衛(wèi)通鏈路狀態(tài)自動化確認設計與實現(xiàn)

戴昱彤

(中國人民解放軍63819部隊，四川 宜賓 644000)

0 引言

衛(wèi)星通信是地球上的通信站之間利用人造通信衛(wèi)星作為中繼站而進行的一種通信方式。衛(wèi)星通信地球站(簡稱衛(wèi)通站)主要設備組成一般包括天線、高功率放大器(簡稱高功放)、上下變頻器、低噪聲放大器(LNA)、調制解調器(MODEM)、數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控單元、電源等設備。隨著衛(wèi)通站設備集成度的提高，出現(xiàn)了不同的設備形態(tài)，而且還在不斷變化之中。按設備功能來定義衛(wèi)通站的組成則具有普遍的適應性，衛(wèi)通站的基本組成可分為以下幾種[1]：

1)天饋伺跟分系統(tǒng)(簡稱天線分系統(tǒng))；

2)發(fā)射設備分系統(tǒng)(簡稱發(fā)射分系統(tǒng))；

3)接收設備分系統(tǒng)(簡稱接收分系統(tǒng))；

4)終端設備分系統(tǒng)(簡稱終端分系統(tǒng))；

5)監(jiān)控分系統(tǒng)(也稱衛(wèi)通網管站、衛(wèi)通監(jiān)控系統(tǒng))；

6)電源分系統(tǒng)。

通常，監(jiān)控分系統(tǒng)(以下稱監(jiān)控系統(tǒng))實現(xiàn)對發(fā)射設備分系統(tǒng)、接收設備分系統(tǒng)、終端設備分系統(tǒng)的具體設備的狀態(tài)監(jiān)視與參數(shù)設置，監(jiān)控系統(tǒng)通過交換機與設備的監(jiān)控接口連接。有的新型監(jiān)控系統(tǒng)還實現(xiàn)了與上、下級的權限控制管理功能。監(jiān)控系統(tǒng)將衛(wèi)通設備監(jiān)控信息進行收集、匯總和分析，對設備運行的狀態(tài)信息進行實時顯示,對產生的設備故障及時地進行告警或處理,以保證衛(wèi)通系統(tǒng)可靠地運行[2-3]。

衛(wèi)通信號頻譜中包含有設備參數(shù)以外的鏈路信息，例如相鄰信號間是否存在干擾、某衛(wèi)通設備幅頻特性是否良好等。故在設備狀態(tài)確認環(huán)節(jié)，觀測信號頻譜是必要的。對衛(wèi)通鏈路信號頻譜的監(jiān)測亦是衛(wèi)通鏈路監(jiān)控的一個方向。直接通過頻譜來分析鏈路狀態(tài)亦被證明是可行的[4-6],且已有不少鏈路頻譜監(jiān)控系統(tǒng)成品[7-12]。在不影響通信運行和信號傳輸?shù)那疤嵯拢ㄟ^預先設置的指定信道，對衛(wèi)星載波信號進行不間斷自動監(jiān)測、處理、存儲監(jiān)測結果。通過分析載波信號的載噪比、信號功率等參數(shù)，并根據(jù)設定的載噪比門限值實現(xiàn)異常情況的判斷和自動告警。

目前已有的衛(wèi)通監(jiān)控系統(tǒng)，還未對設備指標與信號頻譜進行綜合利用。整套設備的鏈路狀態(tài)確認需崗位人員借助監(jiān)控系統(tǒng)的信息進行手動參數(shù)查看分析，通過設置頻譜儀參數(shù)進行頻譜觀測。設備告警時，對設備狀態(tài)信息的搜集程度還不夠深入、及時。而鏈路狀態(tài)確認是衛(wèi)通崗位人員經常需進行的工作，若能將此過程實現(xiàn)自動化，將大大提升工作效率。

1 衛(wèi)通站鏈路狀態(tài)確認現(xiàn)行方法及不足

1.1 衛(wèi)通站設備基本組成

通信地球站負責數(shù)據(jù)通信的設備一般有天線、高功放、低噪聲放大器、變頻器、中頻單元、調制解調器等，如圖1所示。

圖1 典型地球站設備組成

由圖1可知，衛(wèi)通設備可監(jiān)測的設備數(shù)量、種類較多。每種設備的參數(shù)數(shù)量大?？杀O(jiān)測信號頻譜的點亦較多。在鏈路狀態(tài)確認環(huán)節(jié)，崗位人員需查看多臺設備的多個參數(shù)以確認設備工作正常。查看關鍵節(jié)點的頻譜以確認信號狀態(tài)良好。對于只有一臺頻譜儀的衛(wèi)通站，崗位人員通常將頻譜儀接連至關鍵節(jié)點，如中頻單元，觀察目標鏈路上、下行信號所占頻段頻譜，通過兩者頻譜形態(tài)大致判斷信號正常與否。若想觀察兩個以上監(jiān)測點的信號頻譜，還需插拔線纜，不僅耗時費力，且頻繁插拔線纜也容易造成設備接口損耗。而在發(fā)生鏈路故障時，則必須更換頻譜觀測點以定位設備故障，整個故障排除過程由于重新插拔線纜、重新設置頻譜觀測參數(shù)，用時較長，通常在10 min以上。

