鏈路轉移到新鏈路上來，完成切換。
3LEO衞星通信系統用户切換的種類
低軌衞星通信系統用户切換可分為以下類型：
3.1同一信關站和衞星的不同波束之間的切換
目標波束和現用波束在同一信關站和同一衞星內，該切換涉及兩個波束的信道分配和修改同一信關站(不採用星上交換)或衞星(採用星上交換)的交換路由表。
3.2同一信關站不同衞星之間的切換
目標波束與現用波束不在同一顆衞星內、但在同一個信關站範圍內，它涉及兩顆衞星的信道分配；對於採用星上交換的體制，需要改變兩顆衞星星上交換路由表；對於衞星透明轉發的體制，需要修改信關站交換路由表。
3.3不同信關站同一衞星的波束間的切換
目標波束和現用波束屬於同一顆衞星，但屬於不同的信關站，它涉及兩個信關站之間的切換，包括信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等，對於採用星上交換的衞星還需要改變其交換路由表。
3.4不同信關站不同衞星之間的切換
目標波束和先用波束屬於不同的衞星且屬於不同的信關站，它涉及兩個信關站和兩顆衞星之間的切換，信關站涉及信道分配、改變地面線路連接、位置更新、記費等問題，對於採用星上交換的衞星需要改變其交換路由表。
4LEO衞星通信系統中用户切換目標衞星的選擇準則
在低軌衞星移動通信系統的切換控制中，切換的目標衞星的選擇策略對切換的最終性能也有着直接的影響。因此，根據系統的需要，設計出適合於本系統的切換目標衞星選擇方案至關重要。目前，低軌衞星移動通信系統中的切換目標衞星選擇策略主要有以下幾種：最近衞星準則、最強信號準則、最長可視時間準則、最多可用信道數準則、覆蓋時間與仰角加權準則及最小跳數切換準則。
其中，最近衞星準則認為距離用户終端最近（仰角最大）的衞星能夠提供很好的服務質量（QoS），可從純幾何上對其性能進行分析，也稱為最大仰角準則。採用該準則時，用户終端在任何時候都選擇能夠為其提供最大仰角的衞星。該準則實現簡單，但一般不會在實際系統中採用，因為它既沒有考慮無線信號在空中的傳播條件，也沒有考慮網絡的運行狀況。強信號準則是終端在任何時候選擇能夠接收到最強信號的衞星。擁有足夠高的信號強度是無線通信的一個基本條件，可以認為最強信號衞星準則能夠提供較好的服務質量。
最長可視時間準則又稱為最大覆蓋時間準則。按照這個策略，用户將利用星座系統運行的先驗知識，始終選擇具有最大服務時間的衞星作為其切換的目標衞星。該準則基於對最小化系統的切換請求到達率考慮，延長了切換後呼叫一直被某個衞星服務的時間，從而可獲得較低的被迫中斷概率。
最多可用信道數準則為：用户選擇具有最多可用信道數的衞星為它提供服務。該準則出於對整個系統信道資源利用率考慮，以使衞星系統中每個衞星所承載的業務量趨於均勻分佈，避免因某個衞星節點超負荷而失效，從而影響到整個系統性能。應用這個準則時，不管衞星的具體位置，新呼叫和切換呼叫會經歷相同的阻塞率或被迫中斷概率，從而可以避免出現某個衞星超載的情況。
最小跳數切換準則則應用於具有星上路由的情況，策略要求用户在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衞星。在具體實現過程中，通信雙方週期性檢測其可見衞星中是否有比當前通信路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衞星進行通信。當然，如果通信雙方的當前衞星出現低於最小仰角（或信噪比）時，也需要進行切換。假定衞星系統使用準靜態路由算法，路由表項中帶有衞星到衞星的路由跳數，而且其路由信息隨着網絡拓撲變化由系統自動刷新。
5低軌衞星通信系統用户切換與路由
在切換時，由於服務衞星的改變，對於採用星上交換和星上路由的衞星通信系統，原有路由也需要被重新建立。重建路由有以下幾種方案：全路由重建，部分路由重建，重路由結合擴展路由，動態概率優化路由，最小跳數路由。
其中全路由重建衞星切換方案：原有路由完全被新路由代替，該方案得到的新路由仍然是最優化路徑，但其處理時延比較大。
部分路由重建衞星切換方案：當切換髮生時，原有路由被部分保存，只有變化部分被更新，該方案處理時延比較小，但新生成的路由可能不是最優化路徑。
重路由與擴展路由結合：切換後首先進行路由擴展，再進行路由優化。以降低延時，但信令開銷增大。
