基于OPNET的改进星上总线架构建模与仿真

吴 悦，刘 彬，李国通

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050；2.上海微小卫星工程中心 上海 201203）

基于OPNET的改进星上总线架构建模与仿真

吴 悦1，2，刘 彬2，李国通1，2

（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050；2.上海微小卫星工程中心 上海 201203）

针对传统总线架构难以满足大量星间数据传输场景下的时延约束的问题，文章利用路径优化（Route Optimization）的方法，提出了一种改进的星上总线架构方案。改进的卫星系统采用多级总线的拓扑结构，选用上下两条1553B总线构成连接各分系统的主干网，上总线负责高性能、高可靠的星务数据采集与管理，下总线负责高实时、高速率的星间链路数据存储与转发，分系统内部选用全双工RS-422串口通信线。构建了基于OPNET的仿真验证平台，采用分层次的设计思想，对卫星系统分别建立了仿真的网络模型、节点模型和进程模型，利用事件轮询（Event Loop）的运行机制，实现了1553B总线和RS-422串口通信协议的仿真。仿真结果表明，改进的总线架构方案平均包时延减少了27.6%，最大包时延降低了42.4%，并具有更强的适应性和扩展性，可应对速率更高的星间链路。

卫星；1553B总线；仿真；OPNET

随着有效载荷种类的日益增多和星间链路传输速率的提高，对星内数据流传输的时效性和可靠性提出了更高的要求，采用单一总线的卫星系统架构已经不能满足任务的需求。数据总线技术是航天电子系统的关键核心技术之一，为飞行器各电子设备之间的信息交换提供高速“实时”高可靠的通信链路[1]。选择合适的总线标准，改善数据总线应用的标准设计，是卫星数据总线的未来发展方向[2]。

目前国内航天领域的数据总线以 MIL-STD-1553B为主，主要用于控制管理，有些卫星上使用 IEEE1394或者SpaceWire用于高速数据传输[3]。针对大数据量、复杂数据环境下星上数据处理的可靠性和实时性问题，文献[4]优化设计了星上总线网络，星内采用SpaceWire总线，利用虫洞路由机制，非阻塞数据包交换时延在0.5 μs以下。文献[5]提出了基于1553B总线和SpaceWire总线的高低速星载混合网络系统，星载设备内总线采用双CompactPCI总线设计，能够适应有效载荷增加，并达到即插即用的目的。高速光纤总线技术在欧洲空间局（ESA）和美国航空航天局（NASA）均得到了应用，NASA的EO-1卫星上也采用SFODB光纤高速数据总线[6]，ESA在国际空间站中采用光纤介质的千兆以太网[7]。

文中以某型号卫星为应用背景，分析了现有卫星系统架构中总线方案的特点，针对其不能满足时延约束的问题，提出了一种改进的总线方案。改进的卫星系统采用两层网络结构的形式，第一层采用上下两条1553B总线，是连接各分系统的主干网，第二层选用RS-422全双工串行通信线，负责分系统内部的数据传输。为了验证方案的有效性，文中利用OPNET进行仿真建模，分别建立了仿真的网络模型、节点模型和进程模型，采用事件轮询（Event Loop）的运行机制，实现了1553B总线和RS-422串口通信协议的仿真。仿真结果表明，提出的优化方案能够可提高信息传输的实时性，改善网络流量的负载均衡，满足空间任务的需求。

1 系统架构

1.1 单级总线系统架构

某型号卫星的系统架构如图1所示，使用一条双冗余的1553B总线将各分系统连接在一起，以星载计算机为核心单机，完成星上信息处理、单机控制与管理、星上时间同步与保持、有效载荷功能业务支持等主要功能。这种总线的拓扑结构简单，适用于有效载荷数量少、网络通信数据量小的航天系统。

图1 某卫星系统单级总线架构A

根据卫星系统全球组网建设的需求，现空间任务增加星间链路相关的两条信息流，并对其提出了时延要求，如表1所示。任务还要求每条总线的最大负载限制在60%以下，保留40%吞吐量的余量用于扩充。

