浅析一种基于DTP的卫星载波监视流程及方法

王嘉煜，陈思宏，张骞丹

（1.西安空间无线电技术研究所；2.陕西航天技术应用研究院有限公司，陕西 西安 710000）

目前，通信卫星以其通信距离远、覆盖范围广、无国界等特点，得到了各国政府的高度重视。卫星通信系统已经从传统的单频点、单业务、单星单波束，发展成为灵活、多频段、多业务、多星多波束。配置数字透明处理器（DTP）配置的载波监测系统主要完成用户波束下行载波的监测以及监测数据的管理与存储，为计费系统提供数据，完成运行系统的自动计费功能，以支撑卫星承载业务的正常运营。

1 需求分析

在传统透明转发的有效载荷卫星中，有效载荷不会对收到的用户信号进行任何的处理，只用来单纯的转发信号。在卫星上，信号的交换会通过微波矩阵、频率变换和模拟滤波器等部件来完成。对物理层的调制方式和编码方式等没有什么依赖，在载频改变幅度有限的情况下，物理层相关属性的变化对有效载荷已经存在的设计没有什么影响，所以透明转发式的有效载荷在使用起来比较方便。然而，卫星上通过微波交换矩阵来交换数据的时候，数据的交换策略都是预先固定的，所以在数据速率发生变化的时候没有办法进行相应的改变。若要使用透明转发式有效载荷的卫星进行更小颗粒度交换时，微波交换矩阵便会由于复杂度迅速提升而超出自身的交换能力。

再生式有效载荷中，卫星转发器通过下变频、解调译码接收信号为基带信号，对基带信号经过交换处理后，再编码、调制、上变频发射出去。这种方式提高了系统的功率资源利用率和系统的容量，而且它可以通过采用自适应编码调制技术来进一步提高系统容量。显然，这种有效载荷对物理层具有内在的和固有的依赖关系，随着地面技术标准或者通信协议的更新，有可能使得星载处理器不能正确接收数据，灵活性不如透明转发有效载荷高。

DTP（Digital Transparent Processing）技术主要采用数字透明处理方式，利用灵活的星上信道化滤波技术，借助非均匀滤波器组实现对星上信号的分析和综合，支持星上任意频段、任意带宽之间信息交互及灵活的跨波束交互，从而很好地解决了透明转发式和再生式有效载荷存在的问题，规避了卫星通信体制的约束，使系统具有灵活选择合适的通信体制、划分最佳信道、临时组网的能力，提高了通信的灵活性与可靠性，实现卫星信号和资源的灵活交换。

载波监测系统主要是进行上行链路和下行链路信号的监测与管理。传统的载波监测系统需在各关口站部署一套载波监测设备，每个关口站的载波监测只负责管辖本站点的载波监测，通过建设网络控制中心（NOC）远程对各关口站的载波监测系统进行集中控制与管理，传统方案是针对关口站的载波监测，对于用户单跳组网方式，无法监测。

基于DTP配置的载波监测系统，其系统在不影响通信运行和信号传输的前提下，仅在地面DTP测控站上部署1套载波监测设备，通过DTP网管对星上载荷配置，将用户发送的信号通过组播方式，也发送给DTP地面测控站，由DTP测控站载波监测系统通过对卫星下行载波信号进行监测，自动监测该时段用户是否有信号发送，并采集分析信号，存储监测结果；也支持由系统设置，只对某个固定用户的发送信号进行重点监测。

2 系统设计

2.1 系统功能

为满足监测信息多维化的需求，基于DTP的载波监视系统主要具备以下功能。

2.1.1 轮询功能

具备连续轮询方式监测用户的频谱监测，同样具备某个重点单用户的重点频谱检测以及频谱数据的记录，在载波监视系统的监测要求上，设计对用户最小监测周期为10min，监测用户最大带宽6M，并且系统在进行载波检测的过程中不应影响信号传输质量。