動態概率優化路由：全路由重建節約帶寬，但是擴大了信令資源，需要選擇合適的優化概率P，在帶寬和信令資源之間折中。即並不對所有擴展後的路由進行優化，而是以概率P，對一部分路由進行優化，一部分仍保持原擴展路由。
最小跳數路由策略：用户在任何時候都選擇能夠為其提供最少跳數路徑的衞星。通信雙方週期性檢測其可見衞星中是否有比當前通信路徑的跳數更少的路徑，如果存在則進行切換，否則繼續使用當前衞星進行通信。該策略能夠獲得較低的傳播延時和較小的切換頻率，具有很好的系統性能。
參考文獻
[1]陳振國，楊鴻文，郭文彬。衞星通信系統與技術。北京：北京郵電大學出版社，2003
[2]劉剛。低軌衞星星座網的切換研究。通信學報，2004(25)
1．1硬件組成硬件部分主要由單片機主控、監控和切換矩陣3部分組成。單片機通過識別本控和遠控開關的工作模式，根據串口中斷送來的控制信號對在線工作的設備進行操作，同時和數據採集器Nport通信，發送參數注入指令，監控機按指令將正確參數注入到優先級最高的備用設備，完成倒換開關的控制。硬件系統的組成如圖2所示。單片機是主控部分［7］的核心，主要完成本控/遠控的判斷及主要程序的執行、射頻設備的倒換以及與監控機的通信，實現電路的選通、面板顯示等功能。其主要包括單片機輔助電路、輸入輸出口驅動電路、射頻切換控制數據口、中頻切換控制數據口、4線RS－485串口通信電路、外部指示燈控制電路及電源電路。監控部分通過網口與數據採集設備通信，輪詢設備的當前工作狀態，依據設備工作狀態向單片機發送調整信息，並進行參數的注入，實現智能切換單元的遠程控制競爭－冒險”現象而導致系統崩潰。切換矩陣通過控制元件完成切換控制。開關矩陣中選擇了可控功率大、損耗小的PIN管作為核心控制器件。由於吸收式PIN開關改善了端口駐波，“開”與“斷”狀態下的駐波較好，兼顧系統的穩定性，在此選擇吸收式PIN開關［9］。
1．2硬件電路功能模塊根據功能模塊劃分，實際電路分為5個模塊：CPU接口電路模塊、串口通信模塊、鍵盤控制模塊、液晶驅動模塊及PIN開關切換控制模塊。①CPU接口電路模塊CPU接口電路主要完成電路的控制。電路主要包括晶振電路、外部復位電路、JTAG接口電路及電源指示電路。設計中採用AVR公司的ATMEL6450單片機，此類單片機擁有68個雙向I/O口，同時具有64K字節的Flash，2K字節的EEP-ROM，4K字節的RAM，滿足設計需求。②串口通信模塊串口通信模塊用來完成單片機與計算機的通信，實現計算機在遠控模式下對整個切換網絡的控制，選用MAX1482器件完成雙工通信。③鍵盤控制模塊設計中選用74C922鍵盤控制集成電路模塊，運用12個鍵組合完成所有的設置功能，採用中斷方式實現與單片機的數據交換和控制。④液晶驅動顯示模塊液晶顯示模塊選用LCM128645zk模塊，該模塊主要特點是內帶8000多GB1/2中文漢字字庫液晶顯示模塊，串行/並行兩用接口。設計中採用並行傳輸模式，由指令位(DLFLAG)來選擇8－BIT或4－BIT接口，單片機配合(RS，R/W，E，DB0．．DB7)完成傳輸動作。⑤PIN開關切換控制模塊PIN開關採取自主研製，選用吸收式PIN開關改善端口駐波。通過單片機的3個I/O管腳直接控制單刀6擲開關，單刀3擲開關則是先通過74HC139譯碼器譯碼，然後通過74LS04後作為中頻PIN開關的控制信號。
2軟件設計
2．1軟件結構設計智能切換單元的軟件部分［10］通過對中/射頻切換單元和射頻設備定期輪詢［11］，經串口或網口從硬件獲取數據信息，將提取到的狀態信息進行分析、統計綜合、決策，根據優先級策略控制切換單元和射頻設備的參數，完成監控和切換。單片機作為控制核心，通過中斷完成相關功能。不斷查詢中斷口是否有信號輸入，從而觸發不同動作。單片機控制的主流程及中斷子程序流程如圖3所示。監控機通過不斷輪詢射頻設備的工作狀態，驗證在線設備是否故障。在線設備故障時，監控機根據備用設備的優先級選擇設備，同時向單片機發出狀態調整信號，完成設備倒換後，監控機會對故障進行記錄和壓縮，以備用户查詢。在線設備正常工作時，監控機繼續輪詢設備工作狀態。
