KR102012270B1 - Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof - Google Patents

Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102012270B1
KR102012270B1 KR1020170119696A KR20170119696A KR102012270B1 KR 102012270 B1 KR102012270 B1 KR 102012270B1 KR 1020170119696 A KR1020170119696 A KR 1020170119696A KR 20170119696 A KR20170119696 A KR 20170119696A KR 102012270 B1 KR102012270 B1 KR 102012270B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
obp
change
performance
seu
sram
Prior art date
Application number
KR1020170119696A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190031799A (en
Inventor
정승화
최지환
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인대구경북과학기술원 filed Critical 재단법인대구경북과학기술원
Priority to KR1020170119696A priority Critical patent/KR102012270B1/en
Publication of KR20190031799A publication Critical patent/KR20190031799A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102012270B1 publication Critical patent/KR102012270B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F11/00Error detection; Error correction; Monitoring
    • G06F11/004Error avoidance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F11/00Error detection; Error correction; Monitoring
    • G06F11/008Reliability or availability analysis
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations

Abstract

본 발명은 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법 및 예측 장치에 관한 것으로, OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정하는 단계; 완화 및 수정을 이용한 오류 수정을 통해 SRAM 기반 FPGA에서 발생하는 누적 오류율을 계산하는 단계; 및 상기 완화 및 수정하는 단계에 적용되는 파라미터 및 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method and a prediction apparatus for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in the space radiation environment, comprising: mitigating and correcting occurrence of SEU in a system of an OBP satellite modem; Calculating a cumulative error rate occurring in the SRAM-based FPGA through error correction using mitigation and correction; And predicting the performance of the OBP system through parameters and mathematical models applied to the mitigating and modifying steps.

Description

우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법 및 예측 장치{Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof}Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device

본 발명은 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법 및 예측 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Field Programmable Gate Array (FPGA) 가 우주 방사선 환경에 노출되었을 때 시스템 오류 확률을 낮추기 위한 시스템 구조를 적용한 OBP 위성의 우주 방사선 환경 변화에 따른 정보 처리량 변화 예측 방법 및 예측 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and a prediction apparatus for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in the space radiation environment, and more particularly, a system for reducing the probability of system error when a Field Programmable Gate Array (FPGA) is exposed to the space radiation environment. The present invention relates to a method and a prediction apparatus for predicting change in information throughput according to changes in space radiation environment of OBP satellites.

SRAM 기반 FPGA는 반도체 집적 공정의 발전에 힘입어 높은 메모리 용량과 작은 디바이스 사이즈 그리고 빠른 데이터 처리 속도를 가지게 되었다. 뿐만 아니라 FPGA는 빠르고 값싼 시제품 제작이 가능하여 바로 실제 산업 시스템에 사용될 뿐만 아니라, 우주 등급의 FPGA 디바이스는 우주산업의 embedded processing platform에 바로 적용이 가능한 컨트롤러 혹은 프로세서로서의 사용이 가능하기 때문에 Time-To-Market 입장에서 매우 실용적이고 비용 절감에 도움이 되는 디바이스이다. 이러한 장점 때문에 SRAM 기반 FPGA는 화성탐사선, 다목적 위성, 통신위성 등 우주산업의 다양한 임무에서 컨트롤러와 프로세서로 사용되고 있다.SRAM-based FPGAs are driven by advances in semiconductor integration processes, resulting in higher memory capacity, smaller device size, and faster data throughput. In addition, FPGAs are fast and cheap for prototyping, so they can be used directly in real-world industrial systems, while space-class FPGA devices can be used as controllers or processors that can be directly applied to the embedded processing platform of the aerospace industry. This device is very practical for the market and helps to reduce costs. Because of these advantages, SRAM-based FPGAs are used as controllers and processors in a variety of missions in the space industry, including Mars probes, multipurpose satellites, and communication satellites.

하지만 SRAM 기반 FPGA의 가장 큰 단점은 휘발성 메모리인 SRAM을 사용한다는 점이다. 이 SRAM 메모리는 FPGA 내부 패브릭의 연결 구조 디자인에 대한 정보를 담고 있는 구성 비트 정보를 저장하는데 사용된다. SRAM 기반 FPGA가 대기권 밖에서 우주 임무를 수행하는 우주선과 인공위성에 사용되는 경우, 밴앨런대 내부에 존재하는 전자, 양성자 그리고 태양의 활동에 의해 지구로 날아오는 중이온에 의한 Single Event Upsets (SEUs) 현상을 겪게 되며 이는 SRAM 기반 FPGA 내부에 구현된 회로 디자인을 변화시켜 성능 저하 및 오동작을 일으키는 원인이 된다.The biggest drawback of SRAM-based FPGAs, however, is the use of SRAM, which is volatile memory. This SRAM memory is used to store configuration bit information containing information about the design of the interconnect structure of the FPGA internal fabric. When SRAM-based FPGAs are used in spacecraft and satellites in space missions outside the atmosphere, single-event upsets (SEUs) caused by heavy ions flying into the Earth by the action of electrons, protons, and the sun inside Van Allen This changes the circuit design implemented inside the SRAM-based FPGA, causing performance degradation and malfunctions.

이러한 SEUs 현상에 의한 성능 저하 및 오동작을 방지하기 위한 방법으로 2가지 방법이 가장 많이 쓰인다. 첫 번째 방법은 전체적인 회로 디자인을 3중으로 설계하여 각각의 출력을 majority voting 회로의 입력으로 두어 SEU 현상에 의한 잘못된 출력을 제거하는 방법이며 이를 Triple Modular Redundancy(TMR)이라고 한다. 두 번째 방법으로는 SEU 현상에 의해 구성 비트의 정보가 바뀐 것이 감지될 때 혹은 주기적인 시간을 갖고 SRAM에 저장된 구성 비트 정보를 재작성 하는 방법인 configuration scrubbing 방법이 있다. 그러나 구성 비트는 폭이 넓은 데이터 워드로 구성되어 있지 않을 뿐더러 구성 비트와 사용자의 회로 디자인을 구성하는 로직은 direct connection을 이루고 있기 때문에 SEU 현상에 의한 구성 비트의 오류를 감지하기 위한 Error Correcting Code (ECC) 구현에 적합하지 않다. 그렇기 때문에 우주미션의 성격과 따라서 간편하고 확실한 오류 수정 방법인 주기적인 scrubbing 기법이 구성 비트의 오류를 수정하는데 많이 사용된다.Two methods are most commonly used to prevent performance degradation and malfunction due to the SEUs. The first method is to design the overall circuit design in three and put each output as the input of the majority voting circuit to eliminate erroneous output caused by SEU phenomenon. This is called Triple Modular Redundancy (TMR). The second method is the configuration scrubbing method, which is a method of rewriting configuration bit information stored in the SRAM at a periodic time or when a change of the configuration bit information is detected by the SEU phenomenon. However, since the configuration bits are not composed of a wide data word, and the configuration bits and the logic configuring the user's circuit design are in direct connection, an error correcting code (ECC) is used to detect errors in the configuration bits caused by the SEU phenomenon. ) Is not suitable for implementation. Therefore, the periodic scrubbing technique, which is the nature of space missions and therefore a simple and reliable error correction method, is frequently used to correct errors in configuration bits.

차세대 통신 위성에 사용되는 OBP 시스템은 연속적인 업링크 데이터를 수신하고 다양한 신호처리 역할을 하는 모뎀 프로세싱 역할을 하며, 신호처리가 끝난 데이터는 다운링크를 통하여 지상의 사용자에 전달하는 pipeline 형식의 데이터 수신-처리-송신 과정이 연속적으로 벌어지기 때문에 SEU 현상에 의한 OBP 시스템의 구성 비트 오류는 수정기법에 의해 수정되지 않는 한 데이터 처리량에 지속적인 악영향을 미치게 된다.OBP system used in next-generation communication satellites is a modem processing that receives continuous uplink data and performs various signal processing functions, and receives data in the form of pipeline that transmits the signal processed data to users on the ground through downlink. Because the process-transmission process is continuous, the configuration bit error of the OBP system due to the SEU phenomenon has a lasting adverse effect on the data throughput unless corrected by the correction technique.

이처럼 SEU 현상에 의한 구성 비트의 오류 억제기법과 수정기법은 고안이 되어있는 상황이지만 완벽한 SEU 현상의 제어는 아직도 불가능하며, 더 나아가 SEU 현상이 정량적으로 OBP 위성 통신 시스템에 얼마나 영향을 미치는가에 대한 연구는 전무한 상황이다.As such, error suppression and correction techniques for component bits due to the SEU phenomenon have been devised, but the complete control of the SEU phenomenon is still impossible, and further, how the SEU phenomenon quantitatively affects the OBP satellite communication system. Is a nil situation.

한국등록특허 제10-1667400호Korea Patent Registration No. 10-1667400 한국공개특허 제10-2008-0074448호Korean Patent Publication No. 10-2008-0074448

본 발명의 일측면은 위성 통신 시스템의 구현에 사용되는 Static Random Access Memory (SRAM) 기반의 Field Programmable Gate Array (FPGA) 가 우주 방사선 환경에 노출되었을 때 구성 메모리 내부에서 발생하는 구성 비트 값의 변화에 따른 시스템 오류 확률을 낮추기 위한 시스템 구조를 적용한 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법 및 예측 장치를 제공한다.One aspect of the present invention is directed to a change in configuration bit values generated in a configuration memory when a field random access memory (SRAM) based Field Programmable Gate Array (FPGA) based on a satellite communication system is exposed to a cosmic radiation environment. The present invention provides a method and a prediction apparatus for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in the space radiation environment using a system structure for reducing the probability of system error.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법은, OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정하는 단계; 완화 및 수정을 이용한 오류 수정을 통해 SRAM 기반 FPGA에서 발생하는 누적 오류율을 계산하는 단계; 및 상기 완화 및 수정하는 단계에 적용되는 파라미터 및 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment may include: mitigating and correcting occurrence of SEU in a system of an OBP satellite modem; Calculating a cumulative error rate occurring in the SRAM-based FPGA through error correction using mitigation and correction; And predicting the performance of the OBP system through parameters and mathematical models applied to the mitigating and modifying steps.

