通信卫星星上信息交换技术(论文)

1通信卫星星上信息交换技术（中国空间技术研究院总体设计部）张中亚摘要：通过通信卫星星上交换的一般原理以及实例，介绍了星载信息交换技术以及星载交换开关的组成和基本特性，对发展我国的星上交换技术提出了一些建议。主题词：通信卫星，星上信息交换1概述通信卫星的应用越来越广泛，人们对卫星通信的容量和质量要求也越来越高。特别是在移动通信网络及多媒体通信网络中，对提高卫星的EIRP和G/T值的要求更为迫切。卫星的EIRP和G/T值除了与天线的口径有关，还分别与末级功放的输出功率以及接收机的噪声水平有关，这些因素都取决于平台的承载能力以及当前的技术水平。为了得到更高的天线增益，多波束天线越来越受到重视。显然，用同样口径的反射面，产生多个点波束，每个波束覆盖特定的区域，可以得到更高的天线增益。另外，频率的使用效率也是通信卫星工程中已经引起足够重视的问题，多点波束通信系统由于空间隔离显然可以提高频率的使用效率。但是，在这种多点波束的通信系统中，如果采用传统的卫星通信组网方式，通信的非实时性是一个严重的问题。移动用户终端、互联网的接入业务以及多媒体终端的引入，对信息传输的实时性、频率的使用效率、数据的传输速度等都提出了更高的要求。为了解决这些问题，人们早就开始了星上信息处理技术的研究，星上信息交换技术就是其中之一，它在克服时延、解决频率使用效率、解决大容量的信息高速交换方面具有显著的作用。2星上信息交换技术的一般原理传统的卫星通信网络结构主要有星形网、网状网，以及二者混合的网络。在星形网中，信息的交换一般是在中心站中进行的，用户的信息在某一区域的关口站中分组、频率复用、再通过一定的方式调制到载波上去，发往中心站。中心站对这些信息按不同区域的目标用户重新分组，并发往目标区域的关口站，进而分发到相应的目标用户。这样，用户和用户之间的信息要经过至少两上两下的链路时延，对于静止轨道通信卫星而言，这种时延在0.5s以上。这样大的时延，对于象传真、非实时图像等传输，是可以接受的，对质量要求不高的话音这样的信息传输也还能够容忍。但是，在一些特定的场合下，这种时延是难以接受的。比如：2电话会议，互动电视，互联网接入等等。这种情况在网状网中有所改善，但是却还不能有效地利用日益紧张的卫星频率资源。要解决以上问题，人们首先想到的是将地面的信息交换中心搬移到星上，所有的信息交换功能在星上完成，这样，对一个用户到另一用户的信息只要经过一上一下的传输就可以完成，从而改善了信息传输的实时性并有效地利用了频率资源。一般情况下，现代的大容量宽带卫星都需要很高的EIRP和G/T值，因而点波束天线应用非常广泛。信息的交换不但在同一波束内的用户之间进行，同时还要在不同波束用户之间进行。显然，在星上实现信息交换，就是基本取消了用户和卫星通信系统中心站的直接联系，而将这种联系由星上交换设备直接完成，即星上交换设备根据用户信息的不同种类、目标完成信息的分类、打包和安排合适的传输路径，从而完成高效的信息传输。要完成星上信息交换，首先要将射频信号变成中频，并且进一步提取出基带信号。这些基带信号是带有目标信息的，根据这些目标信息，星上处理开关将具有同一目标的信息打包，提供给相应的转发器，经调制并上变频后，发往相应的目标。从星上信息交换的一般原理可以看出，其主要具有以下几方面的优点：a.组网灵活、信息传输效率高：由于信息的交换中心置于星上，无论卫星通信系统是星状网、网状网还是混合结构网，都能以卫星为交换中心来完成，且许多传统的两跳通信都可以在一跳完成；b.有效载荷上行和下行可以选择不同的频段、不同的带宽，且用户和用户之间的信息交换不是必须经过中心站或关口站进行，从而频率的利用率得到提高；c.由于星上交换技术，信息处理在基带进行，有利于对信号进行其它处理，如再生技术的应用可以改善信息传输质量，加密技术的应用可以增强信息传输的安全，等等。正因为此，星上信息交换技术已经引起人们越来越多的关注。