衛(wèi)星固態(tài)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)容錯(cuò)設(shè)計(jì)與機(jī)制*

宋　琪，鄒業(yè)楠，李　姍，安軍社，朱　巖

(1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心， 北京 100190; 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京　100190)

?

衛(wèi)星固態(tài)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)容錯(cuò)設(shè)計(jì)與機(jī)制*

宋琪1,2，鄒業(yè)楠1,2，李?yuàn)?,2，安軍社1，朱巖1

(1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心， 北京 100190; 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京100190)

摘要：衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性面臨著空間粒子效應(yīng)、信道干擾等多重威脅。 在介紹數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備星載大容量固態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，從管理信息、數(shù)據(jù)位流、星地鏈路、文件傳輸四個(gè)方面構(gòu)建容錯(cuò)機(jī)制，綜合應(yīng)用漢明編譯碼、RS編譯碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼編碼等數(shù)據(jù)檢糾錯(cuò)技術(shù)，增強(qiáng)存儲(chǔ)器管理信息、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、信道傳輸?shù)娜蒎e(cuò)性能。在實(shí)際型號(hào)任務(wù)固態(tài)存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上，結(jié)合CCSDS文件傳輸協(xié)議提出基于自動(dòng)重傳機(jī)制的文件可靠傳輸設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)傳輸全流程的容錯(cuò)性能。固態(tài)存儲(chǔ)器使用多級(jí)流水寫入、總線并行擴(kuò)展等技術(shù)，吞吐率理論上接近900Mbps,容量達(dá)到256Gb。

關(guān)鍵詞：固態(tài)存儲(chǔ)器； 容錯(cuò)機(jī)制； 檢糾錯(cuò)碼； 自動(dòng)重傳請(qǐng)求； CCSDS文件傳輸協(xié)議

隨著國內(nèi)航天事業(yè)發(fā)展水平不斷提高，航天器的有效載荷數(shù)量、種類及任務(wù)形式越來越豐富，空間平臺(tái)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出信源多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣的特點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的技術(shù)水平要求不斷提高。存儲(chǔ)器是航天器數(shù)傳、數(shù)管系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。基于半導(dǎo)體工藝固態(tài)存儲(chǔ)器(Solid State Recorder, SSR)具有抗震、容量大、技術(shù)儲(chǔ)備豐富[1]的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為航天器存儲(chǔ)設(shè)備主流。而基于NAND Flash的大容量固態(tài)存儲(chǔ)器則具有存儲(chǔ)密度高、功耗低、非易失的特點(diǎn)，競(jìng)爭力強(qiáng)[2]。商用Flash存儲(chǔ)器一般采用硬盤管理技術(shù)加Flash轉(zhuǎn)換層(Flash Translation Layer, FTL)的結(jié)構(gòu)，可以直接處理串行高級(jí)技術(shù)附件(Serial Advanced Technology Attachment, SATA)命令[3]，但管理復(fù)雜、接口速率存在瓶頸，不適合航天任務(wù)。航天用SSR一般采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)直接控制存儲(chǔ)介質(zhì)，提高接口吞吐率，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，使用多級(jí)流水、總線擴(kuò)展技術(shù)，以便獲得更高的性能和可靠性。

國內(nèi)的衛(wèi)星任務(wù)使用過多次基于同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM)、DARM[4]的SSR，近年來以Flash為主[5]。NASA的Landsat7[6]和后續(xù)2012年的LDCM[7]項(xiàng)目都使用了基于SDRAM的SSR，形成了較為成熟的數(shù)傳系統(tǒng)。當(dāng)前，如果沒有半導(dǎo)體技術(shù)革命性的進(jìn)展，單個(gè)SSR很難保持容量快速提升，現(xiàn)階段對(duì)SSR的研究以文件管理和數(shù)傳系統(tǒng)綜合研究為主。

