基于池化技术与独立交换中心的卫星通信中心站架构方案*

苌敬辉 ，刘爱军 ，邱文静 ，高志祥 ，董超颖

（1.中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007；2.南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

0 引 言

卫星通信以其稳定、快速、覆盖广的特点已被广泛应用于各个行业，不仅在军事中发挥了关键性作用，也对人类的生产、生活方式产生了巨大影响[1］。

卫星地球站是卫星通信系统的重要组成部分。它主要实现用户业务接入、调制解调及无线信号的发射与接收功能。根据设备形态及安装平台的不同，一般可将地球站分为固定站、车载站、机载站、便携站、背负站、手持站等类型；根据地球站在卫星通信系统中的地位和承担任务的不同，一般可以分为中心站、区域站、用户站等类型[2］。

其中中心站作为卫星通信网络的核心节点，具备其他站型所不能替代的功能与地位。目前，国内的中心站一般都建有多频段、大尺寸、高功放的天线，具备较强的通信传输能力；通常安装配备多类卫星地面系统，需要通过单独设置的一个或多个交换机、网关实现互联互通；射频设备、中频信道设备、交换设备、业务实现设备的连接对应关系相对固定，内部链路需要进行人为的预先规划；调制解调器一般采用一体化机箱设计，不同功能模块集成于同一机箱之中。

虽然现有的系统架构构造简单、安装便捷、成本较低，但随着卫星通信的广泛应用，用户间互联互通困难、设备利用效率低、系统整体可靠性下降等问题却也日益凸显了出来。

1 卫星通信中心站现状

1.1 中心站具备的职能特点

（1）通信资源的统一规划

中心站是各卫星通信网的中心汇聚节点，应负责对卫星转发器、用户地址等资源进行科学、统一的规划和分配。

中心站应根据用户实际需求科学调配各卫星系统波束及转发器的频率资源，尽可能地提高卫星资源的使用效率，并对已分配的频率资源进行严格的监测管理，防止出现用户违规占用频率资源、信号发送功率超标、天线极化泄漏等问题。

卫星通信网的用户地址、电话号码是识别与定位用户身份的重要标志，为使卫星通信网与地面固定电话网、地面移动电话网的号码互相兼容且不出现冲突，应由中心站负责统筹规划、集中受理申请、统一分配下发，以保证用户地址、号码资源能够被科学高效地利用。

随着数据业务需求的爆发以及网络全IP化的趋势，中心站作为各卫星通信网与地面IP网络的互联枢纽，应预先对不同系统网络内的IP地址进行统一规划，划分不同网段，配置相应的网关、防火墙等网络设备，避免出现IP冲突、黑客入侵、网络风暴等情况。

（2）卫星通信网的开通与运行控制

通过所配备的天线、射频设备、信道设备以及网管设备，中心站可组建网状网、星状网等不同拓扑类型的卫星通信网。另外中心站具有较强的参数优化能力，可通过固定预分配的方式，为各卫星通信网选定所需的卫星、波束、转发器、频段等通信资源，统一调配全网用户的调制方式、业务速率、发射功率阀值等通信参数。

（3）用户设备的实时监控与管理

中心站可以实现用户入网验证和网内运行两个阶段的管理工作。在用户使用卫星通信网前，中心站会联合用户对其卫星通信设备的通用性能指标进行测试，具体包括：极化隔离度、品质因数、EIRP的稳定性、信号的频谱形状等内容，以确定地球站是否具有入网并承担业务的能力。另外中心站通过管理信道可与用户设备实现信令的交互，受理其入网/退网、通信建链/断链的业务申请，下发通信参数修改、工作状态变更等控制命令，以保证网内各用户正常有序的运行，同时也可实现对在网用户状态的实时监控，以及参数配置的远程操作。

（4）地面通信网的接入与系统间互联

虽然用户通过星上路由（现有的部分卫星系统已具有星载交换、星间通信设备，例如美军AEHF卫星的星间链路速率已由第二代军事星的10 Mb/s提升到了60 Mb/s[3］）可以实现信息的交换和互联，但在接入地面通信网、不同卫星系统互联等方面，中心站仍具有不可替代的功能与地位。中心站一般建有与地面通信网（包括公共电话网、地面移动通信网、互联网、地面专网等）连接的高速专线（或在本地建有接入枢纽），并提供标准的接入接口。可以通过程控交换机、专用网关，支持卫星用户对地面网的接入以及不同卫星网间用户的互联功能。

