再生式通信衛星轉發器的研究進展

朱子行,趙尚弘,李勇軍,王 翔,趙顧顥,劉 韻

(空軍工程大學電訊工程學院,西安 710077)

1 引 言

我國“十二五”規劃中明確提出重點發展寬帶衛星通信系統。轉發器作為星上通信分系統的重要組成部分,決定了信號的接收、處理和發送方式,進而直接影響系統的可靠性、容量、重量、體積、功耗等關鍵性能參數[1]。通信衛星轉發器可以分為透明式和再生式兩類[2],前者具有信號放大、下變頻等功能,后者除上述功能外,還具有射頻波束交換、解調-再調制、基帶交換、多址方式變換等功能。它們的本質區別在于是否對接收到的信號作解調處理。與單純完成轉發任務的透明式轉發器相比,具有星上處理、交換功能的再生式轉發器能夠減少傳輸差錯率,提高效率,消除干擾,降低傳輸時延,改善交換性能,充分發揮衛星通信的優點[3,4],已經成為研究重點。

根據處理、交換方式的不同,再生式轉發器可以大致分為以下5類[5]:星上多路復用處理器(如Sky-Plex processor)、星上分組交換處理器(如SpaceMux processor、WINDS processor、Spaceway processor)、基于連接狀態表交換處理器(如AMERHIS processor)、基于標簽交換處理器(如REDSAT processor)、星上路由處理器(如IRIS CISCO processor)。本文回顧了幾種典型的再生式轉發器國內外最新研究進展,分析了技術發展中存在的問題,并提出了針對性的解決方法。

2 國外再生式轉發器研究現狀

2.1 北美

2.1.1 SpaceMux

SpaceMux是搭載在“Telesat Anik-F2”衛星上的Ka頻段再生式轉發器[7]。為了最小化星上處理器的尺寸和降低復雜度,地面中心站和SpaceMux轉發器共同完成信息的處理、交換以及調度功能。地面站主要負責信令處理、多址接入調度以及交換控制,SpaceMux轉發器主要負責載波解調、基帶交換。它可以互連多個上行鏈路點波束和4個下行鏈路區域波束,將上行MF-TDMA接入方式下的ATM信元封裝為下行TDM方式下的MPEG傳輸流,以便形成DVB MPEG格式信號,這樣,用戶只要配備廉價的DVB接收機就能接收下行鏈路信號。在功能分割的模式下,星上轉發器只要采用快速電路交換的結構就能滿足用戶分布式會議的業務需求,在未來將功能集中到星上后,則需要采用快速分組交換的結構。SpaceMux轉發器結構如圖1所示[7],包括L頻段前端(LFE)、DVB解調器、基帶處理交換單元(BPSU)以及DVB調制器4個模塊。

圖1 SpaceMux轉發器結構Fig.1 Structure of SpaceMux repeater

它們對信號的處理包括兩部分:

(1)來自于反向信道衛星終端(RCST)的Ka頻段信號經過下變頻至L頻段,進入到LFE處理,LFE相當于一個中頻濾波交換矩陣,通過濾波選擇目的波束。112個2.048Mbit/s載波被送入MC3D中進行解復用、解調、解碼處理,此時信號被分為信令和數據兩部分,SYNC、CSC等信令進入命令、信令處理器/信頭處理器處理,數據部分即ATM信元進行基帶交換選擇合適的前向數據處理器(FDH),除了封裝ATM業務信元外,FDH還可以將ATM信元、前向鏈路信令、反向鏈路信令復用為DVBMPEG傳輸流,通過DVB QPSK調制器調制后發往地面終端;

(2)來自于分布式中心站的Ka頻段信號也經過下變頻至L頻段,進入到LFE處理,通過標識碼濾波器分離出前向鏈路信令和命令分組,經過DVB解調器解調后,命令分組進入到控制與管理功能模塊,前向鏈路信令與反向鏈路信令、ATM信元一塊進入FDH復用為MPEG傳輸流。

2.1.2 Spaceway

Spaceway是由休斯公司(負責網絡操作控制中心和地面終端)和波音公司(負責空間段)共同開發的Ka頻段衛星通信系統,旨在為未來的轉型衛星通信系統(TSAT)提供技術支撐[7]。它是第一代數字星上處理衛星,帶寬為500MHz,上行鏈路速率為16 kbit/s～2.048 Mbit/s,下行鏈路速率為16 kbit/s～92Mbit/s,執行國際批準的ETSI/TIA/ITU標準RSM-A(Regenerative Satellite Mesh-A)。采用基于分組交換的轉發器結構,與基于電路交換的結構相比,能極大地提高容量增益,分組統計復用方式又能很好地適應突發業務的傳輸。除此之外,上下行點波束配置、頻率再用能提高系統容量;自適應動態帶寬資源分配能提高信道利用率;自適應編碼調制能更好地滿足天氣變化情況下信息的有效傳輸。Spaceway轉發器結構如圖2所示[8],經上行接收天線接收的上行鏈路點波束信號通過解調后變為基帶信號,送入分組交換單元完成交換后,再經過調制發送到目的點波束下的目的用戶。

