摘要:衛(wèi)星移動(dòng)通信具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)且不受地形影響等優(yōu)點(diǎn),得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。通信終端是衛(wèi)星移動(dòng)通信的重要組成部分,通過(guò)與衛(wèi)星及地面站進(jìn)行無(wú)線鏈路交互,向用戶提供話音、數(shù)據(jù)等多類業(yè)務(wù)。文章提出了一種適應(yīng)高軌、低軌衛(wèi)星的寬帶終端設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案,從硬件、軟件、流程等方面對(duì)終端的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)試驗(yàn)證了終端的功能和性能。終端設(shè)計(jì)采用了硬件模塊化、軟件組件化、接口標(biāo)準(zhǔn)化等思路,并按照功能劃分為不同分層,便于獨(dú)立實(shí)現(xiàn)、升級(jí)和擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞:衛(wèi)星移動(dòng)通信;低軌衛(wèi)星;寬帶終端;波形設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào):TN927 ""文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0 引言
衛(wèi)星通信傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大,且不受地形地貌限制,可以提供全區(qū)域、全天候不間斷通信。按照衛(wèi)星軌道的劃分,衛(wèi)星通信分為高軌、中軌、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng),其中低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有傳輸延時(shí)小、系統(tǒng)容量大、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)[1]。國(guó)內(nèi)第一個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)已投入運(yùn)營(yíng),屬于高軌系統(tǒng),數(shù)據(jù)傳輸速率較低,衛(wèi)星數(shù)量和支持用戶數(shù)量有限。目前,手機(jī)直連衛(wèi)星發(fā)展迅速,衛(wèi)星已成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸[2-3]。我國(guó)已成立專門開展衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)研究和建設(shè)的公司,包括高軌和低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng),構(gòu)建天地空一體化通信網(wǎng)絡(luò)[4-5]。終端是衛(wèi)星移動(dòng)通信的重要組成部分,向用戶提供通信服務(wù),完成各類業(yè)務(wù)。在終端組成部分中,基帶芯片和射頻芯片是核心,能夠完成衛(wèi)星通信協(xié)議,但是在研制階段須要研制相應(yīng)終端以驗(yàn)證后期的芯片研發(fā)以及整個(gè)系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)。鑒于此,本文設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)高低軌衛(wèi)星的寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信終端,滿足了系統(tǒng)前期建設(shè)需求。
1 架構(gòu)設(shè)計(jì)
衛(wèi)星移動(dòng)通信終端采用硬件模塊化、軟件組件化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計(jì)思路,分為波形應(yīng)用層、軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)3層,支持分層獨(dú)立升級(jí),具備資源按需擴(kuò)展的能力[6]。衛(wèi)星移動(dòng)通信終端完成從業(yè)務(wù)接入中頻輸入、輸出的所有功能處理,主要包括中頻處理、基帶處理、協(xié)議處理、業(yè)務(wù)接入、應(yīng)用處理、管理控制、安全保密、時(shí)鐘分發(fā)和電源等功能。
1.1 總體架構(gòu)
衛(wèi)星移動(dòng)通信終端架構(gòu)如圖1所示。
應(yīng)用軟件支撐用戶運(yùn)行各種應(yīng)用,包括IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、導(dǎo)航信息、星歷預(yù)報(bào)以及設(shè)備管理控制等。波形軟件實(shí)現(xiàn)所支持低軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星的通信協(xié)議。平臺(tái)軟件的基礎(chǔ)是操作系統(tǒng)和底層硬件驅(qū)動(dòng),通信中間層位于操作系統(tǒng)之上,屏蔽硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)平臺(tái)帶來(lái)的差異,為二次用戶提供一個(gè)易于開發(fā)、統(tǒng)一管理、硬件透明的軟件運(yùn)行平臺(tái),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件與系統(tǒng)硬件之間的松耦合。硬件平臺(tái)層由可擴(kuò)展、可配置的功能板卡組成,板間互聯(lián)采用管理和數(shù)據(jù)總線,板卡所有資源通過(guò)統(tǒng)一管理和調(diào)度,同類資源實(shí)現(xiàn)共享,通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)被識(shí)別和加載,為上層軟件運(yùn)行提供統(tǒng)一的處理能力[7]。
