空間寬帶信息網(wǎng)絡(luò)地面衛(wèi)星應(yīng)用通信系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

+ 諶娜 朱晟（廣州海格通信集團股份有限公司）

1.引言

以衛(wèi)星骨干網(wǎng)為核心的空間寬帶信息網(wǎng)絡(luò)作為國家重要通信基礎(chǔ)設(shè)施，可以實現(xiàn)覆蓋全球，為地面寬帶網(wǎng)絡(luò)提供通信中繼、應(yīng)急救援、導(dǎo)航定位、遠洋航行、航天測控和航空運輸、地面寬帶接入等重大應(yīng)用服務(wù)。作為其中重要的一個環(huán)節(jié)，地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)在天地一體化網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急通信、海洋海島經(jīng)濟、太空等領(lǐng)域的作用越來越突出。本文提出了一種地面衛(wèi)星應(yīng)用通信系統(tǒng)的設(shè)計方案。

2.實現(xiàn)方案

2.1系統(tǒng)架構(gòu)方案

該地面衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)包括中心站和用戶站（含便攜天線），提供語音、視頻、數(shù)據(jù)等寬帶多媒體通信服務(wù)。整個寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為支持TDM/MFTDMA、FDMA接入方式，支持網(wǎng)狀、星狀和混合狀拓撲結(jié)構(gòu)，采用頻分多址技術(shù)，入向載波由時分多址（TDMA）或頻分多址（FDMA）技術(shù)實現(xiàn)，出向載波由1個高速出向廣播載波實現(xiàn)（主站每增加一個信道，支持多一路反向載波）。中心站通過前向鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)下傳，用戶站通過返向鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)組織應(yīng)用如圖1所示。

2.2主站方案

主站是整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，采用全IP設(shè)計，通過連接組合主站機箱、信道板卡、網(wǎng)管軟件等軟硬件，以及交換機、服務(wù)器等貨架產(chǎn)品后，完成衛(wèi)星信號收入、TDMA時隙分配、網(wǎng)絡(luò)運行控制等功能。前向載波（或出向載波）上采用DVB-S2制式簡潔高效的MPEG封裝方式，形成一個基于TDM載波。返向載波（或入向載波）采用MF-TDMA多址接入方式，通過網(wǎng)管的資源管理模塊及時響應(yīng)小站突發(fā)帶寬分配請求，實現(xiàn)衛(wèi)星帶寬按需靈活分配的技術(shù)體制。

主站采用開放總線架構(gòu)，支持多個頻段或多顆衛(wèi)星同時連接，多個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器同時發(fā)射和接收。為滿足不同的客戶需求，系統(tǒng)通過波形動態(tài)加載技術(shù)，可支持星狀、網(wǎng)狀和點到點多種組網(wǎng)方式。

2.3調(diào)制解調(diào)器方案

D/WT-2B型寬帶衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器為用戶提供IP視頻、話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，設(shè)備可由主站設(shè)備控制與管理；支持星型組網(wǎng)、點對點應(yīng)用。

針對項目需求，首要目標(biāo)是提升平臺處理能力。從上層軟件、物理層軟件、中頻及射頻多方面考慮軟硬件平臺進行升級，使平臺具備更高的性能。綜合考慮選擇 Xilinx公司的SOCZynq7000方案作為核心處理器，ADI公司的射頻收發(fā)一體化方案。

圖1 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

圖2 對天線底座形態(tài)進行改進

2.4便攜站方案

本系統(tǒng)采用革命性創(chuàng)新的導(dǎo)軌式機械設(shè)計，將原有的調(diào)節(jié)裝置和支撐裝置合二為一，即摒棄了“大-小-大”的結(jié)構(gòu)模式，從而將設(shè)備的重量降到最低（參見圖2） ，又起到控制天線在水平方向上轉(zhuǎn)動的作用，并且更加便于分拆和攜帶。

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1寬帶衛(wèi)星終端高速平臺實現(xiàn)

寬帶衛(wèi)星主要要完成平臺軟件平臺構(gòu)建和關(guān)鍵芯片對物理層的配合使用，打造基于軟件無線電設(shè)計（SDR）的平臺。通用處理器部分由CPU核、浮點運算、圖形加速、存儲控制器、GPIO外設(shè)以及各種通信接口外設(shè)組成。與傳統(tǒng)處理器類似；信號處理部分通過內(nèi)部高速AXI-4總線與可編程邏輯陣列（FPGA）連接，實現(xiàn)信道編解碼和調(diào)制解調(diào)。平臺實現(xiàn)的整體架構(gòu)使系統(tǒng)性能大大提升，可編程的外設(shè)配置簡化了系統(tǒng)的搭建，可編程邏輯陣列具備足夠的靈活性。

本系統(tǒng)的通用處理器部分通過MIO配置的功能項包括：UART0、ENET0、USB0、QUAD SPI、SPI0、I2C0和SD0，其中ENET1通過EMIO進行擴展，實現(xiàn)雙網(wǎng)口功能。結(jié)合平臺硬件結(jié)構(gòu)在VIVADO軟件中完成對電源、時鐘、DDR、通用處理器和信號處理器交互接口、中斷接口等系統(tǒng)配置。本設(shè)計中CPU時鐘頻率可以最高設(shè)置800MHz，DDR3時鐘頻率最高設(shè)置534MHz，QSPI時鐘頻率設(shè)置200MHz，ENET時鐘頻率設(shè)置1000Mbps，SDIO時鐘頻率最高設(shè)置125MHz，SPI時鐘頻率最高設(shè)置200MHz。