SSR的設(shè)計(jì)使用較為復(fù)雜[8]。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)際工作模式和需求，介紹基于Flash的星載固態(tài)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)，分析數(shù)據(jù)容錯(cuò)機(jī)制。為保證任務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性，針對(duì)Flash存儲(chǔ)介質(zhì)可能產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)[9]和介質(zhì)退化效應(yīng)，采用漢明碼保護(hù)存儲(chǔ)器的管理信息，使用交織深度為4的RS編解碼保護(hù)數(shù)據(jù)位流。數(shù)據(jù)下行時(shí)采用低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low Density Parity Check Code, LDPC)編碼提高星地鏈路信噪比。同時(shí)在實(shí)際型號(hào)固態(tài)存儲(chǔ)器平臺(tái)和類文件化管理基礎(chǔ)上，結(jié)合CCSDS文件傳輸協(xié)議[10](CCSDS File Delivery Protocol, CFDP)，研究自動(dòng)重傳(Automatic Repeat-reQuest, ARQ)機(jī)制下的文件傳輸容錯(cuò)。錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正(Error Detection And Correction, EDAC)技術(shù)與ARQ策略的綜合使用，提高了存儲(chǔ)器的管理信息、數(shù)據(jù)位流、星地鏈路、文件傳輸四個(gè)方面的數(shù)據(jù)容錯(cuò)性能。

1衛(wèi)星SSR的設(shè)計(jì)及應(yīng)用工作模式

1.1基于Flash的固態(tài)存儲(chǔ)器基本設(shè)計(jì)

衛(wèi)星固態(tài)存儲(chǔ)器采用FPGA作為控制器，配有CPU地址管理軟件，其架構(gòu)如圖1所示。FPGA中例化1553B遠(yuǎn)程終端IP核[11]進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)吞吐率理論上接近900 Mbps，容量128 Gb/256 Gb/512 Gb可選。

圖1　衛(wèi)星固態(tài)存儲(chǔ)器單板架構(gòu)Fig.1　SSR structure

Flash芯片工作頻率最大為40 MHz，寫入需要300 μs～700 μs編程時(shí)間，應(yīng)用實(shí)測(cè)為400 μs～500 μs，四級(jí)流水寫入可保證整體上無中斷寫入。四倍總線并行擴(kuò)展將數(shù)據(jù)位寬從8位擴(kuò)展為32位，將4頁Flash空間視為一個(gè)整體“簇”統(tǒng)一操作。對(duì)于壞塊管理，包括初始?jí)膲K、編程壞塊、擦除失敗壞塊[12-13]，初始?jí)膲K不納入使用。編程壞塊則馬上將下一塊作為替代塊重新寫入數(shù)據(jù)。擦除失敗塊將被標(biāo)示為初始無效塊等效處理。

1.2類文件化數(shù)據(jù)分區(qū)管理

傳統(tǒng)存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)順序存儲(chǔ)，按存儲(chǔ)地址、時(shí)間進(jìn)行索引。為了提高數(shù)據(jù)的訪問效率，減輕下行信道壓力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)類文件化管理。

如表1所示，F(xiàn)lash使用時(shí)將簇使用信息寫入空余區(qū)。FPGA根據(jù)簇信息組織塊信息表送往CPU，CPU以此為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)管理，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)更新。

表1　簇內(nèi)地址內(nèi)容分配表

數(shù)據(jù)寫入流程如圖2所示，數(shù)據(jù)的分區(qū)與物理地址的映射由CPU管理，數(shù)據(jù)流的處理由FPGA實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)器主控FPGA后，經(jīng)合路RS編碼，進(jìn)入外置SDRAM分通道緩存。外部緩存的通道與分區(qū)一一對(duì)應(yīng)。

圖2　數(shù)據(jù)寫入流程Fig.2　Process of data writing

1.3數(shù)傳系統(tǒng)工作模式

數(shù)傳系統(tǒng)是固態(tài)存儲(chǔ)器的工作平臺(tái)，其工作模式和流程，是數(shù)據(jù)可靠性研究的基本條件。

隨著有效載荷數(shù)量和數(shù)據(jù)量的急速增大，分布式、集群式等新的高級(jí)存儲(chǔ)架構(gòu)必然需要存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)容量均衡功能，其架構(gòu)如圖3所示。高級(jí)均衡模式可應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)容量均衡、異地備份等情景，存儲(chǔ)器內(nèi)的分區(qū)數(shù)據(jù)視作文件，在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間按照CFDP協(xié)議進(jìn)行文件傳輸,將舊有數(shù)據(jù)部分搬移到另一存儲(chǔ)單板或存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上。

圖3　高級(jí)存儲(chǔ)架構(gòu)示意圖Fig.3　Advanced SSR structure diagram

2容錯(cuò)機(jī)制的設(shè)計(jì)及分析

容錯(cuò)機(jī)制從數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)入手，綜合采用EDAC技術(shù)，保護(hù)管理信息、數(shù)據(jù)位流、星地鏈路，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)的文件化管理，研究CFDP可靠傳輸技術(shù)，保護(hù)文件傳輸。