1.2 功能組成
衛(wèi)星移動(dòng)通信終端須要完成從業(yè)務(wù)接入中頻輸入、輸出的所有功能處理,主要包括用戶應(yīng)用、協(xié)議處理、安全處理、基帶處理、中頻處理和管理控制等功能。設(shè)備功能組成如圖2所示。
用戶應(yīng)用實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、話音業(yè)務(wù)接入處理,提供用戶接口、天線控制、星歷預(yù)報(bào)、導(dǎo)航信息增強(qiáng)等功能;協(xié)議處理實(shí)現(xiàn)不同體制的控制面和用戶面協(xié)議處理;安全處理實(shí)現(xiàn)信道數(shù)據(jù)的加解密功能;基帶處理完成物理層上下行處理,包括上行編碼、調(diào)制、加擾、成形,下行捕獲、時(shí)鐘同步、載波同步、解調(diào)、均衡、解擾、譯碼等基帶處理功能,同時(shí)完成中頻控制功能;中頻處理主要完成中頻模擬類發(fā)射/接收相關(guān)指標(biāo),包含基帶發(fā)送信號(hào)的DA變換、上變頻,中頻濾波、增益控制等功能和基帶接收信號(hào)的AD變換、中頻信號(hào)的下變頻和增益控制等功能。管理控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、波形管理、在線升級(jí)、星歷預(yù)報(bào)等功能,為用戶提供人機(jī)交互界面[8]。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件整體設(shè)計(jì)
衛(wèi)星移動(dòng)通信終端硬件由基帶處理單元、應(yīng)用處理單元、安全模塊、時(shí)鐘模塊和機(jī)箱組成,實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)、編譯碼、協(xié)議處理、話音接入等功能,硬件構(gòu)成如圖3所示。
基帶處理單元主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信上下行信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、信道編譯碼及其他物理層等核心功能,由高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital Converter,ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)及中頻電路實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用處理單元實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理控制、協(xié)議處理、用戶接口、星歷預(yù)報(bào)等功能,由高性能通用處理器、高性能FPGA和相關(guān)接口電路組成。
衛(wèi)星移動(dòng)通信終端的中頻模塊與天線射頻設(shè)備連接,主要功能是實(shí)現(xiàn)中頻模擬信號(hào)與基帶數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換,發(fā)射通道將來(lái)自基帶模塊的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并將頻譜搬移至中頻,傳送給天線射頻設(shè)備作進(jìn)一步處理,接收通道將來(lái)自天線射頻設(shè)備的中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),傳送給基帶模塊作解調(diào)譯碼等數(shù)字處理;基帶模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的數(shù)字處理及協(xié)議控制,包括調(diào)制解調(diào)、編解碼以及協(xié)議規(guī)定的小區(qū)搜索、同步、測(cè)量、切換等流程;同時(shí)在工作中控制天線射頻設(shè)備的頻率設(shè)置,并向天線射頻設(shè)備提供接收信號(hào)強(qiáng)度的反饋;接收來(lái)自業(yè)務(wù)單元的位置及星歷信息,用于實(shí)現(xiàn)時(shí)延及信道估計(jì)的補(bǔ)償以及小區(qū)重選/切換時(shí)目標(biāo)波束的確定等功能;時(shí)鐘模塊為中頻模塊、基帶模塊提供時(shí)鐘,同時(shí)向天線射頻設(shè)備提供參考時(shí)鐘基準(zhǔn)。
2.2 基帶處理單元設(shè)計(jì)
基帶處理單元主要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信上下行信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、信道編譯碼及其他物理層等核心功能。基帶處理單元構(gòu)成如圖4所示。
基帶處理單元包含中頻鏈路單元、ADC/DAC單元及調(diào)制解調(diào)單元。ZU21C負(fù)責(zé)把發(fā)送鏈路的數(shù)據(jù)調(diào)制,將應(yīng)用處理單元傳送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)編成I/Q基帶信號(hào)再由AD9025轉(zhuǎn)化成400 MHz帶寬中頻信號(hào),ZU21A和ZU21B各負(fù)責(zé)1路400 MHz帶寬中頻接收信號(hào)的解調(diào),將解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過(guò)高速連接器傳給應(yīng)用處理單元的核心處理器LX2160A。除了調(diào)制解調(diào)功能,基帶處理單元還負(fù)責(zé)天線的控制管理以及時(shí)間同步的處理。