3星上交换卫星通信系统及星载开关的实例3.1系统概况日本的通信研究实验室(CRL)为计划于2003年发射的工程试验通信卫星8号(ETS-VIII)研制了一种星上信息交换设备。ETS-VIII是一颗地球同步卫星，带有大口径的可展开天线以及高功率放大器，具有两个使用S波段的区域波束和一个使用Ka频段的馈电波束。区域波束建立的用户终端链路为不同区域的用户提供移动话音、互联网接入等业务，馈电波束建立的馈电链路为用户提供公众电话网的接入服务以及其它业务。系统组成如图1所示3从图中可见，信息交换可以在基站和各移动用户之间进行，这是一种普通的卫星中继通信：区域用户与公众电话网的通信信息经过卫星转发器，或经过数字处理，或直接地转发到基站，由基站和公众长话网络建立联系；信息交换也可以在同一区域内不同用户之间进行，也可以在不同的区域不同的用户之间进行：信息不需要经过基站的处理，而由星载信息交换设备对信号的特征码进行识别、按目标码进行分组、再按一定的规则传输给指定的用户，从而完成卫星用户间的一跳通信。系统中，用户和用户、用户和公众电话网的互通变得非常容易。同时我们可以看到，不同的用户区域，可以使用不同的频率，也可以使用相同的频率，只要考虑一定的空间隔离，就可以完成通信频率的复用，从而提高了频率的使用效率。信息传输对上下行频率的不对称需求也使得频率的利用效率得以提高。将上图简化成如图2所示的系统简化示意图，可以更清楚地看到星载开关在系统中的位置。一般情况下，信息的处理不可能在射频上完成，因而要完成这样的信息交换，需要在基带对信息进行处理。所以在图2所示的卫星转发器中，信号首先被变频到中频，再经过解调器解调出基带信号，信号上的特征码及目标码才能控制开关的切换，将通信信息按正确的路由，经过调制和上变频后，通过适当的波束发射出去。在这样的卫星通信系统中，通信信道分成随机分配信道和固定分配信道。固定分配信道用于需要实时传输的数据，而随机分配信道用于信息传输、需要分配信道的请求，以及地球站和卫星之间的控制信息。通信系统中固定分配信道对随机分配信道的比例可以根据业务状况加以改变。打包信息的帧结构如图3所示，信息的长度是可变的，正常的打包图1ETS-VIII系统网络示意图图2ETS-VIII系统简化示意图4信息长度为8毫秒，最大可以达到32毫秒。每个数据中都包括特征码、源地址、目标地址、数据长度以及信息数据，等等。32比特的循环盈余码用做帧监测序列。在信息传输过程中，可以使用自动重发功能以及前向纠错功能，防止信息传输过程中可能出现的错误。在移动通信中，由于遮挡可能造成用户终端接收的信号电平大幅度降低而产生传输错误，这些技术的应用可以有效地解决这些问题。与一般的卫星通信系统相比，这种卫星通信系统采用了星上信息交换技术。星载信息交换设备在这样的通信网中起到了信息桥的作用。各种信息在交换设备中被处理，按目标打包，然后发送出去。3.2星载信息交换设备星载信息交换设备主要为星载交换开关，它由调制/解调（MODEM）部件和基带开关部件组成。在ETS-VIII这样的具有两个S波段链路和一个馈电链路的卫星上，星上开关中具有四套MODEM，两套用于S波段链路，两套用于馈电链路。还包括两个混合接头，以及两个140MHz频段的本振，其频率分别为138.5和140.0MHz。来自转发器的140MHz频段中频信号馈入MODEM，在解调器中下变频到基带信号。解调器还包括模数变换器和数字滤波器。大多数功能——切换、调制、解调、滤波及开关控制——都通过数字信号处理技术来实现。处理过的信号在调制器中转换成140MHz波段的模拟信号，输出到转发器中供上变频使用。这样的星载交换设备如图4所示。图3打包信息的帧结构图4星载开关原理框图5基带开关部件包括基带开关、开关控制器、从卫星系统母线接收遥测信号和向卫星系统母线发送遥控指令的TT&C控制电路。ETS-VIII星载交换设备基本特性如表1所列。