表1 星间链路信息流的时延约束

理论上1553B数据总线上信息传输总能力应为1 MB/s，考虑到典型的总线控制协议，实际的最大负载约为理论值的80%[8]。如果总线上长时间出现大量的消息需要发送，将造成信息传输的时延增大，甚至传输的失败。总线负载的计算公式如下：

式（1）中Lbus为总线负载，Td为总线传输的信息量，包括数据字、状态字和命令字，Tm为总线激活时间内最大可能信息传输量[9]。某卫星的星间链路信息速率最高为100 kbps，这部分数据将使总线负载增加13.6%左右。

信息流的时延可以看成传输时延和处理时延之和，对于现有的系统架构A，信息流从有效载荷A到高性能运算单元的时延计算公式如下：

式（2）中 Ti为数据包创建时的仿真时间，Tp为任务处理机的工作周期，Tw为等待时延，与任务处理机的周期和总线周期有关，Tq为排队时延，随着业务量的增大，排队时延也会增大，Td为消息传输时延，m为消息的条数。Td的具体计算公式如下：

式（3）中TC为指令字的传输时间，TS为状态字的传输时间，TD为数据字的传输时间，n为数据字的个数，TR为消息响应时间，TG为消息间隔时间[10]。实际开发中，星载计算机的总线周期为1 s，任务处理机工作周期Tp≤0.2，Tw的取值范围为[0，1-Tp]，Td×m为0.007左右，因此延迟D1的平均值为+1.557，最大值为Tqmax+2.097。

信息流从高性能运算单元到任务处理机的时延计算公式如下：

式（4）中Tw为等待时延，Tq为排队时延，Td为消息传输时延，m为消息的条个数。Tw的取值范围为[0，1]，Td×m为0.003左右，因此延迟 D2的平均值为最大值为 Tqmax+ 1.003。根据上述对现有架构A信息流时延的分析可以发现，现有的系统架构已经不能满足任务要求。

1.2 多级总线系统架构

为了提高信息传输的实效性，降低总线负载，可以采用增加带宽（Increasing Bandwidth）和路径优化（Route Optimization）的方法。例如，使用高速总线（如Space Wire、千兆以太网或光纤通道）提高信道的带宽，以降低信息的传输时延。但由于星载计算机总线周期的限制，降低传输时延对总时延的改善是有限的。

为此文中采用路径优化的方法，将不同的数据进行分流，通过不同的传输路径，降低了信息的总体时延，并引导总线的负载均衡。改进的卫星系统架构B如图2所示，采用上下两级1553B总线的拓扑结构，上总线负责高性能、高可靠的星务数据采集与管理，下总线负责高实时、高速率的星间链路数据存储与转发，分系统内部采用全双工的RS-422通信线。减小总线周期可以降低数据等待时延Tw，因此下总线采用方式命令矢量字的工作方式，下总线的周期即为BC发送方式命令字的周期。

对于改进后系统架构B，从有效载荷A到高性能运算单元的信息流时延计算公式如下：

式（5）与式（2）相比，增加了方式命令字的传输时延为Tm，大小为20 μs。设下总线的周期为Tc（Tc≤Tp），Tw的取值范围为[Tm，Min（|Tp×k-Tc×n|）+Tm]，因此当 Tc为 Tp的约数时，Tw的最大值最小。在这种情况下，延迟D3的平均值为最大值为Tqmax+2Tp+1。

图2 卫星系统多级总线系统架构B

从高性能运算单元到任务处理机的信息流时延计算公式如下：

式（6）与式（4）相比少了等待时延 Tw，Td×m为 0.003左右，因此延迟D4的平均值为，最大值为Tqmax+0.003。为了进一步对多级总线的方案进行验证，文中利用OPNET仿真平台，对两种卫星系统架构进行建模仿真和分析对比。

2 仿真模型设计

OPNET将建模过程分成3个层次，对卫星系统分别建立网络（Network）模型、节点（Node）模型和进程（Process）模型[11]。与一般单一层次的建模方法相比，分层次的建模方法使仿真模型层次清晰，简化了模型设计的方法[12]。

