淺析一種基于DTP的衛星載波監視流程及方法

王嘉煜，陳思宏，張騫丹

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

目前，通信衛星以其通信距離遠、覆蓋范圍廣、無國界等特點，得到了各國政府的高度重視。衛星通信系統已經從傳統的單頻點、單業務、單星單波束，發展成為靈活、多頻段、多業務、多星多波束。配置數字透明處理器（DTP）配置的載波監測系統主要完成用戶波束下行載波的監測以及監測數據的管理與存儲，為計費系統提供數據，完成運行系統的自動計費功能，以支撐衛星承載業務的正常運營。

1 需求分析

在傳統透明轉發的有效載荷衛星中，有效載荷不會對收到的用戶信號進行任何的處理，只用來單純的轉發信號。在衛星上，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，物理層相關屬性的變化對有效載荷已經存在的設計沒有什么影響，所以透明轉發式的有效載荷在使用起來比較方便。然而，衛星上通過微波交換矩陣來交換數據的時候，數據的交換策略都是預先固定的，所以在數據速率發生變化的時候沒有辦法進行相應的改變。若要使用透明轉發式有效載荷的衛星進行更小顆粒度交換時，微波交換矩陣便會由于復雜度迅速提升而超出自身的交換能力。

再生式有效載荷中，衛星轉發器通過下變頻、解調譯碼接收信號為基帶信號，對基帶信號經過交換處理后，再編碼、調制、上變頻發射出去。這種方式提高了系統的功率資源利用率和系統的容量，而且它可以通過采用自適應編碼調制技術來進一步提高系統容量。顯然，這種有效載荷對物理層具有內在的和固有的依賴關系，隨著地面技術標準或者通信協議的更新，有可能使得星載處理器不能正確接收數據，靈活性不如透明轉發有效載荷高。

DTP（Digital Transparent Processing）技術主要采用數字透明處理方式，利用靈活的星上信道化濾波技術，借助非均勻濾波器組實現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發式和再生式有效載荷存在的問題，規避了衛星通信體制的約束，使系統具有靈活選擇合適的通信體制、劃分最佳信道、臨時組網的能力，提高了通信的靈活性與可靠性，實現衛星信號和資源的靈活交換。

載波監測系統主要是進行上行鏈路和下行鏈路信號的監測與管理。傳統的載波監測系統需在各關口站部署一套載波監測設備，每個關口站的載波監測只負責管轄本站點的載波監測，通過建設網絡控制中心（NOC）遠程對各關口站的載波監測系統進行集中控制與管理，傳統方案是針對關口站的載波監測，對于用戶單跳組網方式，無法監測。

基于DTP配置的載波監測系統，其系統在不影響通信運行和信號傳輸的前提下，僅在地面DTP測控站上部署1套載波監測設備，通過DTP網管對星上載荷配置，將用戶發送的信號通過組播方式，也發送給DTP地面測控站，由DTP測控站載波監測系統通過對衛星下行載波信號進行監測，自動監測該時段用戶是否有信號發送，并采集分析信號，存儲監測結果；也支持由系統設置，只對某個固定用戶的發送信號進行重點監測。

2 系統設計

2.1 系統功能

為滿足監測信息多維化的需求，基于DTP的載波監視系統主要具備以下功能。

2.1.1 輪詢功能

具備連續輪詢方式監測用戶的頻譜監測，同樣具備某個重點單用戶的重點頻譜檢測以及頻譜數據的記錄，在載波監視系統的監測要求上，設計對用戶最小監測周期為10min，監測用戶最大帶寬6M，并且系統在進行載波檢測的過程中不應影響信號傳輸質量。

（1）用戶最大帶寬是6M，配有DTP的星上載荷，如設計對應的子帶個數是5個，需要在DTP測控站所在的用戶波束下預留5個子帶，用于載波監測使用。

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

2.1.2 子帶監測功能

（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）具備上行子帶開關狀態和下行子帶開關狀態顯示：可在監控窗口上以圖形化形式基于波束展示子帶開關的狀態，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視：可監視波束的使用情況、各波束內子帶的利用率；生成波束—子帶二維動態分配圖；可存儲統計數據的所有歷史數據，并支持基于時間查詢及顯示，同時支持數據以文件的形式導出。

2.1.3 告警管理功能

（1）系統檢測到星上DTP載波狀態異常時，進行告警并提示異?；蚬收系脑敿毿畔ⅰ?/p>

（2）系統具備DTP參數閾值設置，當DTP載荷的參數超過閾值或參數異常時，進行告警并提示異?；蚬收系脑敿毿畔?。參數閾值設置包括：星上DTP子帶功率、星上DTP通道功率，AD溢出統計等內容。

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

（4）系統支持告警查詢，系統將符合查詢條件的告警呈現，并支持查詢結果導出到文件。

（5）DTP載荷控制配置信息發送后，系統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、查詢及導出。操作員可從界面上查看存儲在數據庫的日志信息；操作員從界面輸入查詢條件，系統將符合查詢條件的日志呈現給操作員，查詢結果可以導出到文件。

