Разработка методов и устройств контроля основных параметров массивов памяти систем спутниковой связи

Актуальность темы

Одним из важнейших направлений развития спутниковых телекоммуникационных систем (СТС) является дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) с абонентским доступом к целевой информации и увеличенным, по сравнению с существующим, сроком активного существования (САС). Данные системы обеспечивают доступ абонентов к требуемой видео и радиолокационной информации о заданном районе Земли. При этом из-за низкой пропускной способностью радиолинии (по сравнению со скоростью выдачи данных источником информации) должно быть осуществлено накопление информации, в процессе которого обеспечивается контроль и исправление ошибок. Задачи накопления информации и обеспечения оперативного доступа абонентов к данной информации выполняет массив памяти (МП).

Учитывая невозможность проведения ремонта аппаратуры на борту космического аппарата, одной из основных задач, повышающих САС массива памяти, является селекция сбоев информации и формирование соответствующих сигналов, позволяющих их устранить. С учётом многомерности контролируемого пространства (аргументы: время t, адресное пространство а, вероятность безотказной работы р, скорость поступающей от сканирующей аппаратуры информации v, интенсивность отказов X) имеет место значительное многообразие параметров, обеспечивающих идентификацию сбоя. Дальнейшее наращивание числа параметров, используемых для контроля при поиске сбоев, должно обеспечивать повышение достоверности их идентификации.

Современные массивы памяти СТС обычно работают в режиме обобщенного выявления сбоев в контролируемом адресном пространстве. Идентификация сбоя, являющегося причиной нарушения работоспособности, реализуется уже с привлечением наземных элементов системы, в том числе операторов целевых систем, что не позволяет оперативно реагировать на данный сбой. Нарастание количества сбоев приводит к сокращению объемов информации передаваемой абонентам и уменьшению САС всей телекоммуникационной системы. Поэтому важно последовательно вводить в б массив элементы опознавания сбоев с их соответствующей обработкойСоответственно^ важными параметрами1 являются, объемы поврежденной информации, частота ее появления, информация о статистике обращения к ячейкам памяти и т. д. При их совокупном контроле должна проводиться ранговая оценка ситуации с установлением приоритетов и учетом специфики адресного пространства памяти без: участия наземной части системы и оператора. Это повышает САС системы и увеличивает эффективность СТС.

В связи с выше изложенным, актуальным в настоящее время является разработка, взаимно сопряженных методов, обработкиинформации о массивах памяти: Эти методы обеспечивают контроль, параметровопределяющих причины сбоев и принятие адекватного решения,' что в свою? очередь обеспечивает увеличение САС спутниковой системы. связи на 3.5 лет (до 10 лет и более).

Диссертация. ориентирована на спутниковые телекоммуникационные системы-дистанционного зондирования Землиц хотя решаемая в. работе задача весьма актуальна и в других областях, в частности, в телекоммуникационных системах обработки и хранения информации, прикладном телеви.

I — дении и др.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей диссертации является исследование и разработка методов^ контроля параметров, обеспечивающих повышение срока активного существования массива памяти спутниковых телекоммуникационных систем. Для достижения поставленной цели решены следующие научно-практические задачи:

1! Исследованы параметры существующих элементов и массивов, памяти, получена численная оценка увеличения срока активного существования массива памяти при использовании различных методов резервирования. 2. Разработана, математическая-модель массива, памяти, учитывающая специфику электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств типа FLASH и получена численная? оценкаувеличения срока активного существования массива памяти при использовании различных алгоритмов распределения.информации. На основании данной модели проведен анализ возможности повышения надежности файловой таблицы массива.

3. Разработан метод селекции сбоев с относительной пороговой оценкой специфики сбоя информации в массиве памяти типа FLASH.

4. Разработан метод формирования статистических данных о параметрах элементов памяти с анализом их достоверности и принятием решения о реконфигурации массива.