（1）用户最大带宽是6M，配有DTP的星上载荷，如设计对应的子带个数是5个，需要在DTP测控站所在的用户波束下预留5个子带，用于载波监测使用。

（2）DTP网管从生成指令到上注载荷，载荷执行指令到网管检查遥测下发信息到确认配置成功的时间为：星地传输时间+网管处理时间+星上处理时间+遥测信息下发时间共计2s，目前临时用户注册总数为120个（固定用户为150个），一次轮询的总时长为监测时间与临时用户总数乘积。举例来说，若每个用户监测时长为10s的话，系统只完成监测临时用户这一项任务时，监测周期为10s×120共计20min。这里是按照每个用户监测时长是10s，计算出监测周期为20min，如果用户申请的资源小于6M，可同时监测2个用户及以上，其轮询的周期可达到10min，甚至小于10min，即可满足需求里最小监测周期是10min的要求。

2.1.2 子带监测功能

（1）具备基于上行波束的子带功率检测值的显示功能：可在显示窗口上以图标和曲线的形式实时展示上行波束的各子带功率值，并为系统提供基于上行波束、子带的查询及显示功能。

（2）具备子带交换矩阵的显示：可在监控窗口上以图形化的形式基于下行波束展示子带交换矩阵和子带基本信息，并提供基于下行波束、子带查询及显示功能。

（3）具备上行子带开关状态和下行子带开关状态显示：可在监控窗口上以图形化形式基于波束展示子带开关的状态，并提供基于波束、波束和子带组合查询及显示功能。

（4）具备星上DTP资源使用情况的实时监视：可监视波束的使用情况、各波束内子带的利用率；生成波束—子带二维动态分配图；可存储统计数据的所有历史数据，并支持基于时间查询及显示，同时支持数据以文件的形式导出。

2.1.3 告警管理功能

（1）系统检测到星上DTP载波状态异常时，进行告警并提示异常或故障的详细信息。

（2）系统具备DTP参数阈值设置，当DTP载荷的参数超过阈值或参数异常时，进行告警并提示异常或故障的详细信息。参数阈值设置包括：星上DTP子带功率、星上DTP通道功率，AD溢出统计等内容。

（3）告警显示要求。系统提供直观的告警界面，支持以列表方式呈现告警，告警列表中实时呈现最新的告警信息；针对不同级别告警，网管支持不同颜色显示。

（4）系统支持告警查询，系统将符合查询条件的告警呈现，并支持查询结果导出到文件。

（5）DTP载荷控制配置信息发送后，系统需要通过接收到遥测信息，判断该配置是否生效，如不生效，则需要上报告警信息。

2.1.4 日志管理

（1）系统可记录的日志包括遥测遥控信息、告警信息、人员操作信息、用户登录登出等信息。

（2）日志查看、查询及导出。操作员可从界面上查看存储在数据库的日志信息；操作员从界面输入查询条件，系统将符合查询条件的日志呈现给操作员，查询结果可以导出到文件。

（3）日志删除。超过保存时间，系统自动删除过期的日志数据。

2.2 载波监视系统组成

载波检测系统网络由1个中心站、1个DTP控制站和n个远端站组成，在这个卫星网络中，卫星通信远端站可以相互之间直接通信，也可以通过中心站进行通信。卫星运营商可根据实际的卫星资源情况结合即将运营的网络模式，提前进行卫星资源预规划，以便决定星上载荷子带矩阵关系的配置，并通过DTP网管系统进行星上载荷的配置，配置完成后，远端站即可进行正常通信。

载波监测系统仅部署于地面DTP测控站，用于监测和分析用户波束的下行载波，实现对载波监视、信号分析，通过星上DTP载荷的配置，可以监测任意用户发送的业务信号。其在整个网络中位置如图1所示。

图1 载波监测系统网络示意图

图2 载波监视系统工作原理示意图

载波监测系统由1台频谱分析仪、主备硬件服务器、载波监测软件组成。其中，频谱分析仪用于测量RX接收信号；载波监测服务器配备有计算机硬件和软件，用于监视和控制载波监测和测量仪器的整体工作。操作员在用户操作终端上输入服务器地址即可进行系统操作。程序提供图形化用户界面，可在此访问所有用户功能，查看监测结果。