2.1 卫星系统网络模型

网络层是3个层次中的最上层，将节点之间互相连接组成网络，可以在这里运行仿真并查看仿真结果[13]。根据上述卫星系统架构方案，使用OPNET网络建模软件中的项目编辑器，建立改进的卫星系统网络模型。使用链路模型编辑器可以创建一个自定义的总线型链路模型，其中管道阶段（Pipeline Stage）使用默认总线模型。

2.2 1553B协议仿真节点模型

节点层使用不同的模块来描述节点对象的不同行为，将一个节点按业务和功能分解成不同的进程模块。1553B总线按指令/响应的方式异步操作，总线上以消息包的形式传输信息，而每一个消息包都由命令字、数据字或状态字组合而成，所有消息传输都由总线控制器（BC）发出的指令控制，相关终端（RT）对指令给予回答/响应[14]。

以高性能运算单元为例，它包含一个总线控制器（BC）和一个远程终端（RT），使用OPNET软件建立其节点模型如图3所示。节点的具体功能可以分为：信源模块（data_src）：模拟星间链路数据的产生；数据转发模块（data_route）：将接收到的星间链路数据转发到相应的处理模块；总线控制器模块（bc_proc）：维护同步消息和异步消息队列，产生并发送命令字、数据字，接收并解析状态字、数据字；远程终端模块（rt_proc）：接收并解析命令字，发送相应的状态字和数据字；CSMA模块（csma_bc，csma_rt）：进行总线的忙和冲突检测；1553B收发模块（1553_rcv，1553_tx）：收发总线上的数据包。

图3 高性能运算单元节点模型

2.3 1553B协议仿真进程模型

进程模型实现节点内部每个模块的具体功能，由有限状态机（FSM）表示，在有限状态机的状态和转移条件中可以使用C/C++代码对具体的行为进行定义。在高性能运算单元节点内部，除了1553B收发模块，其他的模块都存在进程模型。

节点BC进程模型设计如图4所示，包含3个强制状态和3个非强制状态。各个状态的具体功能分别为：初始化状态（init）：初始化相关的总线表、消息队列、分段重组缓存区、状态变量和全局变量；空闲状态（idle）：当前没有事件需要处理；挂起状态（pause）：发送完一个控制字后，程序进入挂起状态，等待一个状态字的到来，在接收到相应状态字之后，根据控制字中的T/R字段来确定程序是回到空闲状态，还是转移到数据字接收状态；数据字接收状态（rcv_data）：接收RT发送的数据字，当所有数据字都接收完毕，这一轮的通信完成，进入空闲状态，并触发事件轮询中断；事件轮询状态（event_loop）：查询消息队列，取出优先级最高的消息，发送对应的控制字，进入下一轮的通信，直到消息队列为空，进入空闲状态。

节点RT进程模型设计如图5所示，包含3个强制状态和3个非强制状态。各个状态的具体功能分别为：初始化状态（init）：初始化相关的分段重组缓存区、状态变量和全局变量；空闲状态（idle）：当前没有事件需要处理；处理时延状态（proc_delay）：模拟远程终端处理命令字所需要的响应时间；接收命令字状态（command_rcv）：对收到的命令字进行合法性判断，若不合法则回到空闲状态，若合法则根据其T/R字段判断进入数据接收还是发送状态； 数据接收状态（data_rcv）：接收BC发送的数据字，当所有数据字都接收完毕， 发送一个状态字并回到空闲状态； 数据发送状态（data_send）：发送一个状态字和若干数据字，发送完毕后，回到空闲状态。当RT需要发送数据给BC时，则将状态字上的服务请求字段（SERVICE REQUEST）置1，或在矢量字中相应的子地址字段置1，表明该子地址有消息需要发送。

图4 节点BC的进程模型

图5 节点RT的进程模型

3 仿真结果分析

利用设计好的仿真模型，设定运控、测控和星间链路的输入条件，对卫星系统进行了实时仿真。在实际系统模型中，一般都是假定消息的到达是服从泊松（Poisson）分布的[15]。卫星系统外部接口信息速率如表2所示，数据包产生的间隔时间为指数分布（泊松过程）。

