基于UDP協議的衛星用戶地面站維護平臺的設計及可靠性研究

康蕾蕾　劉玉豪　鄭曉哲

【摘要】 衛星用戶地面站作為衛星應急通信設備具有使用方便、組網靈活的特點。本文針對這些特點設計出了具有快速配置、可靠傳輸的維護平臺。文中介紹了衛星用戶地面站維護平臺的接口、基本功能、通信協議以及通信流程。

【關鍵詞】 衛星應急通信 維護臺 UDP 可靠通信

一、引言

當突發災害發生的時候，常規的地面通信設備或者系統就會遭到嚴重破壞，衛星應急通信系統將能夠確保關鍵信息的傳輸，使上級能夠根據災情進行有效的指揮，從而拯救更多的生命和財產。衛星應急通信的特點是：具有開通時間短、傳輸距離遠、通信容量較大、網絡部署快、組網方式靈活、可以實現數據的雙向傳輸。衛星應急通信系統如圖1所示。

二、基于UDP協議的衛星用戶地面站維護平臺的設計

2.1 需求分析

本課題主要針對衛星應急通信的特點來設計維護平臺。當地震導致常規地面通信遭到嚴重破壞時，可以把衛星用戶地面站拿過來，作為與衛星通信的交換機，這里就需要一個維護臺來配置這個衛星用戶地面站，讓其快速的進入工作狀態，例如對槽號、話路號的優先級、衛星呼出權、CO中繼權、會議召集權等參數的快速配置，從而確保關鍵信息的及時傳輸。

2.2 接口要求

衛星用戶地面站和維護臺之間通過TCP/IP協議通信，物理層采用以太網接口。UDP協議作為傳輸協議，消息數據作為UDP的凈荷。

2.3 基本功能

配置管理功能：完成用戶屬性、會議和衛星模塊的配置功能，并具備配置數據單獨文件生成和加載功能；狀態監控：監視用戶站的各種工作狀態，并能完成對用戶站的自檢和自檢結果處理功能；計費功能：完成呼叫記錄的獲取、存儲、檢索和計費功能；配置數據導出功能：完成從用戶站配置獲取數據，并具有配置數據單獨生成配置文件功能；多用戶站管理：維護臺能夠管理多個用戶站，根據用戶站ID選擇對應的數據，但同一時刻只管理一個用戶站。

2.4 通信協議的格式

消息的組成如表1所示，每條消息以數據幀的格式采用FLAG封裝，每一條消息以標志字符（FLAG）開始和結束，A字段為鏈路層凈荷的長度，C字段為一個序號，用于完成消息的可靠傳輸。CRC字段是一個循環冗余的檢驗碼，以檢測數據幀中的錯誤。

三、衛星用戶地面站與維護臺的可靠通信流程

3.1 識別

因為UDP協議本身是面向無連接的，而本協議中加入的識別機制則解決了這一不可靠因素，使連接更快速，更有目的性。本過程完成通信雙方之間的識別，獲得雙方的IP地址。通信采用廣播（廣播地址為255.255.255.255）形式。目的地址均為廣播地址，源地址為發送方的IP地址。識別過程如下圖2。

3.2 雙線程

維護平臺后臺啟用兩個線程，分為控制線程與數據線程。采用雙線程機制，即兩個線程采用不同的容錯策略。控制線程在成功進行握手后便由數據線程來接手數據的傳輸，中間還需要數據端口發送鏈路保活消息，直至數據傳輸結束，整個過程中的所有檢測消息和數據傳輸均采用表1所描述的消息結構。

3.3 鏈路通斷檢測

使用Keep-Alive保活消息，用于鏈路的通斷檢測。保活信息及數據消息收發所用端口為：初始化收發序號均為0，狀態均為DOWN，KEEP_ALIVE的周期為3秒，連續3次KEEP_ALIVE發送后，對方無響應認為鏈路DOWN，并且清除隊列，暫停保活定時、等待新的連接，否則發送新的保活報文。

3.4 停等待機制

鏈路在UP狀態下，采用改進的停等待機制。此機制能保證消息傳送的有序、不重復、防丟包，使接收方收到準確無誤的消息。發送時在沒有收到響應消息前，不能進行下一條消息發送，。接收時對于相同序號的消息只處理第一次條，其它的只進行確認響應。通信雙方各自維護自己的序號C字段，范圍為0～127循環，接收到消息并確認正確后，將序號C字段的第7位置為1，組成響應幀發送給對方，并記錄當前接收的對端序號C字段的值，如果再次收到同樣序號C字段的消息只進行響應而不處理。

四、維護臺界面的測試

4.1 識別

維護平臺上加入識別連接界面，進行與衛星用戶地面站的數據通信，能達到快速識別，以便于對其進行快速配置。利用本維護平臺目前能達到快速識別和連接到衛星用戶地面站。點擊搜索按鈕，客戶端會發出廣播消息，用戶站收到此消息后會給出響應消息，然后客戶端通過對收到的響應消息進行分析，得到用戶站的IP地址和設備ID號，并顯示在窗體中。如圖3所示。

4.2 保活

點擊連接按鈕，則線程回歸到主窗體中，主窗體上的信息欄會顯示“連接到用戶站：121.193.211.138”。如果連接中間出現斷開情況，則信息欄會給出“失去與用戶站（121.193.211.138）的聯系，請重新進行設備識別”的提示，客戶機應進行設備的重新識別和通信連接的建立。

4.3 維護臺功能模塊的實現

維護臺通過以太網連接于用戶站連接，通過發送廣播包搜索設備，等1秒后，確認是否有連接的用戶站，如果有多個用戶站響應，選擇一個作為當前設備，根據匯報的設備ID，選擇其對應的數據庫進行工作。

五、結論

對于衛星用戶地面站和維護臺之間的可靠通信，本文加入了一些機制，使可靠性得到了保證。對于維護臺的設計以簡單、實用為原則，實現其要求的基本功能，能夠實現快速投入使用、快速配置衛星用戶地面站。隨著問題研究的深入，在數據傳輸過程中，速率和可靠性之間存在的矛盾將是接下來要解決的問題。

參 考 文 獻

[1] 王毳. 衛星數據接收站中網絡協議的應用. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，2009，39（4）：50-52.

[2] 丹尼斯羅迪著，張更新，劉愛軍，張杭等譯. 衛星通信[M]. 北京：人民郵電出版社，2002.