圖2 Spaceway轉發器結構Fig.2 Structure of Spaceway repeater

2.2 歐洲

2.2.1 Skyplex

Skyplex是搭載在通信衛星“熱鳥”系列上的歐洲第一個再生式轉發器[9]。在“熱鳥-4”和“熱鳥-5”上裝載有Ku頻段的Skyplex轉發器,在“熱鳥-6”上增加了4臺Ka頻段轉發器以及星上Turbo解碼器[10]。它可以重新整合話音、數據、視頻等不同的上行業務流(速率可以是6.1111Mbit/s、6.8750Mbit/s、7.3333Mbit/s、2.2917Mbit/s)復用成為符合DVB-S標準的55Mbit/s下行業務流,這樣用戶接收時與透明轉發器沒有差別,不僅減少了終端的成本,而且使傳輸時延降低為原來的一半。Skyplex轉發器結構如圖3所示[9]。

圖3 Skyplex轉發器結構Fig.3 Structure of Skyplex repeater

其對信息的處理過程如下:

(1)輸入信號下變頻;

(2)載波信號解調和數據提取;

(3)上行鏈路分組同步:在SCPC(Single Channel per Carrier)接入方式下通過信頭進行同步,在TDMA接入方式下通過獨特碼進行同步;

(4)通過SEDD(Short Energy Dispersal Descrambler)解擾;

(5)分組多路復用;

(6)對分組的信息部分通過MEDS(Modified Energy Dispersal Scrambler)加擾,對RS奇偶校驗字節通過RSPS(Reed-Solomon Parity bytes Scrambler)加擾;

(7)對加擾后的數據進行卷積交織、卷積編碼;(8)QPSK調制并上變頻至射頻頻率。

2.2.2 AmerHis

AmerHis(Advanced Multimedia Enhanced Regenerative Hispasat System)是一個首次使用多波束天線、MF-TDMA接入、星上交換的寬帶多媒體衛星通信系統[12]。上行鏈路采用 DVB-RCS標準,支持0.5 Mbit/s、1 Mbit/s、2 Mbit/s、4 Mbit/s、8 Mbit/s數據速率;下行鏈路采用 DVB-S標準,支持最大54 Mbit/s數據速率。該系統裝有可同時工作的C頻段轉發器19臺,Ku頻段轉發器4臺。采用Alcatel 9343 DVB星上處理器,可以完成星上信號解調、解碼和交換,實現4個Ku波束的交換,使得波束覆蓋區的用戶可以實現單跳通信,從而節省衛星資源[12]。AmerHis轉發器結構如圖4所示[9],主要由下變頻單元、基帶處理單元和調制單元三大模塊組成:下變頻單元主要通過兩次下變頻實現Ku頻率到基帶頻率的轉變;基帶處理單元又可以分為多載波解復用解調解碼模塊(Multi-Carrier Demultiplexer Demodulator Decoder,MC3D)和多路復用模塊,MC3D主要負責模數變換、多路解復用、并行載波解調、MPEG-2分組Turbo解碼以及輸出分組存儲等待多路復用等處理,多路復用模塊根據連接狀態表從不同的MC3D緩存中取出MPEG-2分組復用為符合DVB-S標準的TDM業務流,這相當于電路交換處理;調制單元將數據流QPSK調制到Ku頻段射頻輸出。

圖4 AmerHis轉發器結構Fig.4 Structure of AmerHis repeater

2.3 日本

2.3.1 WINDS

日本研制的“超高速因特網衛星”WINDS(Wideband Inter Networking Engineering Test and Demonstration Satellite)是目前世界上數據傳輸速率最高的衛星,最大傳輸速率可達1.2 Gbit/s[15]。衛星工作在Ka頻段,獨具特色地綜合采用了透明轉發、星上交換及混合模式3種工作模式,并運用了多波束天線和相控陣天線兩種技術,充分利用多波束天線的高增益實現數據的高速傳輸,利用相控陣天線的靈活性擴大服務范圍,各項技術都堪稱衛星通信技術的里程碑,具有通信速率高、覆蓋區域廣、可控制功率分配,以及建立通信線路迅速等特點。

