基于OPNET的改進星上總線架構建模與仿真

吳 悅，劉 彬，李國通

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海200050；2.上海微小衛星工程中心 上海 201203）

基于OPNET的改進星上總線架構建模與仿真

吳 悅1，2，劉 彬2，李國通1，2

（1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 上海200050；2.上海微小衛星工程中心 上海 201203）

針對傳統總線架構難以滿足大量星間數據傳輸場景下的時延約束的問題，文章利用路徑優化（Route Optimization）的方法，提出了一種改進的星上總線架構方案。改進的衛星系統采用多級總線的拓撲結構，選用上下兩條1553B總線構成連接各分系統的主干網，上總線負責高性能、高可靠的星務數據采集與管理，下總線負責高實時、高速率的星間鏈路數據存儲與轉發，分系統內部選用全雙工RS-422串口通信線。構建了基于OPNET的仿真驗證平臺，采用分層次的設計思想，對衛星系統分別建立了仿真的網絡模型、節點模型和進程模型，利用事件輪詢（Event Loop）的運行機制，實現了1553B總線和RS-422串口通信協議的仿真。仿真結果表明，改進的總線架構方案平均包時延減少了27.6%，最大包時延降低了42.4%，并具有更強的適應性和擴展性，可應對速率更高的星間鏈路。

衛星；1553B總線；仿真；OPNET

隨著有效載荷種類的日益增多和星間鏈路傳輸速率的提高，對星內數據流傳輸的時效性和可靠性提出了更高的要求，采用單一總線的衛星系統架構已經不能滿足任務的需求。數據總線技術是航天電子系統的關鍵核心技術之一，為飛行器各電子設備之間的信息交換提供高速“實時”高可靠的通信鏈路[1]。選擇合適的總線標準，改善數據總線應用的標準設計，是衛星數據總線的未來發展方向[2]。

目前國內航天領域的數據總線以 MIL-STD-1553B為主，主要用于控制管理，有些衛星上使用 IEEE1394或者SpaceWire用于高速數據傳輸[3]。針對大數據量、復雜數據環境下星上數據處理的可靠性和實時性問題，文獻[4]優化設計了星上總線網絡，星內采用SpaceWire總線，利用蟲洞路由機制，非阻塞數據包交換時延在0.5 μs以下。文獻[5]提出了基于1553B總線和SpaceWire總線的高低速星載混合網絡系統，星載設備內總線采用雙CompactPCI總線設計，能夠適應有效載荷增加，并達到即插即用的目的。高速光纖總線技術在歐洲空間局（ESA）和美國航空航天局（NASA）均得到了應用，NASA的EO-1衛星上也采用SFODB光纖高速數據總線[6]，ESA在國際空間站中采用光纖介質的千兆以太網[7]。

文中以某型號衛星為應用背景，分析了現有衛星系統架構中總線方案的特點，針對其不能滿足時延約束的問題，提出了一種改進的總線方案。改進的衛星系統采用兩層網絡結構的形式，第一層采用上下兩條1553B總線，是連接各分系統的主干網，第二層選用RS-422全雙工串行通信線，負責分系統內部的數據傳輸。為了驗證方案的有效性，文中利用OPNET進行仿真建模，分別建立了仿真的網絡模型、節點模型和進程模型，采用事件輪詢（Event Loop）的運行機制，實現了1553B總線和RS-422串口通信協議的仿真。仿真結果表明，提出的優化方案能夠可提高信息傳輸的實時性，改善網絡流量的負載均衡，滿足空間任務的需求。

1 系統架構

1.1 單級總線系統架構

某型號衛星的系統架構如圖1所示，使用一條雙冗余的1553B總線將各分系統連接在一起，以星載計算機為核心單機，完成星上信息處理、單機控制與管理、星上時間同步與保持、有效載荷功能業務支持等主要功能。這種總線的拓撲結構簡單，適用于有效載荷數量少、網絡通信數據量小的航天系統。