2.1基于漢明碼的存儲(chǔ)管理信息容錯(cuò)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器的管理信息存放于Flash的空余區(qū)，管理信息在軌可能受單粒子效應(yīng)等影響產(chǎn)生錯(cuò)誤，漢明碼能夠有效提高管理信息的可靠性。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過程中，F(xiàn)PGA自動(dòng)在空余區(qū)加載各簇的“簇標(biāo)識(shí)字”。為避免長時(shí)間儲(chǔ)存單粒子翻轉(zhuǎn)，采用速度快易實(shí)現(xiàn)的(12,8)漢明碼進(jìn)行保護(hù)，能夠通過解碼糾正8位數(shù)據(jù)中的單個(gè)錯(cuò)誤[14]。設(shè)原碼信息位為B0～B7，增添的編碼校驗(yàn)位為Q0～Q3，選用校驗(yàn)矩陣為

(1)

根據(jù)

HCT=0T

(2)

則校驗(yàn)位為：

(3)

當(dāng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上電初始化或者復(fù)位時(shí)，F(xiàn)PGA遍歷存儲(chǔ)空間所有空余區(qū)，讀取簇標(biāo)識(shí)字及與其對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)位R0～R11，根據(jù)校驗(yàn)矩陣得伴隨向量S為

(4)

則可知伴隨向量對(duì)應(yīng)的出錯(cuò)位置對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2　漢明碼譯碼查表

若只估算單粒子翻轉(zhuǎn)，邏輯器件低軌出現(xiàn)位錯(cuò)的概率量級(jí)為10-7位/d，中軌的量級(jí)為10-6位/d[15]。以此為前提進(jìn)行測(cè)算結(jié)論如圖4所示。

圖4　誤比特率Fig.4　Bit error rate

2.2基于RS編解碼的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)位流容錯(cuò)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)位流在衛(wèi)星平臺(tái)上可能受到單粒子效應(yīng)、結(jié)構(gòu)干擾出錯(cuò)，RS編解碼具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，能夠提高數(shù)據(jù)位流的可靠性。

2.2.1交織RS方案

在Flash空間中可能發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)造成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)位出錯(cuò)，而且介質(zhì)外置緩存、Flash的I/O接口干擾也有可能帶來突發(fā)錯(cuò)誤。為了保護(hù)數(shù)據(jù)，在寫入Flash之前進(jìn)行RS編碼，讀出Flash時(shí)進(jìn)行解碼糾錯(cuò)，RS編碼結(jié)構(gòu)如圖5所示。

設(shè)計(jì)采用的RS(256,252)技術(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)RS(255,252)碼的基礎(chǔ)上增添一個(gè)校驗(yàn)碼拓展而來，每個(gè)碼字由 8 bit組成，將標(biāo)準(zhǔn)RS檢二糾一性能[16]提升到檢二糾二，但代價(jià)是當(dāng)錯(cuò)誤碼字多于2個(gè)時(shí)，它不能嚴(yán)格標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤。RS編碼交織有利于將錯(cuò)誤離散化，采用交織深度為4的編碼方案。待存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換為32 位，相同字節(jié)位置的連續(xù)252 Byte作為碼塊的信息元，經(jīng)編碼后增加4個(gè)校驗(yàn)碼元。

圖5　RS編碼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　RS encoding process

2.2.2RS編譯碼算法簡介

RS(256,252)碼的生成多項(xiàng)式為

P(x)=x8+x4+x3+x2+1

(5)

設(shè)編碼后的碼字為

C=[c255c254c253…c2c1c0]

(6)

其中C3，C2，C1為按照RS(255,252)碼生成的對(duì)應(yīng)編碼信息的一般校驗(yàn)位，C0是擴(kuò)展奇偶校驗(yàn)位。設(shè)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤向量為E，則最終讀出得到的碼字V為C與E的模和。

訪問數(shù)據(jù)時(shí)，從Flash讀取出來后，經(jīng)譯碼送往輸出緩存，經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后從節(jié)點(diǎn)出口輸出。譯碼時(shí)計(jì)算出E后，與V進(jìn)行模和，完成糾錯(cuò)。

