（通信与信息系统专业论文）基于bs模式的卫星通信地球站mac系统的研究与设计.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 监控系统( m a c ) 是卫星通信地球站的重要组成部分，是保证地球站正常运行的关键 设备。近年来，随着网络的迅速发展，基于i n t e r a c t 的网络应用也越来越多。系统流程开 始采用流行的b s 模式，简化了客户端的配置，细化了各模块的功能，方便了系统的升级 和后期的维护，与传统的c s 模式相比，具有非常明显的优势。 课题以便携式卫星通信地球站为研究基础，着重讨论在无线局域网a dh o c 环境下， 基于嵌入式w e b 服务器的b s 模式的m a c 系统的研究与设计。该m a c 系统的主要目标 就是通过建立a dh o e 网络，以浏览器方式来实现对卫星通信地球站的远程控制。 本文在分析了m a c 系统发展技术的基础上提出了以嵌入式w e b 服务器为主体，以 w e b 访问为交互方式的一套监控系统解决方案。该方案基于本文中采用的嵌入式w e b 服务 器具有开发二次网页功能的基础。在系统前端运行嵌入式w e b 服务器，基于t c p i p 协议 通过a dh o e 网络进行数据传输；用户远端通过浏览器访问，以网页内嵌j a v aa p p l e t 的直 观形式实现对远程信息的实时监控。该系统开发成本低，性能高并且使用方便。 本文从系统的总体规划、模块划分，到软硬件各模块的分析、设计，再到各模块的具 体实现都进行了较为详细的描述，并重点从界面设计、功能设计、数据库设计三个主要设 计部分阐述了m a c 系统的实现结果。在文章最后，通过系统的试运行情况，指出了在本 系统中存在的一些问题，并对下一步的工作提出了展望。 主题词：b s ，卫星通信地球站，m a c ，嵌入式w | e b 服务器，w l a n ，j a v a a p p l c t 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m a cs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o n ，a n di sa l s ot h e k e ye q u i p m e n tt oe n s u r ee a r t hs t a t i o ng or o u n dn o r m a l l y r e c e n ty e a r s ，谢t l lt h ep o p u l a r i t yo f i n t e r a c t ，m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n sb a s e do ni n t e r a c ta r ep o s s i b l e s y s t e mp r o c e s si sb e g i n n i n g u s i n gb sm o d e ，w h i c hs i m p l i f yt h ec o n f i g u r a t i o no fc u s t o m e r , m a k ef u n c t i o no fe v e r ym o d u l e m o r ed e t a i l e da n dt h e s y s t e m ss u c c e e d i n gu p g r a d ea n dm a i n t e n a n c e m o r ec o n v e n i e n t c o m p a r e d 、 r i mt h et r a d i t i o n a lm o d eo fc s ，i th a se x c e e d i n g l ya p p a r e n t l yp r e v a l e n c e t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c eab sm o d em a cs y s t e mb a s e do np o r t a b l es a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o na n dp u te m p h a s i so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g nf o u n d e do nw l a no f a dh o cn e t w o r ka n de m b e d d e dw e bs e r v e r t h ea i mo ft h es y s t e mi st or e a l i z er e m o t ec o n t r o l o ft h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o nb yu s i n gw e bb r o w s e ra n de s t a b l i s h i n gt h ea dh o e n e t w o r k