（5）全面的设施配备与较强的通信能力

中心站配备有多频段、大口径、大功放的天线以及各类信道设备，可以满足各类卫星不同波束覆盖区域内的通信需求，确保不同规格型号设备的业务接入和中继转接；通过功能全面的网管系统，中心站可实现对各类卫星通信网的集中统一管理，进一步提高中心站工作人员系统维护和管理的效率；中心站内部核心设备一般采用1:1备份方式，重点设备采用N:1备份方式。另外在每颗卫星覆盖范围内，一般设置两个互为备份的中心站，当某一中心站出现故障并需要排查原因时，可以将故障设备切换至备份链路或者在不影响整个系统的情况下直接关闭部分设备或者将部分功能切换到与之备份的中心站上。

1.2 中心站现有系统架构

中心站现有的基本架构（如图1所示）一般由天线及伺服跟踪分系统、发射分系统、接收分系统、调制解调分系统、业务接入分系统、管理控制分系统以及供配电分系统等七个部分组成[2］。

图1 卫星通信中心系统架构现状

（1）调制解调器的一体化设计

现有的系统架构中，为了降低成本、提高设备的集成度，一般将调制器和解调器进行一体化设计[2］，使A/D和D/A变换、基带处理、业务实现等主要功能模块整合为一个独立信道机箱。每路调制解调器机箱相互独立，且都具备中频信号调制解调以及实现各类业务传输的综合通信功能，如图2所示。

图2 调制解调器机箱构成

另外按照功能，一般将调制解调器分为网管信道调制解调器和业务信道调制解调器两类（如图1所示）。其中网管调制解调器负责与网管设备进行信息交互，通过卫星链路下发广播信息或处理用户申请，实现对通信网和用户的实时管理功能。业务信道调制解调器可以通过卫星链路与卫星网中的用户建立通信链接，可以在业务接入分系统中，实现数据、话音、视频等本地业务，也可以为用户提供接入地面通信网的服务。

（2）业务交换与用户间互联形式

目前需要通过中心站实现互联互通的主要有三类典型应用场景，一般需要通过站内配置的交换机、网关等设备进行实现，具体为：

①卫星网用户接入地面通信网；

②使用卫星资源不同，但地面设备相同的用户间互联互通；

③使用卫星资源不同，地面设备也不同的用户间互联互通。

举例说明，例如使用不同卫星资源的用户1和用户2实现互联互通，需要经过如下流程（如图3所示）：用户1-上星-中心站调制解调器1-程控交换机寻址-中心站调制解调器2-上星-用户2。

图3 使用不同卫星资源用户间互联互通流程

2 现有架构中存在的问题

现有的调制解调器一体化机箱设计及中继交换方式具有结构简单、集成度高、建设安装便捷的优点，对于机载站、车载站、便携站等搭载平台有限的中小型站型，可以在配置设备数量有限、可利用空间有限的条件下，实现多样化的综合通信业务。但对于中心站等大型固定站点，却会造成交换能力不足、设备利用率不高、系统可靠性下降的问题。

2.1 交换能力不能满足实际需求

（1）交换能力易于受限

中心站的交换能力易受到所配置的调制解调器机箱数量及交换机交换能力的限制，无法完全满足大规模用户的交换需求。如图3中，实现用户1与用户2的互通需要占用1对调制解调器以及程控交换机上载波中继板的1路硬件资源。

（2）链路中存在多次数模转换

以通过中心站进行话音互联（如图3所示）为例，整个传输链路中话音信号经过了多次模数转换，必然会带来一定的信息传输损伤，如图4中，相对于用户间直接通信（如图5所示），在调制解调器1和2以及程控交换机收发端共多了4次数模转换。

图4 两用户互联通信的通信链路

图5 两用户直接通信的通信链路

2.2 设备利用效率较低

（1）调制解调器机箱内部各功能模块使用效率不均衡

当调制解调器机箱采用一体化设计时，各类功能模块和接口均处于高度集成的状态，使得单个机箱可以实现多频段信号的接入以及多类型业务的实现。但在实际使用中，各类模块使用需求的不同势必会造成机箱内各模块利用效率不均衡的情况，部分模块很可能会处于闲置或使用率较低的状态。尤其是调制解调器机箱专用于某项业务时，这类问题会更加严重，例如专用于接入地面电话网的调制解调器机箱，日常只会使用到其内部与话音中继有关的模块，而E1、IP、同步、异步等其他功能模块和相应接口基本处于闲置状态，造成了设备资源的浪费。

（2）调制解调器专用性强，无法根据使用需求进行动态调配

中心站设备安装位置和后端连接的线缆相对固定，所以调制解调器一般只能根据后端接线的类型和所分配的专有用途来实现特定业务，同一时间只能用于业务通信、地面网接入或者用户间互联互通。而当特定业务类型或者特定频段内业务的需求突然增大时，只能通过人工的方式临时加装调换新的设备，而无法灵活地动态调配设备资源，造成了整体系统的使用效率较为低下。