V+E=C+E+E=C

(7)

求解錯(cuò)誤向量E首先需要計(jì)算伴隨向量S。

設(shè)α是生成多項(xiàng)式P(x)=0的本原元，則所需校驗(yàn)矩陣為

(8)

所以S=(S0S1S2S3)=VgHT

(9)

(10)

同時(shí)可得輔助譯碼參數(shù)

(11)

譯碼策略如表3所示。

表3　RS譯碼策略

若只估算單粒子翻轉(zhuǎn)，半導(dǎo)體介質(zhì)低軌出現(xiàn)位錯(cuò)的概率量級(jí)為10-8位/d，中軌的量級(jí)為10-7位/d[16]。以此測(cè)算結(jié)論，如圖6所示。

圖6　RS碼誤組率Fig.6　RS frame error rate

2.3基于LDPC編碼的星地鏈路容錯(cuò)設(shè)計(jì)

星地鏈路傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)弱、噪聲大，LDPC能夠有效提高星地鏈路信道信噪比。

當(dāng)衛(wèi)星過境時(shí)，實(shí)時(shí)/延時(shí)數(shù)據(jù)將經(jīng)過LDPC編碼后下行至地面。LDPC具有稀疏矩陣，信道增益強(qiáng)，理論上接近香農(nóng)限，基于可信傳播的迭代譯碼與信道容量只有零點(diǎn)幾個(gè)dB的差距。迭代譯碼較為復(fù)雜，需要大量的計(jì)算和緩存資源，在星上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)譯碼比較困難，一般由地面接收進(jìn)行譯碼。CCSDS推薦近地通信使用基于LDPC(8176, 7156)改進(jìn)的LDPC (8160, 7136)碼，兩者的性能相差無幾，但后者的編碼長度是32的整數(shù)倍，更有利于保證數(shù)據(jù)傳輸格式的完整，也便于計(jì)算機(jī)處理。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用LDPC (8160, 7136)增強(qiáng)星地通信可靠性，具體流程如下：

1)接收存儲(chǔ)器來的7136 bits數(shù)據(jù)，在之后補(bǔ)充18個(gè)‘0’，得到7154 bits序列。

2)LDPC校驗(yàn)矩陣由32個(gè)511×511的循環(huán)方陣Aij組成

(12)

CCSDS給出了標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)矩陣，可得包含有28個(gè)循環(huán)矩陣Bij的7154×8176生成矩陣G。

(13)

3) 7154 bits經(jīng)生成矩陣得到8176 bits序列，去掉頭部的18個(gè)‘0’，在尾部增添兩個(gè)‘0’，得到8160 bits的序列，即為編碼后的序列。

LDPC能夠獲得的信噪比增益與迭代譯碼的迭代次數(shù)有關(guān)。CCSDS給出了較為豐富的測(cè)試結(jié)果[17]。在同等信噪比下，50次迭代譯碼復(fù)雜度高，但誤碼率較10次迭代有明顯降低。

2.4基于CFDP的文件傳輸容錯(cuò)ARQ策略

提高數(shù)據(jù)可靠性，不僅需要糾錯(cuò)、抗噪，對(duì)數(shù)據(jù)格式完整性的保護(hù)同樣重要，使用CFDP可靠傳輸模式能夠有效提高文件傳輸可靠性。

當(dāng)前我國星上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸均采用位流的形式，對(duì)存儲(chǔ)管理而言數(shù)據(jù)訪問模式單一，僅能通過指定存儲(chǔ)地址或指定之間進(jìn)行訪問，導(dǎo)致訪問效率低，管理程度差。特別是航天任務(wù)數(shù)據(jù)越來越多越來越復(fù)雜，而星地鏈路卻非常有限的情況下，急需提升數(shù)據(jù)綜合管理技術(shù)。CCSDS推薦的CFDP協(xié)議是一種針對(duì)大誤碼率、大延時(shí)鏈路可靠數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸沒有實(shí)現(xiàn)保證數(shù)據(jù)完整性的機(jī)制，所有數(shù)據(jù)按比特流順序傳輸完成，即意味著傳輸完畢。CFDP支持?jǐn)?shù)據(jù)丟失重傳，針對(duì)不同數(shù)據(jù)對(duì)完整性的要求不同，按要求完成數(shù)據(jù)傳輸。