1.2 鏈路狀態(tài)現(xiàn)行確認方法

當衛(wèi)通鏈路開通時，崗位人員均需根據(jù)通知對設備參數(shù)進行設置。鏈路開通后，需根據(jù)鏈路指標對設備及鏈路狀態(tài)進行逐步確認。另外，還需要對關鍵節(jié)點的頻譜進行觀察，以確保系統(tǒng)幅頻響應正常、載波間無過多干擾等。實施流程大致如圖2所示。

從圖2分析可知，該流程存在以下待優(yōu)化的方面：

1)確認過程效率較低。鏈路指標需人工比對，設備狀態(tài)需軟件查看，頻譜數(shù)據(jù)需實地設置觀察，整個過程需崗位人員實地手動進行花費時間較長，且以一定概率存在人為誤差。

圖2 鏈路狀態(tài)確認流程

2)對崗位人員能力要求較高。對頻譜儀的參數(shù)設置需要崗位人員對于頻譜儀的操作及信號波形特征(與數(shù)據(jù)頻點、帶寬和調制解調方式有關)非常熟悉。另一方面，在分析比特信噪比(Eb/N0)是否在合適區(qū)間時，只有經歷過多次的崗位人員才能做出判斷。因為針對不同的調制解調方式，要達到目標誤碼率，比特信噪比的下限要求是不同的，且差異較大。

3)存在重復工作。針對同一鏈路狀態(tài)的多次鏈路狀態(tài)確認，崗位人員均需要比對相同的參數(shù)，設置頻譜儀時，亦需要將相同的參數(shù)用于設置頻譜儀。

4)各類數(shù)據(jù)未精確存儲與充分利用——比特信噪比等關鍵參數(shù)目前只觀察其是否在合適范圍，實際可存儲并與類似鏈路狀態(tài)時的參數(shù)值相比較。

鏈路開通后，鏈路狀態(tài)確認是崗位人員經常要做的工作，目前的流程實施與當前自動化、操作少人化、遠程化的發(fā)展趨勢不相適應，需要借助更先進的方法來實現(xiàn)鏈路狀態(tài)確認。

2 狀態(tài)確認自動化設計

2.1 自動化確認的需求及難點

通過分析圖2可知，衛(wèi)通鏈路狀態(tài)確認的自動化實現(xiàn)，需要獲取兩種信息：1)設備指標及狀態(tài)；2)信號的頻譜信息。

當前，衛(wèi)通設備配備了監(jiān)控軟件。配發(fā)的頻譜儀用于觀察某個節(jié)點的頻譜數(shù)據(jù)。設備的狀態(tài)與參數(shù)值可通過訪問監(jiān)控軟件服務器獲得。為獲取相應節(jié)點頻譜，崗位人員需要將待測信號點連接到頻譜儀。為觀察到有效頻譜，在參數(shù)設置時還需結合本次鏈路的參數(shù)值(頻點、數(shù)據(jù)帶寬等)。設備的節(jié)點有多個，怎樣在無需插拔線纜及無需人員每次輸入參數(shù)值的情況下獲取某點頻譜，是整個自動化流程實現(xiàn)的難點。

2.2 系統(tǒng)組成

為實現(xiàn)鏈路狀態(tài)確認自動化，通過對獲取信息方式及所需信息的分析，整個系統(tǒng)組成及設備間的連接關系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構圖

狀態(tài)確認自動化軟件(簡稱自動化軟件)主機通過交換機與衛(wèi)通監(jiān)控系統(tǒng)連接，自動化軟件通過建立UDP連接通信獲取設備參數(shù)。頻譜選通電路(以下簡稱選通電路)為定制可編程電路。軟件向選通電路發(fā)送控制信號，以告知選通電路選通哪路信號進入頻譜儀。當頻譜儀接收到某監(jiān)測點信號后，自動化軟件通過與頻譜儀的通信，告知頻譜儀顯示的中心頻點、帶寬等信息，最終將目標頻譜獲取至系統(tǒng)并顯示、存儲。

2.3 數(shù)據(jù)設計及獲取

2.3.1 鏈路參數(shù)的錄入

在鏈路參數(shù)比對、頻譜參數(shù)設置等環(huán)節(jié)，均需使用鏈路參數(shù)。所以在系統(tǒng)首頁面，實現(xiàn)對鏈路參數(shù)的錄入、修改與刪除。圖4為鏈路參數(shù)錄入頁面，修改頁面與此頁面相似。

