衛星通信中心站在資源池化架構下的系統可靠性分析*

萇敬輝，劉愛軍，董超穎，邱文靜，高志祥

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引 言

衛星通信中心站是衛星通信系統中的一類核心站型，既是負責網系管理的網控站，也是提供地面網絡接入功能的網關站。相較于其他終端站型，它具有更強大的組網能力、更完備的裝備體系、更豐富的設備資源，同時擔負頻譜監測、資源分配、入網測試以及培訓指導等多種業務職能。

中心站系統架構的可靠性是衡量中心站性能的重要功能指標之一，是影響整個衛星通信系統正常運作與所屬用戶通信體驗的關鍵因素。隨著任務保障的不斷增多、職能地位的不斷加重，如何保證中心站系統架構具有較高的可靠性已成為人們日益關注的焦點。

1 衛星通信中心站現狀

1.1 現有系統架構的基本情況

為實現較高的集成度和綜合化的業務能力，目前大部分的衛星調制解調器廠家都會采用高集成度、一體化獨立機箱的設計，將調制解調、編譯碼、業務接口以及加解密等功能模塊進行集中放置。這種調制解調器具有較強的綜合業務能力和較高的通用性，接入相應的射頻設備即可適用于固定站、車載站、艦載站以及機載站等多種搭載平臺。

目前，衛星中心站也多采用這種一體化機箱式的調制解調器，在設備建設安裝、研發定型等方面獲得便利的同時，使得站內的各射頻天線、調制解調器以及業務終端等功能模塊之間存在較為固定的連接關系與較強的耦合性，通常需要通過特定的線纜連接與參數設置來實現站內各通信鏈路的功能設定與模式規劃，進而使中心站形成了一種“煙囪”式的系統架構[1]，如圖1所示。這種“煙囪”式的系統架構不僅不利于站內設備資源的高效利用，還會對整個系統運行的可靠性造成較大影響。

圖1 衛星通信中心現有的系統架構

1.2 現有系統架構存在的問題

在中心站現有系統架構下的調制解調器機箱，通常具有著高度集成化和相互獨立的特點，其內部的各組成元器件均處于固定連接與高度集成的狀態，可能會對中心站系統架構的可靠性帶來不良影響。

（1）調制解調器各功能模塊的串聯關系增大了故障概率。現有的調制解調器機箱內部高度集成了眾多的功能模塊與業務接口，使得大部分功能模塊、接口均處于串聯的結構。在這種串聯的結構下，任何一個單點故障都將可能造成中心站內整個機箱、整條通信鏈路的失效。

（2）調制解調器各功能模塊缺少冗余各份機制。在冗余備份方面，調制解調器機箱內部的各模塊間不存在備份接替的功能與機制，只能通過增加整備份機箱、特定切換開關的方式來提高中心站的系統可靠性。這種方式需要中心站對各個衛星系統、各類型號的調制解調器都購置安裝一定數量的備份設備，不僅無法對故障率較高的功能模塊進行針對性的備份，還大大增加了備份成本，占用了更多的機柜空間。

（3）調制解調器各功能模塊的高集成度不利于設備故障維修。當調解調器遇到故障時，其機箱內部眾多功能模塊與業務接口的高度集成狀態將十分不利于維護人員對故障節點進行定位判斷，也無法自主地進行排查或更換故障硬件模塊。當調制解調器出現故障告警時，中心站通常只能將整個機箱送廠維修。這不僅使得故障設備的維修流程變得復雜、維修周期冗長，也使得廠家的售后負擔不斷加重，維修效率降低。按照一般經驗，從辦理手續、送修至廠家寄回，一般需要2周左右的時間。而對于國外設備，以現用的ComtechEFData、休斯公司調制解調器為參考，如遇到國內無可換的元器件，維修耗時可能會多達1個月甚至以上。