CFDP協(xié)議單元實(shí)體接收到傳輸文件的指令后，將待發(fā)送文件分為若干數(shù)據(jù)包封裝成PDU。發(fā)送方首先發(fā)送元數(shù)據(jù)包MPDU，包括本次事務(wù)ID號(hào)、源文件名、目的文件名、文件大小等參數(shù)，通知接收方開始傳輸文件，然后發(fā)送文件數(shù)據(jù)PDU。發(fā)送完畢之后，發(fā)送一個(gè)文件結(jié)束數(shù)據(jù)包。不需握手，減少了傳輸時(shí)延和帶寬資源的浪費(fèi)。如果接收方接收到了標(biāo)有新的ID的文件數(shù)據(jù)單元，代表一個(gè)新的事務(wù)開始。CFDP每一個(gè)PDU都含有一個(gè)特殊的字段，標(biāo)明該P(yáng)DU在待傳文件中的起始偏移地址，接收方通過校驗(yàn)接收到的PDU的序列字段判斷哪些PDU發(fā)送失敗。

對(duì)于可靠文件傳輸，CFDP應(yīng)用丟失檢測(cè)重傳機(jī)制來保證文件的完整性和正確性[18]，事件流如圖7所示。與傳統(tǒng)ARQ相比，接收端僅對(duì)傳輸出錯(cuò)的PDU向發(fā)送方傳送否定確認(rèn)信息NAK而不是確認(rèn)信息ACK，ACK確認(rèn)信息只用于文件結(jié)尾和結(jié)束。文件傳輸過程一般分為文件傳輸檢測(cè)過程和文件延時(shí)檢測(cè)過程，在文件發(fā)送完畢后再進(jìn)入文件延時(shí)檢測(cè)階段，從而降低協(xié)議信令。

圖7　CFDP可靠傳輸事件流Fig.7　Events stream of CFDP reliable transmission mode

3結(jié)論

衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有著獨(dú)特的工作模式，其傳輸速度、數(shù)據(jù)可靠性等性能需要SSR整體配合。SSR數(shù)據(jù)傳輸處理采用多種EDAC組合提高數(shù)據(jù)可靠性。在實(shí)際型號(hào)任務(wù)SSR設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)類文件管理和文件傳輸容錯(cuò)機(jī)制展開進(jìn)一步研究，以期不斷提高技術(shù)應(yīng)用水平，滿足快速提升的航天任務(wù)需求。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]陸游游,舒繼武. 閃存存儲(chǔ)系統(tǒng)綜述[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2013,50(1):49-59.

LU Youyou, SHU Jiwu. Survey on flash-based storage systems[J]. Journal of Computer Research and Development, 2013,50(1):49-59.(in Chinese)

[2]Hsieh J W, Tsai Y L, Kuo T W, et al. Configurable flash-memory management: performance versus overheads[J].IEEE Transactions on Computers, 2008, 57(11): 1571-1583.

[3]張輝,晏益慧,羅宇. 大容量NAND Flash文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換層優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2011,33(4):81-85.

ZHANG Hui, YAN Yihui, LUO Yu. Optimization design of the NAND flash transition layer based on the large-scale NAND flash[J]. Computer Engineering & Science,2011, 33(4): 81-85.(in Chinese)

[4]王芳,李恪. 空間太陽望遠(yuǎn)鏡的星載固態(tài)存儲(chǔ)器研制[J]. 電子學(xué)報(bào),2004,32(3):472-475.

WANG Fang, LI Ke.Development of onboard solid state recorder for space solar telescope[J]. Acta Electronica Sinica, 2004,32(3):472-475. (in Chinese)

[5]陳斌, 沈衛(wèi)華, 朱巖， 等.嫦娥二號(hào)衛(wèi)星大容量存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)[J].航天器工程, 2011,20(5):99-104.

CHEN Bin, SHEN Weihua, ZHU Yan, et al. Design of solid state recorder for chang′e-2 orbiter[J]. Spacecraft Engineering, 2011,20(5):99-104. (in Chinese)

[6]Arvidson T, Goward S N, Gasch J, et al.Landsat-7 long term acquisition plan: development and validation[J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2006, 72(10): 1137-1146.

[7]姜高珍, 韓冰, 高應(yīng)波,等. Landsat系列衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)40年回顧及LDCM前瞻[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2013,17(5): 1033-1048.