b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fm a c s y s t e m ，t h ep a p e rb r i n gf o r w a r d as o l u t i o nw h i c hi sl l l a d eu po fe m b e d d e dw e bs e t w e l , a n dw ec a l lv i s i ta n dc o n t r o lt h es y s t e m t h r o u g hw e bb r o w s e r t h i ss o l u t i o nb a s e do nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e rt h a tw eu s ei nt h i sp a p e r h a st h ef u n c t i o no fd e v e l o p i n go u ro w nw e bp a g e s t h e 鸵w v e ro ft h es y s t e mr u n sa ne m b e d d e d w e bs e r v e rw h i c ht r a n s m i td a t ai n f o r m a t i o nb a s e do nt h ep r o t o c o lo ft c p i pt h r o u g ha dh o e n e t w o r k , u s e r sc a nm a k e 嫩o fw e bp a g e sw h i c hc o n t a i nj a v aa p p l e tt or e a l i z er e m o t ec o n t r 0 1 t h es y s t e mh a sl o wc o s t ，h i g hc a p a c i t ya n de f f i c i e n c ya n di se a s yt ou s e i nt h i sp a p e r , w ed e t a i l e di n t r o d u c et h es o l u t i o nf r o mi t sc o l l e c t i v i t yd e s i g n ，d i v i s i o no f m o d u l e so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t ot h ea n a l y s ea n dt h ed e s i g no fs o f t w a r em o d u l e a n dt h e n ， w ee s p e c i a l l ye x p a t i a t ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fm a i ns o f t w a r em o d u l e s t h i sp a p e ri sa l s o d e s c r i b ed e t a i l e d l yt h er e a l i z a t i o no ft h ed e s i g n i n go fi n t e r f a c e ，f u n c t i o na n dd a t a b a s e i nt h ee n d ， t h ep a p e rp o i n to u ts o m ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h i ss y s t e ma n dp u tf o r w a r ds u g g e s t i o n so nt h e n e x tw o r k k e y w o r d s ：b s ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ne a r t hs t a t i o n ，m a c ，e m b e d d e dw 曲s e r v e r , w l a n ，j a v aa p p l e t i l 南京邮电大学学位论文原创 生声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 墨壁绰白期：塑金：堡垃 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：二蠡卑导师签名： 南京邮电大学硕：t = 研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 监控系统( m a c ) 是卫星通信地球站的重要组成部分，是保证地球站j 下常运行的关键 设备。随着卫星通信技术的发展，各种通信设备的功能越来越强，种类也越来越多，卫星 通信地球站系统更加复杂。在这种情况下，要想有效的管理维护系统中的各种设备，最大 限度的发挥通信系统的作用，提高地球站的可用度，一套功能强大的监视、告警、控制、 管理系统是不可或缺的。 