2.3 载波监视工作原理

DTP控制站载波监测系统与星上DTP载荷配置相结合可以监测任意用户发送的信号，通过对卫星下行链路的载波监测，判断该时段用户是否有业务，进行业务时长统计，同时也可以对用户发送的信号进行分析，如有异常信号或非法信号，则上报告警信息。

2.4 载波监视工作流程

针对载波监测系统，有3种状态：第一种连续轮询监测工作状态；第二种等待状态；第三种是单用户监测状态。连续轮询监测工作状态是常规工作状态。连续轮询工作状态，是由DTP网管系统设置轮询表，对用户进行逐个重复监测。单用户监测状态，由系统设置，只对某个固定用户的发送信号进行重点监测。

整个系统工作需要载波监测系统和DTP网管配合使用。

2.4.1 连续轮询监测工作流程

载波监测软件接收DTP网管任务指派，开始执行监测任务，其核心过程包括信号采集过程、信号监测过程、信号数据分析过程、数据存储和统计过程。

轮询监测的工作流程如下：

（1）DTP网管系统周期性遍历用户配置表，查询发送用户对应的子带信息。

（2）根据每个用户分配的子带，配置该用户的子带与DTP载波监测系统所属子带的交换矩阵。

（3）DTP网管根据配置内容，生成DTP载荷控制指令，通过地面DTP测控站上注卫星完成配置。

（4）卫星执行控制指令，并通过遥测信息下发执行结果。

（5）网管系统通过遥测信息，检查配置是否成功，成功后由DTP网管系统向载波监测软件指派载波监测任务，配置失败的话，则再次配置，最多配置5次，如果超过5次仍配置失败，则上报告警，跳转10。

（6）载波监测软件启动监测任务，进行数据的实时采集。

（7）载波监测软件接收原始数据并进行数据分析，将原始数据和分析数据入库。

（8）监测结束时间达到后，载波监测软件对监测任务执行停止操作。

（9）载波检测软件将任务停止后，向DTP网管系统发送任务结束响应。

（10）轮询下个临时用户，重复上述步骤。

2.4.2 单用户监测工作流程

单用户监测是对某个重点用户进行固定监测，当设置为单用户监测模式时，系统将停止轮询监测方式，进入到单用户监测模式。具体流程如下：

（1）网管系统根据输入监测用户信息，查询其上行波束的子带信息，与载波监测系统对应的子带建立子带交换矩阵关系。

（2）网管系统根据建立的子带交换矩阵关系生成控制载荷的指令，上注至卫星。

（3）卫星执行控制指令，并通过遥测信息下发执行结果。

（4）网管系统通过遥测信息，检查配置是否成功，成功后由DTP网管系统向载波监测软件指派载波监测任务，配置失败的话，则再次配置，最多配置5次，如果超过5次仍配置失败，则上报告警。

（5）载波监测软件根据监测任务下发的开始时间，启动监测任务，进行数据的实时采集。

（6）载波监测软件接收原始数据并进行数据分析，将原始数据和分析数据入库。

（7）监测结束时间达到后，载波监测软件对监测任务执行停止操作。

（8）载波检测软件将任务停止后，向DTP网管系统发送任务结束响应。

（9）网管收到载波监测软件上报的任务执行结束响应后，解除用来监测的子带交换矩阵关系，生成载荷指令，上注卫星。

2.4.3 载波监测停止流程

载波监测系统处在连续轮询监测工作状态或是单用户监测工作状态时，人工通过界面设置停止时，系统需停止当前的监测任务，具体流程如下。

（1）网管系统收到载波监测停止设置时，检查当前是否有监测任务，如存在，则向载波监测软件发送停止监测任务消息。

（2）载波监测软件收到停止监测任务消息后，则停止正在进行监测任务，并记录日志信息，向网管系统发送停止任务响应消息。

（3）网管系统收到响应消息后，解除当前子带交换矩阵关系，并生成指令，上注卫星。

3 结语

综上，本文分析了一种针对载波监测系统的功能需求设计的载波监视系统。在此基础上，针对载波监测系统方案进行了详细的论述，包括系统功能、系统组成、系统工作原理、系统流程处理等。本文设计的载波监视系统已经在某卫星地面站中设计实现。