일 실시 예에서, 상기 완화 및 수정하는 단계는, OBP 시스템에 XTMR 디자인을 적용하여 SEU 현상을 완화하는 단계; 및 블라인드 스크러빙 스키마를 적용하여 SEU의 발생으로 인한 오류를 수정하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the mitigating and modifying steps include: applying an XTMR design to the OBP system to mitigate the SEU phenomenon; And applying a blind scrubbing scheme to correct an error due to the occurrence of the SEU.

일 실시 예에서, 상기 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계는, 상기 완화 및 수정하는 단계에 적용되는 파라미터 및 스크러빙 주기 값의 변화에 따라 달라지는 SRAM 구성 비트 오류율을 나타내는 수학적 모델을 생성하는 단계; 및 생성된 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 데이터 성능을 수식적으로 표현하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, estimating the performance of the OBP system may comprise: generating a mathematical model representing an SRAM configuration bit error rate that varies with a parameter and a scrubbing period value applied to the mitigation and correction steps; And expressing data performance of the OBP system through the generated mathematical model.

일 실시 예에서, 상기 파라미터는, 완화 윈도우 사이즈, 완화 윈도우 개수, 평균 fan-out 수 또는 사용되는 구성 비트 수 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the parameter may include at least one of a relaxation window size, a relaxation window number, an average fan-out number, and a configuration bit number used.

일 실시 예에서, 상기 OBP 시스템의 데이터 성능(G)은 2Gbps이고, 모뎀에 사용된 SRAM 기반 FPAG는 200MHz 클록 속도(F)를 가질 수 있다.In one embodiment, the data performance (G) of the OBP system is 2Gbps, and the SRAM-based FPAG used for the modem may have a 200MHz clock rate (F).

일 실시 예에서, 상기 OBP 시스템의 데이터 성능(G)은, 수학식

Figure 112017090702505-pat00001
(상기 b는 클럭 당 처리된 비트 수)을 만족할 수 있다.In one embodiment, the data performance (G) of the OBP system is,
Figure 112017090702505-pat00001
(Where b is the number of bits processed per clock).

일 실시 예에서, 데이터 처리량의 손실(

Figure 112017090702505-pat00002
)은, 수학식
Figure 112017090702505-pat00003
(상기
Figure 112017090702505-pat00004
는 1 클럭 당 SEU 비트를 액세스할 확률)을 만족할 수 있다.In one embodiment, loss of data throughput (
Figure 112017090702505-pat00002
) Is the equation
Figure 112017090702505-pat00003
(remind
Figure 112017090702505-pat00004
May satisfy the probability of accessing the SEU bit per clock.

일 실시 예에서, 상기

Figure 112017090702505-pat00005
는, 수학식
Figure 112017090702505-pat00006
(상기 n은 SEU가 발생된 구성 비트, 상기 Nb는 시스템 구성 비트의 수)을 만족할 수 있다.In one embodiment, the
Figure 112017090702505-pat00005
Is the equation
Figure 112017090702505-pat00006
(Where n is the configuration bits from which the SEU is generated and Nb is the number of system configuration bits).

일 실시 예에서, 상기 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계는, 수식적으로 표현된 상기 OBP 시스템의 데이터 성능을 정량적으로 나타냄과 동시에 OBP 위성의 데이터 전송 시 발생하는 BER로 표현하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, estimating the performance of the OBP system may further include expressing quantitatively the data performance of the OBP system represented by a formula and expressing it as a BER occurring during data transmission of an OBP satellite. Can be.

일 실시 예에서, 상기 BER로 표현하는 단계는,

Figure 112017090702505-pat00007
으로부터 하한 BER를 예측할 수 있다.In one embodiment, the step of expressing the BER,
Figure 112017090702505-pat00007
The lower limit BER can be predicted from.

본 발명의 일 실시예에 따른 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 장치는, OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정하는 완화수정부; 완화 및 수정을 이용한 오류 수정을 통해 SRAM 기반 FPGA에서 발생하는 누적 오류율을 계산하는 오류율 계산부; 및 상기 완화수정부에 적용되는 파라미터 및 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 성능을 예측하는 성능 예측부를 포함한다.An apparatus for predicting change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment according to an embodiment of the present invention includes: a mitigation correction unit for mitigating and correcting occurrence of SEU in an OBP satellite modem system; An error rate calculator that calculates a cumulative error rate occurring in the SRAM-based FPGA through error correction using mitigation and correction; And a performance predictor for predicting the performance of the OBP system through parameters and mathematical models applied to the mitigation correction unit.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 우주 환경의 변화에 따라 달라지는 SRAM 기반 FPGA로 구현된 OBP 시스템의 성능 변화를 정량적으로 표현하여 지상에서 이를 이용한 대비책을 세우도록 할 수 있다.According to the aspect of the present invention described above, it is possible to quantitatively express the performance change of the OBP system implemented by the SRAM-based FPGA, which is changed according to the change of the space environment, to prepare a countermeasure using the same on the ground.

도 1은 Triple Modular Redundancy(TMR)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 장치를 설명하는 제어블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 SEU 오류율에 의해 한 스크럽 사이클 동안 일어난 누적 오류율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 SEU 오류율 및 완화 윈도우 수를 고려한 누적 오류율의 3차원 플롯이다.
도 6은 OBP 위성에서 신호처리를 위한 모뎀을 설명하는 그림이다.
도 7은 도 3에 있는 완화 및 수정하는 단계를 설명하는 순서도이다.
도 8은 구성 비트 업셋과 완화 윈도우를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 3에 있는 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계를 설명하는 도면이다.
1 is a diagram showing the configuration of Triple Modular Redundancy (TMR).
FIG. 2 is a control block diagram illustrating an apparatus for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the cumulative error rate that occurred during one scrub cycle by SEU error rate.
5 is a three-dimensional plot of the cumulative error rate taking into account the SEU error rate and the number of mitigation windows.
6 is a diagram illustrating a modem for signal processing in an OBP satellite.
FIG. 7 is a flow chart illustrating the mitigation and modification steps in FIG. 3.
8 illustrates a configuration bit upset and a relaxation window.
FIG. 9 is a diagram illustrating a step of predicting the performance of the OBP system of FIG. 3.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description, therefore, is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is defined only by the appended claims, along with the full range of equivalents to which such claims are entitled. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the several aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

LEO의 통신 위성에 배치된 OBP 시스템은 SRAM 기반 FPGA를 사용하여 고성능으로 재구성할 수 있는 아키텍처를 구현할 수 있다. 그러나 SRAM은 SEU 현상에 매우 취약하기 때문에 SRAM 기반 FPGA로 구현된 OBP 시스템에 SEU 완화 체계를 적용하는 것이 필수적이다.Deployed on LEO's communications satellites, OBP systems can implement high-performance reconfigurable architectures using SRAM-based FPGAs. However, because SRAM is very vulnerable to SEU, it is essential to apply SEU mitigation schemes to OBP systems implemented with SRAM-based FPGAs.

SEU 현상을 해결하는 방법에는, 오류 마스킹 스키마와 오류 수정 스키마가 있는데, 이 두 가지 SEU 솔루션을 적용하려면 비용, 복잡성, 요구 사항 및 시스템 성능을 고려해야 한다.There are two ways to solve the SEU phenomenon: error masking schemas and error correction schemas. Both of these SEU solutions require consideration of cost, complexity, requirements, and system performance.

도 1에서 보듯이, 구성 비트의 불균형을 가려내기 위해 위성 시스템에 가장 널리 사용되는 구조인 TMR(Triple Modular Redundancy) 스키마(Scheme)가 있다. TMR은 SEU에 의한 잘못된 출력을 완화하기 위한 기술로 전체 회로 설계를 3배로 만들고 오류 신호를 마스크하기 위해 유권자(Voter) 회로를 배치함으로써 오류를 완화 할 수 있다. 이 어플리케이션은 선택된 회로 구조의 크기와 기능 논리 그룹의 수를 결정하며, Mitigation Window(MW) 크기는 로직 그룹으로 구성된 구성 비트의 수에 따라 변경될 수 있다. 일반적으로 MW 크기가 작을수록 오류 마스킹의 완화 성능이 향상되나, MW의 비율과 유권자 회로의 수, 복잡성 및 전력 소비 또한 증가할 것이다 As shown in FIG. 1, there is a Triple Modular Redundancy (TMR) Scheme, which is a structure most widely used in a satellite system to screen an unbalance of configuration bits. TMR is a technique for mitigating erroneous outputs by the SEU, which can mitigate errors by doubling the overall circuit design and placing voter circuits to mask the error signals. The application determines the size of the selected circuit structure and the number of functional logic groups, and the size of the Mitigation Window (MW) can change depending on the number of configuration bits organized into the logic groups. In general, smaller MW sizes will improve mitigation of error masking, but will also increase the ratio of MW and the number, complexity, and power consumption of voter circuits.

위성 시스템에서 SRAM 기반 FPGA의 구성 비트의 SEU로 인한 오류를 수정하는 데 사용되는 방법은, 구성 스크러빙(configuration scrubbing)이다. 구성 스크러빙은 올바른 구성 데이터를 구성 메모리에 다시 쓰는 방법으로 구성 메모리 내에서 비트 업셋을 복구하는 프로세스이다. 전형적인 SRAM 시스템에서, 데이터 워드는 한 번에 판독되고, ECC(Error Correction Coding)는 데이터 워드 내의 오류 비트를 검출 및 수정한다. 그런 다음 데이터 단어가 사용자 회로를 구성한다.Configuration scrubbing is a method used to correct errors due to SEU of configuration bits in SRAM-based FPGAs in satellite systems. Configuration scrubbing is the process of restoring bit upsets in configuration memory by writing the correct configuration data back into configuration memory. In a typical SRAM system, data words are read at once, and Error Correction Coding (ECC) detects and corrects error bits in the data word. The data words then make up your circuit.