2．2各功能模塊設計軟件模塊主要分為串口數據通信、數據傳輸與存儲、綜合處理和設備狀態顯示4個模塊。①串口數據通信模塊通過串口服務器與被控設備通信，以輪詢的方式採集各設備的上報數據，併發送控制命令。②數據傳輸與存儲模塊該模塊將接收到的設備上報數據進行解封裝，提取出設備狀態參數，將其保存並傳遞給綜合處理模塊進一步處理；將綜合處理模塊發出的設備控制命令封裝後送至串口數據通信模塊。③綜合處理模塊綜合被控設備的狀態參數，分析得出系統配置狀態，將所有狀態信息傳送至設備狀態顯示模塊。手動模式下，處理用户的各種操作，完成用户管理、設備控制命令發送和日誌記錄查詢等功能；自動模式下，當檢測到在線射頻設備故障時，按優先級策略控制切換單元實現切換，並設置備份射頻設備頻率和衰減等參數，完成自動切換功能。射頻設備切換優先級策略如表1所示。④設備狀態顯示模塊將各種信息(系統配置狀態和設備狀態參數等)以圖形化的方式顯示在軟件的各功能界面上。
3切換策略和邏輯關係
3．1切換策略①射頻設備切換策略3站射頻設備之間切換需建立正確的切換機制［12］，避免“競爭－冒險”而導致系統崩潰。默認情況下，各地球站射頻設備都將一台設為備用，此設備的優先級最高。平時管理中，A站對應射頻設備1和射頻設備2，B站對應射頻設備3和射頻設備4，C站對應射頻設備5和射頻設備6。當A站主用1出現故障時，倒換優先級2為最高，另外2站的備用設備也設置響應的優先級。每一台設備對於3個站都具有不同的優先級，如表2所示。②本控/遠控切換策略從本控狀態切換至遠控狀態後，鍵盤按鍵(除設置鍵)不起作用；從遠控狀態切換至本控狀態後，串口進行有選擇性地執行指令，僅對查詢命令迴應當前狀態。
3．2切換的邏輯關係①聯動切換邏輯關係切換矩陣是實現射頻設備倒換的關鍵部分，矩陣中3個單刀6擲中頻PIN開關和3個單刀6擲射頻PIN開關依據邏輯關係進行動作，實現射頻設備的主備切換，如表3所示。M1、M2和M3分別表示3個站中頻單刀6擲PIN開關6個管腳的某一個，N1、N2和N3分別表示3個站射頻單刀6擲PIN開關6個管腳的某一個，要保證射頻設備正常倒換，中頻和射頻PIN開關要實現聯動。②交叉切換邏輯關係在一般情況下，智能切換單元進行聯動切換，各站終端設備始終和各站射頻設備配合使用。但在特殊情況下，需要各站終端設備與射頻設備交叉使用，交叉使用的切換邏輯如表4所示。
4結束語
地球站智能切換單元的引入，合理調配了地球站系統資源，提高了關鍵設備的使用效率，解決了關鍵環節故障導致衞星通信系統癱瘓的難題，消除了主備設備同時故障導致系統崩潰的隱患。同時，智能切換單元操作簡單，切換迅速，為提高系統穩定性提供了一種便捷高效的解決方案。採用基於優先級的切換策略，結合射頻設備頻率和衰減的自動修正，可迅速可靠地實現地球站主備設備的自動切換。
1.1衞星通信CDMA技術衞星通信CDMA技術是根據用户需要和衞星的特點，用功率控制的手段實現導頻信號的幅度變化，降低用户對星上功率的要求，減少多址干擾。衞星通信CDMA技術可利用多個衞星分集接收信息實現網絡傳遞，大大降低了系統內耗和干擾的出現，改善了上星通信信息傳輸的可靠性。衞星通信CDMA技術具有優越的抗干擾性能、很好的保密性和隱蔽性、連接靈活方便等特點，使之成為衞星通信中關鍵的技術核心。
1.2衞星通信MPLS網絡體系MPLS網絡體系可以將IP路由的控制和第二層交換無縫地集成起來，是目前最有前途的網絡通信技術之一。衞星通信MPLS體系結構分為用户層、接入層、核心層三部分，其中，用户層包括衞星手持移動終端、小型專用局域網用户、其他網絡用户等。各結構和網絡體系將信息有效綁定、標註和轉發，實現衞星的通信功能。
1.3衞星通信的抗干擾技術衞星運行在外太空，電磁環境複雜，統一受到太陽風、強磁暴等空間環境影響，導致出現信息干擾和信息失真，衞星通信的抗干擾技術主要依靠衞星傳輸鏈路中不同的抗干擾設備和系統完成其功能，抗干擾設備和系統主要有DS/FH混合擴頻、自適應頻域濾波、猝發通信、時域適應干擾消除、基於多用户檢測的抗干擾、自適應信號功率管理、自適應調零天線、多波束天線、分集抗干擾、變換域干擾消除、糾錯編碼和交織編碼抗干擾技術等。在軟硬件共同的作用下阻斷電磁干擾、過濾雜波、屏蔽信號污染、實現程序監視等功能。
2衞星通信技術的發展趨勢
2.1通信衞星體積的發展趨勢通信衞星體積正在向大型化和微型化兩個方向發展。其一，各國把通信衞星體積建造得越來越大，以便實現高靈敏和強處理能力。其二，各國推出小型通信衞星，用多顆小衞星組網構成衞星通信網絡代替單顆大衞星，具有方便發射和成本低廉等優點。
2.2衞星移動通信技術方興未艾衞星移動通信是指利用衞星實現移動用户間或移動用户與固定用户間的相互通信。隨着頻譜擴展、數字無線接入、智能網絡技術的不斷髮展，衞星移動通信在向衞星個人通信方向演進，用手持機可實現方便接入衞星移動通信網，進行衞星移動通信。