JIANG Gaozhen, HAN Bing, GAO Yingbo,et al. Review of 40-year earth observation with landsat series and prospects of LDCM[J]. Journal of Remote Sensing, 2013, 17(5): 1033-1048. (in Chinese)

[8]高怡禎. 基于閃存的星載大容量存儲(chǔ)器的研究和實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2003,29(8):75-78.

GAO Yizhen. Research and application of airborne solid state recorder based on flash[J]. Application of Electronic Technique, 2003,29(8):75-78. (in Chinese)

[9]Gaspard N J, Jagannathan S, Diggins Z J, et al. Technology scaling comparison of flip-flop heavy-ion single-event upset cross sections[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2013, 60(6):4368-4373.

[10]Pavale S, Unnikrishnan E, Laksminarasimhan P. Design, implementation and performance evaluation of CCSDS CFDP protocol[C]// Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Computational Intelligence and Computing Research (ICCIC),IEEE,2010:1-4.

[11]周莉, 安軍社, 謝彥, 等.基于ASIC技術(shù)的1553B IP核的設(shè)計(jì)[J],空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2014,34(1):127-136.

ZHOU Li, AN Junshe, XIE Yan, et al. Design of a 1553B IP core based on ASIC technology[J]. Chinese Journal of Space Science, 2014,34(1):127-136. (in Chinese)

[12]Fabiano M, Furano G. NAND flash storage technology for mission-critical space applications[J]. IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, 2013, 28(9):30-36.

[13]鄭文靜,李明強(qiáng),舒繼武. Flash存儲(chǔ)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2010,47(4):706-726.

ZHENG Wenjing, LI Mingqiang, SHU Jiwu. Flash storage technology[J]. Journal of Computer Research and Development, 2010,47(4):706-726.(in Chinese)

[14]Rhee S, Kim C, Kim J, et al. Concatenated reed-solomon code with hamming code for DRAM controller[C]// Proceedings of the 2010 Second International Conference on Computer Engineering and Applications-Volume 01,IEEE Computer Society, 2010:291-295.

[15]Xiao Y, Luo C L, Yang C. The comparative analysis of LDPC and RS code[C]// Proceedings of 2011 International Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet),IEEE, 2011:4510-4513.

[16]賀朝輝. 空間軌道單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)估方法研究[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2001,21(3):66-73.

HE Chaohui.Study of methods for predicting SEU rate in space orbits[J]. Chinese Journal of Space Science, 2001, 21(3): 66-73.(in Chinese)

[17]CCSDS 131. 1-O-2. Low density parity check codes for use in near-earth and deep space applications[S].Consultative Committee for Space Data Systems, Washington DC,USA,2007.

[18]Back W, Lee D C. Expected file delivery time of immediate NAK ARQ in CCSDS file delivery protocol[C]//Proceedings of Aerospace Conference,IEEE,2003,41:503-524.

Design and mechanism of the fault tolerance of solid state recorder

SONGQi1,2，ZOUYenan1,2，LIShan1,2，ANJunshe1，ZHUYan1

(1.Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Abstract：The satellite data transmission system is faced with various threats such as single event upset in semiconductor devices, the transmission noise and so on. The key component of the design and implementation of high-capacity SSR (Solid State Recorder) of the transmission system was introduced, and based on the SSR, a fault tolerance mechanism was proposed to protect management information, data bit stream, satellite-to-ground link and file delivery. The mechanism improved the fault tolerance ability of the management information of SSR, the data in store and the transmission channel with the hamming code, the RS code and the LDPC (Low Density Parity Check Code) encoding. Advanced research of one automatic repeat request method with CFDP (CCSDS File Delivery Protocol) was also proposed based on the SSR of one actual space mission to improve the transmission reliability in file-level. The SSR used 4-pipeline writing and bus expansion techniques to achieve the throughput rate of almost 900Mbps theoretically and the capacity of 256Gb.

Key words：solid state recorder; fault tolerance mechanism; error detection and correction; automatic repeat request; CCSDS file delivery protocol

中圖分類號(hào)：TP333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2016)01-101-06

作者簡介：宋琪(1989—)，男，山東菏澤人，博士研究生， E-mail：songqi@nssc.ac.cn；朱巖(通信作者)，男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：zhuyan@nssc.ac.cn

基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(XDA04060300)

*收稿日期：2015-03-09

doi:10.11887/j.cn.201601017

http://journal.nudt.edu.cn