그러나 FPGA의 구성 SRAM은 구성 비트에서 LUT, MUX 및 PIP와 같은 사용자 논리에 직접 연결된다. 즉, 사용된 구성 비트에서 혼란이 발생하면 논리 회로에서 혼란이 발생하며, 또한, 구성 비트는 넓은 데이터 워드로 구성되지 않으므로, ECC 방식을 패리티(parity) 비트로 사용하는 것은 부적절하다.However, the configuration SRAM in the FPGA is directly connected to user logic such as LUTs, MUXs, and PIPs in the configuration bits. That is, when confusion occurs in the used configuration bits, confusion occurs in the logic circuit, and since the configuration bits are not composed of wide data words, it is inappropriate to use the ECC scheme as a parity bit.

따라서 SRAM 구성 메모리를 재 작성하는 기법이 일반적으로 사용되며, 블라인드 스크러빙(blind scrubbing)과 리드 백 스크러빙(read-back scrubbing)의 두 가지 구성 스크러빙 방법이 있다.Therefore, a technique for rewriting the SRAM configuration memory is generally used, and there are two configuration scrubbing methods, blind scrubbing and read-back scrubbing.

리드 백 스크러빙의 경우, 이는 업셋이 있고 수정된 데이터를 쓰는 경우 올바른 데이터를 계산한다. 이 방법의 주요 이점은 혼란이 있을 때만 기록한다는 것이나, 단점은 추가적인 비휘발성 메모리와 공간이 필요하며 전력 소모가 증가한다는 것이다. 가장 중요한 단점은 MBU(Multi Bit Upset) 발생 시 복구가 불가능 하여 구성을 손상시킬 수 있는 취약점을 가지고 있다.In the case of read back scrubbing, it calculates the correct data if there is an upset and writes the modified data. The main advantage of this method is that it writes only when there is confusion, but the disadvantage is that it requires additional nonvolatile memory and space, and increases power consumption. The most important disadvantage is that it is impossible to recover when MBU (Multi Bit Upset) occurs, which can damage the configuration.

블라인드 스크러빙은 매우 간단하고 빠른 스크럽 방법이다(ms 단위). 또한, 블라인드 스크러빙은 추가적인 비휘발성 메모리를 필요로 하지 않는다. 면적 및 전력 소비에 대한 요구 사항은 매우 낮으므로 SEU 비율이 낮고 환경이 시스템 작업 기간 동안 치명적이지 않은 경우 이 스키마가 자주 사용된다.Blind scrubbing is a very simple and fast scrub method (in ms). In addition, blind scrubbing does not require additional nonvolatile memory. The requirements for area and power consumption are very low, so this scheme is often used when the SEU rate is low and the environment is not critical during the system's working period.

통신 위성에 사용되는 OBP 시스템은 업 링크를 통한 입력 신호가 지상 사용자로부터 지속적으로 전송되고 데이터가 OBP 모뎀에 의해 처리되는 파이프라인 구조(pipelined structure)이다. 출력 신호 또한 OBP 위성에 의해 계속 전송된다. 지속적인 데이터 처리를 하는 OBP 모뎀은 긴 스크럽 주기와 구성 비트를 읽음으로써 업셋이 발생했는지를 계산하는 읽기백 스크러빙을 적용하는 것이 부담스럽다. 이러한 부담은 전력 소비와 복잡성을 증가시킬 뿐만 아니라 돌이킬 수 없는 시스템 오류를 야기할 확률을 증가시킨다. 이러한 이유들로 인해, 간단한 블라인드 스크러빙과 TMR 구조가 본 발명에서 오류 수정 기법에 적용되었다.OBP systems used in communication satellites are a pipelined structure in which input signals on the uplink are continuously transmitted from ground users and data is processed by the OBP modem. The output signal is also transmitted continuously by the OBP satellite. OBP modems with continuous data processing are burdensome to apply readback scrubbing to calculate if an upset has occurred by reading long scrub cycles and configuration bits. This burden not only increases power consumption and complexity, but also increases the probability of causing irreparable system failure. For these reasons, simple blind scrubbing and TMR structures have been applied to the error correction technique in the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 장치를 설명하는 제어블록도이다.FIG. 2 is a control block diagram illustrating an apparatus for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 장치(1)는, 완화수정부(10), 오류율 계산부(20) 및 성능 예측부(30)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the apparatus 1 for predicting change in information throughput of an OBP satellite according to a change in the space radiation environment includes a mitigation correction unit 10, an error rate calculator 20, and a performance predictor 30.

완화수정부(10)는, OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정한다.The mitigation corrector 10 mitigates and corrects the occurrence of SEU in the system of the OBP satellite modem.

오류율 계산부(20)는, 완화 및 수정을 이용한 오류 수정을 통해 SRAM 기반 FPGA에서 발생하는 누적 오류율을 계산한다.The error rate calculator 20 calculates a cumulative error rate occurring in the SRAM-based FPGA through error correction using mitigation and correction.

성능 예측부(30)는, 완화수정부(10)에 적용되는 파라미터 및 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 성능을 예측한다.The performance predictor 30 predicts the performance of the OBP system through parameters and mathematical models applied to the relaxation correction unit 10.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법을 설명하는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method for predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법은, 우선 완화수정부(10)가 OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정한다(100).Referring to FIG. 3, in the method of predicting change in information throughput of an OBP satellite according to a change in the space radiation environment, first, the mitigation correction unit 10 mitigates and corrects generation of SEU in a system of an OBP satellite modem (100).

상술한 단계 100에서 OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정한 후, 오류율 계산부(20)가 완화 및 수정을 이용한 오류 수정을 통해 SRAM 기반 FPGA에서 발생하는 누적 오류율을 계산한다(200).After mitigating and correcting the occurrence of SEU in the system of the OBP satellite modem in step 100 described above, the error rate calculator 20 calculates the cumulative error rate occurring in the SRAM-based FPGA through error correction using mitigation and correction (200). ).

누적 오류율은 시간 윈도우 또는 평균 고장 시간 (MTTF, mean time to failure) 값의 역수보다 작아야 하므로, 스크럽 비율은 누적 오류율 요건을 충족하도록 조정해야 한다.Since the cumulative error rate must be less than the inverse of the time window or mean time to failure (MTTF) value, the scrub rate must be adjusted to meet the cumulative error rate requirement.

실시간 데이터 처리가 작동하는 OBP 시스템의 경우, 스크럽 비율이 클수록 시스템 작동에 영향을 미치는 오버 헤드를 증가시켜 시스템 성능을 저하시킨다. 임무 기간 동안 인공위성의 궤도에서의 수리는 불가능하므로, 상대적으로 빈번한 스크러빙으로 인해 하드웨어 피로로 인한 영구적인 고장 가능성을 줄이기 위해서는 요구 사항을 충족시키고 스크럽 비율을 최소화하는 것이 바람직하다. 시간 윈도우에 의한 경계 누적 오류율은 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.For OBP systems with real-time data processing, larger scrub ratios increase system overhead by increasing the overhead that affects system operation. Repair of the satellite in orbit during the mission is not possible, so it is desirable to meet the requirements and minimize the scrub rate to reduce the chance of permanent failure due to hardware fatigue due to relatively frequent scrubbing. The boundary cumulative error rate by the time window is expressed by Equation 1 below.

Figure 112017090702505-pat00008
Figure 112017090702505-pat00008

여기서,

Figure 112017090702505-pat00009
는 시간 윈도우에 의한 경계 누적 오류율이고,
Figure 112017090702505-pat00010
는 단위 장치 당 구성 비트 업셋 확률이고, Nb는 시스템 구성 비트의 수이고, NP는 특정 비트와 쌍을 이룰 비트 수이고, NT는 구성 비트의 총 수이고,
Figure 112017090702505-pat00011
는 TW를 가지는 스크럽 비율의 하한값이고, TW는 시간 윈도우이다.here,
Figure 112017090702505-pat00009
Is the boundary cumulative error rate by the time window,
Figure 112017090702505-pat00010
Is the configuration bit upset probability per unit device, Nb is the number of system configuration bits, NP is the number of bits to pair with a particular bit, NT is the total number of configuration bits,
Figure 112017090702505-pat00011
Is the lower limit of the scrub ratio with TW, and TW is the time window.

스크럽 비율을 정의하기 위해 먼저 Nb와 NP를 계산한다. Nb는 회로 설계를 구성하는 데 사용되는 구성 비트의 수이다. 복잡한 디자인 일지라도, 회로를 구성하는 데 사용되는 LUT의 수는 거의 30,000개의 LUT이다. 논리 및 라우팅에 사용되는 구성 비트의 비율은 2 : 8이며 XTMR이 적용되더라도 Nb/NT 비율은 거의 15% 이하이다.To define the scrub ratio, first calculate Nb and NP. Nb is the number of configuration bits used to construct the circuit design. Even in complex designs, the number of LUTs used to construct the circuit is almost 30,000 LUTs. The ratio of configuration bits used for logic and routing is 2: 8, and even with XTMR, the Nb / NT ratio is almost 15% or less.

이 정보를 바탕으로 신호 필터링, 파형 변조/복조 및 코덱과 같은 다양한 신호 처리를 사용하는 OBP 시스템 설계가 Nb/NT 비율의 15 %를 차지한다고 가정하고 후술하기로 한다.Based on this information, it is assumed below that an OBP system design using various signal processing such as signal filtering, waveform modulation / demodulation, and codec accounts for 15% of the Nb / NT ratio.