表1星载开关的技术参数调制/解调器：π/4-QPSK/同步检测传输速率：1024kbps纠错方式：前向纠错编码方式：卷积编码（约束长度－7，编码率－1/2）译码方式：维特比译码（3比特软判决）自动重发申请端口数量：馈线链路2个端口，移动链路2个端口数据包长度：8毫秒（正常），最大32毫秒交换功能：桥式尺寸：调制解调器440X290X280mm，基带开关部分280X290X280重量：调制解调器21公斤，基带开关部分11公斤功耗：调制解调器86W,基带开关部分34W3.2.1调制解调器的基本特性在调制器中，使用了π/4-QPSK调制技术，以便减少发射机的非线性效应，在解调器中，采用了相反的调制方案恢复载波，因为这种方案可以快速地捕获载波，载波漏率极低。根据仿真结果，载波恢复电路大约在收到信号那点起20个符号检测到信号，大约40个符号后就可以将本地相位同步到接收信号的相位。星上变频器本振的频率稳定度以及用户终端的频率稳定度对调制解调器的误码特性影响很大，如果是移动用户，用户的移动速度对调制解调器的误码特性也有一定的影响。在馈线链路上，Ka波段的频率偏差大于S波段，但基站中的自动频率控制设备可以减少这一偏差，也就是可以减少误码率。另外，前向纠错技术、自动重发功能的应用，一般可以提高误码率3dB左右。仿真结果表明，各种因素引起的频率偏差在±30KHz以下时，误码特性仍然很好。3.2.2基带开关部件的基本特性在本例所述的通信系统中，卫星用户主要分布在两个点波束区域中，基带开关部件不但在同一波束之间而且在这两个波束之间都起桥梁的作用。基带开关部件建立用于媒体接入控制的地址信息表，并进行日常维护。基带开关部件的这一6功能等效于多波束结构的移动通信系统中所具备的位置登记信息。这意味着基带开关部件具有灵活的管理功能。另外星上基带开关部件还具有呼叫控制功能、射频频率管理功能，等等。源地球站用一个随机接入信道向星上集成开关为要传输的打包信息申请预留一个时隙。当卫星系统还有能满足预留申请的空闲信道时，星上基带开关就保留这个信道，并通知源地球站可以使用这个信道。通信结束后，源地球站向星上基带开关部件发出解除信道申请信号，这些信道将不再保留，供其它申请使用。时隙申请的基本顺序如图5所示。通信信息也在基带开关部件中处理，当星上基带开关收到源地球站发来的数据后，对信息帧进行监测，如果判断数据帧序列没有错误，会将确认信息发回源地球站。基带开关部件中具有自动重发的配置，如果源地球站没有收到来自卫星的确认信号，则应该重发数据包，以使数据正确传输。星上基带开关部件每128毫秒以小于8毫秒的长度向地球站广播控制信息数据包。这一控制信息数据包含诸如已经占用的时隙数目、接收到的随机接入数据包数量以及数据帧序列监测结果等信息，用于网络管理。由于这种基带开关部件与路由器相比比较简单且易于维护，星上设备可以做得更小。4我国对星上交换技术的需求及发展途径随着卫星通信技术在各行各业的渗透，通信卫星的技术在国民经济中占非常重要的地位，相关部门已经提出了关于移动通信卫星、宽带多媒体通信卫星、大口径多波束天线等需求。随着这些技术的发展，以及合理、高效地使用频率资源的要求，星上交换技术必然要受到越来越多的关注。有的部门也已经着手对此进行研究。在我国的通信卫星上，还没有相关的技术试验。从星上交换技术的基本原理以及ETS-VIII的情况来看，星上交换设备的容量图5时隙预定的基本程序7是限制整个卫星通信系统容量的关键，而卫星平台能否承载大容量的信息交换设备也是这种系统实现的关键。因而，结合我国的具体情况，在通信卫星上实现这一技术，应该解决以下关键问题：a.概念性研究：要根据我国通信卫星的特点及未来需求，进行我国星上交换技术的概念性研究并制定具体实施方案，以指导相关的研究工作；b.星载开关产品的小型化研究：在星载开关中许多技术在地面应用中都是成熟的技术，如调制解调技术、纠错技术等等，但要应用在卫星上，就有其特殊性，比如如何选择简单的但又是可靠的方法以使星上产品小型化就是相当关键的问题；c.总结FPGA的应用经验，不但要总结星上的使用经验，还要重视国内在地面的使