基于FSM技术的地球站网控设计与实现

许星辰，张迎春，郭 巍

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）

0 引言

在通信卫星的转发器资源（主要是带宽资源和功率资源）一定的情况下，卫星通信系统一般通过DAMA技术来提高卫星转发器资源的利用率。在DAMA方式下，整个卫星转发器的资源统一由中央站的卫星网控中心（NCC）管理。地球站开机后要先在网控中心入网登记，通信时，需要向网控中心提出资源申请，然后才能使用网控中心分配的转发器资源;通信完毕后将转发器资源释放，交回网控中心控制。使用DAMA技术可以有效地提高卫星转发器的利用率，同时要求每个地球站必须具备适应DAMA体制的网控功能，使之和网控中心一起完成整个卫通系统资源的统一管理和控制。地球站网控（NCU）是地球站在DAMA卫通系统入网工作的关键，利用有限状态机（FSM）技术和模块化设计技术可以有效地提高目标系统的可靠性。

1 网控工作过程

典型的DAMA体制卫通网络系统呈网状网结构，系统配置专用的网控信道用于网控中心和地球站之间网络信令的传输，实现卫星资源分配，网控信道为星状网。网控中心到地球站的信息通过时分复用信道广播，一般配置主、备各一路;地球站到网控中心的信息采用竞争申请（Aloha）信道发送。Aloha发送可能发生碰撞，导致通信失败，可以采取增加重发次数和Aloha信道的数量来减少碰撞概率，提高发送成功率。典型的DAMA体制网络拓扑结构和通信流程如图1所示。

在DAMA方式下，地球站开机后，首先接收NCC广播的网络通告信令。信令中包括主、备TDM信道参数信息、Aloha信道参数等信息。NCU根据网络通告信令中的Aloha信道上报本站的身份和业务类型等信息，登记身份并申请入网。

以电话业务为例，入网成功的地球站，当用户拨号呼叫另一个地球站时，NCU发起资源申请，并根据网控中心分配的业务信道资源控制地球站信道设备，使其能和远端站通信。用户挂机后，NCU报告释放资源并控制地球站信道设备。

图1 DAMA卫通网络拓扑结构和通信流程图

对于地球站NCU来说，必须保证具有以下基本能力:

①网控信令的生成和解析能力;

②入网和网络维护控制能力;

③DAMA方式资源申请、释放能力;

④对地球站信道设备的参数保存、恢复及实时监控能力。

作为地球站在DAMA卫通系统工作的重要部分，NCU运行的可靠性和稳定性是其可靠工作的基础。如果地球站NCU出错，轻则导致该站无法参与通信，严重时可能通过网控信道影响到整个卫通系统的正常运行。例如，由于软件的设计缺陷，在一定条件下，某站的NCU不停地通过aloha信道向NCC发送信号，这会导致aloha冲突概率增大，降低全网资源的利用率。因此，如何提高NCU软件的可靠性和稳定性就成为设计工作关注的关键所在。

2 系统设计方案

2.1 硬件设计

NCU的主要特征表现为对外通信接口较多但通信量不大、控制复杂;因此采用以中央处理器（CPU）为核心，通过大规模可编程逻辑器件（FPGA）扩展出多个通信端口，组成一个性能强大、高度集成、适应性好的嵌入式系统。主要利用FPGA实现高速数据通信，利用CPU实现灵活控制。

NCU采用了模块化设计的理念进行设计。所谓模块化设计，就是将具有特定功能的部分作为一个模块，通过组合调用这些功能模块来组成总的系统。模块化设计有利于缩短开发周期，降低系统的复杂度。特别是软件采用模块化结构开发，可简化编程过程，降低调试难度，提高目标系统的可靠性。

NCU的组成如图2所示，CPU选用高性能的C8051F023单片机，FPGA器件选用XILINX公司的XC3S4000芯片，采用Verilog硬件描述语言设计FPGA软件。FLASH采用ATMEL24C16器件，用于掉电保存系统参数。

图2 NCU组成框图

NCU对外通信接口综述如下:

①网控信道数据接口:同步数据接口，支持HDLC协议，RS422电平，速率可变，最大速率128 kbps，数量1个;

②网控信道监控接口:异步数据接口，速率可变，最大速率115200bps，可提供RS232电平接口2个，RS485接口2个;

③业务信道监控接口:异步数据接口，速率可变，最大速率115200bps，可提供RS232电平接口2个，RS485接口2个。

FPGA用来扩展所需的外部通信接口，通过总线共扩展了1个支持HDLC协议的同步串口和8个标准的异步串行口。通信接口由多个具有特定功能的模块构成，包括总线控制模块、波特率发生器模块、数据缓存模块、同步检测模块、同步接收模块、同步发送模块、异步接收模块以及异步发送模块等。

2.2 软件设计

同硬件和FPGA设计一样，软件采用模块化设计方法进行规划，系统的软件体系结构如图3所示。系统初始化完成后，开始执行主控模块，主控模块通过调用各个接口处理模块，共同完成NCU的任务。