NP 값을 얻는 것은 또한 매우 복잡하므로 대략적인 값을 얻기 위해 상한과 하한이 사용된다. 설계 복잡성은 fan-out 매개 변수의 평균값에 의해 결정되는데, 즉, 비트 중 어느 정도가 완화 윈도우 수에 영향을 미치는지를 나타낸다. fan-out은 다음의 수학식 2과 같이 추정할 수 있다.Obtaining NP values is also very complicated, so upper and lower limits are used to obtain approximate values. The design complexity is determined by the average value of the fan-out parameters, ie how much of the bit affects the number of mitigation windows. The fan-out may be estimated as in Equation 2 below.

Figure 112017090702505-pat00012
Figure 112017090702505-pat00012

여기서, φ은 fan-out의 평균값이고, MW는 완화 윈도우(mitigation window)이다.Where φ is the average value of the fan-out and MW is the mitigation window.

일반적으로, 평균 팬-아웃 값이 클수록 고속 회로가 보다 유리하게 구현될 수 있지만, 설계가 복잡하고 누적 오류율이 증가하고 있다. fan-out=mitigation window의 경우 이것은 NP = 2/3×Nb의 상한에 해당한다. 즉, 모든 쌍 비트는 특정 비트에 대한 보기를 포함하여 구성 비트 열을 제외한 다른 두 개의 문자열에 있음을 의미한다.In general, the larger the average fan-out value, the more advantageously a high speed circuit can be implemented, but the design is complex and the cumulative error rate is increasing. For fan-out = mitigation window, this corresponds to the upper limit of NP = 2/3 x Nb. That is, every pair of bits is in two other strings except the configuration bit string, including the view for that particular bit.

따라서 모든 비트가 모든 완화 윈도우에 영향을 미치므로 현실에서는 불가능하다. 반대로, 하한은 fan-out=1을 의미하고, 비트는 하나의 완화 윈도우만 연결함을 의미한다. 이것은 Nb를 완화 윈도우의 수로 나누는 것을 의미하는데, NP의 상한과 하한은 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.Therefore, it is impossible in reality because every bit affects all mitigation windows. In contrast, the lower limit means fan-out = 1 and the bit means that only one mitigation window is connected. This means dividing Nb by the number of relaxation windows. The upper limit and the lower limit of NP can be expressed by Equation 3 below.

Figure 112017090702505-pat00013
Figure 112017090702505-pat00013

TW를 가지는 스크럽 비율의 하한은 다음의 수학식 4과 같이 표현될 수 있다.The lower limit of the scrub ratio having a TW may be expressed by Equation 4 below.

Figure 112017090702505-pat00014
Figure 112017090702505-pat00014

수학식 3과 수학식 4을 합하면 다음의 수학식 5과 같이 표현될 수 있다.When Equation 3 and Equation 4 are summed, Equation 5 may be expressed as Equation 5 below.

Figure 112017090702505-pat00015
Figure 112017090702505-pat00015

누적 오류율의 양이 스크럽 주기에 의해 영향을 받는다는 것을 증명하기 위해 스크럽 주기의 변화에 따라 누적 오류율을 계산하기로 한다.To demonstrate that the amount of cumulative error rate is affected by the scrub cycle, the cumulative error rate will be calculated as the scrub cycle changes.

공간 방사 환경의 정상적인 경우, 구성 오류율 (

Figure 112017090702505-pat00016
)은 약 5오류 (
Figure 112017090702505-pat00017
)이고, 수학식 4에 기반을 둔 스크럽 주기는 거의 14일이다.In the normal case of a spatial radiant environment,
Figure 112017090702505-pat00016
) Is approximately 5 errors (
Figure 112017090702505-pat00017
And the scrub cycle based on Equation 4 is almost 14 days.

도 4은 스크럽 주기를 임의의 값인 10, 14, 20, 25일이라고 가정하고 수학식 1에 기반을 둔 누적 오류율을 나타낸 그래프이다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 블라인드 스크러빙을 사용하는 FPGA가 최악의 환경에 부딪히면 누적 오류율이 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 그러나 도 4에서 볼 수 있듯이 이 그래프는 스크럽 주기가 짧을수록 (스크럽 비율이 클수록) 누적 오류율이 낮아짐을 나타내며, 이러한 증가된 누적 오류율은 또한 OBP 모뎀의 데이터 처리 성능에 영향을 미칠 수 있다.FIG. 4 is a graph showing cumulative error rates based on Equation 1 on the assumption that the scrub cycle is an arbitrary value of 10, 14, 20, and 25 days. As can be seen in Figure 4, when the FPGA using blind scrubbing encounters the worst environment, the cumulative error rate can be seen to increase rapidly. However, as can be seen in Figure 4, this graph indicates that the shorter the scrub cycle (larger scrub rate), the lower the cumulative error rate, which can also affect the data processing performance of the OBP modem.

누적 오류율을 높이거나 낮추는 또 다른 요소는 완화 윈도우 수이다. 수학식 2 및 3에 따르면 평균 fan-out 수에 따라 NP/NT 값을 추정할 수 있다. 이 두 방정식을 병합함으로써, NP/NT의 새로운 정의는 다음의 수학식 6으로 정의될 수 있다.Another factor that increases or decreases the cumulative error rate is the number of mitigation windows. According to Equations 2 and 3, NP / NT values can be estimated according to the average fan-out number. By merging these two equations, a new definition of NP / NT can be defined by the following equation (6).

Figure 112017090702505-pat00018
Figure 112017090702505-pat00018

누적 오류율과 완화 윈도우 수 간의 상관관계를 확인하기 위해 fan-out 아웃 수를 10으로 고정하고, SEU 오류율(구성 오류율) 및 수학식 1 및 6을 이용한 완화 윈도우에 의존한 누적 오류율을 계산한다.In order to check the correlation between the cumulative error rate and the mitigation window number, the fan-out number is fixed to 10, and the cumulative error rate depending on the mitigation window using the SEU error rate (configuration error rate) and Equations 1 and 6 is calculated.

도 5는 SEU 오류율 및 완화 윈도우 수를 고려한 누적 오류율의 3차원 플롯인데, 도 5에서 볼 수 있듯이 많은 수의 완화 윈도우는 OBP 모뎀을 사용하는 좋은 완화 스키마가 될 수 있으나, 상술한 바와 같이 시스템 복잡성, 전력 소비 및 시스템 장애의 민감도는 완화 윈도우 수가 늘어남에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 5 is a three-dimensional plot of cumulative error rate considering SEU error rate and number of mitigation windows. As shown in FIG. 5, a large number of mitigation windows may be a good mitigation scheme using an OBP modem, but as described above, system complexity In addition, the sensitivity of power consumption and system failure increases as the number of mitigation windows increases.

상술한 단계 200에서 누적 오류율을 계산한 후, 성능 예측부(30)가 완화 및 수정하는 단계에 적용되는 파라미터 및 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 성능을 예측한다(300).After calculating the cumulative error rate in step 200 described above, the performance predictor 30 predicts the performance of the OBP system through a parameter and a mathematical model applied to the step of mitigation and correction (300).

상술한 바와 같은 단계를 가지는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법은, SEU 현상에 의해 발생하는 SRAM 기반 FPGA 내부 구성 비트의 오류율 추정하기 위하여, 통계적인 우주 환경 모델을 이용하였으며, 우주 방사선 환경의 변화에 따라 달라지는 SEU 발생률이 오류 억제기법과 수정기법이 적용된 OBP 시스템에 얼마나 많은 구성 비트 오류율로 나타나는 가를 수학적 모델을 통해 추정할 수 있다.In the method of estimating the change in information throughput of an OBP satellite according to the change of space radiation environment having the above-described steps, a statistical space environment model is used to estimate an error rate of SRAM-based FPGA internal component bits generated by the SEU phenomenon. Mathematical models can be used to estimate how much SEU incidence, as a result of changes in the cosmic radiation environment, appears in the OBP system with error suppression and correction techniques.

이 결과를 바탕으로 구성 비트의 오류율에 따른 OBP 시스템의 데이터 처리량의 변화를 수식적으로 표현하여 SEU 현상이 OBP 성능에 얼마나 영향을 미치는가에 대한 수학적 분석 기법을 통해 예측할 수 있다.Based on this result, it is possible to predict mathematically how the SEU phenomenon affects OBP performance by expressing the change of data throughput of OBP system according to the error rate of component bits.

도 6에 도시된 바와 같이 OBP 위성에서 신호처리를 위한 모뎀은 SRAM 기반 FPGA를 이용하며 다중빔 안테나를 통해 업링크 데이터 수신, 다운링크 데이터 송신이 이루어진다. 우주 환경에 분포하는 양성자, 중이온이 SRAM 기반 FPGA와 충돌하게 되면 디바이스 내부의 SRAM 내부에 저장된 구성 비트의 오류가 발생하게 된다.As shown in FIG. 6, a modem for signal processing in an OBP satellite uses an SRAM-based FPGA and performs uplink data reception and downlink data transmission through a multibeam antenna. When protons and heavy ions distributed in space collide with SRAM-based FPGAs, they cause errors in configuration bits stored inside SRAM inside the device.

OBP 위성 모뎀의 시스템은 SEU 현상의 완화기법인 TMR과 수정기법인 주기적인 scrubbing을 적용하였으며, 이러한 기법은 직접적으로 발생하는 SEU 현상을 줄임과 동시에 SEU 현상에 의한 구성 비트 오류의 수정 능력을 지니고 있다.The OBP satellite modem system employs TMR, a mitigation technique for SEU, and periodic scrubbing, a modification technique, which reduces the SEU phenomenon that occurs directly and has the ability to correct configuration bit errors caused by the SEU phenomenon. .