近年来，伴随着网络技术的迅速发展，基于i n t e r a c t 的网络应用也越来越多，且由于 远程控制技术和无线网络的发展，尤其是8 0 2 1 1 无线局域网技术的日益成熟，在无线网络 环境下的远程控制成为一个热门的研究和应用领域。本课题研究的m a c 系统就是在无线 局域网环境下采用的一种全新的技术模式- - b s ( 浏览器朋艮务器) 模式。 南京邮电大学卫星通信技术研究室与北京爱科迪信息通讯技术有限公司合作开发了 一套基于c s 模式卫星通信地球站的监控软件，应用于便携式卫星通信系统。便携式卫星 通信系统显著的优点为：设备体积小、重量轻、携带方便；使用简单；可以在任何地形上 迅速地展开，自动找星并且跟踪，几分钟内即可建立卫星链路；可靠性高，适用于全天候、 野外工作环境；功耗低，可采用交流、直流等供电方式。它主要用于抢险救灾、新闻采访、 科考探险、公安和军事领域的通信设备，也是保障国家通信安全的一项重要手段。因此， 本课题是以便携式卫星通信地球站为基础，开发的一套基于b s 模式的m a c 系统。它是 对卫星通信地球站m a c 系统的新的探索，在监控模式上具有更大的优势。 在这样的背景下，我们开展了这种基于b s 模式卫星通信地球站m a c 系统的研究。 1 2 国内外m a c 技术的应用发展 利用网络进行监控始于上世纪8 0 年代初，特别是随着网络带宽的发展和稳定性提高， 通过网络进行监控越来越现实和可行。基于网络的m a c 系统是以计算机为核心，结合多 媒体编程技术、计算机网络通信技术以及自动控制技术构建的控制系统。其优点就是体现 在远距离监控方面，同时这种控制系统还能与信息管理系统融合在一起，更好的管理服务， 提高管理水平和工作效率。适用于银行、邮电、水电、交通、公安、大型公共设施、大型 仓库及军事基地等场所。 国内外在m a c 技术方面的应用十分广泛，而且进展迅速，大体来看分为几种：一是 对计算机网络自身性能的监控。这种应用可以自动跟踪目标计算机的屏幕变化、获取目标 计算机登录口令及各种密码类信息、获取目标计算机系统信息、限制目标计算机系统功能、 l 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 任意操作目标计算机文件及目录、远程关机、发送信息等多种监控功能：二是对现场状况 的实时监控，多用于酒店、银行或住宅等系统监视方面。这种应用使用摄像机云台，基于 无线网络的远程控制平台研究与实现实际上是一种被动的监视系统；三是对作业现场有效 数据的采集监视，是一种主动监控方式，多用于水文水利、电力、机械生产等方面，本课 题研究的m a c 技术属于这种方式。 在对作业现场的数据采集m a c 系统中，已经开始逐步采用嵌入式以太网w e b 技术。 嵌入式以太网w e b 技术是嵌入式以太网技术和w e b 技术的结合。嵌入式以太网技术是把 t c p i p 协议应用于嵌入式设备，从而实现嵌入式设备接入以太网的功能。目前，在监控系 统的现场节点应用嵌入式以太网技术，使现场节点具备以太网功能是监控系统的一个发展 趋势。随此发展趋势，监控系统也从早期的单机应用发展到基于嵌入式w e b 的网络应用。 这种应用正是体现了从c $ 模式( 客户端浏览器) 到b s ( 浏览器服务器) 模式的转变。 目前对嵌入式以太网的研究已从理论阶段过渡到开发阶段。在工业控制领域，美国 o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网，研制开发了“以太网i o 系统”一s n a p i o 系统，通过以 太网对在远程设备现场的i o 口进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。s n a p i o 已成功应用于工业过程控制，路桥收费系统监控，楼宇的智能化监控等多项工程中。此外， 惠普公司应用l e e e l 4 5 1 2 智能传感器标准，研制的嵌入式以太网控制器具有1 0 b a s e t 以 太网接口，能够运行f t p ，h 1 限仳p u d p 协议，应用于传感器，驱动器等现场设备。 国内在嵌入式以太网方面的研究还不很成熟，近年来，越来越多的科研机构和院校开 始研究嵌入式以太网w e b 技术在远程测控领域，如水利，环保和楼宇控制等方面的应用， 同时也发表了不少这方面的论文，但是目前国内对于嵌入式以太网的w e b 技术的应用研究 还不是非常成熟，很多问题尚待解决。可以预见，在今后几年中，基于嵌入式以太网的 w e b 技术仍将是研究热点之一。 本课题的m a c 系统就是在对嵌入式w e b 技术研究的基础上，从传统的c s 模式到 b s 模式的转变。它应用于便携式卫星通信地球站，是对应急通信监控方式研究的发展与 进步，同时可以拓展使之适用于其它地球站，具有重要的研究意义。 1 3 研究角度和本文工作 1 3 1 研究角度 从硬件角度，系统使用了一个嵌入式w e b 服务器，它具有二次网页开发的功能，可以 通过自行开发，实现m a c 系统的功能需求。 从软件角度，本文研究的m a c 系统采用了j a v a 语言。能够实现把程序嵌入到网页中 2 南京邮电人学硕。t ：研究生学位论义 第一乖绪论 的编程语言有很多，其中j a v a 是目前流行的一种编程语言。