表2 卫星系统外部接口信息速率

1553B总线仿真的基本参数为：星载计算机总线周期1 s，消息间隔50 μs，响应时间12 μs，误码率10-8。总线上各种消息的长度和周期如表3所示。

表3 总线上消息长度和周期

3.1 下总线周期

对于多级总线系统架构，信息流从有效载荷A到高性能运算单元的平均时延与下总线的周期有关。经过理论分析和仿真可知，下总线周期Tc为处理机工作周期Tp的约数时，平均时延最小。设定不同Tc（Tp=Tc），得出平均时延、总线负载与下总线周期Tc的关系如图6和图7所示。

从图6和图7可以看出，总线周期越小，总线负载越大，这是由于发送方式命令矢量字带来的开销越大引起的；而总线的周期越大，从有效载荷A到高性能运算单元的平均时延越大，这是由于传输过程中等待时延越大引起的。因此，在下总线周期的选取上，需综合考虑平均时延和总线负载两种因素权衡选取，在文中的设计场景下，下总线周期和任务处理机的工作周期选取100 ms比较合适。

3.2 两种总线架构比较

表4的仿真结果表明，当星间链路速率达到100 kbps时，系统架构A已经超过任务要求的60%最高负载限制。改进的系统架构B采用上下两条总线的结构，下总线负责星间链路数据存储与转发，减轻了原本就很繁忙的上总线的负载压力。

从图8可以看出，改进的系统架构B的平均时延比系统架构A更小，从有效载荷A到高性能运算单元的平均时延从1.604降低到1.161，平均时延性能改善27.6%，并且能够满足任务提出的时延约束要求，最大包时延从 2.107降低到1.214，性能改善42.4%。从图9可以看出，随着星间链路速率的提升，系统架构A的时延性能迅速恶化，而系统架构B能始终保持较低时延，说明架构B具有更强的适应性和扩展性，可应对星间链路速率的变化。

图6 平均时延与总线周期的关系

图7 总线负载与总线周期的关系

表4 卫星系统的总线负载比较

图8 两种总线架构的平均时延比较

图9 星间链路速率与平均时延关系

4 结束语

文中结合实际工程，根据任务中的数据传输需求，优化了星内总线系统，并利用OPNET建模软件进行了仿真验证。仿真结果表明，本文提出的总线优化方案是切实可行的，能够满足任务要求的平均时延和最大总线负载，并且系统具有更强的适应性和扩展性，可进一步指导工程方案的设计。

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Modeling and simulation of an improved bus architecture based on OPNET

WU Yue1，2，LIU Bin2，LI Guo-tong1，2
（1.Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology，Chinese Academy of Science，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Engineering Center for Micro-satellite，Shanghai 201203，China）

We proposedimproved bus architecture for a large number of satellite data transmission scenarios using route optimization method.Improved satellite system uses a multi-stage bus topology；two up and down 1553B bus connecting various subsystems on thesatellite and constitute the backbone network.The upperbus takes charge ofcollecting and processing highperformance，high-reliability satellite traffic data.The lower bus is responsible forstorage and retransmission of high real time and high speed inter-satellite link data.Payload subsystem uses full duplex RS-422 serial port communication subsystem thread.Based on OPNET simulation software，using hierarchical designideologywe constructed a satellite real time simulation platform.In this platform，we implementedsimulation of 1553B bus and RS-422 serial communication protocol using event loopoperation mechanism.The simulation results show that the improved bus architecturereduce average packet delay of 27.6% and decreasethe maximum packet delay of 42.4%compared to traditionalarchitecture.Moreover，the improved bus architecture hasstronger adaptability and expansibilityin case ofultra-high speedinter-satellite link.

satellite；1553B bus；simulation；OPNET

TN99

A

1674－6236（2016）23-0042-05

2015-12-08稿件编号：201512077

吴 悦（1992—），女，江苏扬州人，硕士研究生。研究方向：卫星导航技术。