2 采用資源池化的系統架構方案

在中心站的現有系統架構下，雖然不同網系、不同廠家的調制解調器在具體的功能與用途方面各有差異，但其機箱內部的功能模塊基本相同。按照通信功能，可以將調制解調器內的功能模塊劃分數字化處理、信號處理和業務接口3個部分。其中，數字化處理部分主要用于中頻信號的模數轉換與頻譜搬移；信號處理部分主要用于對數字信號的星座映射、接收判決、信道編譯碼以及信息加解密；業務接口部分則主要用于提供特定線纜接口與信源編譯碼，以實現信息數據與信源信宿之間的A/D和D/A變換。另外，機箱內部各功能模塊的硬件平臺也具有較強的通用性，基本由FPGA、DSP等可編程邏輯器件來具體承載，并可通過加載不同的應用程序來實現各種調制解調、編譯碼方式的動態切換與參數變更。

基于衛星調制解調器功能組成的相似性與硬件平臺的通用性，可以將其數字化處理、信號處理以及業務接口等具有相同用途和功能的硬件單元進行模塊化、標準化、通用化處理，以組成可以共用的“資源池”系統，從而為中心站構建出一種基于資源池化的系統架構[2]（如圖2所示），降低設備間的耦合性，增強設備使用的靈活性。這種基于設備資源池化的中心站架構具有以下特點：解除了原有調制解調器機箱內數字化處理、信號處理、業務接口等器件之間的綁定關系，能夠根據任務的需求實時對各類資源池內的設備資源進行動態分配、靈活調度、即時釋放；通過加載不同預存程序的方式，可以完成硬件平臺多種通信功能之間的切換，實現硬件平臺的共享共用，為維修替換與擴容升級提供便利；相應的資源監控系統還將能夠對池內資源進行狀態評估、故障檢測、備份切換與自動休眠，保證各資源池工作運行的高效穩定。

3 兩種系統架構可靠性的對比分析

3.1 可靠性分析模型

旁聯系統模型是在實際工程中應用較為廣泛的一種可靠性模型，多用于武器、航天等可靠性需求較高的系統[3]。該系統通常由n個元件、1個故障檢測與切換裝置組成（如圖3所示），其中1個為主用元件，n-1個為備用元件。當主用元件發生故障時，故障檢測與切換裝置即可實現主備元件之間的動態替換，且只有當n個單元同時發生故障時，整系統才會失效。

旁聯系統一般可分為冷備份、熱備份和溫備份3種方式。其中，在冷備份方式下，系統的備份元件將處于非工作狀態，即失效率為0；在熱備份方式下，系統的備份元件處于工作狀態，即失效率與主用元件的失效率相同；在溫備份方式下，系統的備份單元處于半工作狀態，即失效率非0但小于主用元件的失效率。另外，可以按照備份元件的失效率是否為0作為標準，將冷備份方式稱為理想的旁聯系統，將熱備份方式和溫備份方式稱為非理想的旁聯系統。假設一個旁聯系統中存在n個元件，每個元件的可靠性為R(t)=e-λt，則理想旁聯系統與非理想旁R聯系統的計算公式為：

圖2 基于資源池化技術的中心站系統架構

其中λ為主用元件的故障率，λd為備用元件的故障率[4]。

圖3 旁聯系統模型

3.2 典型應用場景下的可靠性對比分析

下面將應用旁聯系統的模型，按照1:1備份、1:n備份兩種典型的使用模式，分別對這兩種系統架構的可靠性進行對比分析。

3.2.1 調制解調器1:1備份使用下的可靠性分析

（1）應用場景

針對遠洋船只、駐外機構等保障等級高、數量少的用戶，中心站通常會綜合配置成本與利用效率，為其所使用的調制解調器設備采用1:1的備份方案，即為其通信鏈路提供主備兩臺調制解調器進行服務保障，以具備較高的可靠性與穩定性。

（2）可靠性模型

在1:1備份模式下，可以對兩種系統架構建立相應的可靠性模型（如圖4所示），并按照理想旁聯與非理想旁聯、原有架構與池化架構4種情況進行討論。

①在原有系統架構下構建理想旁聯系統

假設原有系統架構中調制解調器內的數字化處理模塊、信號處理模塊、接口模塊的故障率分別為λ1、λ2、λ3。為便于仿真分析，假設中頻模塊、基帶處理模塊、接口模塊的故障相同，均為λ（λd為非理想狀態下備份設備待機時的故障率），從而可得理想旁聯系統下中心站原有系統架構的可靠性模型：

