空间宽带信息网络地面卫星应用通信系统的设计及应用

+ 谌娜 朱晟（广州海格通信集团股份有限公司）

1.引言

以卫星骨干网为核心的空间宽带信息网络作为国家重要通信基础设施，可以实现覆盖全球，为地面宽带网络提供通信中继、应急救援、导航定位、远洋航行、航天测控和航空运输、地面宽带接入等重大应用服务。作为其中重要的一个环节，地面卫星通信系统在天地一体化网络、应急通信、海洋海岛经济、太空等领域的作用越来越突出。本文提出了一种地面卫星应用通信系统的设计方案。

2.实现方案

2.1系统架构方案

该地面卫星应用系统包括中心站和用户站（含便携天线），提供语音、视频、数据等宽带多媒体通信服务。整个宽带卫星通信系统网络为支持TDM/MFTDMA、FDMA接入方式，支持网状、星状和混合状拓扑结构，采用频分多址技术，入向载波由时分多址（TDMA）或频分多址（FDMA）技术实现，出向载波由1个高速出向广播载波实现（主站每增加一个信道，支持多一路反向载波）。中心站通过前向链路实现数据下传，用户站通过返向链路实现数据回传。整个卫星通信系统组织应用如图1所示。

2.2主站方案

主站是整个卫星网络的核心节点，采用全IP设计，通过连接组合主站机箱、信道板卡、网管软件等软硬件，以及交换机、服务器等货架产品后，完成卫星信号收入、TDMA时隙分配、网络运行控制等功能。前向载波（或出向载波）上采用DVB-S2制式简洁高效的MPEG封装方式，形成一个基于TDM载波。返向载波（或入向载波）采用MF-TDMA多址接入方式，通过网管的资源管理模块及时响应小站突发带宽分配请求，实现卫星带宽按需灵活分配的技术体制。

主站采用开放总线架构，支持多个频段或多颗卫星同时连接，多个卫星转发器同时发射和接收。为满足不同的客户需求，系统通过波形动态加载技术，可支持星状、网状和点到点多种组网方式。

2.3调制解调器方案

D/WT-2B型宽带卫星调制解调器为用户提供IP视频、话音、数据业务，设备可由主站设备控制与管理；支持星型组网、点对点应用。

针对项目需求，首要目标是提升平台处理能力。从上层软件、物理层软件、中频及射频多方面考虑软硬件平台进行升级，使平台具备更高的性能。综合考虑选择 Xilinx公司的SOCZynq7000方案作为核心处理器，ADI公司的射频收发一体化方案。

图1 宽带卫星通信系统体系结构图

图2 对天线底座形态进行改进

2.4便携站方案

本系统采用革命性创新的导轨式机械设计，将原有的调节装置和支撑装置合二为一，即摒弃了“大-小-大”的结构模式，从而将设备的重量降到最低（参见图2） ，又起到控制天线在水平方向上转动的作用，并且更加便于分拆和携带。

3.关键技术

3.1宽带卫星终端高速平台实现

宽带卫星主要要完成平台软件平台构建和关键芯片对物理层的配合使用，打造基于软件无线电设计（SDR）的平台。通用处理器部分由CPU核、浮点运算、图形加速、存储控制器、GPIO外设以及各种通信接口外设组成。与传统处理器类似；信号处理部分通过内部高速AXI-4总线与可编程逻辑阵列（FPGA）连接，实现信道编解码和调制解调。平台实现的整体架构使系统性能大大提升，可编程的外设配置简化了系统的搭建，可编程逻辑阵列具备足够的灵活性。

本系统的通用处理器部分通过MIO配置的功能项包括：UART0、ENET0、USB0、QUAD SPI、SPI0、I2C0和SD0，其中ENET1通过EMIO进行扩展，实现双网口功能。结合平台硬件结构在VIVADO软件中完成对电源、时钟、DDR、通用处理器和信号处理器交互接口、中断接口等系统配置。本设计中CPU时钟频率可以最高设置800MHz，DDR3时钟频率最高设置534MHz，QSPI时钟频率设置200MHz，ENET时钟频率设置1000Mbps，SDIO时钟频率最高设置125MHz，SPI时钟频率最高设置200MHz。

本系统采用双ARM核结构，CPU0和CPU1双核功能划分与数据交互过程通信。CPU0和CPU1之间的数据交互部分本设计中采用两种数据缓存模式，一种在DDR中开辟30MB共享内存用于data的交互，另一种共享256KB OCM用于高速传输flag命令。双核通过相互中断及共享RAM进行命令及数据交互，经过测试双核数据交互速率大于20MByte/s，满足宽带卫星终端产品需求。

信号处理器部分在SoC中为可编程逻辑，可当成独立的FPGA芯片使用，PL层的开发可以认为是FPGA的开发，通过AD9364发送通道、接收通道、数字接口设计以及卫星物理层（SPHY）设计，实现PL层部分软件功能。

3.2虚拟运营商管理技术

在卫星通信领域，虚拟网络运营商（VNO-Virtual Network Operator）管理技术的引入，大大节约了卫星服务商的运营成本，以往必须购置的VSAT主站、天线、机房、室外单元等设施均可省去，换而代之的是从主网络运营商那直接租赁卫星资源和机箱插槽，共用一套主站系统。在资源彼此独立的情况下，每个虚拟网络运营商可以随意管理网内资源配置，进行IP地址设定和使用，VNO运营与硬件结构无关，是通过软定义来实现。VNO通过软件定义网络，将网络的功能虚拟化。对于用户来说，在操作使用上与主网络运营商并没有本质的不同，只是功能视图呈现的不同。根据软件定义，网络视图分为全局网络视图和子网络视图，全局网络视图是子视图的集合。

VNO用户仅能访问和控制子网络视图。子网络视图之间是物理上共享，软件上隔离的关系。对于VNO用户来说，它只能管理和运营属于自己的网络视图，其他的网络视图在未授权时对其是不可见的。

图3 软件部署图

VNO通过不同的权限分组来实现对全网的权限控制。VNO用户组分为系统VNO组、普通VNO组、CNO组。系统VNO组具备对全部网络的操作权限，普通VNO组具备对隶属网络和可见网络的操作权限，CNO组仅具有网络的查看权限。在对系统实施权限管理时，将网络中的软定义资源对象如网络、协议处理器、线卡、远端站都纳入权限设计，涉及到的主要对象有用户组、用户、角色、权限、资源、VNO列表。

3.3网络管理技术

卫星网络管理技术主要包括中央网络管理、配置管理、安全管理、性能管理、故障管理、记账管理、备份管理等。系统内部的网管信息交互采用SNMP协议，支持SNMP交互模式。网管信息的传输不配置专用物理信道。对用户站的网管命令在前向TDM信道中发送，用户站网管代理反馈的命令执行结果通过返向链路上传再到中心站的网管单元。

项目组对国外引进的卫星通信应用系统进行了分析，采用其设计思想，改善用户体验。目前的网管系统支持对系统中各设备进行全网参数规划和远程动态配置，时隙规划动态实时更新。

网管设备包括服务器平台和相应的软件组成，支持1：1热备份，软件部署图如图3所示。

4.结语

本文提出了的空间宽带信息网络地面卫星应用通信系统的设计思路，基于此思路研制的产品宽带卫星通信系统，能够实现空天地一体高速信息走廊，用于连接便携站、车辆、船舶、飞机等各类固定或移动式应用平台，为政府、机构、企业和个人提供全天候的宽带卫星网络接入服务。SATNET