各个功能模块描述如下:

图3 NCU软件体系结构

①系统初始化模块:完成系统参数的读取，重要变量的赋初值，各个端口参数的配置等工作;

②主控模块:是软件的核心部分。维护NCU的工作状态，接收各接口处理模块上报的事件，做出正确的处理动作并发送到相应的接口处理模块执行。

③网控接口处理模块:用于网控信道网控信令的处理和发送;

④设备监控接口处理模块:用于站内卫通设备实时监控数据的处理和发送;

此外，每个接口处理模块采用分层结构，从低到高依次为端口驱动程序、数据收发模块和命令处理模块。端口驱动程序用于字节收发;数据收发模块用于帧结构处理;命令处理模块处理协议数据的有效内容。

3 实现与测试

3.1 基于FSM技术的软件实现

为了增加软件系统的可靠性，在FPGA功能模块和软件功能模块的实现中，使用了大量的基于FSM技术的程序架构。

FSM是一种重要的形式化技术，经常在软件设计中采用。FSM就是描述一个由有限个独立状态组成的过程，这些状态可以互相转移。FSM可以用3个要素来表示:状态、事件、动作。在任意时刻机器只能处于给定数目状态中的一个。当某一时刻机器接收到一个输入事件时，状态机做出动作，同时也可能伴随着状态的转移。状态的转移和动作不仅与输入事件有关，而且与机器的前一状态有关。采用有限状态机可以降低系统的复杂性，简化软件结构，提升软件的质量和可靠性。

NCU中利用FSM实现的重要功能模块包括同步串口接收/发送模块、同步检测模块、波特率发生器模块、异步串口接收/发送模块以及主控模块，网控数据收发模块以及监控数据收发模块等。

3.2 主控模块的实现

FSM实现的主要分为2步，首先要准确地输出目标系统的状态转移图，然后把状态转移图转化为代码实现。

FSM是靠事件的触发来进行状态变化的，即“事件驱动、状态转移”。通常用状态转移图来表示FSM，用闭合节点代表状态，节点之间使用有向线表示状态转移情况，有向线上标明触发该转移的事件和相应动作。事件驱动的状态机具有良好的开放性，可以很方便地增加新的状态。

图4即为简化的NCU软件主控模块的状态转移图，实际情况要比这复杂的多。主控模块FSM共分为4个状态。初始化完成后，进入“搜索通告信令状态”，此状态下收到通告帧即申请入网，进入“入网状态”。“入网状态”要处理NCC的查询事件以维护网络，长时间丢失通告信令还会转移到“搜索通告信令状态”;当用户呼叫事件发生时，向NCC发起资源申请后进入“等待分配状态”。该状态下超时后会重发申请，申请失败和申请被拒绝事件都会导致转移到“入网状态”;如果资源申请成功，则通知业务系统开始通信，进入“等待通信结束状态”。在“等待通信结束状态”下，如果发生通信结束事件，则释放资源，转移到“入网状态”。

图4 主控模块状态转移图

根据目标系统FSM的状态转移图，使用Verilog硬件描述语言（FPGA设计）或者C语言（CPU软件设计），可以很方便地采用Switch…Case语句实现该FSM功能。

3.3 可靠性测试

著名的软件可靠性非齐次Possion过程（NHPP）模型是软件可靠性建模研究发展历程的一个里程碑，被证明有着很多优良的性能。这类模型假设在测试过程中软件的累计故障数{N（t），t≥0}服从NHPP分布，表示累计故障数的均值函数m（t）=E（N（t）），软件可靠性在（t，t+x）时间段内的定义为:

软件可靠性模型和评估方法应该考虑测试覆盖这一重要因素，并考虑测试过程中测试剖面是否发生变化。在对RCU软件进行可靠性测试过程中，针对上述两方面问题，建立一个基于测试覆盖的软件可靠性增长模型，并根据测试过程修正测试剖面，将其分为阶段A和阶段B。

阶段A执行438个测试用例，共发生5次软件失效，累积故障数8个。此后对测试剖面进行了修正，进入阶段B，又进行了320次测试，共发生3次失效，累积故障数5个。PhaseB测试结束后测试覆盖率达到96.73%。将时刻=438视为变点，分析这组测试数据，并应用最小二乘法估计参数值，计算得到软件可靠性估计:R（x|t）=0.9805。

4 结束语

该NCU系统设计在提高可靠性上采取了多种技术手段。首先采用高集成度硬件方案简化电路，增加了硬件可靠性;其次通过软件模块化设计，简化软件体系，易于测试与修改，提高软件可靠性;在软件功能模块的具体实现上，大量应用有限状态机的架构设计，使其结构简单、逻辑清晰，进一步提高软件可靠性。目前，基于该设计的NCU已经在不同多址方式的SCPC/DAMA、CDMA/DAMA卫通系统中应用，运行稳定可靠，通用性好，易于移植。经工程使用验证，实现了设计目标。

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