j a v a 语言是基于c 语法的全新 的面向对象语言，语言本身采用面向对象技术，实现了跨平台操作，而且s u n 公司开发出 一整套关于网络的开发平台，可以说j a v a 语言在网络编程方面有它的优势。j a v a 语言编写 的软件本身分为应用程序( a p p l i c a t i o n ) 和小应用程序( a p p l e t ) , 其中小应用程序是为了 把应用程序嵌入网页中而开发的，这也是j a v a 语言在互联网时代能够流行的关键技术之 一。嵌入式网页中的a p p l e t 能实现作图，数据处理以及许多界面中需要实时响应的功能， 大大扩展了网络应用程序的功能。对用户来说，只要配备标准浏览器，就能够访问嵌有 a p p l e t 的网页，实现m a c 系统的功能。这成为本系统采用j a v a a p p l e t 技术研究与设计开 发的前提，也是实现b s 模式的关键之一。 在网络连接上，本系统采用无线局域网a dh o e 方式来连接监控计算机和受控设备。 基于上述几点，本课题从新的角度对地球站的m a c 系统进行了研究，采用b s 模式 和j a v a 的a p p l e t 技术，结合嵌入式w e b 服务器和无线局域网环境，实现m a c 系统的监 控功能。 1 3 2 本文工作 本课题的主要工作就是研发一种基于无线局域网环境，在嵌入式w e b 服务器下实现 b s 模式的卫星通信地球站m a c 系统，改变以往c s 模式客户端软件安装复杂，系统维 护性差以及安全性不够等缺点，从而构成一个与用户平台无关的统一而简单的监控方式。 整个系统是由客户端浏览器、嵌入式w e b 服务器、受控设备等构成。采用流行的b s 结构， 利用在网络方面功能强大的j a v a 语言作为编程语言，实现基于嵌入式w e b 服务器下的卫 星通信地球站m a c 系统。 1 4 研究意义和应用前景 本课题研究的卫星通信地球站m a c 系统主要用于u s a t 卫星通信地球站，u s a t 即 超小口径天线卫星通信系统。与v s a t 即甚小口径天线卫星通信系统相比，由于其天线轻 小便捷的显著特点，发展潜力十分巨大，在卫星通信和卫星电视领域中得到发展，像交互 电视、视频广播、农村电话、卫星上网、卫星远程教育、卫星远程医疗、金融银行业、地 震、人防、民航、气象、新闻及军事通信等各个方面均可以通过u s a t 来实现，而这些功 能的实现都将为u s a t 通信的发展提供渠道和契机。本课题就是针对便携式卫星通信地球 站研究设计的m a c 系统，在抢险救灾、新闻采访、科考探险、公安和军事等应急和特殊通 信等领域将具有广泛的应用前景，因此b s 这种新的技术模式的研究具有非常重要的现实 意义。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 5 本文的内容安排 论文内容分为六个章节。具体内容安排如下： 第一章分析了卫星通信地球站m a c 系统的研究背景，国内外应用发展现状，概要介 绍了课题的研究角度和所作的工作，同时阐述了课题的研究意义和应用前景； 第二章介绍了地球站基本知识和m a c 系统的功能、分类、设备等基本概念；同时对 于课题中采用到的m a c 系统的关键技术进行了详细的阐述，包括无线局域网技术、b s 技术、j a v a a p p l e t 技术等。 第三章在充分了解和分析m a c 系统的性能要求的基础上，针对满足m a c 系统的具 体技术条件与功能需求，完成了系统所必须的硬件方面的总体设计及具体实现方案。 第四章根据m a c 系统软件功能实现的要求，结合软件b s 模式的创新点，从软件角 度构建了系统的设计思想，提出了系统的总体设计流程及功能框架。采用面向对象方法， 完成了软件的需求分析、概要设计和详细设计，并重点从界面设计、功能设计、数据库设 计三个主要方面提出了设计方案，同时对软件设计做了相关的准备工作： 第五章在完成上述软件设计的基础上，完成了m a c 系统的界面设计、功能设计、 数据库设计的实现，并对系统试运行情况中存在的不足加以说明，提出下一步有待改进的 工作； 第六章对全文的总结，并指出未来工作方向。 4 南京邮电人学硕 ：研究生学位论文 第二二章卫星通信地球站m a c 系统及关键技术 第二章卫星通信地球站m a c 系统及关键技术 2 1 卫星通信地球站简介 2 1 1 地球站知识概述 卫星通信是高技术产业的组成部分，是实现信息化的重要途径之一。随着信息科学技 术的发展与应用，卫星通信对国民经济发展和信息化建设的带动和促进作用越来越重要， 卫星通信将在未来的数年内成为通信领域中一个极富吸引力的新领域，其对全球通信市场 的争夺，将成为令人瞩目的又一个焦点。 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或发射无线电信号，在两个或多个地 球站之间进行的通信。用于实现通信目的的人造卫星就叫做通信卫星。卫星通信实际上是 利用通信卫星作为中继站的一种特殊的微波中继通信方式。卫星通信具有通信距离远、费 用与距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信频带宽、传输容量大、适于多种业 务传输，可进行多址通信、通信电路灵活、机动性好等一系列特点。 根据国际惯例卫星通信系统分为两段，即空间段( 电波传输通道及卫星) 和地面段。 