圖1 某衛星系統單級總線架構A

根據衛星系統全球組網建設的需求，現空間任務增加星間鏈路相關的兩條信息流，并對其提出了時延要求，如表1所示。任務還要求每條總線的最大負載限制在60%以下，保留40%吞吐量的余量用于擴充。

表1 星間鏈路信息流的時延約束

理論上1553B數據總線上信息傳輸總能力應為1 MB/s，考慮到典型的總線控制協議，實際的最大負載約為理論值的80%[8]。如果總線上長時間出現大量的消息需要發送，將造成信息傳輸的時延增大，甚至傳輸的失敗。總線負載的計算公式如下：

式（1）中Lbus為總線負載，Td為總線傳輸的信息量，包括數據字、狀態字和命令字，Tm為總線激活時間內最大可能信息傳輸量[9]。某衛星的星間鏈路信息速率最高為100 kbps，這部分數據將使總線負載增加13.6%左右。

信息流的時延可以看成傳輸時延和處理時延之和，對于現有的系統架構A，信息流從有效載荷A到高性能運算單元的時延計算公式如下：

式（2）中 Ti為數據包創建時的仿真時間，Tp為任務處理機的工作周期，Tw為等待時延，與任務處理機的周期和總線周期有關，Tq為排隊時延，隨著業務量的增大，排隊時延也會增大，Td為消息傳輸時延，m為消息的條數。Td的具體計算公式如下：

式（3）中TC為指令字的傳輸時間，TS為狀態字的傳輸時間，TD為數據字的傳輸時間，n為數據字的個數，TR為消息響應時間，TG為消息間隔時間[10]。實際開發中，星載計算機的總線周期為1 s，任務處理機工作周期Tp≤0.2，Tw的取值范圍為[0，1-Tp]，Td×m為0.007左右，因此延遲D1的平均值為+1.557，最大值為Tqmax+2.097。

信息流從高性能運算單元到任務處理機的時延計算公式如下：

式（4）中Tw為等待時延，Tq為排隊時延，Td為消息傳輸時延，m為消息的條個數。Tw的取值范圍為[0，1]，Td×m為0.003左右，因此延遲 D2的平均值為最大值為 Tqmax+ 1.003。根據上述對現有架構A信息流時延的分析可以發現，現有的系統架構已經不能滿足任務要求。

1.2 多級總線系統架構

為了提高信息傳輸的實效性，降低總線負載，可以采用增加帶寬（Increasing Bandwidth）和路徑優化（Route Optimization）的方法。例如，使用高速總線（如Space Wire、千兆以太網或光纖通道）提高信道的帶寬，以降低信息的傳輸時延。但由于星載計算機總線周期的限制，降低傳輸時延對總時延的改善是有限的。

為此文中采用路徑優化的方法，將不同的數據進行分流，通過不同的傳輸路徑，降低了信息的總體時延，并引導總線的負載均衡。改進的衛星系統架構B如圖2所示，采用上下兩級1553B總線的拓撲結構，上總線負責高性能、高可靠的星務數據采集與管理，下總線負責高實時、高速率的星間鏈路數據存儲與轉發，分系統內部采用全雙工的RS-422通信線。減小總線周期可以降低數據等待時延Tw，因此下總線采用方式命令矢量字的工作方式，下總線的周期即為BC發送方式命令字的周期。

對于改進后系統架構B，從有效載荷A到高性能運算單元的信息流時延計算公式如下：

式（5）與式（2）相比，增加了方式命令字的傳輸時延為Tm，大小為20 μs。設下總線的周期為Tc（Tc≤Tp），Tw的取值范圍為[Tm，Min（|Tp×k-Tc×n|）+Tm]，因此當 Tc為 Tp的約數時，Tw的最大值最小。在這種情況下，延遲D3的平均值為最大值為Tqmax+2Tp+1。