圖4 鏈路參數(shù)錄入頁面實現(xiàn)

所有的鏈路參數(shù)將用于鏈路參數(shù)比對環(huán)節(jié)，上變頻頻率、中頻發(fā)送點頻、發(fā)數(shù)據(jù)速率、調制編碼方式將用于上行鏈路節(jié)點的頻譜設置；下變頻頻率、中頻接收點頻、收數(shù)據(jù)速率、解調譯碼方式將用于下行鏈路節(jié)點的頻譜設置。

2.3.2 需獲取的設備工作參數(shù)

梳理鏈路狀態(tài)的核心參數(shù)，形成需查詢獲得的衛(wèi)通設備工作參數(shù)如表1所示。

由表1可知，無論上行鏈路還是下行鏈路，獲取的參數(shù)均涉及多臺設備。在實現(xiàn)自動化查詢時，需要發(fā)送多條查詢指令至監(jiān)控軟件服務器。軟件實現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，服務器對外發(fā)送的指令種類較多，需要做好信息的篩選再解碼數(shù)據(jù)信息。

表1 參數(shù)查詢列表

2.3.3 鏈路節(jié)點頻譜數(shù)據(jù)獲取

為獲取信號頻譜信息，需要在設備與自動化軟件主機間加入控制電路，電路的主要功能是選通關注節(jié)點的頻譜至頻譜儀，再通過主機與頻譜儀的通信，獲得節(jié)點的頻譜信息。需獲取頻譜的節(jié)點有：高功放輸出端口；上、下變頻器的輸入輸出端口。上變頻器的輸入、輸出端口和高功放的輸出端口頻譜信息用于上行鏈路的狀態(tài)確認；下變頻器的輸入輸出端口信號頻譜用于下行鏈路的狀態(tài)確認。整個硬件電路連接關系及端口類型如圖5所示。

圖5 頻譜獲取硬件電路連接關系圖

控制主機通過串口與選通電路板相連，選通電路板將串口接收到的信號轉換成為選通開關的對應控制信號，選通某路信號輸出至與頻譜儀的連接線。至此，某路信號進入頻譜儀。主機通過USB口與頻譜儀的GPIB口連接，利用儀器編程方法，將已錄入系統(tǒng)的上行(或下行)鏈路參數(shù)用于頻譜儀顯示控制，確保目標信號在頻譜儀顯示中心。為得到更有用的數(shù)據(jù)，根據(jù)調制解調方式及數(shù)據(jù)帶寬選擇適宜的顯示帶寬，最后將頻譜數(shù)據(jù)取至主機。

從頻譜獲取機理可知，頻譜獲取自動化后，主機根據(jù)流程運行需要可自動選擇某路信號進入頻譜儀，無需線纜插拔。頻譜信號的顯示設置無需人工輸入，僅利用已存入的鏈路信息即可實現(xiàn)某路頻譜的顯示設置。頻譜數(shù)字化獲取進入系統(tǒng)后，計算頻譜參數(shù)(如3 dB帶寬)成為可能，且可存儲，為進一步的頻譜信息數(shù)據(jù)挖掘與應用提供了途徑。

圖6 鏈路狀態(tài)確認流程

2.4 流程設計

目前，針對單條開通鏈路的狀態(tài)確認流程有兩項：1)上行鏈路狀態(tài)確認流程；2)下行鏈路狀態(tài)確認流程。

詳細流程設計如圖6所示。

圖6中，鏈路狀態(tài)確認流程中，首先由主機向監(jiān)控軟件發(fā)送查詢請求，獲取當前設備上行(或下行)鏈路參數(shù)值，將之與要求的鏈路參數(shù)相比較，判斷是否一致；然后，獲取某些表征設備工作狀態(tài)的關鍵參數(shù)(載波發(fā)送、發(fā)送載波電平、收載波電平值)；最后，依次獲取中頻或射頻節(jié)點的頻譜數(shù)據(jù)，用以顯示頻譜及自動計算相關參數(shù)。整個流程由軟件自動完成。

鏈路狀態(tài)確認流程運行完成后，崗位人員可以僅從一個軟件頁面獲取所有鏈路狀態(tài)確認所需信息。參數(shù)比對的結果有明顯的標識顯示某步驟比對是否成功。頻譜為直接獲取并顯示。整個流程進行的結果頁面可以以圖片形式保存，方便事后查閱。

2.5 軟件架構設計

衛(wèi)通設備操作人員類型單一，簡化訪問控制等環(huán)節(jié)，針對鏈路狀態(tài)確認自動化這一單一功能，該功能實現(xiàn)架構如圖7所示。