地面段又包括地面收发系统及地面延伸电路。地球站就是安装地面收发系统的地方，是卫 星通信系统的重要组成部分。地球站的基本作用是向卫星发射信号：同时接收由其它站经 卫星转发来的信号。 为了统一规格和便于衡量地球站的性能指标并根据卫星所承担的业务范围，可以按照 业务标准和技术标准对地球站进行分类。以业务标准分类时，又可按业务目的分成军用地 球站、民用地球站、通信用地球站、广播用地球站、情报搜集地球站等。按业务系统的不 同又分为国际通信卫星地球站、国际海事卫星地球站、航空导航地球站、国内( 或区域性) 卫星地球站和商务专用地球站及气象卫星地球站等。按业务种类可分为固定业务地球站、 移动业务地球站、广播业务( 包括单收) 地球站、综合业务地球站等。按技术标准有两种 分类法：按工作频段可分为c 频段( 4 6 g h z ) 站、k u 频段( 1 4 1 2 ，1 l g h z ) 站和k a 频段( 3 0 2 0 g h z ) 站。按地球站品质因数( g 厂r ) 分类。由于各国自有不同分类法，但 通常均沿用国际通信卫星组织的分类标准( 即a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，z 型标准站) 。 除上述分类法外，按地球站安装方式可分为固定式和可移动式两类。固定式地球站的 天线口径比较大，它与设备一起均固定于地面设施中。可移动式地球站又可分为可搬迁式 ( 包括车载式) 和移动中可进行通信的真正移动式( 船站、车站、飞机载站) 两类。可搬 迁式站的天线口径为6 米以下，并制成便于运输的可拆卸( 折叠) 式，设备也装成便于集 装箱式，便于迅速迁移和安装。移动式站则装在可移动载体上( 车、船、飞机) ，天线口 5 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文第一二章甲星通信地球站m a c 系统及关键技术 径更小( 3 m 以下) ，设备也更紧凑，并可在移动状态下进行通信，但通信能力有限。 还有一类是可直接安装于终端用户所在地的新型甚小口径及微小口径地球站( v s a t 及u s a t ) ，前者天线口径为2 8 m 1 2 m ，后者只有1 2 m 0 3 m ，所有设备也很紧凑坚固， 使用方便，不需日常维修。用户可以省去地面电路，直接通过它与主站及计算中心，数据 库进行数据( 话音) 通信。这类站已广泛用于专用数据网，是办公室自动化的理想设备。 本课题研究和设计的b s 模式的m a c 系统将用于便携式卫星通信地球站，它属于 u s a t 卫星通信系统范畴。在进行应急通信时，u s a t 卫星通信系统通过音视频采集设备将 现场的音视频信号送到编解码器，数据经编码后通过卫星m o d e m 调制，再经过上变频，功 率放大，经天线发射至同步轨道通信卫星的转发器，转发器将该信号通过下行链路转发到 中心站。中心站的天线收到下行信号后，通过下变频，低噪声放大，然后通过卫星m o d e m 调制，再经编解码器解码将音视频信号还原。同理，中心站向u s a t 地球站发送信号的过 程也是一样的。它的基本系统工作示意图如图2 1 所示。通过改进或功能扩展，本课题研 究和设计的m a c 系统同样适用于其他卫星通信系统。 漤 图2 - 1u s a t 卫星通信系统工作不意图 2 1 2 地球站系统组成 在一般情况下，卫星地球站都由天线系统、发射系统和接收系统组成。当然为保证地 球站天线对准卫星，以便f 常地接收卫星转发的信号和向卫星发射信号，还应该有天线的 跟踪系统等【l 】【2 】【”。下面分别介绍各个系统的情况。 1 天线系统 在标准地球站中，天线系统最为庞大，是地面站的重要设备。它的作用是将发射系统 输出的功率向卫星方向辐射，同时接收来自卫星的信号。整个天线系统由天线、馈线组成。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章卫星通信地球站m a c 系统及关键技术 2 跟踪系统 由于静止卫星也不是绝对静止不动的，总有一定的漂移，因此，对于地球站天线来说， 就不能是固定不动的，否则就会使天线波束偏离卫星方向。为了保证天线波束始终对准卫 星，要求天线有一定的跟踪能力。这一任务就是由跟踪系统来完成。 使地球站天线对准卫星的跟踪方法有三种：手动跟踪、程序跟踪、自动跟踪。目前在 大型的标准地球站中基本上都采取以自动跟踪为主，以手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。 跟踪系统主要包括跟踪接收机、伺服控制放大设备和驱动装置三部分。 3 发射系统 在标准地球站中，需要发射的功率是很大的，它要能产生几百瓦以至十几千瓦的大功 率微波信号，向卫星发射。为了实现多址通信，还常常向其它地球站同时发射数个载波。 因此，地球站应能在高电压、大功率、宽频带和多载波的情况下工作。 发射系统的设备包括频率调制器、中频放大、上变频器、发射波合成电路，激励器和 大功率放大器。根据对地球站发射功率的要求，为使大功率放大器输出电平保持稳定，还 必须采用电平自动控制电路。 4 接收系统 在卫星通信中，由于卫星的发射功率受到限制，而通信距离又很远，地球站收到的信 号极其微弱，甚至可能低到0 1 微微瓦以下。