圖2 衛星系統多級總線系統架構B

從高性能運算單元到任務處理機的信息流時延計算公式如下：

式（6）與式（4）相比少了等待時延 Tw，Td×m為 0.003左右，因此延遲D4的平均值為，最大值為Tqmax+0.003。為了進一步對多級總線的方案進行驗證，文中利用OPNET仿真平臺，對兩種衛星系統架構進行建模仿真和分析對比。

2 仿真模型設計

OPNET將建模過程分成3個層次，對衛星系統分別建立網絡（Network）模型、節點（Node）模型和進程（Process）模型[11]。與一般單一層次的建模方法相比，分層次的建模方法使仿真模型層次清晰，簡化了模型設計的方法[12]。

2.1 衛星系統網絡模型

網絡層是3個層次中的最上層，將節點之間互相連接組成網絡，可以在這里運行仿真并查看仿真結果[13]。根據上述衛星系統架構方案，使用OPNET網絡建模軟件中的項目編輯器，建立改進的衛星系統網絡模型。使用鏈路模型編輯器可以創建一個自定義的總線型鏈路模型，其中管道階段（Pipeline Stage）使用默認總線模型。

2.2 1553B協議仿真節點模型

節點層使用不同的模塊來描述節點對象的不同行為，將一個節點按業務和功能分解成不同的進程模塊。1553B總線按指令/響應的方式異步操作，總線上以消息包的形式傳輸信息，而每一個消息包都由命令字、數據字或狀態字組合而成，所有消息傳輸都由總線控制器（BC）發出的指令控制，相關終端（RT）對指令給予回答/響應[14]。

以高性能運算單元為例，它包含一個總線控制器（BC）和一個遠程終端（RT），使用OPNET軟件建立其節點模型如圖3所示。節點的具體功能可以分為：信源模塊（data_src）：模擬星間鏈路數據的產生；數據轉發模塊（data_route）：將接收到的星間鏈路數據轉發到相應的處理模塊；總線控制器模塊（bc_proc）：維護同步消息和異步消息隊列，產生并發送命令字、數據字，接收并解析狀態字、數據字；遠程終端模塊（rt_proc）：接收并解析命令字，發送相應的狀態字和數據字；CSMA模塊（csma_bc，csma_rt）：進行總線的忙和沖突檢測；1553B收發模塊（1553_rcv，1553_tx）：收發總線上的數據包。

圖3 高性能運算單元節點模型

2.3 1553B協議仿真進程模型

進程模型實現節點內部每個模塊的具體功能，由有限狀態機（FSM）表示，在有限狀態機的狀態和轉移條件中可以使用C/C++代碼對具體的行為進行定義。在高性能運算單元節點內部，除了1553B收發模塊，其他的模塊都存在進程模型。

節點BC進程模型設計如圖4所示，包含3個強制狀態和3個非強制狀態。各個狀態的具體功能分別為：初始化狀態（init）：初始化相關的總線表、消息隊列、分段重組緩存區、狀態變量和全局變量；空閑狀態（idle）：當前沒有事件需要處理；掛起狀態（pause）：發送完一個控制字后，程序進入掛起狀態，等待一個狀態字的到來，在接收到相應狀態字之后，根據控制字中的T/R字段來確定程序是回到空閑狀態，還是轉移到數據字接收狀態；數據字接收狀態（rcv_data）：接收RT發送的數據字，當所有數據字都接收完畢，這一輪的通信完成，進入空閑狀態，并觸發事件輪詢中斷；事件輪詢狀態（event_loop）：查詢消息隊列，取出優先級最高的消息，發送對應的控制字，進入下一輪的通信，直到消息隊列為空，進入空閑狀態。