그러나 주기적인 scrubbing이 이루어지기 전과 후 사이의 시간 간격 동안은 구성 비트 오류를 수정할 수 없다. OBP 위성의 데이터 처리를 위한 구성 블록의 SRAM 구성 비트 오류 축적을 일으키며 이는 잘못된 데이터 처리 또는 손실을 일으키게 된다.However, during the time interval between before and after periodic scrubbing, the configuration bit error cannot be corrected. SRAM configuration bit errors in the building blocks for OBP satellite data processing will accumulate, leading to incorrect data processing or loss.

따라서, 본 발명은 완화기법에 적용되는 중요한 파라미터 (완화 윈도우 사이즈, 완화 윈도우 개수, 평균 fan-out 수, 사용되는 구성 비트 수)와 수정기법의 scrubbing 주기 값의 변화에 따라 달라지는 SRAM 구성 비트 오류율을 나타내는 수학적 모델을 기반으로 하여 OBP 시스템의 데이터 처리량을 수식적으로 표현하는 기법이며, 또한 이를 정량적으로 나타냄과 동시에 OBP 위성의 데이터 전송 시 발생하는 Bit Error Rate (BER)로 표현할 수 있다.Accordingly, the present invention provides an SRAM configuration bit error rate that varies depending on the critical parameters (relaxation window size, mitigation window number, average fan-out number, configuration bit number used) and scrubbing cycle values of the correction method. It is a technique that expresses the data throughput of OBP system based on mathematical model that is represented, and it can be expressed quantitatively and also expressed as Bit Error Rate (BER) generated when OBP satellite data transmission.

이러한 OBP 시스템의 성능 저하 현상을 정량적으로 표현함과 동시에 완화기법과 수정기법에 적용되는 다양한 파라미터의 변화에 따른 OBP 데이터 처리량의 변화 또한 정량적인 표현이 가능하게 되어 OBP 위성의 데이터 전송 시 발생하는 BER로의 표현이 가능하다.In addition to quantitatively expressing the performance degradation of the OBP system, it is also possible to quantitatively change the OBP data throughput according to the change of various parameters applied to the mitigation and correction techniques. Can be expressed.

따라서, 본 발명을 통하여 우주 환경에 분포하는 양성자, 중이온의 플럭스와 에너지 분포의 변화에 따라 달라지는 OBP 시스템의 데이터 처리량을 완화기법과 수정기법의 파라미터 변화와 연계하여 OBP 시스템 성능을 계산할 수 있다.Accordingly, the OBP system performance can be calculated by linking the data throughput of the OBP system, which is dependent on the change in the flux and energy distribution of protons and heavy ions distributed in the space environment, with the parameter changes of the relaxation and correction techniques.

종래 연구 및 발명은 우주 방사선이 SRAM 기반 FPGA 내부에 저장된 구성 비트의 정보를 변경시키는 오류율에만 초점을 두고 있으며 실제로 적용된 시스템에서 일어나는 오류와 성능의 저하에 대한 연구는 매우 미비한 실정이다.Prior studies and inventions focus only on the error rate at which cosmic radiation changes the information of configuration bits stored inside an SRAM-based FPGA, and studies on the error and degradation of performance in a practically applied system are inadequate.

그러나, 상술한 바와 같은 단계를 가지는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법은 현재 증가하는 라디오 스펙트럼의 포화 상태를 해결하기 위한 방책으로 나타난 차세대 통신위성 OBP 시스템의 안정성적인 광대역 확보와 성능을 보장하기 위하여 열악한 우주 환경에 분포하는 양성자, 중이온의 변화에 따른 OBP 위성의 데이터 처리량의 예측 기법을 제안하고 있으며, 이는 통신위성 분야에서 처음으로 시도하는 접근 방법이다.However, the method of estimating the change of information throughput of OBP satellite according to the change of space radiation environment having the above-mentioned steps is to secure the stable broadband of the next generation communication satellite OBP system, which is shown as a solution to solve the saturation of the radio spectrum. In order to guarantee the performance, we propose a method for predicting the data throughput of OBP satellites due to the change of protons and heavy ions distributed in poor space environment, which is the first approach in the field of communication satellites.

상술한 바와 같은 단계를 가지는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법은, 위성 통신 시스템의 구현에 사용되는 Static Random Access Memory (SRAM) 기반의 Field Programmable Gate Array (FPGA) 가 우주 방사선 환경에 노출되었을 때 구성 메모리 내부에서 발생하는 구성 비트 값의 변화에 따른 시스템 오류 확률을 낮추기 위한 시스템 구조를 적용하거나, 또는 SRAM 기반의 FPGA가 OBP 위성의 modem processor로 사용되었을 때 우주 방사선에 의해 발생하는 modem 시스템의 오류를 OBP 시스템의 정보 처리량 저하로 표현하기 위한 수학적 모델을 구현함으로써, 우주 환경의 변화에 따라 달라지는 SRAM 기반 FPGA로 구현된 OBP 시스템의 성능 변화를 정량적으로 표현하여 지상에서 이를 이용한 대비책을 세우도록 할 수 있다.In the method of estimating the change in information throughput of an OBP satellite according to the change in the space radiation environment having the above steps, the field random gate memory (FPGA) based on the Static Random Access Memory (SRAM) used in the implementation of the satellite communication system is the space radiation. Applied to the system structure to reduce the probability of system error caused by the change of the configuration bit value generated in the configuration memory when exposed to the environment, or generated by cosmic radiation when the SRAM-based FPGA is used as the modem processor of the OBP satellite. Implement a mathematical model to express the error of modem system as information throughput degradation of OBP system, and quantitatively express the performance change of OBP system implemented with SRAM-based FPGA that changes according to the change of space environment To build up.

통신위성에 이용되는 신호의 주파수가 올라감에 따라 OBP 시스템에 사용되는 프로세서도 빠른 클록 속도와 데이터 처리 능력이 요구되고 있으며, 이를 충족하기 위한 통신위성의 프로세서로 SRAM 기반 FPGA가 주목을 받고 있다.As the frequency of signals used in communication satellites increases, processors used in OBP systems also require fast clock speeds and data processing capabilities. SRAM-based FPGAs are attracting attention as processors for communication satellites.

이에 따라 상술한 바와 같은 단계를 가지는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법은, 우주 환경의 변화에 따라 달라지는 SRAM 기반 FPGA로 구현된 OBP 시스템의 성능 변화를 정량적으로 표현하여 지상에서 이를 이용한 대비책을 세우도록 할 수 있으며, 또한, OBP 시스템에 이용되는 완화기법과 수정기법의 중요 파라미터들을 예측되는 우주 환경의 변화량에 대응할 수 있는 최적값을 적용하면 우주 환경의 변화에 따른 OBP 시스템 성능을 높임과 동시에 수신되는 다운링크의 BER을 줄일 수 있으며, 또한 OBP 시스템의 전력 소비와 복잡도를 고려한 파라미터 적용이 가능하기 때문에 더 좋은 품질의 통신 서비스를 제공할 수 있다.Accordingly, the method for estimating the change in information throughput of an OBP satellite according to the change in the space radiation environment having the above-described steps is to quantitatively express the performance change of the OBP system implemented by the SRAM-based FPGA according to the change in the space environment. In addition, it is possible to prepare a countermeasure using this, and by applying an optimal value that can cope with changes in the predicted space environment, the important parameters of the mitigation and correction methods used in the OBP system are applied. At the same time, it is possible to reduce the BER of the received downlink, and also to provide better quality communication services by applying parameters considering power consumption and complexity of the OBP system.

도 7은 도 3에 있는 완화 및 수정하는 단계를 설명하는 순서도이다.FIG. 7 is a flow chart illustrating the mitigation and modification steps in FIG. 3.

도 7을 참조하면, 완화 및 수정하는 단계(100)는, 우선 OBP 시스템에 XTMR 디자인을 적용하여 SEU 현상을 완화한다(110).Referring to FIG. 7, the mitigation and correction step 100 first applies an XTMR design to an OBP system to mitigate an SEU phenomenon (110).

글로벌 TMR(GTMR)은 TMR 구조의 개념으로, 클록 트리를 포함한 전체 회로 설계를 포함한다. 자일링스(Xilinx)가 구현한 GTMR을 XTMR이라고 하는데, 도 8에 도시된 바와 같이, 이러한 구조는 하나의 완화 윈도우를 구성하는 논리 회로의 3 중 그룹 중 하나인 구성 비트의 스트링에 하나 이상의 비트 업셋이 발생하더라도 시스템 장애를 발생시키지 않는다. 그러나 하나의 구성 비트와 다른 비트가 쌍으로 구성된 구성 비트인 하나 이상의 구성 비트에서 비트 업셋이 발생하면 시스템 오류가 발생할 수 있다. 이것은 아래 수학식 7에서와 같이 입증될 수 있다.Global TMR (GTMR) is a concept of a TMR structure that includes the overall circuit design including the clock tree. Xilinx's GTMR implementation is called XTMR. As shown in FIG. 8, this structure includes one or more bit upsets in a string of configuration bits, which is one of three groups of logic circuits forming one relaxation window. It does not cause system failure even if it occurs. However, a system error may occur if a bit upset occurs in one or more configuration bits in which one configuration bit and the other bit are configured in pairs. This can be demonstrated as in Equation 7 below.

Figure 112017090702505-pat00019
Figure 112017090702505-pat00019

여기서, NT는 구성 비트의 총 수이며,

Figure 112017090702505-pat00020
는 구성 비트이며,
Figure 112017090702505-pat00021
는 쌍을 이룬 구성 비트이다.Where NT is the total number of configuration bits,
Figure 112017090702505-pat00020
Is the configuration bit,
Figure 112017090702505-pat00021
Is a pair of configuration bits.