2.3 應(yīng)用處理單元設(shè)計(jì)
應(yīng)用處理單元實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理控制、協(xié)議處理、用" 戶接口、星歷預(yù)報(bào),包含1塊LX2160A通用處理器及1塊ZU21系列的FPGA。應(yīng)用處理單元構(gòu)成如圖5所示。
LX2160A實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、健康管理、波形管理和星歷預(yù)報(bào),由16個(gè)內(nèi)核組成,在2.2 GHz狀態(tài)下的最大功耗為30 W,集成了100 Gb/s數(shù)據(jù)壓縮引擎,有24對(duì)SERDES總線,通過(guò)總線連接基帶處理單元的2個(gè)ZU21,用于下行信號(hào)的處理。ZU21負(fù)責(zé)各種應(yīng)用接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換,如導(dǎo)航增強(qiáng)口、二線話模塊、USIM卡、以太網(wǎng)等。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件組成
衛(wèi)星移動(dòng)通信終端的軟件主要包括平臺(tái)軟件、波形軟件、應(yīng)用軟件等。
3.1.1 平臺(tái)軟件
平臺(tái)軟件由操作系統(tǒng)、板級(jí)支持包驅(qū)動(dòng)和基礎(chǔ)共用軟件等組成,對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理,為上層波形應(yīng)用提供統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)環(huán)境,并支持3種體制波形的統(tǒng)一承載和運(yùn)行。
為了屏蔽不同終端設(shè)備、通信鏈路和操作系統(tǒng)帶來(lái)的差異,便于軟件遷移和升級(jí),本方案在操作系統(tǒng)和波形軟件之間構(gòu)建中間抽象層,封裝應(yīng)用開發(fā)常用的接口,并實(shí)現(xiàn)部分核心基礎(chǔ)功能,服務(wù)上層波形軟件的多種應(yīng)用。中間件主要包括各類接口訪問(wèn)集:數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口、資源管理接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口和用戶交互接口。
基礎(chǔ)共用軟件包括數(shù)據(jù)資源管理、地理數(shù)據(jù)可視化、二次開發(fā)引擎3個(gè)部分。數(shù)據(jù)資源管理和地理數(shù)據(jù)顯示是基礎(chǔ)平臺(tái)軟件中的核心功能,主要為其他功能提供二次開發(fā)接口。二次開發(fā)引擎包括插件管理和腳本解析等功能,保證平臺(tái)的可擴(kuò)展性和二次開發(fā)性。
其他關(guān)鍵功能如任務(wù)管理、應(yīng)用管理、通信管理、地圖導(dǎo)航、地理分析標(biāo)繪、安全管理等,以插件的形式集成到平臺(tái)中。一方面為上層應(yīng)用軟件提供二次開發(fā)接口,另一方面可以根據(jù)不同應(yīng)用需要進(jìn)行配置,保證平臺(tái)的靈活性,從而能夠滿足不同用戶的多種需求。
3.1.2 波形軟件
波形軟件能滿足高軌、低軌衛(wèi)星通信需求,由終端提供基本通信功能,為用戶提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、短消息等服務(wù),支持全協(xié)議棧的處理,包括物理層、MAC層、RLC層、PDCP層、RRC層、NAS層等。
在本文所設(shè)計(jì)的終端中,高低軌體制的波形在同一硬件平臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載,對(duì)外具備統(tǒng)一的處理接口。寬帶高/低軌體制波形包括物理層處理以及接入(AS層)層中的媒體接入控制層(MAC層)、無(wú)線鏈路控制層(RLC層)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層(PDCP層)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議層(SDAP層)、無(wú)線資源控制層(RRC層);非接入層部分(NAS層)主要包括移動(dòng)性管理(GMM)子層和會(huì)話管理(GSM)子層等。
3.1.3 應(yīng)用軟件
應(yīng)用軟件主要包括終端原型樣機(jī)的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)軟件、話音業(yè)務(wù)軟件、導(dǎo)航信息增強(qiáng)處理軟件、星歷播報(bào)軟件以及管理控制軟件等。
IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、話音業(yè)務(wù)軟件完成終端原型樣機(jī)的基本功能業(yè)務(wù);導(dǎo)航信息增強(qiáng)可根據(jù)協(xié)議指示,將導(dǎo)航增強(qiáng)信息進(jìn)行解析、分離,并通過(guò)相應(yīng)的接口傳輸至第三方平臺(tái);星歷播報(bào)軟件支持對(duì)星歷信息進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn)播報(bào),便于選擇衛(wèi)星;管理控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的系統(tǒng)管理、健康管理、波形管理等。