2.3衞星互聯網技術興起將衞星通信網絡轉化為互聯網中數據上下交換的鏈路，可將電話撥號、局域網等其他通信鏈路作為上行數據鏈路，還可以將下載和傳輸作為下行數據鏈路，利用衞星的特點實現地面隨時連接互聯網絡。
2.4衞星通信向寬帶化發展為了滿足衞星通信系統用户對大數據量和高負荷的需求，衞星通信技術已向拓展直EHF頻段發展，擴大頻段的容量，大大減輕現有頻譜擁擠現象，減少受電磁現象影響引發的信號閃爍和衰落，提高了衞星的抗干擾能力。使衞星通信部件尺寸和重量大大縮小和減輕，方便衞星搭載更多的通信設備。
2.5衞星通信光通信化發展衞星光通信是利用激光進行衞星間通信，達到降低衞星通信系統設備質量和體積，提高衞星通信保密性等目的。
3結語
綜上所述，衞星是一種在高空運行，在獨特角度進行通信、測量、遙感等諸多科學的研究和服務社會的工作。衞星通信技術具有通信容量大、傳輸質量高、覆蓋面積廣、方便組網和抗地理環境制約能力強等諸多優點，成為新時期通信行業發展的一個主要方向，衞星通信技術方便建立與外界的通信聯繫，通過數據、視頻信息和語音信息的傳輸實現信息的交換，增加通信的能力、提高通信的質量，滿足不同用户的差異性通信需要。衞星通信技術主要包括：CDMA、MPLS和抗干擾等主要技術，做好衞星通信工作必須從上述的技術入手，在把握衞星通信技術發展的大方向的前提下，才能做好衞星通信的相關工作。
半物理仿真平台的建立採用。NET環境下應用C#編程語言設計具有Windows風格的人機交互半物理仿真平台。通過各個模塊的點擊模擬操作，可以很好地實現用户對仿真模型的智能化運動控制，並且在完成仿真運動後，讀取並記錄顯示衞星通信機動站運動過程的所有狀態位置信息以及虛擬傳感器的測距數據，最後生成仿真動畫，達到直觀的效果，虛擬場景測得的數據最終和真實環境中的實物所得數據進行比較，從而驗證智能化控制算法的合理性、適用性。上位機用户平台包括虛擬現實展示、DLL調用測試、衞星通信機動站控制器半物理仿真通訊平台、狀態信息的記錄與讀取、傳感器測距信息的記錄與讀取，狀態信號實現衞星通信機動站的虛擬現實運動動畫的展示，人機交互半物理仿真平台，如圖2所示。
2衞星通信機動站動力學模型的建立
Maplesim是一個多領域物理建模和仿真工具，它提供了一個三維可視化的環境建模以及動畫顯示仿真結果，在這種環境下，可以通過簡單且直觀的方式搭建各種複雜系統的模型，還可以可視化分析仿真結果。在Maplesim中能將建立好的模型轉換到C代碼中，可以在其他應用程序和工具中使用此C代碼。在3D可視化建模環境下可以快捷、方便且直觀地創建所需要的動力學仿真模型，之後將模型轉生成C代碼，在VC++環境下編譯C代碼生成動力學模型的DLL文件，這樣可以方便其他應用程序的調用仿真。本研究基於。NET開發平台採用C#語言編寫上位機仿真用户界面，進而對生成的DLL文件進行調用。半物理仿真系統開始執行，給定一個初始時間t0（初始值），每次經過t時間後，對動力學模型DLL文件進行調用，從衞星通信機動站的動力學模型DLL中輸出第一個狀態信號，將這個狀態參數傳遞給衞星通信機動站控制器實物，控制器中對輸入的狀態參數完成控制算法後將再次發出控制信號並傳遞給C#軟件環境，再經過t時間，再次調用DLL中的動力學模型。此時衞星通信機動站動力學模型的DLL輸出第二個狀態信號。如此循環反覆執行此過程，如圖3所示，形成了一個閉環的半物理仿真系統。
3半物理仿真系統設計
衞星通信機動站半物理仿真系統主要由人機交互操作界面、STM32控制器、信號轉換器、數據採集系統以及PC機中的衞星通信機動站動力學模型5部分組成。以STM32控制器為核心的衞星通信機動站半物理仿真系統本身是一個閉環系統，在仿真通訊過程中，由衞星通信機動站控制器實物發出控制信號，控制信號模擬量經過信號轉換器轉換成數字信號，再通過USB虛擬串口通訊傳遞給PC機，PC機則調用WindowsAPI（Windows系統中可用的核心應用程序編程接口）對數字信號進行接收。PC機將接收到的信號再調用C#軟件環境的動力學仿真模型，最後輸出一個狀態信號。PC機再將輸出的狀態信號通過WindowsAPI接口發送出去，狀態信號經過USB虛擬串口傳遞給信號轉換器。信號轉換器將狀態信號數字量轉換成模擬量後傳給衞星通信機動站控制器，在控制器中完成控制算法後，重新輸出新的控制信號。此控制信號再經信號轉換器PC機動力學模型的DLL，最終返回狀態信號，如此循環地執行就形成了一個閉環的半物理仿真系統［4-5］，如圖4所示為半物理仿真系統框圖。