Figure 112017090702505-pat00022
는 특정
Figure 112017090702505-pat00023
와 쌍을 이룬 비트 수이며, 이 비트가 하나의 완화 윈도우에 있을 때 동일한 중복 체인에서 두 비트 업셋이 발생하면 시스템 오류가 나타나지 않는다. 그러나 업셋이 다른 문자열의 특정 비트와 쌍을 이루는 비트를 생성하면 세 개의 문자열 중 두 개가 잘못된 출력을 생성하고 유권자는 올바른 출력을 생성할 수 없다. 이 잘못된 출력은 시스템 오류를 초래하고 아래의 수학식 8에서 설명될 수 있다.
Figure 112017090702505-pat00022
Is certain
Figure 112017090702505-pat00023
This is the number of bits paired with and if two bits upset occur in the same redundant chain when this bit is in one mitigation window, no system error appears. However, if the upset generates bits that are paired with specific bits in other strings, two of the three strings will produce incorrect output and voters will not be able to produce the correct output. This incorrect output causes a system error and can be described in Equation 8 below.

Figure 112017090702505-pat00024
Figure 112017090702505-pat00024

여기서,

Figure 112017090702505-pat00025
는 특정
Figure 112017090702505-pat00026
와 쌍을 이룬 비트 수이다.here,
Figure 112017090702505-pat00025
Is certain
Figure 112017090702505-pat00026
Number of bits paired with.

완화 윈도우를 갖는 SRAM 구성 메모리에서 스크럽 사이클 동안 비트가 업셋 될 확률은 다음의 수학식 9과 같이 정의된다.The probability that bits are upset during a scrub cycle in an SRAM configurable memory with a relaxation window is defined as in Equation 9 below.

Figure 112017090702505-pat00027
Figure 112017090702505-pat00027

여기서,

Figure 112017090702505-pat00028
는 S 스크램블링 비율을 조건으로 하는 E 비트 업셋의 조건부 확률이고,
Figure 112017090702505-pat00029
는 E 비트 업셋과 S 스크러빙 비율의 결합 확률이고,
Figure 112017090702505-pat00030
는 스크럽 속도(scrub/day)이다.here,
Figure 112017090702505-pat00028
Is the conditional probability of the E bit upset subject to the S scrambling rate,
Figure 112017090702505-pat00029
Is the combined probability of the E bit upset and the S scrubbing ratio,
Figure 112017090702505-pat00030
Is the scrub speed (scrub / day).

스크럽 비율이 변경되면 비트 업셋 확률도 변경되므로, 이 둘은 독립적이지 않다. 하나의 스크럽 사이클 동안 SRAM 기반 FPGA가 누적될 것으로 예상되는 오류율은 다음의 수학식 10과같이 정의될 수 있다.Changing the scrub ratio also changes the bit upset probability, so the two are not independent. The error rate that an SRAM-based FPGA is expected to accumulate during one scrub cycle may be defined as shown in Equation 10 below.

Figure 112017090702505-pat00031
Figure 112017090702505-pat00031

스크럽 주기는 하루에 스크럽이 발생할 수 있는 스크럽 확률로 나타낼 수 있으며, dC/dt로 표시된다. 마찬가지로

Figure 112017090702505-pat00032
는 스크러빙이 발생할 때까지 얼마나 많은 구성 비트 오류가 발생할지를 나타낸다. 스크러빙 비율의 단위는 하루를 기준으로 한 스크럽이며, 비트 업셋의 확률은 하루 동안에 선형적으로 증가한다. 따라서, 1일 후에 정확하게 1비트가 뒤집힐 확률이 dE/dt이면, 하루 동안 선형적으로 증가하는 비트 업셋 확률은 다음의 수학식 11과 같이 연속 시간으로 해석될 수 있다The scrub cycle can be expressed as the scrub probability that a scrub can occur in a day, expressed in dC / dt. Likewise
Figure 112017090702505-pat00032
Denotes how many configuration bit errors will occur until scrubbing occurs. The unit of scrubbing rate is scrub on a daily basis, and the probability of beat upset increases linearly throughout the day. Therefore, if the probability that 1 bit is flipped exactly after 1 day is dE / dt, the bit upset probability that increases linearly during the day may be interpreted as continuous time as in Equation 11 below.

Figure 112017090702505-pat00033
Figure 112017090702505-pat00033

여기서,

Figure 112017090702505-pat00034
는 하루 후 1 비트가 업셋될 확률이다.here,
Figure 112017090702505-pat00034
Is the probability that one bit is upset after one day.

위의 방정식을 모두 적용하면, 누적 오류율(

Figure 112017090702505-pat00035
)은 다음의 수학식 12와 같이 요약될 수 있다.If all of the above equations are applied, the cumulative error rate (
Figure 112017090702505-pat00035
) May be summarized as in Equation 12 below.

Figure 112017090702505-pat00036
Figure 112017090702505-pat00036

모든

Figure 112017090702505-pat00037
를 계산하는 것은 매우 복잡하므로, 다음의 수학식 13과 같이 표현된 각
Figure 112017090702505-pat00038
에 대응한
Figure 112017090702505-pat00039
의 평균수를 사용하기로 한다.all
Figure 112017090702505-pat00037
Since it is very complicated to calculate, the angle represented by
Figure 112017090702505-pat00038
Corresponding to
Figure 112017090702505-pat00039
Let's use the average number of.

Figure 112017090702505-pat00040
Figure 112017090702505-pat00040

여기서,

Figure 112017090702505-pat00041
는 시스템 구성 비트의 수이다.here,
Figure 112017090702505-pat00041
Is the number of system configuration bits.

Figure 112017090702505-pat00042
Figure 112017090702505-pat00042

구성 비트 업셋 확률은 다음의 수학식 15와 같이 1비트 단위 대신에 1장치 단위로 표시된다.The configuration bit upset probability is expressed in one device unit instead of one bit unit as shown in Equation 15 below.

Figure 112017090702505-pat00043
Figure 112017090702505-pat00043

여기서,

Figure 112017090702505-pat00044
는 한 장치 당 구성 비트 업셋의 확률이다.here,
Figure 112017090702505-pat00044
Is the probability of the configuration bit upset per device.

상술한 단계 110에서 SEU 현상을 완화한 후, 상술한 블라인드 스크러빙 스키마를 적용하여 SEU의 발생으로 인한 오류를 수정한다(120).After alleviating the SEU phenomenon at step 110, the blind scrubbing scheme is applied to correct the error due to the occurrence of the SEU (120).

도 9는 도 3에 있는 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계를 설명하는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a step of predicting the performance of the OBP system of FIG. 3.

차세대 위성 통신 시스템에 사용되는 OBP는 데이터 처리를 담당하는 모뎀을 가지고 있으며, 이 모뎀은 SRAM 기반 FPGA로 구현된다. FPGA로 구현된 모뎀의 이점은 2Gbps 이상의 설계 융통성과 데이터 처리 성능뿐만 아니라, 600MHz의 원시 RF 대역폭을 처리할 수 있다는 것이다. Used in next generation satellite communication systems, OBP has a modem that handles data processing, which is implemented in SRAM-based FPGAs. The advantage of modems implemented in FPGAs is that they can handle 600 MHz of raw RF bandwidth, as well as design flexibility and data throughput of more than 2 Gbps.

데이터 프로세서 역할을 하는 SRAM 기반 FPGA는 구성 비트의 SEU에 매우 민감한데, 본 발명은 SEU 비율에 따라 시스템 성능의 변화를 보여 주려고 시도했다. OBP 시스템의 입력 및 출력 데이터는 지속적인 업 링크 및 다운 링크 전송에서 파이프라인 형식(pipeline format)으로 연속적으로 처리된다고 가정한다.SRAM-based FPGAs acting as data processors are very sensitive to the SEU of the configuration bits. The present invention attempts to show a change in system performance with the SEU ratio. It is assumed that the input and output data of the OBP system are processed continuously in pipeline format for continuous uplink and downlink transmissions.

통신 위성의 페이로드 설계(payload design)에 사용되는 SRAM 기반 FPGA의 경우, SEU에 의해 생성된 구성 비트가 시스템 작동을 위해 해당 비트에 액세스할 때만 오류가 있는 회로 설계가 발생한다. 이러한 오류는 잘못된 출력 데이터 그램 (또는 패킷)과 잘못된 라우팅을 생성하여 비트 오류율(BER) 및 출력 패킷 손실을 초래하여 데이터 처리량을 저하시킨다.For SRAM-based FPGAs used in the payload design of telecommunications satellites, a faulty circuit design occurs only when the configuration bits generated by the SEU access those bits for system operation. These errors produce bad output datagrams (or packets) and bad routing, resulting in bit error rates (BERs) and loss of output packets, resulting in poor data throughput.

후술하는 내용은, 상술한 정보를 기반으로 SEU 비율의 변경이 OBP 시스템의 데이터 처리 성능에 미치는 영향을 분석하기로 한다.In the following description, based on the above information, the effect of changing the SEU ratio on the data processing performance of the OBP system will be analyzed.

도 3을 참조하면, OBP 시스템의 성능을 계산하는 단계(300)는, 우선 상술한 단계 100의 완화 및 수정하는 단계에 적용되는 파라미터 및 스크러빙 주기 값의 변화에 따라 달라지는 SRAM 구성 비트 오류율을 나타내는 수학적 모델을 생성한다(310).Referring to FIG. 3, the step 300 of calculating the performance of the OBP system is a mathematical representation of an SRAM configuration bit error rate that varies depending on the parameters and scrubbing period values that are applied to the mitigation and modification of step 100 described above. Create a model (310).

일 실시 예에서, 완화기법에 적용되는 파라미터는, 완화 윈도우 사이즈, 완화 윈도우 개수, 평균 fan-out 수 또는 사용되는 구성 비트 수 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.In an embodiment, the parameter applied to the mitigation technique may include at least one or more of a relaxation window size, a relaxation window number, an average fan-out number, or a configuration bit number used.