為了同時滿足高速數據傳輸及星上交換的需要,不同的通信終端采用不同的通信模式:2.4 m和5 m的大型地面終端,可基于透明轉發方式實現600 Mbit/s和1.2 Gbit/s的高速數據傳輸,45 cm和1.2 m的特小及甚小口徑終端,可基于星上交換實現上行 1.5～155 Mbit/s及下行155 Mbit/s的傳輸。WINDS星上轉發器結構如圖5所示[15,16],它對信息的處理過程如下[15-17]。

(1)在透明轉發模式下,上行信號經變頻、功率放大,轉發至下行。根據波束交換的方式不同,可進一步分為連續波(FDMA)模式和SS-TDMA模式。在連續波模式下,經過有源相控陣天線接收的上行鏈路信號,通過下變頻至中頻,利用信道化的帶通濾波器BPF-W3和BPF-W4實現波束間的交換。在SS-TDMA模式下,利用中頻交換矩陣來實現波束間的交換。交換矩陣以時分方式進行工作,切換的時間為2ms,接收矩陣對上行波束進行選擇,發射矩陣對下行波束選擇,并將信號送至1100MHz的帶通濾波器BPF-W1和BPF-W2工作。

(2)在星上基帶交換模式下,接收信號經過數字解調器(DDEM)解調譯碼后成為ATM信元流,進入ATM交換機,ATM交換機根據PVC配置表和ATM信元頭中的VPI/VCI標識進行高速交換,輸出的155 Mbit/s信元流通過QPSK調制器(MOD)調制并形成突發數據,以TDMA方式在各個波束內進行廣播,最后通過上變頻、多通道放大器(MPA)輸出。

(3)在混合模式下,1個透明轉發模式的622Mbit/sQPSK信號以及6個基帶交換模式的51Mbit/s信號各占550MHz的帶寬,組成混合信號傳輸。該信號在星上通過1∶N的分路器和中頻交換矩陣后,將基帶模式下處理的信號分配給星上ATM交換子系統(ABS),而把透明轉發模式下的信號送至上邊帶濾波器BPF-U1和BPF-U2。

圖5 WINDS轉發器結構Fig.5 Structure of WINDS repeater

2.3.2 ETS-Ⅷ

日本的“八號工程試驗衛星”(ETS-Ⅷ)主要是為移動用戶之間以及移動用戶與地面網之間提供通信服務,支持5.6 kbit/s話音傳輸和32 kbit/s數據傳輸[18]。衛星上的轉發器工作在S頻段和Ka頻段,在反饋鏈路(網關站和衛星之間的鏈路)采用上行30.6GHz、下行20.8GHz的Ka頻段,在移動鏈路(移動用戶之間的鏈路)采用上行2.66GHz、下行2.50GHz的S頻段。通過基帶交換和再生處理提高系統的靈活性和增加鏈路預算。ETS-Ⅷ轉發器結構如圖6所示[18,19],主要由前向鏈路處理器、交叉鏈路處理器、控制處理器、反向鏈路處理器、發送相位陣列反饋系統、接收相位陣列反饋系統等六大模塊組成。

圖6 ETS-Ⅷ轉發器結構Fig.6 Structure of ETS-Ⅷrepeater

通信過程可以分為兩類。

(1)網關站與移動終端之間的通信。以網關站發送、移動終端接收為例說明:進入轉發器的信息和控制信號經過下變頻至基帶頻率,經過解復用后進入交換單元,此時將控制信號解調送入控制處理器來控制信息的交換,交換后的信息通過多路復用后上變頻至S頻段,最后通過波束成形網絡分為31個部分,經固態功率放大器放大、帶通濾波器濾波后由天線單元發往地面移動終端。

(2)移動終端之間的通信。由天線陣列接收的31路信號經過帶通濾波器濾波、低噪聲放大器放大后通過波束成形網絡合成一路輸出,經過下變頻至基帶頻率,經過解復用后進入交換單元,此時將信息解調處理后再調制送入另一個交換單元,由控制處理器根據解調后的控制信號來控制信息的交換,交換后的信息通過多路復用后上變頻至S頻段,最后通過發送相位陣列反饋系統發往另一個地面移動終端。

