无线卫星总线技术应用与

摘 要：无线卫星总线（WirelessSatelliteBus）作为小卫星平台研制的关键技术目前得到广泛关注和研究,相对于传统有线总线技术,无线卫星总线抛弃了各个分系统之间、分系统和主控单元之间复杂的电气连接,极大降低了整星的重量及分系统之间的耦合度,并具有可靠性高、支持即插即用、连接部署简单、快速集成测试等特点.媒介访问控制（MediumAccessControl,MAC）协议为无线卫星总线网络提供无线信道的分配策略,是无线卫星网络系统的核心基础部分和关键技术.本文针对无线卫星总线技术提出了一种基于时分复用的MAC层协议TWSB,相对于传统的基于冲突检测或竞争的MAC协议,具有资源分配灵活、延时小、带宽利用率高、以及传输可靠性高等优势,更适用于实时星内总线系统中的应用.

关 键 词：无线总线小卫星时分复用

中图分类号：V443.1文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）07-0037-02

1引言

小卫星在快速构建天基信息系统、及时获取现场信息方面有着强有力的优势,具体包括：具有多种信息获取的能力,缩短卫星分系统的构建周期；分系统能够迅速集成；缩短电子系统测试周期；增强卫星平台的灵活性[1].

无线卫星总线是一种采用无线网络技术取代传统的星内总线技术,卫星各分系统可采用统一标准的无线接口和星内无线网络协议,支持设备即插即用、分系统模块化,且易于集成.

2无线卫星总线的优势

无线卫星平台是一种采用无线网络技术进行卫星分系统连接的小卫星平台设计技术.该技术使得卫星分系统设备之间没有物理上的复杂连接关系,设备之间相互独立,同时支持设备的即插即用,有利于模块化的设计思想,能够简化卫星的测试和集成流程.无线卫星平台是一种新型的小卫星平台技术,该技术在卫星的安全性,可靠性,卫星设计、装配、集成和测试等方面都会较有线连接的方式有很大的优势,主要体现在：

2.1减少卫星质量和体积

卫星的质量和体积作为小型化卫星的关键指标,在卫星的总体设计中必然考虑的因素.然而由于卫星中的分系统数量众多,导致连接星内各分系统的接口硬件和线缆的重量占了相当大的比重,约为卫星整体重量的10%左右.如果星内通信由于采用了无线连接的方式,将大大减少整星的质量和体积.

2.2增加整星系统的安全性和可靠性

可靠性是在卫星设计中首要考虑的因素.在传统的总线设计中,一旦总线上的某一子系统发生故障,很可能对整个总线的数据传输产生影响.如果子系统的某个与总线直接连接的部件发生了短路故障,将总线拉低至永久零状态,这样的故障在空间中将无法被修复,会导致整个数据传输系统崩溃,如图1所示.当然可以通过在各个分系统模块上加入防短路保护电路来避免这样的故障,但是会使得整个总线的设计冗余而且复杂,与卫星的小型化的趋势相违背.

2.3增加了卫星结构设计的标准化和模块化

由于所有的子系统都采用统一的通信接口,无线网络系统能够简化连接和降低对卫星结构设计的要求,非常便于标准化和模块化,以达到迅速量产的目的.

2.4快速测试和集成

在卫星平台验证阶段,避免了使用连接线缆和接口将所有器件部署和连接,只需将分系统或部件放在厂房内进行组网测试,即可完成功能和性能测试.无线卫星平台采用的无线接口模块,无论在电性能测试,初样测试,正样测试和发射前测试都能够简单快速完成.

3基于时分复用TDMA的无线卫星总线协议

如何设计适用于卫星内部通信的无线网络MAC协议,是无线卫星总线的关键问题.通信可靠性、带宽利用率、可扩展性、数据延时将作为MAC协议设计时的关键指标.结合星内通信的高可靠性、高实时性、分系统的多样性以及即插即用等特点及要求,本文提出了一种基于时分复用TDMA的无线卫星总线协议（TDMA-basedWirelessSatelliteBus,TWSB）.

3.1无线卫星总线协议（SWAN）

3.1.1SWAN的总体设计

在文献[2]中,作者提出了一种适用于无线卫星总线的网络协议（SatelliteWirelessNetwork,SWAN）,并做出原型设计,验证了该协议的可实现性.

SWAN是一种基于TDMA的MAC协议.SWAN协议的链路控制的基本思想是,首先卫星内部的所有设备都具有唯一的ID（1,2,3.,N）,每个节点按照ID号由小到达的顺序先后访问信道,每个时隙的占用时间为ΔT,一个通信周期则为NΔT,如图2所示.

3.1.2SWAN存在的一些缺点

（1）SWAN中所有节点在一个周期中所能使用的时隙都为1,并且只能按照ID从小到大的顺序来访问信道.由于不同的单机执行不同的任务,所需要的时隙数也不相同,即使对于某个特定的单机系统,其在不同的工作状态,所需要的通信带宽也并不相同.比如,某些设备只需要一些控制命令和工作状态的交互,而某些设备则需要大量的数据交换,显然SWAN中并不具备灵活处理的特点.其固定的访问方式,虽然保证了公平性,却严重影响了信道利用率.