상술한 단계 310에서 수학적 모델을 생성한 후, OBP 시스템의 데이터 성능을 후술하는 바와 같이 수식적으로 표현한다(320).After generating the mathematical model in step 310 described above, the data performance of the OBP system is expressed as a formula (320) as described below.

일 실시 예에서, OBP 시스템의 데이터 성능(G)은 2Gbps이고, 모뎀에 사용된 SRAM 기반 FPAG는 200MHz 클록 속도(F)를 가질 수 있다.In one embodiment, the data performance G of the OBP system is 2 Gbps, and the SRAM-based FPAG used for the modem may have a 200 MHz clock rate (F).

OBP 모뎀의 데이터 처리 성능은 2Gbps이고 모뎀에 사용된 SRAM 기반 FPAG는 200MHz 클록 속도를 갖는다고 가정할 경우, 클록 당 처리되는 클록 당 예상되는 데이터 성능은 다음의 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.Assuming that the data processing capability of the OBP modem is 2Gbps and the SRAM-based FPAG used in the modem has a 200MHz clock speed, the expected data performance per clock processed per clock can be expressed as Equation 16 below.

Figure 112017090702505-pat00045
Figure 112017090702505-pat00045

여기서, G는 OBP 시스템의 데이터 성능이고, F는 모뎀에 사용된 SRAM 기반 FPAG 클록 속도이고, b는 클럭 당 처리된 비트 수이다.Where G is the data performance of the OBP system, F is the SRAM-based FPAG clock speed used in the modem, and b is the number of bits processed per clock.

실제 OBP 시스템 동작에서 각 SRAM 구성 비트의 액세스 비율은 다르나, 모든 비트의 액세스 비율을 분석하는 것은 불가능하다.In actual OBP system operation, the access ratio of each SRAM configuration bit is different, but it is not possible to analyze the access ratio of all bits.

따라서 본 발명에서는 SEU가 데이터 처리 성능에 영향을 미칠 때 원시 접근 방식을 사용하여 평균 액세스 비율을 계산하기 위해 하한 BER을 표현하려고 한다. 원시 접근 방식을 사용하여 예상 비트 액세스 비율은 다음의 수학식 17과 같다.Therefore, in the present invention, when the SEU affects the data processing performance, the lower limit BER is expressed to calculate the average access ratio using the raw approach. Using the raw approach, the expected bit access rate is given by Equation 17 below.

Figure 112017090702505-pat00046
Figure 112017090702505-pat00046

여기서, n은 SEU가 발생한 구성 비트이고, Nb는 시스템 구성 비트의 수이고,

Figure 112017090702505-pat00047
는 1 클럭 당 SEU 비트를 액세스할 확률을 나타낸다.Where n is the configuration bit where the SEU has occurred, Nb is the number of system configuration bits,
Figure 112017090702505-pat00047
Denotes the probability of accessing the SEU bit per clock.

Figure 112017090702505-pat00048
에 b를 곱하면 1 클럭 당 예상 처리량 손실이 발생하는데, 이것은 얼마나 많은 SEU 비트가 OBP 시스템 성능에 영향을 미치는지를 지정한다. 위에서 언급했듯이 Nb/NT는 약 0.15이고 NT는 44,601,149이데, 이 수를 사용하여 Nb의 수가 6,690,172라고 가정할 수 있다.
Figure 112017090702505-pat00048
Multiplying by b results in an expected loss of throughput per clock, which specifies how many SEU bits affect OBP system performance. As mentioned above, Nb / NT is about 0.15 and NT is 44,601,149. Using this number, we can assume that the number of Nb is 6,690,172.

시스템 오류를 야기하는 비트 업셋 비율은 후술할 표 4에 주어진 누적 오류율인데, 표 4는 도 4에 지정된 방사 환경의 변화에 따라 달라지는 누적 오류율을 보여줄 수 있다.The bit upset rate that causes the system error is the cumulative error rate given in Table 4, which will be described later. Table 4 can show the cumulative error rate that depends on the change in the radiation environment specified in FIG.

Figure 112017090702505-pat00049
를 계산하기 위해, 시스템 오류에 영향을 미치는 업셋 비율인
Figure 112017090702505-pat00050
를 n으로 설정 한 다음, 데이터 처리를 수행하는 반전된 비트(n)를 읽는 액세스 비율이 F(FPGA 클럭 속도, 200MHz) ×
Figure 112017090702505-pat00051
임을 예측할 수 있다.
Figure 112017090702505-pat00049
To calculate the
Figure 112017090702505-pat00050
Is set to n, and then the access rate of reading the inverted bit (n) to perform data processing is F (FPGA clock rate, 200 MHz) ×
Figure 112017090702505-pat00051
Can be predicted.

이러한 결과를 사용하여, 데이터 처리량의 손실은 다음의 수학식 18에 나타낸 바와 같이 추정할 수 있다.Using these results, the loss of data throughput can be estimated as shown in Equation 18 below.

Figure 112017090702505-pat00052
Figure 112017090702505-pat00052

여기서,

Figure 112017090702505-pat00053
는 초당 데이터 처리량의 손실이다.here,
Figure 112017090702505-pat00053
Is a loss of data throughput per second.

마지막으로

Figure 112017090702505-pat00054
(데이터 처리 성능, 2Gbps)에서 하한 BER을 추정할 수 있는데, 방사선 환경에 대한 하한 BER의 결과는 표 1에 나타나 있다.Finally
Figure 112017090702505-pat00054
The lower limit BER can be estimated at (Data Processing Performance, 2Gbps), and the results of the lower limit BER for the radiation environment are shown in Table 1.

Figure 112017090702505-pat00055
Figure 112017090702505-pat00055

상술한 바와 같은 구성을 가지는 OBP 시스템의 성능을 계산하는 단계(300)는, 표 4에 나타난 바와 같이, 수식적으로 표현된 OBP 시스템의 데이터 성능을 정량적으로 나타냄과 동시에 OBP 위성의 데이터 전송 시 발생하는 BER로 표현하는 단계(330)를 더 포함할 수 있다.Computing the performance of the OBP system having the configuration as described above (300), as shown in Table 4, quantitatively represents the data performance of the OBP system expressed as a formula and at the same time occurs during the data transmission of the OBP satellite It may further include a step 330 to be expressed as BER.

일 실시 예에서, BER로 표현하는 단계는, 상술한 바와 같이

Figure 112017090702505-pat00056
으로부터 하한 BER를 예측할 수 있다.In one embodiment, the step of expressing BER, as described above
Figure 112017090702505-pat00056
The lower limit BER can be predicted from.

OBP 시스템은 SRAM 기반 FPGA로 구성되는데, 차세대 통신 위성의 경우 우주 환경에서 SEU의 데이터 처리 성능 저하를 고려해야 한다. 방사선 환경은 SRAM 메모리를 뒤집을 수 있으며, SRAM 기반 FPGA의 회로 설계 변경으로 시스템 오류를 생성할 수 있다.The OBP system consists of an SRAM-based FPGA. For next-generation communication satellites, SEU's data processing performance needs to be considered in space. Radiation environments can overturn SRAM memory and generate system errors due to circuit design changes in SRAM-based FPGAs.

따라서 상술한 바와 같은 단계를 가지는 OBP 시스템의 성능을 계산하는 단계(300)는, 태양 활동과 관련된 SEU 비율을 추정하려는 것으로, SEU는 LUT 오류 및 라우팅 오류를 생성하고 통신 위성의 임무 작동을 손상시킬 수 있다.Thus, step 300 of calculating the performance of an OBP system having the steps described above attempts to estimate the SEU ratio associated with solar activity, which will generate LUT errors and routing errors and impair the operation of the communications satellite's mission. Can be.

SEU 상황을 완화하고 해결하기 위해 OBP 데이터 처리 처리량을 계산하기 전에 OBP 시스템에서 XTMR 설계 및 블라인드 스크러빙 구성표를 적용하고, 이러한 SEU 완화 개념과 SEU 비율 예측 결과를 사용하여 SRAM 기반 FPGA에서 발생한 누적 오류율을 계산한 후, 마지막으로, OBP 모뎀에서 BER 성능의 하한값을 계산할 수 있다.Apply XTMR design and blind scrubbing schemes to OBP systems before calculating OBP data throughput to mitigate and resolve SEU situations, and use these SEU mitigation concepts and SEU ratio prediction results to calculate the cumulative error rate on SRAM-based FPGAs. Then, finally, the lower limit of BER performance can be calculated in the OBP modem.

표 1에 나타난 바와 같이, 방사선 환경이 정상적인 경우 OBP 데이터 처리 성능에는 BER이 없으나, 방사선 환경이 최악의 경우 OBP 데이터 처리 성능에서 BER을 예측할 수 있다.As shown in Table 1, there is no BER in OBP data processing performance when the radiation environment is normal, but BER may be predicted in OBP data processing performance when the radiation environment is worst.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. Could be.

