卫星通信中心站在资源池化架构下的系统可靠性分析*

苌敬辉，刘爱军，董超颖，邱文静，高志祥

（1.中国人民解放军陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

0 引 言

卫星通信中心站是卫星通信系统中的一类核心站型，既是负责网系管理的网控站，也是提供地面网络接入功能的网关站。相较于其他终端站型，它具有更强大的组网能力、更完备的装备体系、更丰富的设备资源，同时担负频谱监测、资源分配、入网测试以及培训指导等多种业务职能。

中心站系统架构的可靠性是衡量中心站性能的重要功能指标之一，是影响整个卫星通信系统正常运作与所属用户通信体验的关键因素。随着任务保障的不断增多、职能地位的不断加重，如何保证中心站系统架构具有较高的可靠性已成为人们日益关注的焦点。

1 卫星通信中心站现状

1.1 现有系统架构的基本情况

为实现较高的集成度和综合化的业务能力，目前大部分的卫星调制解调器厂家都会采用高集成度、一体化独立机箱的设计，将调制解调、编译码、业务接口以及加解密等功能模块进行集中放置。这种调制解调器具有较强的综合业务能力和较高的通用性，接入相应的射频设备即可适用于固定站、车载站、舰载站以及机载站等多种搭载平台。

目前，卫星中心站也多采用这种一体化机箱式的调制解调器，在设备建设安装、研发定型等方面获得便利的同时，使得站内的各射频天线、调制解调器以及业务终端等功能模块之间存在较为固定的连接关系与较强的耦合性，通常需要通过特定的线缆连接与参数设置来实现站内各通信链路的功能设定与模式规划，进而使中心站形成了一种“烟囱”式的系统架构[1]，如图1所示。这种“烟囱”式的系统架构不仅不利于站内设备资源的高效利用，还会对整个系统运行的可靠性造成较大影响。

图1 卫星通信中心现有的系统架构

1.2 现有系统架构存在的问题

在中心站现有系统架构下的调制解调器机箱，通常具有着高度集成化和相互独立的特点，其内部的各组成元器件均处于固定连接与高度集成的状态，可能会对中心站系统架构的可靠性带来不良影响。

（1）调制解调器各功能模块的串联关系增大了故障概率。现有的调制解调器机箱内部高度集成了众多的功能模块与业务接口，使得大部分功能模块、接口均处于串联的结构。在这种串联的结构下，任何一个单点故障都将可能造成中心站内整个机箱、整条通信链路的失效。

（2）调制解调器各功能模块缺少冗余各份机制。在冗余备份方面，调制解调器机箱内部的各模块间不存在备份接替的功能与机制，只能通过增加整备份机箱、特定切换开关的方式来提高中心站的系统可靠性。这种方式需要中心站对各个卫星系统、各类型号的调制解调器都购置安装一定数量的备份设备，不仅无法对故障率较高的功能模块进行针对性的备份，还大大增加了备份成本，占用了更多的机柜空间。

（3）调制解调器各功能模块的高集成度不利于设备故障维修。当调解调器遇到故障时，其机箱内部众多功能模块与业务接口的高度集成状态将十分不利于维护人员对故障节点进行定位判断，也无法自主地进行排查或更换故障硬件模块。当调制解调器出现故障告警时，中心站通常只能将整个机箱送厂维修。这不仅使得故障设备的维修流程变得复杂、维修周期冗长，也使得厂家的售后负担不断加重，维修效率降低。按照一般经验，从办理手续、送修至厂家寄回，一般需要2周左右的时间。而对于国外设备，以现用的ComtechEFData、休斯公司调制解调器为参考，如遇到国内无可换的元器件，维修耗时可能会多达1个月甚至以上。