因此，接收系统各部分设备所产生的内部噪 声以及其它外部噪声的影响必须很小，才能使系统正常工作。为此，接收系统的前级，特 别是第一、二级，必须采用低噪声放大器。 典型的地球站接收系统包括低噪声放大器、接收波分离装置、下变频器、中频放大器 和解调器。 5 终端接口设备 终端接口设备的作用是把市内通信线路送来的各种不同的信号分别加以整理、放大以 及变换等之后，根据地面站的要求按一定规律组成基带信号，送往基带处理单元，以便在 卫星线路上有效地传输。它包括电话终端设备、电视终端设备、数据终端设备以及传真终 端设备等。 6 监控系统 可以看出，地球站是相当复杂和庞大的。为了保证各部分设备能正常工作，必须在站 内进行集中监视、控制和测试，完成这一功能的设备就是监控系统【4 】【引。 每一地球站都有一个中央控制室，监控系统一般就是配置在中央控制室内。这一系统 可能比较简单，也可能比较复杂，它按地球站的用途、规模而定。一般，监控系统由监视 7 堕塞坚鱼叁兰堡主堕茎竺兰垡堡壅兰三童里星望笪些堡塑坚垒曼至堑丝茎壁塾查 单元、控制单元和测试单元及相应的软件系统组成。此监控系统即为本课题的研究内容。 地球站的监控( m a c ) 系统是保证地球站正常运行的关键设备。因为m a c 系统能够 及时将地球站的运行情况，例如设备故障告警、主备用设备切换、传输通道的转换等，均 以可辨认的物理量，集中地告诉地球站的操作人员，以便得到及时处理，从而缩短了故障 时间，保证了地球站设备的正常运行，也是对多机房地球站实行无人值守的前提。因此任 一个地球站，大到如i n t e l s a t 的a 标准站，d , n 如电视单收站( t v r o ) ，都必须具有 相应的m a c 系统，否则就不能保证地球站设备的正常运行。 2 2 地球站m a c 系统概述 2 2 1 地球站m a c 系统的主要功能 m a c 系统的主要功能是通过对地球站各类设备的监视、告警和控制，以确保地球站 设备的正常运行。所谓监视，就是监视地球站各类设备的运行条件和工作状态。它可分设 备的工作状态的监视；线路呈接续状态的监视；地球站的主要参数监视；电话线路主要参 数监视；电视线路主要参数监视；天线跟踪工作状态和主要参数的监视及气象和标准时间 监视等。所谓告警，就是当地球站设备发生不正常状态或故障时，能向地球站操作人员发 出信号，它可以分为可视( 灯光) 信号和可闻( 声响) 信号。所谓控制，就是对地球站设 备的运行参数进行调整或当其发生故障或需要检修时，为地球站操作人员提供人工或自动 倒换的能力，使主用设备倒向备用设备，同时把传输通道做相应转换。它可以分为设备控 制和线路转换控制两类。 m a c 系统是把分布在地球站各种设备上的控制点和监测点的情况以及各种告警信号 等都集中反映在地球站的控制台上，并利用c r t 或可见的闪光信号或可闻的声响信号通过 存储器或打印机向操作人员报告并打印记录。操作人员可以通过控制台上的控制钮，以人 工或自动方式及时发现，并迅速处理发生的故障，使通信中断时间压缩为最短。 m a c 系统的功能对于卫星通信系统的网络管理中心( t o c c ) 尤为重要，这是因为 m a c 系统能实时地向网络管理中心报告本站设备的运行情况，网络管理中心通过对各地 地球站设备运行情况的综合分析发现或预测将要发生的某些重大故障，从而可以采取预防 措施，避免通信电路的阻断，保证整个通信网的安全。 2 2 2 地球站m a c 系统分类 地球站的m a c 系统一般可以分为三类：模拟的，计算机化的和无人值守的。 1 模拟m a c 系统 模拟m a c 系统是地球站最早使用的m a c 系统，它只能给出模拟显示，如闪耀的灯 8 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第一二章p 星通信地球站m a c 系统及关键技术 光信号或可闻的声响。在模拟m a c 系统中，设备运行的各种参数不仅显示在本身设备上， 也可以同时显示在地球站的控制台上，使操作人员可以了解设备运行情况和故障发生的部 位，针对存在问题，采取适当方法加以排除。 2 计算机化的m a c 系统 由于地球站不断更新技术，卫星数字通信设备日益增多，因而对m a c 系统的功能要 求也愈来愈高，既希望能高效地应用，又希望更完善地监视各种状态、记录各种参数，甚 至能自动进行测试。面对这些要求，近年来随着计算机、微处理器及大规模集成电路技术 的迅速发展，计算机化的m a c 系统也就应运而生了。 计算机化的m a c 系统与模拟m a c 系统相比，具有以下的优点： 1 ) 可以自动监视各种参数，同时在软件设计中根据设备故障状况，可对某些特殊故 障，例如载频漂移、导频电平不稳等进行程序校正。如有必要，操作人员可以及时修正， 操作极为方便。 2 ) 能将监视的参数存储和打印复制，以便操作人员作出进一步的处理。例如故障报 告、设备中断情况、地球站通信的利用率等等。 3 ) 利用软件命令，任意时刻在c r t 上或其它显示屏上可实时地显示各个信道单元的 全部或部分参数。 4 ) 能根据系统的业务量增长而对监视项目作相应的扩展，多数情况下，可通过软件 实现操作，十分方便。 5 ) 可对所有监视的参数进行诊断，确定其失效条件，判断故障发生的部位。 6 ) 可与操作控制中心( t o c c ) 进行计算机通信。