資源池架構(gòu)對衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)建設(shè)的影響

徐艷清

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

資源池是我國未來衛(wèi)星系統(tǒng)的一種新型架構(gòu)模式。針對不同功能的衛(wèi)星，資源池架構(gòu)方式和應(yīng)用存在一定的差異。為了更好地升級衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)，利用資源池架構(gòu)衛(wèi)星站網(wǎng)，要先解決現(xiàn)階段衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)存在的網(wǎng)絡(luò)自成體系、資源利用率低等問題，并發(fā)揮資源池整合各類資源的優(yōu)勢，將數(shù)字化與信號處理、基帶處理等功能融入資源池架構(gòu)中，設(shè)計出新的衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以提升衛(wèi)星地面測運(yùn)控及高速數(shù)傳通信資源的利用效率。

1 基于資源池架構(gòu)衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)的目的

資源池是一種具有高效整合各類資源的架構(gòu)模式，當(dāng)前已經(jīng)成為地面無線接入的主要架構(gòu)模式，也將成為我國衛(wèi)星系統(tǒng)的新型架構(gòu)模式。為進(jìn)一步促進(jìn)通信事業(yè)的發(fā)展，我國正在不斷拓展衛(wèi)星通信領(lǐng)域。其中，更新老舊的衛(wèi)星站設(shè)備、提升資源利用率以及構(gòu)建完善的通信網(wǎng)絡(luò)自成體系，是衛(wèi)星站網(wǎng)升級的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)地面站網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1所示，資源池式地面站網(wǎng)體系架構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)階段，衛(wèi)星通信正在針對不同功能、不同系列的衛(wèi)星打造合適的終端站運(yùn)行管控自成體系，以提高與衛(wèi)星系統(tǒng)的耦合性，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)的升級思路是將數(shù)字化、信號處理及基帶處理和存儲功能融入資源池，設(shè)計基于資源池的衛(wèi)星地面站構(gòu)建，借助中間件軟總線的虛擬化架構(gòu)，提升高速數(shù)傳通信資源的利用率和衛(wèi)星地面測運(yùn)控效果。但是，衛(wèi)星地面站系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一的接口與標(biāo)準(zhǔn)，管理體系以及技術(shù)體制上還存再一定的問題。此外，不同類型的衛(wèi)星對航天測運(yùn)控以及高速數(shù)傳通信系統(tǒng)提出了新要求，傳統(tǒng)“定制+專用式”的衛(wèi)星-地面站架構(gòu)難以適應(yīng)，使得衛(wèi)星測控通信任務(wù)與測運(yùn)控和通信信息處理資源之間的需求矛盾愈加突出。因?yàn)閭鹘y(tǒng)“定制+專用式”的衛(wèi)星-地面站架構(gòu)各個系統(tǒng)之間的靈活性較差，數(shù)據(jù)很難共享，以致于造成了衛(wèi)星資源浪費(fèi)。

通過將資源池引入衛(wèi)星地面站設(shè)計，兼顧各類航天器測運(yùn)控與高速數(shù)據(jù)接收等任務(wù)需求[2]打造新的衛(wèi)星地面站網(wǎng)，更換老舊的設(shè)備，打破自成體系、條塊分割的局面，實(shí)現(xiàn)地面站系統(tǒng)資源的高效利用。采用資源池方案可集中解決業(yè)務(wù)子系統(tǒng)設(shè)備無法共用、系統(tǒng)靈活性差的問題，通過資源池升級下一代地面站，運(yùn)用以彈性和分布式為特征的新型綜合地面站技術(shù)提高整個系統(tǒng)的支持力，從而減少地面終端站所需的設(shè)備數(shù)量?？梢?，資源池架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地面站網(wǎng)升級的關(guān)鍵。

圖1 傳統(tǒng)地面站網(wǎng)體系架構(gòu)

圖2 資源池式地面站網(wǎng)體系架構(gòu)