3.2 物理層設(shè)計(jì)
物理層流程如圖6所示。上行物理層信號(hào)處理軟件包括PRACH、PUCCH和PUSCH 3種物理信道的處理和上行參考信號(hào)的處理。下行物理層信號(hào)處理軟件包括PSS、SSS、PDSCH、PDCCH和PBCH物理信道以及下行參考信號(hào)的處理。
3.3 高層協(xié)議軟件設(shè)計(jì)
通信軟件高層協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星通信體制下的數(shù)據(jù)通信功能,主要包括接入層、非接入層,其中接入層主要包括媒體接入控制層(MAC層)、無(wú)線鏈路控制層(RLC層)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層(PDCP層)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議層(SDAP層)、無(wú)線資源控制層(RRC層);非接入層部分(NAS層)主要包括移動(dòng)性管理(GMM)子層和會(huì)話管理(GSM)子層等,如圖7所示。
3.3.1 控制面協(xié)議
控制面協(xié)議在空中接口上被劃分為接入層(AS層)和非接入層(NAS層)。AS層包括無(wú)線資源控制子層(RRC層)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層(PDCP層)和無(wú)線鏈路控制/媒體接入控制子層(RLC/MAC層);NAS層又被劃分為移動(dòng)性管理(GMM)子層、會(huì)話管理(GSM)子層。
MAC層向RLC子層提供邏輯信道服務(wù),對(duì)共享的邏輯信道和物理鏈路資源進(jìn)行管理,使其能夠通過(guò)空中接口,在正確的時(shí)間、正確的邏輯信道和物理信道上發(fā)送和接收數(shù)據(jù);RLC層通過(guò)物理層為網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端的上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元之間的傳輸提供服務(wù);PDCP層負(fù)責(zé)完整性保護(hù)、完整性校驗(yàn)、加密解密,使用ROHC協(xié)議進(jìn)行包頭壓縮和解壓縮以及數(shù)據(jù)幀重排序等;RRC層是AS層控制面協(xié)議,處理終端和衛(wèi)星信關(guān)站之間的控制面信令,負(fù)責(zé)無(wú)線資源的分配與管理、系統(tǒng)消息廣播、尋呼、測(cè)量控制、加密等。
NAS層是建立在RRC層之上的功能協(xié)議組,負(fù)責(zé)將移動(dòng)性和安全保密性協(xié)議處理為移動(dòng)通信控制面協(xié)議,實(shí)現(xiàn)終端的搜網(wǎng)、連接管理、鑒權(quán)、身份認(rèn)證、注冊(cè)、會(huì)話管理、呼叫控制和尋呼等功能。
3.3.2 用戶面協(xié)議
用戶面協(xié)議棧包括物理層(PHY層)、媒體接入控制(MAC層)、無(wú)線鏈路控制(RLC層)、分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)、數(shù)據(jù)適配協(xié)議(SDAP)等子層。
MAC層向RLC層提供邏輯信道服務(wù),對(duì)共享的邏輯信道和物理鏈路資源進(jìn)行管理,使其能夠通過(guò)空中接口,在正確的時(shí)間、正確的邏輯信道和物理信道上發(fā)送和接收數(shù)據(jù);RLC層通過(guò)物理層為網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端的上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元之間的傳輸提供服務(wù);PDCP層負(fù)責(zé)完整性保護(hù)、完整性校驗(yàn)、加密解密,使用ROHC協(xié)議進(jìn)行包頭壓縮和解壓縮以及數(shù)據(jù)幀重排序等;SDAP子層負(fù)責(zé)傳輸用戶面數(shù)據(jù),為上下行數(shù)據(jù)進(jìn)行QoS Flow到DRB的映射,在上下行數(shù)據(jù)包中標(biāo)記QoS Flow ID。
3.4 其他軟件設(shè)計(jì)
IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)軟件主要由操作系統(tǒng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和各類應(yīng)用組成。其中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧在操作系統(tǒng)之上實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理功能,同時(shí)對(duì)上層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用提供應(yīng)用開發(fā)接口。一般協(xié)議棧指TCP/IP協(xié)議簇的下3層,包括鏈路層協(xié)議(衛(wèi)星鏈路層協(xié)議)、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP、傳輸層協(xié)議TCP、UDP;各類應(yīng)用主要包括衛(wèi)星標(biāo)簽分發(fā)、接納控制和路由協(xié)議。平臺(tái)軟件由操作系統(tǒng)、板級(jí)支持包驅(qū)動(dòng)和基礎(chǔ)共用軟件等組成。