3 國內再生式轉發器研究現狀

近年來,隨著星上高速數據處理與交換的需求不斷增加,國內一些相關單位也相繼開展了再生式通信衛星轉發器關鍵技術的研究。中國空間技術研究院西安分院對星上高速數字解調、星上級聯碼譯碼、星上ATM交換等關鍵技術進行了深入研究[20];解放軍理工大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學重點對星上ATM交換機結構以及調度、擁塞控制算法開展了理論研究[21-23],取得了一定的成果,但在星上交換容量、處理器速度等方面與國際先進水平相比還存在一定差距。

4 存在問題及解決方法

4.1 存在問題

綜合國內外研究現狀可以看出,再生式衛星轉發器是現代衛星通信技術發展的必然結果,然而其中的部分關鍵技術并不完善,有待于進一步研究和發展,還存在以下幾個方面的問題。

(1)再生式轉發器必然要對信號進行解調,在MF-TDMA接入方式下,數量眾多的解調器會給星上通信載荷的可靠性造成嚴重的影響。雖然采用多載波整體解調的MCD技術可減少解調器的數量,但是MCD解調器的實現仍然是較為復雜的,而且存在頻率偏移、符號間干擾、相位差錯、量化差錯等問題[24]。

(2)當前衛星數據中繼能力達到每秒吉比特量級,但星上數據采集能力已經達到了每秒太比特量級,數據中繼能力相對不足導致大量的信息滯后甚至是遺棄,低效的星載交換已經成為制約未來寬帶衛星通信進一步發展亟需突破的一大難題[25]。由于技術的限制,分組交換是以準靜態或共享緩存的方式進行。在前一種方式下,交換配置只能在一秒內改變一次,路由決定不能以分組為基礎進行。在后一種方式下,共享存儲器需要以超出N倍的分組速率進行操作(N為交換結構端口數),因此整體的交換吞吐量被限制在每秒吉比特。

(3)在我國“十二五”規劃中重點發展傳統微波衛星系統的同時,國家空間科技發展規劃中也明確了空間光通信的發展路線,即到2020年數據傳輸速率達30～40Gbit/s以上。因此可以判定,在今后相當長一段時間內,衛星上將出現微波和激光并存的局面[26-28]。如果通過解復用、解調制和解碼等過程,取出基帶數據處理后,再由數字信號直接調制激光,存在著處理過程復雜、設備體積笨重和網絡延遲增加等缺點,無法適應星上有效載荷的要求。

4.2 解決方法

針對再生式轉發器存在的上述問題,提出如下解決方法。

(1)MCD解調器中存在的頻率偏移是由上、下變頻本振信號的頻率差引起的,可以通過增加保護頻帶的方法解決;量化噪聲的產生是與MCD解調器中的數字濾波器直接相關的,通過增加量化比特的數目可以極大降低量化噪聲的影響;相位噪聲是由多載波解復用器中的多個下變頻本振信號引入的,會引起子載波信道間干擾,采用多相傅里葉變換的解復用器結構能夠在一定程度上克服這個問題;符號間干擾是由于信道和接收濾波器對發送信號所造成的拖尾效應引起的,可以通過選擇合適的最優判決時間來解決。

(2)為了解決信息處理交換中吞吐量較低的問題,可以借鑒地面光網絡突發交換思想,采用信元信頭分開處理的方式。數據包到達接收機前端處理模塊后,經信頭提取分為信元和信頭兩部分。信元數據流經匯聚模塊將多路低速數據流匯聚為高速數據流,轉化為光信號送往光交換單元,實現數據的透明交換。信頭數據流經解調譯碼產生光交換控制調度信息,實現對光交換的控制,同時產生新的信頭,經過編碼調制以后重新插入相應的信元數據流,形成新的數據流。

(3)為了解決星上微波與激光之間的調制問題,達到不解基帶數據、無需包頭檢測、利用微波直接調制激光的目的,可以結合光副載波調制技術和波分復用技術應用到星上處理中。首先,由地面站完成具有相同目的地址以及QoS要求的業務的匯聚;其次,采用星上副載波的激光調制技術,利用副載波頻率作為控制信息,實現數據流在星/地之間的微波接入;最后,利用WDM技術實現星間光鏈路的多波長通道和多波長星際路由,以減輕星載處理器的處理負荷,減小衛星節點的處理延遲。

5 結 論

本文綜述了國內外再生式轉發器的最新研究進展,針對其技術發展中存在的多載波解調、吞吐量較低以及微波/光調制等問題,提出了合適的補償技術、星上半透明突發交換、光副載波調制以及波分復用等解決方法。然而,面對未來空間微波/激光鏈路并存的局面,僅僅利用光副載波調制技術并不能完全解決微波/光調制問題,需要進一步研究寬帶寬、高調制靈敏度微波信號的電光調制技術。

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