（3）日志刪除。超過保存時間，系統自動刪除過期的日志數據。

2.2 載波監視系統組成

載波檢測系統網絡由1個中心站、1個DTP控制站和n個遠端站組成，在這個衛星網絡中，衛星通信遠端站可以相互之間直接通信，也可以通過中心站進行通信。衛星運營商可根據實際的衛星資源情況結合即將運營的網絡模式，提前進行衛星資源預規劃，以便決定星上載荷子帶矩陣關系的配置，并通過DTP網管系統進行星上載荷的配置，配置完成后，遠端站即可進行正常通信。

載波監測系統僅部署于地面DTP測控站，用于監測和分析用戶波束的下行載波，實現對載波監視、信號分析，通過星上DTP載荷的配置，可以監測任意用戶發送的業務信號。其在整個網絡中位置如圖1所示。

圖1 載波監測系統網絡示意圖

圖2 載波監視系統工作原理示意圖

載波監測系統由1臺頻譜分析儀、主備硬件服務器、載波監測軟件組成。其中，頻譜分析儀用于測量RX接收信號；載波監測服務器配備有計算機硬件和軟件，用于監視和控制載波監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器地址即可進行系統操作。程序提供圖形化用戶界面，可在此訪問所有用戶功能，查看監測結果。

2.3 載波監視工作原理

DTP控制站載波監測系統與星上DTP載荷配置相結合可以監測任意用戶發送的信號，通過對衛星下行鏈路的載波監測，判斷該時段用戶是否有業務，進行業務時長統計，同時也可以對用戶發送的信號進行分析，如有異常信號或非法信號，則上報告警信息。

2.4 載波監視工作流程

針對載波監測系統，有3種狀態：第一種連續輪詢監測工作狀態；第二種等待狀態；第三種是單用戶監測狀態。連續輪詢監測工作狀態是常規工作狀態。連續輪詢工作狀態，是由DTP網管系統設置輪詢表，對用戶進行逐個重復監測。單用戶監測狀態，由系統設置，只對某個固定用戶的發送信號進行重點監測。

整個系統工作需要載波監測系統和DTP網管配合使用。

2.4.1 連續輪詢監測工作流程

載波監測軟件接收DTP網管任務指派，開始執行監測任務，其核心過程包括信號采集過程、信號監測過程、信號數據分析過程、數據存儲和統計過程。

輪詢監測的工作流程如下：

（1）DTP網管系統周期性遍歷用戶配置表，查詢發送用戶對應的子帶信息。

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

（3）DTP網管根據配置內容，生成DTP載荷控制指令，通過地面DTP測控站上注衛星完成配置。

（4）衛星執行控制指令，并通過遙測信息下發執行結果。

（5）網管系統通過遙測信息，檢查配置是否成功，成功后由DTP網管系統向載波監測軟件指派載波監測任務，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10。

（6）載波監測軟件啟動監測任務，進行數據的實時采集。

（7）載波監測軟件接收原始數據并進行數據分析，將原始數據和分析數據入庫。

（8）監測結束時間達到后，載波監測軟件對監測任務執行停止操作。

（9）載波檢測軟件將任務停止后，向DTP網管系統發送任務結束響應。

（10）輪詢下個臨時用戶，重復上述步驟。

2.4.2 單用戶監測工作流程

單用戶監測是對某個重點用戶進行固定監測，當設置為單用戶監測模式時，系統將停止輪詢監測方式，進入到單用戶監測模式。具體流程如下：

（1）網管系統根據輸入監測用戶信息，查詢其上行波束的子帶信息，與載波監測系統對應的子帶建立子帶交換矩陣關系。

（2）網管系統根據建立的子帶交換矩陣關系生成控制載荷的指令，上注至衛星。

（3）衛星執行控制指令，并通過遙測信息下發執行結果。

（4）網管系統通過遙測信息，檢查配置是否成功，成功后由DTP網管系統向載波監測軟件指派載波監測任務，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）載波監測軟件根據監測任務下發的開始時間，啟動監測任務，進行數據的實時采集。

（6）載波監測軟件接收原始數據并進行數據分析，將原始數據和分析數據入庫。

（7）監測結束時間達到后，載波監測軟件對監測任務執行停止操作。

（8）載波檢測軟件將任務停止后，向DTP網管系統發送任務結束響應。

（9）網管收到載波監測軟件上報的任務執行結束響應后，解除用來監測的子帶交換矩陣關系，生成載荷指令，上注衛星。

2.4.3 載波監測停止流程

載波監測系統處在連續輪詢監測工作狀態或是單用戶監測工作狀態時，人工通過界面設置停止時，系統需停止當前的監測任務，具體流程如下。

（1）網管系統收到載波監測停止設置時，檢查當前是否有監測任務，如存在，則向載波監測軟件發送停止監測任務消息。

（2）載波監測軟件收到停止監測任務消息后，則停止正在進行監測任務，并記錄日志信息，向網管系統發送停止任務響應消息。

（3）網管系統收到響應消息后，解除當前子帶交換矩陣關系，并生成指令，上注衛星。

3 結語

綜上，本文分析了一種針對載波監測系統的功能需求設計的載波監視系統。在此基礎上，針對載波監測系統方案進行了詳細的論述，包括系統功能、系統組成、系統工作原理、系統流程處理等。本文設計的載波監視系統已經在某衛星地面站中設計實現。