2 資源池對衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)建設(shè)的影響

資源池架構(gòu)是將不同功能的處理設(shè)備，通過模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，架構(gòu)成便于各個系統(tǒng)共用的資源池系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的資源監(jiān)控與管理。獲取工作任務(wù)后，資源監(jiān)控系統(tǒng)先對其進(jìn)行資源評估，靈活調(diào)用空閑資源以滿足任務(wù)需求。完成任務(wù)后，將所有的資源釋放到資源池，以供后續(xù)使用。資源池架構(gòu)地面站主要分為4個模塊，包含射頻前端資源池、數(shù)字化資源池、信號處理資源池和存儲資源池。射頻前端資源池主要包含場放、功放、開關(guān)矩陣以及信道設(shè)備等，用于信號放大、射頻交換等。數(shù)字化資源池則是借助統(tǒng)一的硬件平臺完成數(shù)字模擬信號的轉(zhuǎn)化，并將轉(zhuǎn)化后的信號輸送到射頻系統(tǒng)中。信號處理資源[3]是通過萬兆網(wǎng)以及數(shù)字化子系統(tǒng)進(jìn)行基帶IQ數(shù)據(jù)交換，基于任務(wù)需求加載不同基帶波形調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)信息，并在IP交換網(wǎng)以及數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交換。存儲資源池主要是進(jìn)行協(xié)議加息和數(shù)據(jù)分發(fā)等。

這些系統(tǒng)與模塊協(xié)調(diào)運(yùn)用，是完成數(shù)字信號采集、解析以及反饋等的關(guān)鍵。對于衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)而言，既要實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的資源與設(shè)備共享，也要保證數(shù)字與信號的傳輸與測運(yùn)控效率。資源池在衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)建設(shè)中，一方面要減少獨(dú)占式設(shè)備的數(shù)量，盡可能實(shí)現(xiàn)設(shè)備共享，減少設(shè)備總數(shù)量，提高設(shè)備配置的靈活性和硬件資源的利用率，確保地面終端內(nèi)與終端之間的資源共享；另一方面要實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的快速采集、轉(zhuǎn)化與儲存等，保證通信業(yè)務(wù)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，縮短終端之間信號共享傳輸與資源共享的時間，以同步運(yùn)行為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管控，靈活調(diào)度資源快速完成通信業(yè)務(wù)，并實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

因此，對于衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)建設(shè)而言，資源池架構(gòu)不僅是實(shí)現(xiàn)下一代地面站升級的關(guān)鍵，也影響著地面站網(wǎng)和通信業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，對今后的衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)展有著較大的影響。預(yù)測資源池將會成為衛(wèi)星通信地面站終端建設(shè)的一種新型架構(gòu)模式。

3 資源池架構(gòu)地面站網(wǎng)的設(shè)計方案

想要運(yùn)用資源池架構(gòu)衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)，需運(yùn)用虛擬化技術(shù)動態(tài)完成基帶和信號等資源分配，從而將C-RAN等地面無線通信接入網(wǎng)中，打造新的基帶處理架構(gòu)。衛(wèi)星地面站架構(gòu)圖，如圖3所示。依據(jù)設(shè)計方案，同類設(shè)備分層次進(jìn)行配置，不同設(shè)備之間都采用標(biāo)準(zhǔn)開放接口。此外，設(shè)備還要進(jìn)行通用化處理，依據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊完成功能重構(gòu)。

圖3 地面站虛擬化架構(gòu)

基于這種架構(gòu)方案，資源池中的地面站天線、信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元3種基本物理資源都會進(jìn)行通用化設(shè)計。尤其是同類的硬件資源會分類部署，不同的資源池之間則通過高速光纖在IP交換網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。地面站天線在獲取射頻信號后，通過射頻信號子系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行變頻，經(jīng)過開關(guān)矩陣進(jìn)入地面站資源池，然后依次通過信號處理、數(shù)據(jù)處理等進(jìn)入資源運(yùn)管中心發(fā)送到業(yè)務(wù)用戶終端。返向數(shù)據(jù)或是遙控信息[4]則先通過數(shù)據(jù)處理，再在存儲資源池中進(jìn)行組幀封裝，完成數(shù)字上變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換至中頻后，通過天線進(jìn)入到返向射頻鏈路。在這個運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，地面系統(tǒng)會依據(jù)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行資源的調(diào)動與組合?？臻e資源的調(diào)動和任務(wù)完成后的資源釋放決定著資源利用效率。