4硬件系統的構建
衞星通信機動站的智能化控制是一個複雜的運動控制系統，其具有多自由度、多傳感器、多驅動器、多運動形態的特點，對衞星通信機動站在現實運動過程中的多個傳感器的輸出模擬量數據進行採集，同時採用SPI串口通訊、藍牙無線通訊的方式將數據傳遞給PC機上位機軟件用户界面，以數據和虛擬動畫相結合的方式直觀地顯示衞星通信機動站的實時運行狀態。採用ADAS3022數據採集系統採集傳感器數據，經ADAS3022的數字接口SPI與MCU選用的STM32芯片內部自帶的SPI通訊，並且可實現內部自帶的ADC（模/數轉換器）進行信號轉換，再通過HC-05嵌入式藍牙模塊與PC機進行通訊，如圖5所示為系統總體設計方案。硬件系統設計了一個完整的5V單電源、8通道、多路複用的數據採集系統，可以集成用於工業級信號的可編程增益儀表放大器（PGIA）［6］。如圖6所示為數據採集系統電路原理圖。數據採集系統主要是以ADAS3022芯片為核心設計的，ADAS3022芯片上具有完整的DAS，它可以以最高1MSPS轉換速率進行轉換，能夠接受的最大輸入信號範圍最高可達±24.576V的差分模擬輸入信號。與傳統的數據採集相比，在標準的數據採集方案中都會涉及到信號緩衝、電平轉換、放大、噪聲抑制以及其它模擬信號調理等，但是在ADAS3022中則無需這些輔助調理電路。這樣一種高性能的核心芯片的應用，簡化了具有高精密16位數據採集系統的設計難點，降低了成本。此外，在外觀上，它具有更小的外形尺寸（6mm×6mm），40引腳的LFCSP封裝；在性能方面，它可以提供最佳的時序和噪聲性能，工作温度跨度-40℃到+85℃的工業温度範圍［7-8］。此電路系統採用ADAS3022、ADP1613、ADR434和AD8031精密器件的組合，可同時提供高精度和低噪聲性能。
5結語
基於PAC的衞星通信機動站半物理仿真系統研究是聯合控制對象的動力學仿真模型與控制器實物來進行的仿真過程。這種仿真方式可以真實地體現出實物的各項動力學、運動學特性等。一般大型衞星通信機動站搭建實物仿真較為困難，只能採用半物理仿真，這樣的仿真系統聯合了動力學模型與控制器實物的研究，既可以縮短週期、節約經費、輔助研發，也可以提高仿真系統的可靠性以及穩定性。此應用半物理仿真技術搭建衞星通信機動站的半物理仿真平台，目的在於能夠模擬真實的運行狀態，測試各項性能，虛擬現實仿真動畫，驗證智能化控制和智能化算法，對研究衞星通信機動站的智能化控制具有一定的理論和實踐意義。
平台在設計上主要分為兩大部分，分別為Sever端和Client端。它們以數據庫作為中間連接橋樑，如圖1所示。圖1平台整體架構Sever端程序主要功能是同步數據，衞星通信系統的GAC記錄文件由GAC服務器運行的定時腳本傳輸至FTP服務器，Sever端得到GAC記錄文件後再結合操作人員編寫的帶寬更改文件，處理後得到通信機上下線記錄，並錄入數據庫。其中GAC記錄文件為txt格式文件，記錄格式為：yyyy/mm/dd－hh:mm:sst＜以“－”分隔的MAC＞t＜info＞，例如2013/04/21－17:24:4400－40－fd－01－4d－04NOTREGISTEREDcausesynchronizationlost。帶寬更改記錄為csv格式文件，記錄格式為：yyyy－mm－ddhh:mm:ss，＜MAC＞，＜bandwidth＞，＜real_bandwidth＞，＜worker＞，＜serial_no＞，例如2013－07－0705:45:00，0040FD016e7a，2Mbps專用池1，vbdc－2048，張三，50這些信息經過服務器端處理過會形成信息完整的通信機上下線記錄。Client端程序根據運營需要，對特定或全部通信機在指定時段的上線時間進行結算，並生成供參考的計費結果，還可以同時生成用於遞交給客户的臨時用星確認表。
2運營管理平台的實現
2．1開發環境的選擇程序代碼的編譯環境為MicrosoftVisualC++2008，它可以高效開發Windows應用，尤其是Office的應用，數據庫採用MySQLSever5．0，其使用的SQL語言是用於訪問數據最常用的標準語言，它有着速度快、體積小、代碼開源等特點，特別時候想節約成本的中小型企業［4］。另外還需要具有FTP上傳及下載功能的傳輸工具LibCURL。