4 終端工作流程
終端工作流程如圖8所示,具體流程如下。
(1)終端上電后,各單元進(jìn)行設(shè)備自檢,并將結(jié)果上報(bào)給應(yīng)用單元,自檢正常后開始工作。
(2)設(shè)備自檢完成后,對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行選擇,選擇高軌或低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
(3)在高軌模式,終端首先進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量,計(jì)算出可用高軌衛(wèi)星和工作頻率,并把選擇的衛(wèi)星、工作頻率傳送給天線單元;天線采取程序跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星,然后進(jìn)入自動(dòng)跟蹤模式,保持衛(wèi)星信道的穩(wěn)定性;在低軌模式,終端首先進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量,計(jì)算可用低軌衛(wèi)星,并把工作頻率和星歷傳送給天線單元;天線單元根據(jù)星歷預(yù)報(bào)結(jié)果、終端姿態(tài)和位置信息,在程序結(jié)算模型下,計(jì)算出天線對(duì)星角度,并控制天線指向衛(wèi)星。
(4)整機(jī)完成對(duì)星后,開始入網(wǎng)認(rèn)證,然后根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求發(fā)起業(yè)務(wù)通信。
5 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了一種衛(wèi)星終端的設(shè)計(jì)過(guò)程,采用了分層及模塊化思路對(duì)終端進(jìn)行整體架構(gòu)劃分,不同硬件單元進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì),便于升級(jí)和擴(kuò)展。在軟件方面,平臺(tái)軟件、波形軟件和應(yīng)用軟件獨(dú)立進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、復(fù)用性高等優(yōu)勢(shì)。在衛(wèi)星基帶芯片研發(fā)前,用戶利用該終端進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試,驗(yàn)證系統(tǒng)體制、功能性能,起到了重要的作用,并為芯片研制奠定基礎(chǔ)。
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(編輯 沈 強(qiáng))
Design of mobile communication terminal supporting multiple orbital altitude satellites
LIUnbsp; Shulin1, JIA" Zeyu1, LIU" Tingting2
(1.Ministry of Emergency Management Big Data Center, Beijing 100070, China;
2.Beijing Wuzi Univeresty, Beijing 101149, China)
Abstract: "Satellite mobile communication has the advantages of wide coverage, long transmission distance, and being unaffected by terrain, and has been rapidly developed and widely applied. Communication terminals are an important component of the satellite communication system, providing users with various services such as voice and data through wireless link interaction with satellites and ground stations. This article presents a broadband terminal design and implementation scheme suitable for high orbit and low orbit satellites. The design of the terminal is elaborated in detail from hardware, software and process aspects, and the function and performance of the terminal are verified through system integration testing. The terminal design adopts ideas such as hardware modularization, software componentization, and interface standardization, and is divided into different layers according to functions, making it easy to independently implement, upgrade, and expand.
Key words: satellite mobile communication; low orbit satellites; broadband terminal; waveform design
作者簡(jiǎn)介:柳樹林(1989— ),男,工程師,碩士;研究方向:應(yīng)急管理信息化。