直接受t o c c 的控制，进行远程诊 断和操作，便于得到技术支援和缩短故障处理时间。 由此可见，计算机化的m a c 系统远比模拟系统优越，并已被越来越多的地球站所采 用。例如加拿大的国内卫星系统的中央控制站( 在阿伦公园) 就使用了v a x 3 6 0 0 主机对 全网进行有效的实时控制，取得了很好效果。 3 无人值守地球站的m a c 系统 地球站设备可靠性的提高为无人值守地球站( 以下简称无人站) 创造了条件，它可以 大大节省地球站的投资，故无人站所占的数量也就越来越大。例如，加拿大的国内卫星通 信系统，其地球站总数已达7 0 0 多个，但有人值守站只有1 5 个。同时，由于m a c 系统具 有完善的功能和设备可靠性高，所以每年只需巡回检查一次。 不难看出，要保证每个无人值守地球站的正常运行，无人站的m a c 系统将是一个关 键。它和有人站的m a c 系统相比，主要有以下两点不同： 9 南京邮电大学硕- k g f 究生学位论文第二章卫星通信地球站i v l a c 系统及关键技术 1 ) 必须具有很高的可靠性，同时所能监控的性能应更加完善。例如它不仅能监控设备， 还能监控环境( 如室温、门窗、和火灾等情况) 。 2 ) 其所获得的各项参数值必须通过专用的传输信道及时地向网络管理中心报告。 i ；l 天线控制和 ：丑状态i 本地控制 j 通信处理设： 及显示台； 7 l 备状态 ； j 倒 端l 接收 ，1 设备状态j 连路 终端 l显示器 调制解调嚣 _ 一一 控制单元 发送控制和1 ? 1 | 状态i 一涠由l 钽 曩皿i ： 终端2 链路 1 打印住利甲u磊军慧 1 辅l孵髑蓊1 1 一电源状态 l i磁带枫 谓镪解调器终端n 链路 专 i l 一一 用 r 机房环境! 传 输 电 监控单元 路 图2 2 无人值守站m a c 系统方框图 无人站的m a c 系统组成如图2 2 所示。由图可以看出，一个无人站的m a c 系统主要 由终端控制单元和地球站与系统的各监控单元组成，其中单位监控单元包括：天线控制及 状态、通信处理设备状态、接收设备状态、发送设备控制和状态、电源状态及机房环境等。 控制单元把系统的监控参数转变为数据格式并通过专用链路送往控制中心，同时又将 控制中心送来的控制命令送往相应的监控单元中去执行，因此，m a c 系统中的终端控制单 元是整个系统的关键部件。 2 2 3 地球站m a 0 系统设备的分类 m a c 设备尽管有各式各样，但基本上可归属为下述三类，即本地的、远端的以及监 控的。现简述如下： 1 本地的m a c 系统 本地的m a c 设备设置在被监控的设备附近，甚至就在同一设备的机箱上，需要操作 人员到设备处才能观察情况、处理问题。这样的m a c 设备通常多用于小型地球站。 1 0 塑室些皇盔兰堡：! ：堕塞生兰垡堡壅兰三兰翌墨望堕些壁塑! ! 竺墨堑垦叁壁垫查 2 远端的m a c 系统 远端的m a c 设备与被监控的设备可以相隔一定的距离。为便于集中监控管理，可把 地球站每一个分系统的远程终端集中到地球站的控制中心，以便集中监控和显示。这种 m a c 系统主要用于大、中型地球站，例如i n t e l s a ta 标准站等。应当指出的是，每一 分系统的远端设备所提供的监视信息至少要与本地m a c 设备所提供的一样，或更多。 3 监控的m a c 系统 在具有远程监控的m a c 基础上，利用计算机进行自动化管理，定期、自动地对设备 的各种参数进行巡测和对某些参数进行自动校正或调整，这就可以大大减轻值班人员的劳 动和提高处理问题的及时性，还可以将所有发生的时间存储并打印，保留了完整的原始记 录。这些都靠人工是难以做到的。总之，使用计算机化的m a c 系统，可通过软件的修改 和补充，不断丰富和完善其内容。计算机已成为监控式m a c 必备的设备。监控式m a c 系统是完成无人站所必需的。 2 2 4 选择地球站m a c 系统的原则 由上述各节可知，m a c 系统由不同功能，监测的项目也繁简各异，下述条件是选择 m a c 系统时应予以考虑的： 1 地球站的规模和型式大型( a ，b ，c ) 站还是小型( d l d z ，e l e 2 ，f i f 2 ) 站；有 人值守还是无人值守；设备是集中安装一处还是分散在几个机房；有几副天线；同时工作 于几颗卫星等等。 2 业务容量和类型是单一业务的站还是多种业务的综合站；电路数量的多寡：业务 质量( 可用率) 的要求等等。这些事决定设备的数量和备用条件。 3 业务发展的前景在未来( 至少1 0 - - 一1 5 年) 内业务增长的可能性，是只有有限增 长还是成倍地大量增长。这对确定站的规模和m a c 的容量极有关系。 4 投资及经费的限制和经济效益的考虑。 5 有无向监控中心传送数据的要求。 6 m a c 系统的可操作性即值守人员使用和维护这个系统的难易程度。例如模拟显示 板很直观、便于操作和维修，也不易产生误操作事故，但占面积很大，不适合于有多副天 线系统的大型站，也不适于变成数据信息向远端传送，而且全由硬件组成，故改变困难。 对有人值守且不集中监控的中、小型站来说，可能是又便宜又易于操作的方式。另一方面， 如果是无人值守机房( 或站) ，那么就应考虑计算机化的m a c 系统，由于设计优劣不同、 其可操作性也有很大差异，所以需要慎重选型。