2.3 核心设备冗余备份能力不足

调制解调器采用整信道机箱的架构，导致其内部大部分模块处于高度集成的结构，当机箱内任何一个模块出现故障时都可能会影响设备的正常运行，降低了系统整体的可靠性。同时，当设备出现故障时，也不便于维护人员对故障节点进行更加细致的定位判断，需要将整个机箱送厂维修，使故障设备的维修程序与周期更为冗长。另外在现有架构下，设备备份一般采用整机箱备份的方式，带来了较高的备份成本。并且在替换故障设备时，也需要在相应机柜上进行设备的拆装固定和线缆的重新连接，流程繁杂，中间环节易出现操作失误。

2.4 系统扩容升级改造不便利

调制解调器的一体化机箱设计，会导致中心站在扩容升级或建设新系统时占用大量机房和机柜空间，加之需要新建相配套的制冷单元及电源等基建设施，使得系统整体的建设成本较高。另外，为与原有系统实现互联互通，一般还要单独购置和配置相关的网关及交换设备。

3 新架构方案设计

针对以上问题，我们可以提出一种新的卫星地面站架构（如图6所示）。将原先信道机箱中的各个模块（A/D和D/A变换、基带处理、业务实现等模块）进行拆分，通过池化技术，形成基带处理池、声码器池等硬件资源池。另外设置独立的交换中心，通过与网管设备协作，对基带信息进行分析处理、路由规划和实时交换，以实现网管信息的传输、用户与中心站本地业务（话音、视频、数据）的连接、地面通信网（互联网、公共电话网）的接入、不同卫星系统用户间的互联等功能。

图6 新方案架构

3.1 新架构可实现的功能

（1）分离的可叠加射频设备

射频设备一般由天线及其所配套的高功放、低噪放、上下变频器等设备构成。在原有架构中，各射频设备与相对的中频信道设备处于固定的连接对应关系，且在需要时只能通过人工的方式对连接线缆进行调整。而在新方案中，我们通过D/A和A/D模块、高速交换背板以及网管和站控设备的相互配合，可以使来自射频设备的中频信号能够按照网管实时规划的动态路由，接入到所需的基带处理池中进行调制解调。以此打破了射频设备与中频信道设备的固定连接，提升了设备使用的灵活性。

（2）软件化可扩展的基带处理资源

基带处理单元主要完成基带数字信号的信号波形产生、数字波束形成、信号波形调制/解调、编码/译码、扩频/解扩、干扰抑制等处理[4］。在新架构中，将基带处理单元从一体化的调制解调器机箱抽离，并将其整合形成为一个集中化的基带处理池。这使得新架构中的基带处理资源不属于任何一个单一的基带单元，而是整个资源池，也让基带处理资源能够在整个池内进行动态分配。这种集中化的基带处理池在有效地提升基带处理资源的利用率的同时，还可以实现高效的信息交换，减轻所占用机房机柜的空间面积，降低配套设备建设（例如空调、供电设备）带来的成本，便于对各基带处理单元进行扩容升级和维护维修[5-8］。

（3）分类集中设置的业务接口

中心站一般需要配置话音、IP、E1等业务接口，用于中心站业务人员与用户之间卫星电话、视频传输质量的测试，便于协助用户排查相关的故障问题，提高用户的使用体验，在现有架构中业务实现模块与接口集成于一体化的调制解调器机箱内。

业务实现模块和接口的主要作用是将基带池中解调出的基带信息通过数模转换或者协议封装，以生成特定类型的业务（例如话音、IP数据、E1数据、同步数据等），反向可将特定的业务转换为相应的基带信息以接入基带池进行调制。所以即使各卫星通信系统的通信体制各有不同，但在具体的业务生成部分可以共享统一的功能模块及接口资源。故在新架构中，计划将业务实现模块和接口（例如声码器、E1协议生成模块等）从一体化的调制解调器机箱中抽离，进行集中的分类放置，并通过池化技术形成相应的硬件资源池。即使是不同的卫星地面系统都可按照需求实现动态的接入，以提高硬件资源的共享与高效利用。

（4）集中的监控和资源管理

中心站的网管设备主要实现对卫星通信网的管理与控制，具体包括资源规划、网络开通、参数调配等功能，并且可对网内的用户和卫星资源进行全面有效的监测。站控设备则用以实现对中心站内各类设备的状态查询及远程操控，以提高业务人员巡检维护的效率。在新架构中，计划将不同地面系统的网管和站控设备进行统一的融合。通过标准统一的网管和站控设备，可实现对所有卫星通信系统的集中管控，对卫星资源及站内硬件资源（基带池、业务模块池等）的动态调配，保证了各卫星通信网高效、可靠、有序地运行。

