基于UDP协议的卫星用户地面站维护平台的设计及可靠性研究

康蕾蕾　刘玉豪　郑晓哲

【摘要】 卫星用户地面站作为卫星应急通信设备具有使用方便、组网灵活的特点。本文针对这些特点设计出了具有快速配置、可靠传输的维护平台。文中介绍了卫星用户地面站维护平台的接口、基本功能、通信协议以及通信流程。

【关键词】 卫星应急通信 维护台 UDP 可靠通信

一、引言

当突发灾害发生的时候，常规的地面通信设备或者系统就会遭到严重破坏，卫星应急通信系统将能够确保关键信息的传输，使上级能够根据灾情进行有效的指挥，从而拯救更多的生命和财产。卫星应急通信的特点是：具有开通时间短、传输距离远、通信容量较大、网络部署快、组网方式灵活、可以实现数据的双向传输。卫星应急通信系统如图1所示。

二、基于UDP协议的卫星用户地面站维护平台的设计

2.1 需求分析

本课题主要针对卫星应急通信的特点来设计维护平台。当地震导致常规地面通信遭到严重破坏时，可以把卫星用户地面站拿过来，作为与卫星通信的交换机，这里就需要一个维护台来配置这个卫星用户地面站，让其快速的进入工作状态，例如对槽号、话路号的优先级、卫星呼出权、CO中继权、会议召集权等参数的快速配置，从而确保关键信息的及时传输。

2.2 接口要求

卫星用户地面站和维护台之间通过TCP/IP协议通信，物理层采用以太网接口。UDP协议作为传输协议，消息数据作为UDP的净荷。

2.3 基本功能

配置管理功能：完成用户属性、会议和卫星模块的配置功能，并具备配置数据单独文件生成和加载功能；状态监控：监视用户站的各种工作状态，并能完成对用户站的自检和自检结果处理功能；计费功能：完成呼叫记录的获取、存储、检索和计费功能；配置数据导出功能：完成从用户站配置获取数据，并具有配置数据单独生成配置文件功能；多用户站管理：维护台能够管理多个用户站，根据用户站ID选择对应的数据，但同一时刻只管理一个用户站。

2.4 通信协议的格式

消息的组成如表1所示，每条消息以数据帧的格式采用FLAG封装，每一条消息以标志字符（FLAG）开始和结束，A字段为链路层净荷的长度，C字段为一个序号，用于完成消息的可靠传输。CRC字段是一个循环冗余的检验码，以检测数据帧中的错误。

三、卫星用户地面站与维护台的可靠通信流程

3.1 识别

因为UDP协议本身是面向无连接的，而本协议中加入的识别机制则解决了这一不可靠因素，使连接更快速，更有目的性。本过程完成通信双方之间的识别，获得双方的IP地址。通信采用广播（广播地址为255.255.255.255）形式。目的地址均为广播地址，源地址为发送方的IP地址。识别过程如下图2。

3.2 双线程

维护平台后台启用两个线程，分为控制线程与数据线程。采用双线程机制，即两个线程采用不同的容错策略。控制线程在成功进行握手后便由数据线程来接手数据的传输，中间还需要数据端口发送链路保活消息，直至数据传输结束，整个过程中的所有检测消息和数据传输均采用表1所描述的消息结构。

3.3 链路通断检测

使用Keep-Alive保活消息，用于链路的通断检测。保活信息及数据消息收发所用端口为：初始化收发序号均为0，状态均为DOWN，KEEP_ALIVE的周期为3秒，连续3次KEEP_ALIVE发送后，对方无响应认为链路DOWN，并且清除队列，暂停保活定时、等待新的连接，否则发送新的保活报文。

3.4 停等待机制

链路在UP状态下，采用改进的停等待机制。此机制能保证消息传送的有序、不重复、防丢包，使接收方收到准确无误的消息。发送时在没有收到响应消息前，不能进行下一条消息发送，。接收时对于相同序号的消息只处理第一次条，其它的只进行确认响应。通信双方各自维护自己的序号C字段，范围为0～127循环，接收到消息并确认正确后，将序号C字段的第7位置为1，组成响应帧发送给对方，并记录当前接收的对端序号C字段的值，如果再次收到同样序号C字段的消息只进行响应而不处理。

四、维护台界面的测试

4.1 识别

维护平台上加入识别连接界面，进行与卫星用户地面站的数据通信，能达到快速识别，以便于对其进行快速配置。利用本维护平台目前能达到快速识别和连接到卫星用户地面站。点击搜索按钮，客户端会发出广播消息，用户站收到此消息后会给出响应消息，然后客户端通过对收到的响应消息进行分析，得到用户站的IP地址和设备ID号，并显示在窗体中。如图3所示。

4.2 保活

点击连接按钮，则线程回归到主窗体中，主窗体上的信息栏会显示“连接到用户站：121.193.211.138”。如果连接中间出现断开情况，则信息栏会给出“失去与用户站（121.193.211.138）的联系，请重新进行设备识别”的提示，客户机应进行设备的重新识别和通信连接的建立。

4.3 维护台功能模块的实现

维护台通过以太网连接于用户站连接，通过发送广播包搜索设备，等1秒后，确认是否有连接的用户站，如果有多个用户站响应，选择一个作为当前设备，根据汇报的设备ID，选择其对应的数据库进行工作。

五、结论

对于卫星用户地面站和维护台之间的可靠通信，本文加入了一些机制，使可靠性得到了保证。对于维护台的设计以简单、实用为原则，实现其要求的基本功能，能够实现快速投入使用、快速配置卫星用户地面站。随着问题研究的深入，在数据传输过程中，速率和可靠性之间存在的矛盾将是接下来要解决的问题。

参 考 文 献

[1] 王毳. 卫星数据接收站中网络协议的应用. 中国电子科技集团公司第五十四研究所，2009，39（4）：50-52.

[2] 丹尼斯罗迪著，张更新，刘爱军，张杭等译. 卫星通信[M]. 北京：人民邮电出版社，2002.