節點RT進程模型設計如圖5所示，包含3個強制狀態和3個非強制狀態。各個狀態的具體功能分別為：初始化狀態（init）：初始化相關的分段重組緩存區、狀態變量和全局變量；空閑狀態（idle）：當前沒有事件需要處理；處理時延狀態（proc_delay）：模擬遠程終端處理命令字所需要的響應時間；接收命令字狀態（command_rcv）：對收到的命令字進行合法性判斷，若不合法則回到空閑狀態，若合法則根據其T/R字段判斷進入數據接收還是發送狀態； 數據接收狀態（data_rcv）：接收BC發送的數據字，當所有數據字都接收完畢， 發送一個狀態字并回到空閑狀態； 數據發送狀態（data_send）：發送一個狀態字和若干數據字，發送完畢后，回到空閑狀態。當RT需要發送數據給BC時，則將狀態字上的服務請求字段（SERVICE REQUEST）置1，或在矢量字中相應的子地址字段置1，表明該子地址有消息需要發送。

圖4 節點BC的進程模型

圖5 節點RT的進程模型

3 仿真結果分析

利用設計好的仿真模型，設定運控、測控和星間鏈路的輸入條件，對衛星系統進行了實時仿真。在實際系統模型中，一般都是假定消息的到達是服從泊松（Poisson）分布的[15]。衛星系統外部接口信息速率如表2所示，數據包產生的間隔時間為指數分布（泊松過程）。

表2 衛星系統外部接口信息速率

1553B總線仿真的基本參數為：星載計算機總線周期1 s，消息間隔50 μs，響應時間12 μs，誤碼率10-8。總線上各種消息的長度和周期如表3所示。

表3 總線上消息長度和周期

3.1 下總線周期

對于多級總線系統架構，信息流從有效載荷A到高性能運算單元的平均時延與下總線的周期有關。經過理論分析和仿真可知，下總線周期Tc為處理機工作周期Tp的約數時，平均時延最小。設定不同Tc（Tp=Tc），得出平均時延、總線負載與下總線周期Tc的關系如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7可以看出，總線周期越小，總線負載越大，這是由于發送方式命令矢量字帶來的開銷越大引起的；而總線的周期越大，從有效載荷A到高性能運算單元的平均時延越大，這是由于傳輸過程中等待時延越大引起的。因此，在下總線周期的選取上，需綜合考慮平均時延和總線負載兩種因素權衡選取，在文中的設計場景下，下總線周期和任務處理機的工作周期選取100 ms比較合適。

3.2 兩種總線架構比較

表4的仿真結果表明，當星間鏈路速率達到100 kbps時，系統架構A已經超過任務要求的60%最高負載限制。改進的系統架構B采用上下兩條總線的結構，下總線負責星間鏈路數據存儲與轉發，減輕了原本就很繁忙的上總線的負載壓力。

從圖8可以看出，改進的系統架構B的平均時延比系統架構A更小，從有效載荷A到高性能運算單元的平均時延從1.604降低到1.161，平均時延性能改善27.6%，并且能夠滿足任務提出的時延約束要求，最大包時延從 2.107降低到1.214，性能改善42.4%。從圖9可以看出，隨著星間鏈路速率的提升，系統架構A的時延性能迅速惡化，而系統架構B能始終保持較低時延，說明架構B具有更強的適應性和擴展性，可應對星間鏈路速率的變化。

圖6 平均時延與總線周期的關系

圖7 總線負載與總線周期的關系

表4 衛星系統的總線負載比較

圖8 兩種總線架構的平均時延比較

圖9 星間鏈路速率與平均時延關系

4 結束語

文中結合實際工程，根據任務中的數據傳輸需求，優化了星內總線系統，并利用OPNET建模軟件進行了仿真驗證。仿真結果表明，本文提出的總線優化方案是切實可行的，能夠滿足任務要求的平均時延和最大總線負載，并且系統具有更強的適應性和擴展性，可進一步指導工程方案的設計。

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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稿件編號：201512077

吳 悅（1992—），女，江蘇揚州人，碩士研究生。研究方向：衛星導航技術。