2 采用资源池化的系统架构方案

在中心站的现有系统架构下，虽然不同网系、不同厂家的调制解调器在具体的功能与用途方面各有差异，但其机箱内部的功能模块基本相同。按照通信功能，可以将调制解调器内的功能模块划分数字化处理、信号处理和业务接口3个部分。其中，数字化处理部分主要用于中频信号的模数转换与频谱搬移；信号处理部分主要用于对数字信号的星座映射、接收判决、信道编译码以及信息加解密；业务接口部分则主要用于提供特定线缆接口与信源编译码，以实现信息数据与信源信宿之间的A/D和D/A变换。另外，机箱内部各功能模块的硬件平台也具有较强的通用性，基本由FPGA、DSP等可编程逻辑器件来具体承载，并可通过加载不同的应用程序来实现各种调制解调、编译码方式的动态切换与参数变更。

基于卫星调制解调器功能组成的相似性与硬件平台的通用性，可以将其数字化处理、信号处理以及业务接口等具有相同用途和功能的硬件单元进行模块化、标准化、通用化处理，以组成可以共用的“资源池”系统，从而为中心站构建出一种基于资源池化的系统架构[2]（如图2所示），降低设备间的耦合性，增强设备使用的灵活性。这种基于设备资源池化的中心站架构具有以下特点：解除了原有调制解调器机箱内数字化处理、信号处理、业务接口等器件之间的绑定关系，能够根据任务的需求实时对各类资源池内的设备资源进行动态分配、灵活调度、即时释放；通过加载不同预存程序的方式，可以完成硬件平台多种通信功能之间的切换，实现硬件平台的共享共用，为维修替换与扩容升级提供便利；相应的资源监控系统还将能够对池内资源进行状态评估、故障检测、备份切换与自动休眠，保证各资源池工作运行的高效稳定。

3 两种系统架构可靠性的对比分析

3.1 可靠性分析模型

旁联系统模型是在实际工程中应用较为广泛的一种可靠性模型，多用于武器、航天等可靠性需求较高的系统[3]。该系统通常由n个元件、1个故障检测与切换装置组成（如图3所示），其中1个为主用元件，n-1个为备用元件。当主用元件发生故障时，故障检测与切换装置即可实现主备元件之间的动态替换，且只有当n个单元同时发生故障时，整系统才会失效。

旁联系统一般可分为冷备份、热备份和温备份3种方式。其中，在冷备份方式下，系统的备份元件将处于非工作状态，即失效率为0；在热备份方式下，系统的备份元件处于工作状态，即失效率与主用元件的失效率相同；在温备份方式下，系统的备份单元处于半工作状态，即失效率非0但小于主用元件的失效率。另外，可以按照备份元件的失效率是否为0作为标准，将冷备份方式称为理想的旁联系统，将热备份方式和温备份方式称为非理想的旁联系统。假设一个旁联系统中存在n个元件，每个元件的可靠性为R(t)=e-λt，则理想旁联系统与非理想旁R联系统的计算公式为：

图2 基于资源池化技术的中心站系统架构

其中λ为主用元件的故障率，λd为备用元件的故障率[4]。

图3 旁联系统模型

3.2 典型应用场景下的可靠性对比分析

下面将应用旁联系统的模型，按照1:1备份、1:n备份两种典型的使用模式，分别对这两种系统架构的可靠性进行对比分析。

3.2.1 调制解调器1:1备份使用下的可靠性分析

（1）应用场景

针对远洋船只、驻外机构等保障等级高、数量少的用户，中心站通常会综合配置成本与利用效率，为其所使用的调制解调器设备采用1:1的备份方案，即为其通信链路提供主备两台调制解调器进行服务保障，以具备较高的可靠性与稳定性。

（2）可靠性模型

在1:1备份模式下，可以对两种系统架构建立相应的可靠性模型（如图4所示），并按照理想旁联与非理想旁联、原有架构与池化架构4种情况进行讨论。

①在原有系统架构下构建理想旁联系统

假设原有系统架构中调制解调器内的数字化处理模块、信号处理模块、接口模块的故障率分别为λ1、λ2、λ3。为便于仿真分析，假设中频模块、基带处理模块、接口模块的故障相同，均为λ（λd为非理想状态下备份设备待机时的故障率），从而可得理想旁联系统下中心站原有系统架构的可靠性模型：