3.2 与原有架构对比分析

（1）交换能力方面

①支持大规模用户互联互通

以话音互联（如图3所示）为例，参考COMTECH和国内的调制解调器技术水平，可将现有架构中的一体化调制解调器机箱划分为1U、2U、3U、4U等不同规格，程控交换机的指标与交换能力参考NGL04型交换机（8U）。在新架构中，按照国内技术水平，10U规格的基带池机箱、10U规格的D/A与A/D模块机箱以及15U规格的交换中心，足以支持200对用户的话音互联。

由图7可以看出，随着互联用户数量的增长，现有架构中所需配置的设备数量会迅速增加。尤其是当互联用户数量达到150对时，预计所需配置的设备数量会有384U到1296U，换算后大约需要占用13到43个机柜的空间。这不仅会使中心站系统增加较高的复杂度和维护难度，同时也会极大地提高建设成本。所以如果以现有的架构来实现大规模用户间的互联互通的话，是不符合经济与建设实际的。

而新架构中只需根据互联业务的增长，对基带池机箱、D/A和A/D模块机箱、交换中心的硬件资源进行相应板卡的扩容即可。在图7中，随着互联率的增长，新架构所需占用机柜的空间远远小于现有的架构，具备实现大规模用户互联的可能。

图7 所需配置设备数量（U）与互联用户数量（对）的关系

②信号处理流程

相较于图3中现有架构的话音互联链路，新架构可以通过增加的交换中心，实现基带信息的交换，从而不需要将基带信息转换为话音模拟信号，通过程控交换机再进行寻址，避免了链路中多次数模转换的产生，如图8所示。

（2）设备使用效率方面

新架构将原先调制解调器机箱的各模块按照功能进行了拆分，通过池化技术，形成了基带处理池、声码器池等不同资源池结构。网管设备可对各类硬件资源进行集中的管控，按照用户需求规划所使用的资源与路由，实现各类硬件资源间的动态调配，打破了现有架构中射频设备、基带处理单元、业务实现模块及接口之间固定对应的连接方式，避免了一体化机箱内部的各功能模块使用效率不均衡，各设备间调配不灵活等问题。

图8 新架构中两用户互联通信的通信链路

（3）系统可靠性方面

通过将基带处理单元和业务实现等模块分别形成不同的硬件资源池，使原先多模块集成结构变为了多个池化结构。各机箱板卡间即可相互备份，提高了系统整体的可靠性。另外当出现故障时，只需替换相应的板卡即可消除故障隐患，便于业务人员进行故障定位及恢复。

针对现有架构和新方案架构（如图9所示）的系统可靠性，可进行如下对比分析。

图9 原有架构与新架构系统模型

一般对于电子设备的可靠性（Reliability），这里可以使用泊松分布进行估计[9］，假设故障率为λ(t)，实践证明大多数设备的故障率λ(t)是时间的函数，具有明显的阶段性（浴盆曲线），具体可划分为早期故障期，偶然故障期，严重故障期等三个阶段。大部分设备在投入使用之后，会处在第二阶段的偶然失效期，所以以此阶段为研究环境时，可将故障率λ(t)设为常数λ，使可靠性（Reliability）R(t)的表达式简化为：

通过可靠性的仿真（如图10所示）可以看出，随着运行时间的增长，现有架构和新架构的系统可靠性都会逐渐下降。但在运行相同的时间条件下，新架构的系统可靠性会相对更高。

图10 原有架构与新架构可靠性对比

（4）新系统建设与扩容改造方面

在新架构中，当系统容量不满足用户需求、需要进行扩容时，只需在资源池中增加相应的板卡模块，即可完成硬件资源的扩充。这种以池化机箱代替信道机箱的方式能够实现更加便捷的扩容改造，并且可以更加高效地利用有限的机柜空间和节省供电能耗。另外在新系统建设时，可以将新系统统一接入现有的交换中心或将新建的交换中心与现有交换中心相连，始终使新老系统间具备互联互通的能力。

4 结 语

在中心站现有的系统架构中，调制解调器的一体化机箱设计及交换方式虽然具有易于实现、集成度高的优点，但在中继交换能力、设备利用率和可靠性等方面已暴露出了众多实际问题。本文提出了一种基于池化技术与独立交换中心的系统架构方案，能够具备大规模用户互联互通、简化信息处理流程、提升设备使用效率、增强系统可靠性、降低扩容改造成本等多种优势，可为后续中心站的改造和建设提供一种思路和选择。