圖4 兩種系統架構在1:1備份方案下的可靠性模型

②在池化系統架構下構建理想旁聯系統，同上，可得：

③在原有系統架構下構建非理想旁聯系統：

④在池化系統架構下構建理想旁聯系統：

（3）仿真分析

目前，中心站大部分調制解調器設備設計的最大壽命為15年。在沒有經驗數據積累的情況下，計劃將各元件的平均故障時間等效為最大壽命時間，即可得平均故障率為7 600 Fit。對于備份元件，其故障率在未知的情況下，可設為主用元件工作時故障率的10%[4]，即λd=760 Fit。基于上述參數，可在理想（冷備份）、非理想（溫備份、熱備份）的旁聯模型下，得到如圖5所示的對比結果及其相關結論。

①隨著工作時間的推移，各類系統的可靠性均逐漸下降，符合設備可靠性隨工作時間的變化規律；

②不管是池化架構與原有架構，還是理想與非理想狀態，1:1旁聯的系統架構可靠性均高于單個機箱設備的可靠性，可提升系統的可靠；

③理想的旁聯系統可靠性高于非理想旁聯系統的可靠性。這主要是由于理想旁聯屬于冷備份模式，即備份設備的故障率通常會默認為0。但是，實際應用中，冷備份設備需要切換至工作狀態后才可完成主備設備的接替功能，其時效性相對較低；

④從圖5中可看出，理想與非理想旁聯模型下，池化架構的可靠性均高于原有的系統架構。

圖5 在1:1備份方案下的可靠性仿真結果

3.2.2 調制解調器1:n備份使用下的可靠性分析

（1）應用場景

該場景主要針對用戶與中心站間業務試線、地面網接入、實驗驗收等臨時性通信任務，即中心站空閑的調制解調器設備都可為用戶提供服務。相當于除了1路主用傳輸線路外，中心站剩余的n條線路均可作為備份使用。

（2）可靠性模型

在1:n備份模式下，可以對新舊兩種系統架構建立相應的可靠性模型（如圖6所示），并按照理想旁聯與非理想旁聯、原有架構與池化架構4種情況進行討論。

①在原有系統架構下構建理想旁聯系統：

②在池化系統架構下構建理想旁聯系統：

③在原有系統架構下構建非理想旁聯系統：

④在池化系統架構下構建理想旁聯系統：

（3）仿真分析

同樣，將各元件的平均故障率設為7 600 Fit，備份元件故障率設為760 Fit。假設設備已運行了7.5年（最大壽命的一半），可得到如圖7所示的仿真結果及其相關結論。

圖6 兩種系統架構在1:N備份方案下的可靠性模型

圖7 在1:N備份方案下的可靠性仿真結果

①隨著備份設備數量的增多，各類系統的可靠性均逐漸上升，但可靠性的增長速率在逐漸減少。尤其是備份設備數量達到7個以上時，不論何種備份方式均無法進一步提升可靠性。所以，備份設備所需配置的數量不是越多越好，應結合可靠性與經濟性兩個方面進行綜合考慮；

②與1:1備份相同，理想的旁聯系統可靠性高于非理想旁聯系統的可靠性；

③通過圖7可以看出，在備份設備數量相同的條件下，池化系統架構的可靠性均高于原有的系統架構。

4 結 語

資源池化技術是降低設備間耦合性、增強使用靈活性的一種有效手段，目前已廣泛應用于C-RAN和中繼衛星通信系統（The Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）架構[5-6]，是中心站在后續建設改造中可以借鑒參考的關鍵技術之一。本文主要針對中心站現存的主要問題，介紹了一種基于資源池化的系統架構，并且參考旁聯系統的數學模型，對新舊兩種架構的可靠性進行對比分析。從對比結果可以看出，資源池化的系統架構在提高設備資源使用效率和靈活程度的同時，能夠為中心站提供更完善的冗余備份模式和更高的可靠性。