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章卫星通信地球站m a c 系统及关键技术 如何正确选择m a c 系统，有以下几点应该遵循： 1 易于观察和操作，对误操作应有防止措施； 2 对严重事件，应同时有声、光显示和告警，对次要事件，则只要有光亮显示以示区 别就可以了。 3 应是积木式模块化结构，以便在更新其中某一部分( 分系统) 时或扩容时，其余部 分仍能继续正常工作； 4 硬、软件都要有很高的可靠性，重要部分应有备用； 5 计算机化m a c 要留有足够接口和扩容的能力，以适应未来需要和兼容分系统控制 器的能力。此外，还应留有通信接口，以备与控制中心进行数据通信联系。 6 要考虑性能价格比。根据实际需要，删除不需要的监控项目( 如有人值守站的环境 项目就可大量建设) 和选用m a c 的制式，以节约投资。 根据这些原则就可以选用实用而又经济方便的m a c 系统了，这也是本文中在研究设 计m a c 系统时需要考虑的原则。 2 3i e e e 8 0 2 11 无线局域网技术 本课题研究的卫星通信地球站m a c 系统是无线控制方式，采用的是i e e e s 0 2 11 无线 局域网标准，因此有必要先对此无线局域网技术有一定的认识【6 l 【7 1 。 2 3 1l e e e 8 0 2 1 1 协议发展概况 为了组建无线局域网，不同的公司或组织提出了不同的解决方案，目前的无线局域网 协议包括i e e e s 0 2 1 l 系列协议、蓝牙技术、h o m e r f 和y p e r l a n 2 标准等。无线局域网家 族中i e e e s 0 2 1 1 协议标准已经成为主导地位，为各厂家和组织取得一致认可。 i e e e 于1 9 9 7 年发布了无线局域网领第一个在国际上被认可的协议一8 0 2 1 l 协议。1 9 9 9 年9 月，i e e e 提出8 0 2 1 1 b 协议，用于对8 0 2 1 1 协议进行补充，之后又推出了8 0 2 1 l a 、 8 0 2 1 1 9 一系列协议，从而进一步完善了无线局域网规范。 2 3 2l e e e 8 0 2 1 1 系列标准比较 1 i e e e 8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l b 也被称为无线保真( w i r e l e s sf i d e l i t y ，w i f i ) 技术，采用补码键控( c c k ) 调制方式，使用2 4 g h z 频带，其对无线局域网通信的最大贡献是可以支持5 5 m b i t s 和 1 1 m b i t s 两种速率。多速率机制的介质访问控制可确保当工作站之间距离过长或干扰太 大、信噪比低于某个门限值时，传输速率能够从1 1 m b i t s 自动降到5 5 m b i t s ，或根据直 序扩频技术调整到2 m b i t s 和1 m b i t s 。使用范围支持的范围是在室外为3 0 0 米，在办公 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章卫星通信地球站m a c 系统及关键技术 环境中最长为1 0 0 米。8 0 2 1 1 b 使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的 数据传送和网络带宽的有效使用。 2 i e e e 8 0 2 1 l a 1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 1 1 a 标准制定完成，该标准规定w l a ni 作在5 1 5 - - - 8 8 2 5 g h z ，数 据传输速率达到5 4 m b p s 。该标准也是8 0 2 1 1 的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正 交频分复用( 0 f d m ) 的独特扩频技术，采用四相相移键控( q f s k ) 调制方式，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，支持多种业务如话音、数据和图像 等，一个扇区可以接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。i e e e 8 0 2 1l a 标准是 i e e e 8 0 2 1 l b 的后续标准，其设计初衷是取代8 0 2 1 1 b 标准，然而，工作于2 4 g h z 频带是 不需要执照的，该频段属于i s m 专用频段，工作于5 1 5 - 8 8 2 5g h z 频带是需要执照的。 3 i e e e 8 0 2 1 l g 随着无线i e e e8 0 2 1 1 标准开始深入人心，各i c 制造商开始寻求为以太网平台提供更 为快速的协议和配置。8 0 2 1 l g 其实是一种混合标准，它既能适应传统的8 0 2 1 i b 标准，在 2 4 g h z 频率下提供每秒l1 m b i t s 数据传输率，也符合8 0 2 1 l a 标准在5 g h z 频率下提供 5 6 m b s 的传输速率。 4 其他相关协议 i e