图4 两种系统架构在1:1备份方案下的可靠性模型

②在池化系统架构下构建理想旁联系统，同上，可得：

③在原有系统架构下构建非理想旁联系统：

④在池化系统架构下构建理想旁联系统：

（3）仿真分析

目前，中心站大部分调制解调器设备设计的最大寿命为15年。在没有经验数据积累的情况下，计划将各元件的平均故障时间等效为最大寿命时间，即可得平均故障率为7 600 Fit。对于备份元件，其故障率在未知的情况下，可设为主用元件工作时故障率的10%[4]，即λd=760 Fit。基于上述参数，可在理想（冷备份）、非理想（温备份、热备份）的旁联模型下，得到如图5所示的对比结果及其相关结论。

①随着工作时间的推移，各类系统的可靠性均逐渐下降，符合设备可靠性随工作时间的变化规律；

②不管是池化架构与原有架构，还是理想与非理想状态，1:1旁联的系统架构可靠性均高于单个机箱设备的可靠性，可提升系统的可靠；

③理想的旁联系统可靠性高于非理想旁联系统的可靠性。这主要是由于理想旁联属于冷备份模式，即备份设备的故障率通常会默认为0。但是，实际应用中，冷备份设备需要切换至工作状态后才可完成主备设备的接替功能，其时效性相对较低；

④从图5中可看出，理想与非理想旁联模型下，池化架构的可靠性均高于原有的系统架构。

图5 在1:1备份方案下的可靠性仿真结果

3.2.2 调制解调器1:n备份使用下的可靠性分析

（1）应用场景

该场景主要针对用户与中心站间业务试线、地面网接入、实验验收等临时性通信任务，即中心站空闲的调制解调器设备都可为用户提供服务。相当于除了1路主用传输线路外，中心站剩余的n条线路均可作为备份使用。

（2）可靠性模型

在1:n备份模式下，可以对新旧两种系统架构建立相应的可靠性模型（如图6所示），并按照理想旁联与非理想旁联、原有架构与池化架构4种情况进行讨论。

①在原有系统架构下构建理想旁联系统：

②在池化系统架构下构建理想旁联系统：

③在原有系统架构下构建非理想旁联系统：

④在池化系统架构下构建理想旁联系统：

（3）仿真分析

同样，将各元件的平均故障率设为7 600 Fit，备份元件故障率设为760 Fit。假设设备已运行了7.5年（最大寿命的一半），可得到如图7所示的仿真结果及其相关结论。

图6 两种系统架构在1:N备份方案下的可靠性模型

图7 在1:N备份方案下的可靠性仿真结果

①随着备份设备数量的增多，各类系统的可靠性均逐渐上升，但可靠性的增长速率在逐渐减少。尤其是备份设备数量达到7个以上时，不论何种备份方式均无法进一步提升可靠性。所以，备份设备所需配置的数量不是越多越好，应结合可靠性与经济性两个方面进行综合考虑；

②与1:1备份相同，理想的旁联系统可靠性高于非理想旁联系统的可靠性；

③通过图7可以看出，在备份设备数量相同的条件下，池化系统架构的可靠性均高于原有的系统架构。

4 结 语

资源池化技术是降低设备间耦合性、增强使用灵活性的一种有效手段，目前已广泛应用于C-RAN和中继卫星通信系统（The Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）架构[5-6]，是中心站在后续建设改造中可以借鉴参考的关键技术之一。本文主要针对中心站现存的主要问题，介绍了一种基于资源池化的系统架构，并且参考旁联系统的数学模型，对新旧两种架构的可靠性进行对比分析。从对比结果可以看出，资源池化的系统架构在提高设备资源使用效率和灵活程度的同时，能够为中心站提供更完善的冗余备份模式和更高的可靠性。