5. Проведены комплексные отработочные испытания устройств созданных по разработанным методам и предложен метод отбора элементов памяти по критерию' чувствительности к радиации — одного из основных параметров, влияющих на срок активного существования системы спутниковой связи.

Методы исследования: При решении поставленных задач в работе использованы современные методы анализа, основанные на теории передачи информации в радиотехнике, включая элементы теории цифровых многомерных сигналов, теории функционального анализа, теории математической статистики, численного анализа и программирования. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано влияние параметров элементов памяти типа FLASH на работу высокоскоростного массива спутниковой телекоммуникационной системыдистанционного зондирования Земли. Показано, что контроль и минимизация дисперсии числа перезаписей и чтений обеспечивает повышение надежности массива в жестких условиях эксплуатации, таких как открытый космос.

2. Установлено, что повышение вероятности безотказной работы массива памяти на микросхемах типа FLASH, при минимальном увеличении массы и габаритов спутниковой телекоммуникационной системы дистанционного зондирования Земли, обеспечивается неполным нагруженным резервированием элементами памяти с низкой чувствительностью к числу перезаписей.

3. Предложен метод повышения срока активного существования массива памяти на FLASH для СТС ДЗЗ. Данный метод включает использование алгоритма адаптивного распределения информации по адресному пространству массива и основан на контроле статистической информации, вынесенной в энергонезависимую память повышенной надежности. А так же применение функции равномерного распределения данных и оценку относительной надежности блоков памяти.

Практическая ценность работы:

1. Обосновано увеличение срока активного существования массива памяти на FLASH спутниковой телекоммуникационной системы до 10 лет путем использования нагруженного скользящего резервирования (применения элементов памяти nvSRAM в цепи резервирования, объемом, значительно меньшим, чем общий объем массива памяти).

2. Разработаны эффективный метод и устройства селекции и минимизации сбоев, обеспечивающие запись информации в блоки памяти с наивысшим значением ВБР.

3. Предложен алгоритм отбора микросхем FLASH памяти, чувствительных к радиации, что обеспечивает повышение надежности системы спутниковой* связи.

4. Исследованы предложенные методы, алгоритмы и устройства в жестких условиях эксплуатации и функционирования.

Реализацияи внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при разработке бортовых систем сбора и передачи информации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли «Метеор-М» и «Электро-Л» на Федеральном государственном унитарном предприятии «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения», что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад. Все научные результаты в диссертационной работе получены автором лично.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: НТК профессорско-препода-вательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ (2003; 2006 гг.) — Межрегиональная конференция МНТОРЭС им. А. С. Попова «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания» (2003,.

2004 г.)-, Межрегиональная конференция МиНРО НТОРЭС им. А. С. Попова «Обработка1 сигналов в системах наземной радиосвязи и оповещения» (2006;2008 гг.) — НТК «Космонавтика, радиоэлектроника, геоинформатика», Рязань (2003, 2007 г.) — Международные научно-практические конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». Intermatic, Москва, (2004, 2005 г.) — VI Международная НТК «Перспективные технологии в-средствах передачи информации», Владимир, (2005 г.) — Московская отраслевая НТК «Технологии информационного общества», Москва, (2007 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы. в 24 печатной, работе, в том числе в 19 работах — без соавторства, в том числе 2 опубликованы* в ведущих рецензируемых научных изданиях и, журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Выявление влияния процедуры записи/чтения блока электрически перепрограммируемой памяти типа FLASH на срок активного существования массива памяти в условиях открытого космоса*. Сокращение срока активного существования достигает 30%.

2. Метод динамического определения ненадежности блока электрически перепрограммируемой памяти типа FLASH, путем применения разработанного критерия, основанного1 на контроле параметров блоков массива во время записи информации, обеспечивающий увеличение числа перезаписей до 2×105.

3: Метод адаптивной реконфигурации, основанный на анализе данных о накопленных сбоях и текущей статистической информации о параметрах массива, обеспечивающий увеличение срока активного существования массива электрически перепрограммируемой памяти типа FLASH системы спутниковой связи на 3. .5 лет.