（2）SWAN中定义的一个通信周期为N*ΔT,其中N为卫星内部所有设备的数目,并且为恒定的,也就是说,一旦卫星设备数目确定,通信周期也就随之确定.但是在卫星内部,所有在线的设备数目也随着执行任务的不同而发生变化.比如,卫星总共有20个设备（N等于20）,在某种工作状态下,ID为7,9,11的设备处于休眠（退网）状态,不参与任何通信,那么此处3个时隙则被浪费.因此在灵活配置的小卫星中,对于即插即用的支持显得尤为重要.

3.2基于时分复用的无线卫星总线协议TWSB

针对SWAN的局限性,本文提出了一种基于中心调度的MAC协议,TWSB,相对于SWAN,TWSB具有时隙动态分配,通信周期动态调整,以及支持节点即插即用的特点.3.2.1TWSB总体设计

如图3所示,在TWSB中,存在控制节点（BaseStation,BS）,以及分系统节点（Substation,SS）.其中,控制节点BS是整个网络的核心,负责整个通信系统的时隙资源分配、时帧结构、以及监控各个节点的状态,一般和卫星的中控系统连接在一起.分系统节点SS,指各个分系统单机上的通信节点,比如实时的传递测控信号给BS,载荷系统将数据传递给数传模块等等.

由于各分系统的多样性,SS在无线总线上传输的信息量也不相同,比如测控信号一般只是包含了一些传感器数据,通信量小,实时性较高；而载荷系统产生的图像数据则需要占用大量的带宽.但在SWAN中忽略了这点,由于每个节点的时隙数量相同,并且按照ID从小到大的方式轮流传输,无法满足分系统对于总线多样性的需求.

3.2.2TWSB的时隙分类

基于以上分析,在TWSB中引入了竞争时隙的概念,如图4所示.和业务时隙不同,竞争时隙是所有节点所共享的,也就是说所有节点都可能在竞争时隙中获得发送数据的机会,对于那些需要大量数据传输的节点,则可以利用竞争时隙来传递自己的数据.在保证了通信公平性的同时,竞争时隙能被很好的利用,避免了拥有大量数据传输节点和普通节点一样仅有1个节点的情况,提高了整个总线的利用率.

竞争时隙的工作流程如下：在竞争时隙内,所有节点都有机会抢占信道来发送数据.但为了保证在一个时隙内仅有一个节点发送数据,所有节点必须按照约定的流程来完成竞争.当到达竞争时隙时,节点首先检测自己是否有数据发送,若没有,则进入接收阶段；否则经过一个随机延时后,进行信道冲突感知,如果当前信道可用,则开始发送数据；否则失去这次发送机会,重新进入接收状态.当接收端收到数据包后,进行消息完整性验证,并发送确认消息给发送端,告知此次通信是否成功.在这里随机延时的存在是为了保证通信公平性,当节点需要发送实时性较高,优先级更高的数据时,则不经过延时,直接进行信道冲突感知,以提高抢占信道成功的概率.

竞争时隙的另外的一个用途就是新节点的入网流程.由于新节点在未加入到网络中时,没有被分配到时隙来进行通信,当其到BS的存在后,则会利用BS所发送的信标进行同步操作；当同步完成后,则会利用竞争时隙来和BS通信,来完成入网的注册.

竞争时隙的引入是TWSB的一个优势所在,在保证通信公平性的前提下,最大限度的提高了信道的利用率.在资源分配中,每个节点都至少拥有一个业务时隙来发送自己的数据.但是由于节点的多样性,或者节点的工作状态发生变化,节点所需要发送的数据量也不相同,当其需要多个时隙来发送数据的时候,该节点就会利用竞争时隙来抢占信道,并将数据发送出去.此外,竞争时隙的数量也可以实时的动态调节,以保证信道的利用率.

3.2.3TWSB的时隙分类

在SWAN中定义的一个通信周期为N*ΔT,其中N为卫星内部所有设备的数目,且为定值.当其中某些设备进行休眠、暂时离网的时候,必然存在一些时隙被浪费的情况.为了对即插即用的支持,控制节点BS会实时更新在网节点的情况,当发现有节点离网时,则自动回收该节点的时隙资源.在TWSB中,每个SS节点会周期性的向BS发送自己的状态信息：离网、休眠或者在网,此周期定义为网络更新周期Tn.BS正是通过状态信息,来进行时隙资源的分配和回收,并通过信标将状态通知给所有在网的节点.

4结语

相对于传统有线总线技术,无线卫星总线抛弃了各个分系统之间,分系统和主控单元之间复杂的电气连接,极大的降低了整星的重量以及分系统之间的耦合度,具有可靠性高,支持即插即用,连接部署简单等特点,已经成为卫星的研究热点.本文针对无线卫星总线技术提出了一种基于时分复用的MAC层协议TWSB,其具有时隙动态分配、通信周期动态调整、以及支持节点即插即用的特性,提高了信道利用率,因此更适用于实时星内总线系统中的应用.