這種架構(gòu)體系具有鮮明的開放性、可拓展性、通用性以及動態(tài)重構(gòu)等特點(diǎn)。開放性使得衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)的業(yè)務(wù)運(yùn)行能嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化要求，在標(biāo)準(zhǔn)模塊上構(gòu)建硬件系統(tǒng)，通過成熟的商用組網(wǎng)術(shù)，實(shí)現(xiàn)地面站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與信號快速傳輸?？赏卣剐允沟孟到y(tǒng)能夠依據(jù)業(yè)務(wù)需求，持續(xù)性地擴(kuò)容建設(shè)，更好地適應(yīng)衛(wèi)星通性業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，具有較強(qiáng)的兼容能力。通用性主要是因?yàn)橄到y(tǒng)基本物理資源具有較強(qiáng)的通用性，能滿足不同頻段以及功能的衛(wèi)星通信需求，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)支持力，完成多頻段、多極化、多功能等不同應(yīng)用領(lǐng)域的航天任務(wù)。動態(tài)重構(gòu)體現(xiàn)在資源池的自有性能上。資源池具有動態(tài)重構(gòu)需求，系統(tǒng)的軟硬件配置和架構(gòu)中需針對任務(wù)特點(diǎn)對應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)常規(guī)任務(wù)和應(yīng)急任務(wù)的需求開放不同的資源池接口，在動態(tài)重構(gòu)中進(jìn)行資源的分類調(diào)用，以滿足任務(wù)執(zhí)行需求[5]。

4 架構(gòu)衛(wèi)星通信地面站網(wǎng)的資源池技術(shù)方案

對應(yīng)地面站天線、A/D轉(zhuǎn)換單元、信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元的是射頻前端資源池、數(shù)字化資源池、信號處理資源池、數(shù)據(jù)處理與存儲資源池這4種資源池，其應(yīng)用需求以及資源調(diào)動方式等存在一定的差異。例如，數(shù)字化資源池主要是進(jìn)行數(shù)字信號與模擬信號轉(zhuǎn)換。模擬信號的轉(zhuǎn)換功能對業(yè)務(wù)規(guī)劃與系統(tǒng)運(yùn)行的影響較大，要根據(jù)帶寬不同業(yè)務(wù)動態(tài)選擇合適的轉(zhuǎn)換頻段和極化程度。數(shù)模轉(zhuǎn)換功能在不同業(yè)務(wù)中的中頻信號、數(shù)字化采樣、基帶信號等不同，依據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能接收來自信息交換網(wǎng)獲取的前向基帶IQ數(shù)字信號，也會通過內(nèi)插、數(shù)字上變頻、DA變換成為中頻信號。因此，在數(shù)字化資源池架構(gòu)中，應(yīng)該采用可編程的實(shí)時處理器件（FPGA芯片和DSP信號）規(guī)范硬件架構(gòu)與數(shù)據(jù)接口，保證接口的統(tǒng)一性，再完成數(shù)字化處理板卡的加載、參數(shù)配置和狀態(tài)監(jiān)控。

信號處理資源池進(jìn)行大容量的實(shí)時信號處理，是滿足衛(wèi)星通信高速數(shù)傳業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。這種資源池架構(gòu)基本與數(shù)字化資源池一樣，具有相同的終端和硬件架構(gòu)[6]，對數(shù)據(jù)接口的統(tǒng)一性要求也相同。信號處理資源池是依據(jù)信號處理板卡，加載不同的軟件以滿足信號處理的多元化需求，包括匹配濾波、載波恢復(fù)、信道均衡以及信道編譯碼等。

數(shù)據(jù)處理與存儲資源池與信號處理資源池、數(shù)字化資源池不同，由通用服務(wù)器組成，在數(shù)據(jù)處理平臺上進(jìn)行比特級信息處理，重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的解析與PDXP換碼，并完成用戶數(shù)據(jù)的分發(fā)。用戶數(shù)據(jù)的直接分發(fā)可縮減很多中間環(huán)節(jié)，以減少對設(shè)備量的需求。在數(shù)據(jù)儲存方面則選用了高速磁盤陣列的方式，采用磁盤陣列服務(wù)器、RAID陣列卡、40G以太網(wǎng)卡等獨(dú)立的可更換單元，從而保證后續(xù)維修操作的正常開展。

5 結(jié) 論

綜上所述，基于資源池架構(gòu)衛(wèi)星地面站網(wǎng)，旨在升級衛(wèi)星地面站測運(yùn)控與高速數(shù)傳系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的靈活性和整個系統(tǒng)的支持力，解決以往衛(wèi)星資源利用率低下和設(shè)備無法共用等問題，實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)設(shè)備、數(shù)據(jù)的共享，打造新的衛(wèi)星地面站網(wǎng)，兼顧各類航天器測運(yùn)控與高速數(shù)據(jù)接收等任務(wù)需求。