圖7 狀態(tài)確認自動化軟件架構

針對兩個不同的鏈路狀態(tài)確認流程，需要3個功能模塊：1)查詢鏈路參數(shù)。一套鏈路參數(shù)由鏈路狀態(tài)建立之初，崗位人員輸入數(shù)據(jù)庫。鏈路狀態(tài)不變，這個參數(shù)就無需重復輸入；2)查詢設備參數(shù)。由軟件與監(jiān)控系統(tǒng)服務器通信獲得；3)獲取設備頻譜。由軟件協(xié)同控制選通電路與頻譜儀獲得。流程根據(jù)需要調用這3個功能模塊。

3 實現(xiàn)結果與分析

根據(jù)軟件架構設計所選取的實現(xiàn)方式，用Qt編寫實現(xiàn)了狀態(tài)確認自動化軟件。圖8為上行鏈路狀態(tài)確認自動化實現(xiàn)頁面，下行鏈路實現(xiàn)界面類似，流程內容有所差異。

圖8 上行鏈路狀態(tài)確認自動化實現(xiàn)頁面

狀態(tài)確認流程自動化實現(xiàn)以后，可“一鍵式”實現(xiàn)上行(或下行)鏈路的狀態(tài)確認。自動獲取相應設備參數(shù)與鏈路參數(shù)進行比對，比對結果圖形化顯示。多個關鍵節(jié)點頻譜依次自動獲取，其間系統(tǒng)自動調用鏈路參數(shù)設置頻譜到達適宜觀測位置。設備參數(shù)比對與頻譜信息集中展示于一個頁面。自動化確認方法與實現(xiàn)前鏈路狀態(tài)確認流程相比較，在耗費時間、準確性等方面的差異如表2所示。

較之自動化以前的鏈路狀態(tài)確認流程，自動化流程確認實現(xiàn)后，具有以下優(yōu)點：

1)在確認效率、準確率方面，大大縮短了狀態(tài)確認使用的時間，提高了比對準確性。以往鏈路狀態(tài)確認時，大量重復工作——如參數(shù)比對、頻譜儀設置——由于系統(tǒng)自動讀取已存鏈路參數(shù)進行自動化實施而消失。

表2 不同狀態(tài)確認方式的差異

2)在對崗位人員的能力依賴有所減弱。在頻譜儀的參數(shù)設置、鏈路參數(shù)的比對上，只需一次輸入鏈路參數(shù)，即可多次、準確地進行設置、比對。

3)更換頻譜觀測點無需插拔線纜、降低了設備接口損耗。

4)新增了針對設備參數(shù)、頻譜數(shù)據(jù)的精確存儲，為進一步的數(shù)據(jù)挖掘與運用打好了基礎。由于數(shù)據(jù)是針對鏈路狀態(tài)進行的分類存儲，存儲的數(shù)據(jù)對崗位人員的知識學習亦有很大幫助。

依托于鏈路狀態(tài)確認流程自動化的實現(xiàn)，還實現(xiàn)了故障鏈路狀態(tài)自動化保存。在系統(tǒng)中，實現(xiàn)了定時向集中監(jiān)控服務器發(fā)送告警查詢指令，一旦查詢到鏈路從正常狀態(tài)轉為“發(fā)送告警”(或“接收告警”)，軟件自動啟動上行(或下行)鏈路狀態(tài)確認流程，并將整個流程的進行過程及比對結果保存至數(shù)據(jù)庫。待崗位人員上崗時，可對不在崗期間的故障鏈路狀態(tài)進行確認，根據(jù)和同樣鏈路狀態(tài)的正常確認流程結果相比對，便于找到產生故障的節(jié)點及原因。

4 結束語

鏈路狀態(tài)確認是衛(wèi)通崗位人員經常進行的一項工作。鏈路狀態(tài)確認流程自動化實現(xiàn)后，該過程更加快捷、準確，且大幅降低了對崗位人員的知識依賴，該方法亦便于實現(xiàn)遠程化狀態(tài)確認，是與目前少人化、無人化操作相適應的；另一方面，對于設備參數(shù)、頻譜數(shù)據(jù)的分類存儲亦有助于進一步的數(shù)據(jù)挖掘，有助于提升人員的崗位知識水平。

對于同時開通多條鏈路的衛(wèi)通站，由于多條鏈路可共用射頻設備，同樣適用此方法。在軟件實現(xiàn)時，整合參數(shù)獲取與比對等環(huán)節(jié)，仍然可以大幅提升工作效率。另外，在經費允許情況下，可由單塊頻譜采集卡專門負責一個節(jié)點的實現(xiàn)方法，可降低頻譜獲取時間，從而進一步縮短整個流程的完成時間。