2．2數據同步算法設計2Mbps專用池在線時間的計算是本平台的核心部分。2Mbps專用池是一種總帶寬為2Mbps的捆綁複用模式，同屬於一個池的通信機，只要有一台在線就記為該池在線，只有當所有通信機都下線才記該池下線，該算法屬於遞歸調用，具體計算過程如圖2所示。
2．3平台的實現流程及內存分配Sever端程序首先備份、更名上一次使用的GAC記錄文件、帶寬更改記錄文件，然後登錄FTP服務器下載最新的GAC記錄文件和帶寬更改記錄文件，再登錄MySQLSever建立各數據庫與母表，同時導入GAC記錄文件和帶寬更改表，建立通信機分立帶寬更改表，選出本輪數據同步需要更新的GAC記錄，根據需要進行掉線情況過濾並進行通信機分立上下線計算及2Mbps專用池上下線計算，最後編譯時間戳記錄文件LastUpdate．ini並斷開MySQL連接。該段程序用於描述時間的數據類型time_t實際為_int64的64位整數，time_t變量初始化時必須調用time(0)賦值為當前時刻的“歷史秒”，即從1970－01－0100:00:00到當前時刻歷經的秒數。tm是一個結構體，包含若干計時單位的序數(年序數以1900年為0、月序數以1月為0、日序數以1日為1)，用於記述相對於從1900－01－0100:00:00到當前時刻歷經的時間。計算兩筆GAC記錄時間差的方法是：從GAC記錄中讀出的時間字符串賦值給tm結構體變量，調用mktime()函數將兩個GAC記錄時間的tm結構體變量記述的時刻分別轉化為time_t變量，再調用difftime()函數將兩個time_t變量的差值計算出來。VC用於處理時間的數據類型豐富多樣，選擇適當的數據類型和處理函數可以事半功倍。MYSQL_RES和MYSQL_ROW是MYSQLAPI內置的數據類型。MYSQL_RES類型變量擔負了SELECT存儲語句查詢結果的任務。MYSQL_RES類變量在使用完成後需調用mysql_free_result()進行內存回收，而在實際開發中，根據上下文不一定能判定一個MYSQL_RES類型變量初始化(或經上一次內存回收)後是否被使用過，而如對初始化後未經使用的MYSQL_RES類型變量進行內存回收，可能會引發錯誤導致程序異常退出。經權衡，決定在開發中放棄對MYSQL_RES類型變量回收內存的設計，犧牲一定的空間換取可靠性。MYSQL_ROW類型變量實際是二維指針，使用時要特別注意SE-LECT語句的查詢結果究竟有多少列，如果越界訪問使得該二維指針超出查詢結果的列數，會導致程序異常退出。Client端可以查詢數據庫，選出在指定時段內歸屬欲結算項目的通信機列表，同時查詢在指定時段內欲結算項目的有效租用合同，接着結合計時計費結果的框架將查詢的上下線結果填入表格，並按帶寬小計時長計入臨時數據庫表便可完成計時計費結果文件。最後讓VisualC++程序控制Word自動化客户端生成用星確認表，這裏要通過使用OLE－DB(ObjectLinkingandEmbeddingDatabase)技術，它提供了對包括對關係數據庫和非關係數據庫在內的所有文件的統一接口。自動化客户端可以理解為模擬人工進行的編輯操作，對編輯目標文檔需要進行的操作序列，可逐條列出，然後分解成每一個鍵入(或點選，拖動)的操作，幾乎每一個分解操作，都對應了自動化客户端程序的一行指令。自動化客户端的性能卓越，可以在一兩秒內完成數十頁含表文檔的編輯工作。Office的自動化客户端編程中，最常遇到COleVariant和CComVariant兩種數據類型：COleVariant類是對VARIANT結構的封裝，當對象構造時首先調用VariantInit進行初始化，然後根據參數中的標準類型調用相應的構造函數，並使用VariantCopy進行轉換賦值操作，當VARIANT對象不在有效範圍時，它的析構函數就會被自動調用，由於析構函數調用了VariantClear，因而相應的內存就會被自動清除。CComVariant提供了很多構造函數來對VARI-ANT能夠包含的多種類型進行處理。CComVariant沒有提供針對VARIANT包含的各種類型的轉換操作符，必須直接訪問VARIANT的成員並且確保這個VARIANT變量保存着期望的類型。