本系統(tǒng)采用雙ARM核結(jié)構(gòu)，CPU0和CPU1雙核功能劃分與數(shù)據(jù)交互過程通信。CPU0和CPU1之間的數(shù)據(jù)交互部分本設(shè)計中采用兩種數(shù)據(jù)緩存模式，一種在DDR中開辟30MB共享內(nèi)存用于data的交互，另一種共享256KB OCM用于高速傳輸flag命令。雙核通過相互中斷及共享RAM進行命令及數(shù)據(jù)交互，經(jīng)過測試雙核數(shù)據(jù)交互速率大于20MByte/s，滿足寬帶衛(wèi)星終端產(chǎn)品需求。

信號處理器部分在SoC中為可編程邏輯，可當(dāng)成獨立的FPGA芯片使用，PL層的開發(fā)可以認為是FPGA的開發(fā)，通過AD9364發(fā)送通道、接收通道、數(shù)字接口設(shè)計以及衛(wèi)星物理層（SPHY）設(shè)計，實現(xiàn)PL層部分軟件功能。

3.2虛擬運營商管理技術(shù)

在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商（VNO-Virtual Network Operator）管理技術(shù)的引入，大大節(jié)約了衛(wèi)星服務(wù)商的運營成本，以往必須購置的VSAT主站、天線、機房、室外單元等設(shè)施均可省去，換而代之的是從主網(wǎng)絡(luò)運營商那直接租賃衛(wèi)星資源和機箱插槽，共用一套主站系統(tǒng)。在資源彼此獨立的情況下，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商可以隨意管理網(wǎng)內(nèi)資源配置，進行IP地址設(shè)定和使用，VNO運營與硬件結(jié)構(gòu)無關(guān)，是通過軟定義來實現(xiàn)。VNO通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)的功能虛擬化。對于用戶來說，在操作使用上與主網(wǎng)絡(luò)運營商并沒有本質(zhì)的不同，只是功能視圖呈現(xiàn)的不同。根據(jù)軟件定義，網(wǎng)絡(luò)視圖分為全局網(wǎng)絡(luò)視圖和子網(wǎng)絡(luò)視圖，全局網(wǎng)絡(luò)視圖是子視圖的集合。

VNO用戶僅能訪問和控制子網(wǎng)絡(luò)視圖。子網(wǎng)絡(luò)視圖之間是物理上共享，軟件上隔離的關(guān)系。對于VNO用戶來說，它只能管理和運營屬于自己的網(wǎng)絡(luò)視圖，其他的網(wǎng)絡(luò)視圖在未授權(quán)時對其是不可見的。

圖3 軟件部署圖

VNO通過不同的權(quán)限分組來實現(xiàn)對全網(wǎng)的權(quán)限控制。VNO用戶組分為系統(tǒng)VNO組、普通VNO組、CNO組。系統(tǒng)VNO組具備對全部網(wǎng)絡(luò)的操作權(quán)限，普通VNO組具備對隸屬網(wǎng)絡(luò)和可見網(wǎng)絡(luò)的操作權(quán)限，CNO組僅具有網(wǎng)絡(luò)的查看權(quán)限。在對系統(tǒng)實施權(quán)限管理時，將網(wǎng)絡(luò)中的軟定義資源對象如網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議處理器、線卡、遠端站都納入權(quán)限設(shè)計，涉及到的主要對象有用戶組、用戶、角色、權(quán)限、資源、VNO列表。

3.3網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要包括中央網(wǎng)絡(luò)管理、配置管理、安全管理、性能管理、故障管理、記賬管理、備份管理等。系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)管信息交互采用SNMP協(xié)議，支持SNMP交互模式。網(wǎng)管信息的傳輸不配置專用物理信道。對用戶站的網(wǎng)管命令在前向TDM信道中發(fā)送，用戶站網(wǎng)管代理反饋的命令執(zhí)行結(jié)果通過返向鏈路上傳再到中心站的網(wǎng)管單元。

項目組對國外引進的衛(wèi)星通信應(yīng)用系統(tǒng)進行了分析，采用其設(shè)計思想，改善用戶體驗。目前的網(wǎng)管系統(tǒng)支持對系統(tǒng)中各設(shè)備進行全網(wǎng)參數(shù)規(guī)劃和遠程動態(tài)配置，時隙規(guī)劃動態(tài)實時更新。

網(wǎng)管設(shè)備包括服務(wù)器平臺和相應(yīng)的軟件組成，支持1：1熱備份，軟件部署圖如圖3所示。

4.結(jié)語

本文提出了的空間寬帶信息網(wǎng)絡(luò)地面衛(wèi)星應(yīng)用通信系統(tǒng)的設(shè)計思路，基于此思路研制的產(chǎn)品寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)空天地一體高速信息走廊，用于連接便攜站、車輛、船舶、飛機等各類固定或移動式應(yīng)用平臺，為政府、機構(gòu)、企業(yè)和個人提供全天候的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。SATNET