1: 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 장치
10: 완화수정부
20: 오류율 계산부
30: 성능 예측부
1: Prediction device for changes in information throughput of OBP satellites due to changes in space radiation environment
10: mitigation
20: error rate calculation unit
30: performance prediction unit

Claims (11)

OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정하는 단계;
완화 및 수정을 이용한 오류 수정을 통해 SRAM 기반 FPGA에서 발생하는 누적 오류율을 계산하는 단계; 및
상기 완화 및 수정하는 단계에 적용되는 파라미터 및 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계를 포함하고,
상기 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계는,
상기 완화 및 수정하는 단계에 적용되는 파라미터 및 스크러빙 주기 값의 변화에 따라 달라지는 SRAM 구성 비트 오류율을 나타내는 수학적 모델을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
Mitigating and correcting the occurrence of SEU in the system of the OBP satellite modem;
Calculating a cumulative error rate occurring in the SRAM-based FPGA through error correction using mitigation and correction; And
Predicting the performance of the OBP system through parameters and mathematical models applied to the mitigation and correction steps,
Predicting the performance of the OBP system,
Generating a mathematical model representing an SRAM configuration bit error rate that varies according to a change in a parameter and a scrubbing period value applied to the mitigation and correction steps. Forecast method.
제1항에 있어서, 상기 완화 및 수정하는 단계는,
OBP 시스템에 XTMR 디자인을 적용하여 SEU 현상을 완화하는 단계; 및
블라인드 스크러빙 스키마를 적용하여 SEU의 발생으로 인한 오류를 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 1, wherein the mitigating and modifying,
Applying an XTMR design to the OBP system to mitigate the SEU phenomenon; And
A method of predicting a change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment, comprising applying a blind scrubbing scheme to correct an error due to the occurrence of an SEU.
제1항에 있어서, 상기 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계는,
상기 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 데이터 성능을 수식적으로 표현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 1, wherein predicting the performance of the OBP system,
And a method of mathematically expressing data performance of an OBP system through the mathematical model.
제3항에 있어서,
상기 파라미터는, 완화 윈도우 사이즈, 완화 윈도우 개수, 평균 fan-out 수 또는 사용되는 구성 비트 수 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 3,
The parameter may include at least one or more of a relaxation window size, a relaxation window number, an average fan-out number, and a configuration bit number to be used.
제3항에 있어서,
상기 OBP 시스템의 데이터 성능(G)은 2Gbps이고, 모뎀에 사용된 SRAM 기반 FPAG는 200MHz 클록 속도(F)를 갖는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 3,
The data performance (G) of the OBP system is 2Gbps, SRAM-based FPAG used in the modem has a 200MHz clock speed (F), characterized in that the information processing variation of the OBP satellite according to the change in the space radiation environment.
제5항에 있어서,
상기 OBP 시스템의 데이터 성능(G)은, 수학식
Figure 112017090702505-pat00057
(상기 b는 클럭 당 처리된 비트 수)을 만족하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 5,
Data performance (G) of the OBP system is,
Figure 112017090702505-pat00057
(Where b is the number of bits processed per clock) of OBP satellite information processing change prediction method according to the space radiation environment changes.
제6항에 있어서,
데이터 처리량의 손실(
Figure 112017090702505-pat00058
)은, 수학식
Figure 112017090702505-pat00059
(상기
Figure 112017090702505-pat00060
는 1 클럭 당 SEU 비트를 액세스할 확률)을 만족하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 6,
Loss of data throughput (
Figure 112017090702505-pat00058
) Is the equation
Figure 112017090702505-pat00059
(remind
Figure 112017090702505-pat00060
(B) a probability of accessing SEU bits per clock).
제7항에 있어서,
상기
Figure 112017090702505-pat00061
는, 수학식
Figure 112017090702505-pat00062
(상기 n은 SEU가 발생된 구성 비트, 상기 Nb는 시스템 구성 비트의 수)을 만족하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 7, wherein
remind
Figure 112017090702505-pat00061
Is the equation
Figure 112017090702505-pat00062
(N is the configuration bits from which the SEU is generated, and Nb is the number of system configuration bits).
제3항에 있어서, 상기 OBP 시스템의 성능을 예측하는 단계는,
수식적으로 표현된 상기 OBP 시스템의 데이터 성능을 정량적으로 나타냄과 동시에 OBP 위성의 데이터 전송 시 발생하는 BER로 표현하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 3, wherein predicting the performance of the OBP system,
In addition, the data throughput of the OBP system, which is expressed in a quantitative manner, is expressed in BER generated during data transmission of the OBP satellite. Forecast method.
제9항에 있어서, 상기 BER로 표현하는 단계는,
Figure 112017090702505-pat00063
으로부터 하한 BER를 예측하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 방법.
The method of claim 9, wherein the step of expressing with BER,
Figure 112017090702505-pat00063
A method for predicting change in information throughput of an OBP satellite according to a change in space radiation environment, characterized by estimating a lower limit BER from.
OBP 위성 모뎀의 시스템에 SEU의 발생을 완화 및 수정하는 완화수정부;
완화 및 수정을 이용한 오류 수정을 통해 SRAM 기반 FPGA에서 발생하는 누적 오류율을 계산하는 오류율 계산부; 및
상기 완화수정부에 적용되는 파라미터 및 수학적 모델을 통해 OBP 시스템의 성능을 예측하는 성능 예측부를 포함하고,
상기 성능 예측부는,
상기 완화수정부에 적용되는 파라미터 및 스크러빙 주기 값의 변화에 따라 달라지는 SRAM 구성 비트 오류율을 나타내는 수학적 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 우주 방사선 환경 변화에 따른 OBP 위성의 정보 처리량 변화 예측 장치.
Mitigations that mitigate and correct the occurrence of SEU in systems of OBP satellite modems;
An error rate calculator that calculates a cumulative error rate occurring in the SRAM-based FPGA through error correction using mitigation and correction; And
It includes a performance prediction unit for predicting the performance of the OBP system through the parameters and mathematical models applied to the mitigation correction,
The performance predictor,
An apparatus for predicting information throughput change of an OBP satellite according to a change in space radiation environment, characterized by generating a mathematical model representing an SRAM configuration bit error rate that varies depending on a parameter applied to the mitigation correction unit and a scrubbing period value.
KR1020170119696A 2017-09-18 2017-09-18 Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof KR102012270B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170119696A KR102012270B1 (en) 2017-09-18 2017-09-18 Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170119696A KR102012270B1 (en) 2017-09-18 2017-09-18 Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190031799A KR20190031799A (en) 2019-03-27
KR102012270B1 true KR102012270B1 (en) 2019-08-20

Family

ID=65907441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170119696A KR102012270B1 (en) 2017-09-18 2017-09-18 Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102012270B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111381254B (en) * 2019-12-27 2023-03-24 上海航天控制技术研究所 High-reliability navigation sensor single-particle-upset-resisting device based on FPGA

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004193841A (en) 2002-12-10 2004-07-08 Vodafone Kk Information communication terminal, gateway apparatus, and information communication system
KR100755953B1 (en) * 2005-12-29 2007-09-06 학교법인 정석학원 Data control and autonomous recovery system for Ultra Small Satellite
JP2010515329A (en) * 2006-12-26 2010-05-06 プロヴィジェント リミテッド Adaptive coding and modulation based on link performance prediction

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080074448A (en) 2007-02-09 2008-08-13 연세대학교 산학협력단 A method for correcting error of a carry select adder with modular self checking scheme and the adder
KR100998314B1 (en) * 2009-04-21 2010-12-03 서울대학교산학협력단 LOGIC CIRCUIT FOR DETECTING AND RECOVERING ERROR IN SRAM-based FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY
KR101667400B1 (en) 2015-05-06 2016-10-19 루미르 주식회사 Apparatus and method for generating and detecting single event upset

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004193841A (en) 2002-12-10 2004-07-08 Vodafone Kk Information communication terminal, gateway apparatus, and information communication system
KR100755953B1 (en) * 2005-12-29 2007-09-06 학교법인 정석학원 Data control and autonomous recovery system for Ultra Small Satellite
JP2010515329A (en) * 2006-12-26 2010-05-06 プロヴィジェント リミテッド Adaptive coding and modulation based on link performance prediction

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190031799A (en) 2019-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Glein et al. A self-adaptive SEU mitigation system for FPGAs with an internal block RAM radiation particle sensor
Park et al. Soft-error-resilient FPGAs using built-in 2-D Hamming product code
Glein et al. Reliability of space-grade vs. COTS SRAM-based FPGA in N-modular redundancy
KR102012270B1 (en) Prediction Method of the Information Throughput Change of OBP Satellite Due to Changes of Cosmic Radiation Environment and Prediction Device thereof
Pratt et al. Reduced-precision redundancy for reliable FPGA communications systems in high-radiation environments
US9934841B1 (en) Systems and methods for refreshing data in memory circuits
van Harten et al. Determining the necessity of fault tolerance techniques in FPGA devices for space missions
Ibrahim et al. Reconfigurable fault tolerant avionics system
Gao et al. Design of SEU-tolerant turbo decoders implemented on SRAM-FPGAs
Gao et al. Reliability evaluation of turbo decoders implemented on SRAM-FPGAs
Cui et al. Mitigating single event upset of FPGA for the onboard bus control of satellite
Glein et al. Adaptive single-event effect mitigation for dependable processing systems based on FPGAs
Pirzada et al. The AES Implementation for Avoiding Single Event Effects for Satellite Application
Bentoutou Program memories error detection and correction on-board earth observation satellites
Bentoutou et al. Design implementation of a quasi-cyclic codec for random access memories on-board Alsat-1
Agiakatsikas et al. FMER: an energy-efficient error recovery methodology for SRAM-based FPGA designs
Glein et al. Adaptive single-event effect mitigation for dependable processing systems
Alkady et al. An adaptive multi-factor fault-tolerance selection scheme for FPGAs in space applications
Schmidt et al. Minimizing scrubbing effort through automatic netlist partitioning and floorplanning
Rigo et al. A fault-tolerant reconfigurable platform for communication modules of satellites
Yin et al. An adaptive modular reduction based error-detection algorithm
Grossi et al. Low-cost strategy to detect faults affecting scrubbers in sram-based fpgas
Lopes Filho et al. Analysis of the error susceptibility of a field programmable gate array-based image compressor through random event injection simulation
Wong et al. Resilience Improvements for Space-Based Radio Frequency Machine Learning
US20160336971A1 (en) Consensus decoding algorithm for generalized reed-solomon codes

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant