淺析一種基于DTP的衛(wèi)星載波監(jiān)視流程及方法

王嘉煜，陳思宏，張騫丹

（1.西安空間無線電技術(shù)研究所；2.陜西航天技術(shù)應(yīng)用研究院有限公司，陜西 西安 710000）

目前，通信衛(wèi)星以其通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、無國界等特點(diǎn)，得到了各國政府的高度重視。衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)的單頻點(diǎn)、單業(yè)務(wù)、單星單波束，發(fā)展成為靈活、多頻段、多業(yè)務(wù)、多星多波束。配置數(shù)字透明處理器（DTP）配置的載波監(jiān)測系統(tǒng)主要完成用戶波束下行載波的監(jiān)測以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與存儲，為計費(fèi)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，完成運(yùn)行系統(tǒng)的自動計費(fèi)功能，以支撐衛(wèi)星承載業(yè)務(wù)的正常運(yùn)營。

1 需求分析

在傳統(tǒng)透明轉(zhuǎn)發(fā)的有效載荷衛(wèi)星中，有效載荷不會對收到的用戶信號進(jìn)行任何的處理，只用來單純的轉(zhuǎn)發(fā)信號。在衛(wèi)星上，信號的交換會通過微波矩陣、頻率變換和模擬濾波器等部件來完成。對物理層的調(diào)制方式和編碼方式等沒有什么依賴，在載頻改變幅度有限的情況下，物理層相關(guān)屬性的變化對有效載荷已經(jīng)存在的設(shè)計沒有什么影響，所以透明轉(zhuǎn)發(fā)式的有效載荷在使用起來比較方便。然而，衛(wèi)星上通過微波交換矩陣來交換數(shù)據(jù)的時候，數(shù)據(jù)的交換策略都是預(yù)先固定的，所以在數(shù)據(jù)速率發(fā)生變化的時候沒有辦法進(jìn)行相應(yīng)的改變。若要使用透明轉(zhuǎn)發(fā)式有效載荷的衛(wèi)星進(jìn)行更小顆粒度交換時，微波交換矩陣便會由于復(fù)雜度迅速提升而超出自身的交換能力。

再生式有效載荷中，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通過下變頻、解調(diào)譯碼接收信號為基帶信號，對基帶信號經(jīng)過交換處理后，再編碼、調(diào)制、上變頻發(fā)射出去。這種方式提高了系統(tǒng)的功率資源利用率和系統(tǒng)的容量，而且它可以通過采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)來進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。顯然，這種有效載荷對物理層具有內(nèi)在的和固有的依賴關(guān)系，隨著地面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或者通信協(xié)議的更新，有可能使得星載處理器不能正確接收數(shù)據(jù)，靈活性不如透明轉(zhuǎn)發(fā)有效載荷高。

DTP（Digital Transparent Processing）技術(shù)主要采用數(shù)字透明處理方式，利用靈活的星上信道化濾波技術(shù)，借助非均勻濾波器組實現(xiàn)對星上信號的分析和綜合，支持星上任意頻段、任意帶寬之間信息交互及靈活的跨波束交互，從而很好地解決了透明轉(zhuǎn)發(fā)式和再生式有效載荷存在的問題，規(guī)避了衛(wèi)星通信體制的約束，使系統(tǒng)具有靈活選擇合適的通信體制、劃分最佳信道、臨時組網(wǎng)的能力，提高了通信的靈活性與可靠性，實現(xiàn)衛(wèi)星信號和資源的靈活交換。

載波監(jiān)測系統(tǒng)主要是進(jìn)行上行鏈路和下行鏈路信號的監(jiān)測與管理。傳統(tǒng)的載波監(jiān)測系統(tǒng)需在各關(guān)口站部署一套載波監(jiān)測設(shè)備，每個關(guān)口站的載波監(jiān)測只負(fù)責(zé)管轄本站點(diǎn)的載波監(jiān)測，通過建設(shè)網(wǎng)絡(luò)控制中心（NOC）遠(yuǎn)程對各關(guān)口站的載波監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行集中控制與管理，傳統(tǒng)方案是針對關(guān)口站的載波監(jiān)測，對于用戶單跳組網(wǎng)方式，無法監(jiān)測。

基于DTP配置的載波監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)在不影響通信運(yùn)行和信號傳輸?shù)那疤嵯?，僅在地面DTP測控站上部署1套載波監(jiān)測設(shè)備，通過DTP網(wǎng)管對星上載荷配置，將用戶發(fā)送的信號通過組播方式，也發(fā)送給DTP地面測控站，由DTP測控站載波監(jiān)測系統(tǒng)通過對衛(wèi)星下行載波信號進(jìn)行監(jiān)測，自動監(jiān)測該時段用戶是否有信號發(fā)送，并采集分析信號，存儲監(jiān)測結(jié)果；也支持由系統(tǒng)設(shè)置，只對某個固定用戶的發(fā)送信號進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

為滿足監(jiān)測信息多維化的需求，基于DTP的載波監(jiān)視系統(tǒng)主要具備以下功能。

2.1.1 輪詢功能

具備連續(xù)輪詢方式監(jiān)測用戶的頻譜監(jiān)測，同樣具備某個重點(diǎn)單用戶的重點(diǎn)頻譜檢測以及頻譜數(shù)據(jù)的記錄，在載波監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)測要求上，設(shè)計對用戶最小監(jiān)測周期為10min，監(jiān)測用戶最大帶寬6M，并且系統(tǒng)在進(jìn)行載波檢測的過程中不應(yīng)影響信號傳輸質(zhì)量。

（1）用戶最大帶寬是6M，配有DTP的星上載荷，如設(shè)計對應(yīng)的子帶個數(shù)是5個，需要在DTP測控站所在的用戶波束下預(yù)留5個子帶，用于載波監(jiān)測使用。

（2）DTP網(wǎng)管從生成指令到上注載荷，載荷執(zhí)行指令到網(wǎng)管檢查遙測下發(fā)信息到確認(rèn)配置成功的時間為：星地傳輸時間+網(wǎng)管處理時間+星上處理時間+遙測信息下發(fā)時間共計2s，目前臨時用戶注冊總數(shù)為120個（固定用戶為150個），一次輪詢的總時長為監(jiān)測時間與臨時用戶總數(shù)乘積。舉例來說，若每個用戶監(jiān)測時長為10s的話，系統(tǒng)只完成監(jiān)測臨時用戶這一項任務(wù)時，監(jiān)測周期為10s×120共計20min。這里是按照每個用戶監(jiān)測時長是10s，計算出監(jiān)測周期為20min，如果用戶申請的資源小于6M，可同時監(jiān)測2個用戶及以上，其輪詢的周期可達(dá)到10min，甚至小于10min，即可滿足需求里最小監(jiān)測周期是10min的要求。

2.1.2 子帶監(jiān)測功能

（1）具備基于上行波束的子帶功率檢測值的顯示功能：可在顯示窗口上以圖標(biāo)和曲線的形式實時展示上行波束的各子帶功率值，并為系統(tǒng)提供基于上行波束、子帶的查詢及顯示功能。

（2）具備子帶交換矩陣的顯示：可在監(jiān)控窗口上以圖形化的形式基于下行波束展示子帶交換矩陣和子帶基本信息，并提供基于下行波束、子帶查詢及顯示功能。

（3）具備上行子帶開關(guān)狀態(tài)和下行子帶開關(guān)狀態(tài)顯示：可在監(jiān)控窗口上以圖形化形式基于波束展示子帶開關(guān)的狀態(tài)，并提供基于波束、波束和子帶組合查詢及顯示功能。

（4）具備星上DTP資源使用情況的實時監(jiān)視：可監(jiān)視波束的使用情況、各波束內(nèi)子帶的利用率；生成波束—子帶二維動態(tài)分配圖；可存儲統(tǒng)計數(shù)據(jù)的所有歷史數(shù)據(jù)，并支持基于時間查詢及顯示，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)以文件的形式導(dǎo)出。

2.1.3 告警管理功能

（1）系統(tǒng)檢測到星上DTP載波狀態(tài)異常時，進(jìn)行告警并提示異?；蚬收系脑敿?xì)信息。

（2）系統(tǒng)具備DTP參數(shù)閾值設(shè)置，當(dāng)DTP載荷的參數(shù)超過閾值或參數(shù)異常時，進(jìn)行告警并提示異?；蚬收系脑敿?xì)信息。參數(shù)閾值設(shè)置包括：星上DTP子帶功率、星上DTP通道功率，AD溢出統(tǒng)計等內(nèi)容。

（3）告警顯示要求。系統(tǒng)提供直觀的告警界面，支持以列表方式呈現(xiàn)告警，告警列表中實時呈現(xiàn)最新的告警信息；針對不同級別告警，網(wǎng)管支持不同顏色顯示。

（4）系統(tǒng)支持告警查詢，系統(tǒng)將符合查詢條件的告警呈現(xiàn)，并支持查詢結(jié)果導(dǎo)出到文件。

（5）DTP載荷控制配置信息發(fā)送后，系統(tǒng)需要通過接收到遙測信息，判斷該配置是否生效，如不生效，則需要上報告警信息。

2.1.4 日志管理

（1）系統(tǒng)可記錄的日志包括遙測遙控信息、告警信息、人員操作信息、用戶登錄登出等信息。

（2）日志查看、查詢及導(dǎo)出。操作員可從界面上查看存儲在數(shù)據(jù)庫的日志信息；操作員從界面輸入查詢條件，系統(tǒng)將符合查詢條件的日志呈現(xiàn)給操作員，查詢結(jié)果可以導(dǎo)出到文件。

（3）日志刪除。超過保存時間，系統(tǒng)自動刪除過期的日志數(shù)據(jù)。

2.2 載波監(jiān)視系統(tǒng)組成

載波檢測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由1個中心站、1個DTP控制站和n個遠(yuǎn)端站組成，在這個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星通信遠(yuǎn)端站可以相互之間直接通信，也可以通過中心站進(jìn)行通信。衛(wèi)星運(yùn)營商可根據(jù)實際的衛(wèi)星資源情況結(jié)合即將運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)模式，提前進(jìn)行衛(wèi)星資源預(yù)規(guī)劃，以便決定星上載荷子帶矩陣關(guān)系的配置，并通過DTP網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行星上載荷的配置，配置完成后，遠(yuǎn)端站即可進(jìn)行正常通信。

載波監(jiān)測系統(tǒng)僅部署于地面DTP測控站，用于監(jiān)測和分析用戶波束的下行載波，實現(xiàn)對載波監(jiān)視、信號分析，通過星上DTP載荷的配置，可以監(jiān)測任意用戶發(fā)送的業(yè)務(wù)信號。其在整個網(wǎng)絡(luò)中位置如圖1所示。

圖1 載波監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2 載波監(jiān)視系統(tǒng)工作原理示意圖

載波監(jiān)測系統(tǒng)由1臺頻譜分析儀、主備硬件服務(wù)器、載波監(jiān)測軟件組成。其中，頻譜分析儀用于測量RX接收信號；載波監(jiān)測服務(wù)器配備有計算機(jī)硬件和軟件，用于監(jiān)視和控制載波監(jiān)測和測量儀器的整體工作。操作員在用戶操作終端上輸入服務(wù)器地址即可進(jìn)行系統(tǒng)操作。程序提供圖形化用戶界面，可在此訪問所有用戶功能，查看監(jiān)測結(jié)果。

2.3 載波監(jiān)視工作原理

DTP控制站載波監(jiān)測系統(tǒng)與星上DTP載荷配置相結(jié)合可以監(jiān)測任意用戶發(fā)送的信號，通過對衛(wèi)星下行鏈路的載波監(jiān)測，判斷該時段用戶是否有業(yè)務(wù)，進(jìn)行業(yè)務(wù)時長統(tǒng)計，同時也可以對用戶發(fā)送的信號進(jìn)行分析，如有異常信號或非法信號，則上報告警信息。

2.4 載波監(jiān)視工作流程

針對載波監(jiān)測系統(tǒng)，有3種狀態(tài)：第一種連續(xù)輪詢監(jiān)測工作狀態(tài)；第二種等待狀態(tài)；第三種是單用戶監(jiān)測狀態(tài)。連續(xù)輪詢監(jiān)測工作狀態(tài)是常規(guī)工作狀態(tài)。連續(xù)輪詢工作狀態(tài)，是由DTP網(wǎng)管系統(tǒng)設(shè)置輪詢表，對用戶進(jìn)行逐個重復(fù)監(jiān)測。單用戶監(jiān)測狀態(tài)，由系統(tǒng)設(shè)置，只對某個固定用戶的發(fā)送信號進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

整個系統(tǒng)工作需要載波監(jiān)測系統(tǒng)和DTP網(wǎng)管配合使用。

2.4.1 連續(xù)輪詢監(jiān)測工作流程

載波監(jiān)測軟件接收DTP網(wǎng)管任務(wù)指派，開始執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，其核心過程包括信號采集過程、信號監(jiān)測過程、信號數(shù)據(jù)分析過程、數(shù)據(jù)存儲和統(tǒng)計過程。

輪詢監(jiān)測的工作流程如下：

（1）DTP網(wǎng)管系統(tǒng)周期性遍歷用戶配置表，查詢發(fā)送用戶對應(yīng)的子帶信息。

（2）根據(jù)每個用戶分配的子帶，配置該用戶的子帶與DTP載波監(jiān)測系統(tǒng)所屬子帶的交換矩陣。

（3）DTP網(wǎng)管根據(jù)配置內(nèi)容，生成DTP載荷控制指令，通過地面DTP測控站上注衛(wèi)星完成配置。

（4）衛(wèi)星執(zhí)行控制指令，并通過遙測信息下發(fā)執(zhí)行結(jié)果。

（5）網(wǎng)管系統(tǒng)通過遙測信息，檢查配置是否成功，成功后由DTP網(wǎng)管系統(tǒng)向載波監(jiān)測軟件指派載波監(jiān)測任務(wù)，配置失敗的話，則再次配置，最多配置5次，如果超過5次仍配置失敗，則上報告警，跳轉(zhuǎn)10。

（6）載波監(jiān)測軟件啟動監(jiān)測任務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集。

（7）載波監(jiān)測軟件接收原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將原始數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)入庫。

（8）監(jiān)測結(jié)束時間達(dá)到后，載波監(jiān)測軟件對監(jiān)測任務(wù)執(zhí)行停止操作。

（9）載波檢測軟件將任務(wù)停止后，向DTP網(wǎng)管系統(tǒng)發(fā)送任務(wù)結(jié)束響應(yīng)。

（10）輪詢下個臨時用戶，重復(fù)上述步驟。

2.4.2 單用戶監(jiān)測工作流程

單用戶監(jiān)測是對某個重點(diǎn)用戶進(jìn)行固定監(jiān)測，當(dāng)設(shè)置為單用戶監(jiān)測模式時，系統(tǒng)將停止輪詢監(jiān)測方式，進(jìn)入到單用戶監(jiān)測模式。具體流程如下：

（1）網(wǎng)管系統(tǒng)根據(jù)輸入監(jiān)測用戶信息，查詢其上行波束的子帶信息，與載波監(jiān)測系統(tǒng)對應(yīng)的子帶建立子帶交換矩陣關(guān)系。

（2）網(wǎng)管系統(tǒng)根據(jù)建立的子帶交換矩陣關(guān)系生成控制載荷的指令，上注至衛(wèi)星。

（3）衛(wèi)星執(zhí)行控制指令，并通過遙測信息下發(fā)執(zhí)行結(jié)果。

（4）網(wǎng)管系統(tǒng)通過遙測信息，檢查配置是否成功，成功后由DTP網(wǎng)管系統(tǒng)向載波監(jiān)測軟件指派載波監(jiān)測任務(wù)，配置失敗的話，則再次配置，最多配置5次，如果超過5次仍配置失敗，則上報告警。

（5）載波監(jiān)測軟件根據(jù)監(jiān)測任務(wù)下發(fā)的開始時間，啟動監(jiān)測任務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集。

（6）載波監(jiān)測軟件接收原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將原始數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)入庫。

（7）監(jiān)測結(jié)束時間達(dá)到后，載波監(jiān)測軟件對監(jiān)測任務(wù)執(zhí)行停止操作。

（8）載波檢測軟件將任務(wù)停止后，向DTP網(wǎng)管系統(tǒng)發(fā)送任務(wù)結(jié)束響應(yīng)。

（9）網(wǎng)管收到載波監(jiān)測軟件上報的任務(wù)執(zhí)行結(jié)束響應(yīng)后，解除用來監(jiān)測的子帶交換矩陣關(guān)系，生成載荷指令，上注衛(wèi)星。

2.4.3 載波監(jiān)測停止流程

載波監(jiān)測系統(tǒng)處在連續(xù)輪詢監(jiān)測工作狀態(tài)或是單用戶監(jiān)測工作狀態(tài)時，人工通過界面設(shè)置停止時，系統(tǒng)需停止當(dāng)前的監(jiān)測任務(wù)，具體流程如下。

（1）網(wǎng)管系統(tǒng)收到載波監(jiān)測停止設(shè)置時，檢查當(dāng)前是否有監(jiān)測任務(wù)，如存在，則向載波監(jiān)測軟件發(fā)送停止監(jiān)測任務(wù)消息。

（2）載波監(jiān)測軟件收到停止監(jiān)測任務(wù)消息后，則停止正在進(jìn)行監(jiān)測任務(wù)，并記錄日志信息，向網(wǎng)管系統(tǒng)發(fā)送停止任務(wù)響應(yīng)消息。

（3）網(wǎng)管系統(tǒng)收到響應(yīng)消息后，解除當(dāng)前子帶交換矩陣關(guān)系，并生成指令，上注衛(wèi)星。

3 結(jié)語

綜上，本文分析了一種針對載波監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求設(shè)計的載波監(jiān)視系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，針對載波監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行了詳細(xì)的論述，包括系統(tǒng)功能、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)流程處理等。本文設(shè)計的載波監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)在某衛(wèi)星地面站中設(shè)計實現(xiàn)。