2．4平台實現界面介紹根據如上所述對平台的設計思想和方法，利用MFC分別實現出了人機交互的Sever端和Client端，其界面如圖3－4所示。Sever端除了選擇系統類別、開始結束時間功能，主要還能實現清空數據庫、開始同步數據及暫停、備份、還原等功能。Sever端正常都是在運行狀態的，未遇故障時是不停運的。Client端中首先要輸入用户信息、設備信息、項目信息及租用信息，利用“新建”和“刪除”按鈕可添加或刪除這些信息。在界面的左邊有搜索功能，只要輸入設備信息、項目信息或租用信息的關鍵詞就可在下面的列表框裏顯示出相關的信息。按鈕“導入帶寬信息”實際就是導入上文所説的帶寬更改記錄文件，導入成功後便可實現右下角的計時計費功能，把結果以Excel表格形式生成到指定路徑下，還能同時生成Word版用星確認表。
3結束語
本文介紹了衞星通信運營管理的基本任務，由此給出了運營管理對數據處理的思路和方法，設計出了運營管理平台，實現了對運營項目的自動化管理，彌補了對衞星帶寬的使用情況只能由人工來核算的缺陷。本平台在工程應用中已處於試運行階段，需求已經能全部實現，且結果正確可靠。
MAC層有MAC－Idle、MAC－Shared、MAC－DTM、MAC－Dedicated四個狀態［4］。它們之間的轉換圖如下。
1．1MAC－Idle狀態MAC－Idle狀態中不存在TBF，MES監視CCCH上子信道的相關傳呼。MES可能採用DRX(非連續接收)監視CCCH。在MAC－Idle狀態，上層可請求傳輸一個上層PDU(協議數據單元)，這就會觸發在PDCH上建立一個TBF並由Idle狀態轉入MAC－Shared狀態，或者有可能通過RRC流程或者是RLC/MAC流程在DCH上觸發建立一個TBF，MES會在完成建立DCH後由Idle狀態轉入MAC－Dedicated狀態。
1．2MAC－Shared狀態在MAC－Shared狀態中，MES分配無線資源提供TBF用於在一個或多個PDCH上產生點到點連接。TBF用於在網絡和MES之間單向傳輸上層PDU。在MAC－Shared狀態，上層可請求傳輸一個上層PDU，這就會通過RRC流程在DCH上觸發建立一個TBF，這將會使MES由MAC－Shared狀態轉入MAC－DTM狀態。當上行鏈路和下行鏈路中的TBF都被釋放時，MES返回到MAC－Idle狀態。當重新配置PDCH到DCH的所有無線承載，釋放完PDCH上所有的TBF並建立第一個DCH時，MES將會由MAC－Shared狀態轉入MAC－Dedicated狀態。
1．3MAC－DTM狀態在MAC－DTM狀態MES將無線資源分配給一個或多個DCH和一個或多個PDCH。在MAC－DTM狀態當所有在PDCH上上行或下行的TBF都被釋放之後，MES進入MAC－Dedicated狀態。在釋放了所有的DCH之後，MES進入MAC－Shared狀態。在釋放了所有的PDCH和DCH之後，MES進入MAC－Idle狀態。
1．4MAC－Dedicated狀態在MAC－Dedicated狀態MES分配無線資源以提供一個或多個DCH(專有信道)。在釋放掉所有的DCH之後，由MAC－Dedicated狀態轉入MAC－Idle狀態，當從DCH到PDCH(分組數據物理信道)的所有無線承載都被重新配置以後，MES將會在釋放完所有的DCH並在PDCH上建立第一個TBF時由MAC－Dedicated狀態轉入MAC－Shared狀態。
1．5MAC層對組呼的支持由於GMR－1系統的MAC層不支持組呼功能，所以要對MAC層做一些改變。我們設計了組呼模塊，它和單呼模塊是並列的關係。根據邏輯信道的映射和MAC層的狀態來區分單呼和組呼兩個模塊通道。組呼工作在電路域，只跟DCH有關，跟PDCH無關［5］。所以在MAC狀態機中加入兩個狀態，分別是MAC－Ready－Gcc(組呼控制)狀態和MAC－Dedicated－Gcc狀態。工作在MAC－Dedicated－Gcc狀態下的主/被叫移動台，正常接收MACDATA，狀態不變；在釋放掉所有DCH後，由MAC－Dedicated－Gcc狀態轉入MAC－Idle狀態。主叫移動台發起組呼時，RRC層利用原語參數配置MAC層狀態；接收下行報文時，MAC層根據MAC－Dedicated－Gcc狀態將消息遞交給上層組呼模塊。圖4是主叫用户的組呼MAC轉移圖。被叫側成員移動台根據接收到的NCH邏輯信道通知MAC層轉入MAC－Dedicated－Gcc狀態，工作在組呼模塊。流程如圖所示。圖5是被叫成員移動台組呼MAC狀態轉移圖。集羣組呼中，網絡要向多個成員移動台發送尋呼通知消息，因此需要採用廣播的方式發送。我們增添NCH為組呼通知信道。由於系統資源有限，這裏我們借用未配置的CBCH邏輯信道的位置來配置NCH邏輯信道，NCH邏輯信道的突發結構和調製解調編解碼方式與CBCH邏輯信道保持一致。例如，如果BCCH指派CBCH使用第一幀，則NCH使用2、3、4幀，如果BCCH指派CBCH使用第1、2幀，則NCH使用3、4幀，餘此類推。