4. Устройство памяти на электрически перепрограммируемых микросхемах типа FLASH спутниковой системы связи, с нагруженным неполным резервированием, имеющее заданное значение вероятности безотказной работы в заданном периоде времени и прошедшее комплексные отработочные испытания. (Объем массива 500 Гбайт, скорость записи информации 10 Гбит/с, вероятность безотказной работы за 10 лет — не менее 0,99).

Структура диссертации. Диссертационная" работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста.

Список литературы

включает 124 наименования.

4.6 Выводы.

• Разработанные МП подтвердили полученные математическим путем скоростные характеристики и рекомендованы для использования во всех высокоскоростных системах передачи данных работающих как в стационарных, так и мобильных условиях;

• Были проведены аттестационные испытания разработанных высокоскоростных МП, которые подтвердили возможность их использования в аппаратуре класса 5 (Авиакосмические и военные системы);

• Разработана методика проведения отбора микросхем FLASH-памяти, «гиперчувствительных» к радиации;

• Анализ характеристик микросхем FLASH-waMxm позволяет сократить аттестационные испытания на 20% за счет минимизации испытаний при пониженной температуре;

• Проведенные исследования подтвердили возможность влияния выхода из строя одного блока памяти на соседние блоки, в связи с чем, дублирование информации внутри FLASH памяти необходимо разделить на отдельные массивы в соответствии с топологией данной микросхемы;

• Разработанные методы и алгоритмы позволили реализовать 2 бортовые МП для спутниковых систем связи малых КА дистанционного зондирования Земли, что подтверждается соответствующими актами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При решении поставленных задач в диссертации были получены следующие результаты:

Проведен аналитический обзор МП и элементов памяти, на которых они основаны: рассмотрены основные параметры и характеристики современных МПвыявлены существенные параметры, влияющие на качество работы МП в ССС ДЗЗ: объем хранимой информации, скорость доступа к информации, число перезаписей и чтений, масса, габариты и энергопотребление, а так же С АС и чувствительность к следующим внешним воздействиям: давлению, влажности, температуре, радиации, вибрации и ударампоказана целесообразность создания МП нового поколения для ССС ДЗЗ на основе элементов памяти типа FLASH, содержащей следующие характеристики, которые необходимо учитывать: влияние температуры, влияние числа перезаписей, влияние радиации. Указанные исследования позволили конкретизировать задачи разработки новых алгоритмов, методов и устройств.

Проведен анализ существующих способов повышения скорости «чтения/записи» информации, показана невозможность получения при их использовании скорости доступа к памяти типа FLASH более 2 Гбит/стак же высокоскоростные МП имеют низкую надежностьанализ методов повышения вероятности безотказной работы — резервирования доказал нецелесообразность использования так называемого ненагруженного резервированияРазработанный алгоритм резервирования, (нагруженное резервирования), позволяет резко повысить ВБР ветви памяти на микросхемах типа FLASH, и иметь заданное значения в устанавливаемых пределах числа перезаписей.

Проведен анализ существующих методов распределения информации по адресному пространству, показано их низкая вероятность безотказной работы. Проанализированы алгоритмы, повышающие ВБР за счет равномерности распределения информации по всему адресному пространству, сокращения таблицы ФАТ и ее перенос в энергонезависимую память с минимальной чувствительностью к перезаписи.

Квалифицированны сбои внутри МП и разработан метод повышения САС МП на основе предложенных алгоритмов статистического снижения вероятности сбоя, за счет контроля динамически изменяющихся параметров и алгоритма «мягкого» определения блочной ошибки.

Проведенные испытания МП, созданных по разработанным алгоритмам и методам подтвердили расчетные значения и позволяют рекомендовать их при использовании данных МП в ССС ДЗЗ.

Отдельно следует отметить метод повышения скорости чтения/записи информации, который впервые позволил создать реальную МП для БССД КА с максимальной скоростью «чтения/записи» 10 Гбит/с.