2MAC層PTT競爭隨機接入回退策略
當組呼講話方釋放組呼上行信道時，講話方用户在上行DACCH(專有隨路控制信道)信道上發送“UPLINK_RELEASE”消息，表明講話完畢。當一個組呼中有幾個用户要同時講話時，會產生講話權的競爭。組呼成員也可能有不同的優先級，這時候需要一種競爭策略來解決［6］。以下舉例為組呼信道採用8時隙結構，編碼的話音為2．4kbits/s。網絡收到講話方上行信道的“UPLINK_RE-LEASE”消息以後，在組呼信道的下行信道的DACCH上向所有組呼移動台發送“UPLINK_FREE”消息，表明上行信道空閒，允許新的講話方使用上行信道。需要講話的組呼用户，在下行信道上收到“UP-LINK_FREE”消息以後，採用直接強佔和隨機接入相結合的方式，在組呼上行信道發送“UPLINK_AC-CESS”消息，消息被封裝在NT5上，直接搶佔第一幀，隨後的隨機時間選擇為T，回退的最大幀數為F，則T=40ms*F。考慮到2比特的用户優先級，讓優先級高的用户有較大的概率競爭成功，設用户優先級為m，退的次數為n，回退的最大幀數為F，則F=(m+5)*n，其中m=1，2，3;n≥1。
當n=0的時候，四個級別的用户都搶佔第一幀，此時F=1。用户優先級m和回退次數n與回退最大幀數F關係部分如表1所示。下面以用户優先級m=0為例，隨後的隨機時間選擇為200ms(5幀)，400ms(10幀)，600m(15幀)，和800ms(20幀)總計2s秒鐘的時間爭用上行信道，方法如圖6所示。按下PTT移動台，在最初開始的一幀直接發送“UPLINKACCESS”請求，若有碰撞，隨機佔用之後的5幀之一發送“UPLINKACCESS”請求，若還有碰撞，隨機佔用後續10幀之一發送“UPLINKAC-CESS”請求，還有碰撞，隨機佔用後續15幀之一發送“UPLINKACCESS”請求，一直到，隨機佔用後續20幀之一發送“UPLINKACCESS”請求，任意幀週期，當下行鏈路由“UPLINKFREE”轉換成“UPLINKGRANT”時競爭結束。任何一個按下PTT的移動台直接搶佔最初的一幀發送“UPLINKACCESS”，在後續的2秒鐘的時間內又可以競爭上行信道四次，競爭期間，如果收到網絡在下行信道上發送“UPLINK_GTANT”，則競爭結束。
當網絡成功收到一個“UPLINK_ACCESS”消息以後，在組呼信道的下行DACCH信道上發送“UP-LINK_GRANT”消息，用於告知競爭成功用户可以使用上行信道，其它用户不再進行競爭，直到再次收到“UPLINK_FREE”消息為止。這裏我們考慮的是有競爭衝突時，保證優先級高的用户有較大的概率競爭成功。通過以上的描述，分析計算可得。從公式可以看出，優先級高的用户，產生衝突的概率低，這樣就很好的保證了優先級高的用户有較大的概率競爭成功。假設一個優先級為0、3的用户，其競爭產生衝突的概率曲線如圖7所示。從圖中可以看出，優先級高的明顯比優先級低的衝突概率小，當n的取值逐漸變大，p越小，當n為5時，概率幾乎為零了。事實上，n值不能取很大，應為值越大，雖然衝突概率很小，但是從PTT按下到響應這個時延過大，這不是我們所期望的。所以這個退避算法兼顧了n值不能太大，衝突概率小。
3結語
本文在GMR－1系統基礎上研究了組呼通信的MAC層一些相關的功能，由於GMR－1系統不支持組呼通信，在原本的MAC狀態機中加入兩種狀態以適應組呼通信，中間各種狀態之間的原語操作還有待解決，並且MAC層PTT競爭策略只能解決有衝突時保證高優先級的用户競爭成功，要減小衝突的產生，還需其它優化方法。要實現組呼通信還需要更多的改進和研究，比如RRC層協議研究，組呼標識號等問題。本文的研究為進一步的研究和實現衞星組呼通信打下理論基礎。
蒙田範文網