一种适用于GEO卫星移动通信系统的星上处理交换系统

摘要

一种适用于GEO卫星移动通信系统的星上处理交换系统属于卫星移动通信技术领域，其特征在于，含有：波束接收单元、馈电链路发射单元、收信号交换单元、固定配置信号接收处理单元、全局信号接收处理单元、业务处理单元、固定配置信号发射处理单元、全局信号发射处理单元、发信号处理单元、馈电链路接收单元、星上控制单元、信号叠加器及波束发射单元，使星上透明转发与星上信号处理交换协同工作，使网内双方在星上完成处理，实现一跳通信，将网间业务经透明转发到地面网关直接处理，利用可扩展的非对称的星上交换结构，通过动态配置对星上处理资源进行优化配置。

说明书

技术领域

发明属于卫星通信技术领域，特别涉及卫星移动通信系统中的星上处理交换系统。

背景技术

卫星移动通信能够实现真正意义上的全球覆盖，是第三代移动通信系统的重要组成部分。尤其在地面通信手段失效的特殊情况下，卫星移动通信成为唯一的选择，这一点在2008年汶川抗震救灾中表现尤为突出。在奥运通信保障、建国六十周年庆祝等重大活动中，卫星移动通信都发挥了不可替代的重要作用。

随着地面网络的发展，3G、4G技术将成为地面通信网络的主要技术手段。为了与地面网络无缝融合，3G、4G技术应用于卫星移动通信逐渐成为必然的发展趋势。与此同时，GEO(地球同步轨道)卫星通信延时较长(单跳传输延时≈0.25秒)，如果采用传统的星上透明转发、地面中心站处理的双跳应用模式将导致0.5秒的单向传输延时，无法满足移动用户的需求。从而使得GEO卫星移动通信系统必须采用基于星上处理的单跳通信模式。然而星上资源严格受限，3G、4G通信系统的处理复杂度较高，目前的卫星有效载荷不足以完成所有信号全解调。另一方面，在GEO卫星移动通信系统中存在网内通信和网间通信两类业务，据统计网内业务仅占全网通信业务的10％左右，而只有网内业务才需要在星上实时解调。针对这一特点，可以采用适合于卫星移动通信的星上处理交换新技术来解决性能需求和处理能力之间的矛盾。

本发明的目的在于提出一种星上资源动态配置、星上透明转发与处理交换相兼容的系统。本发明实现了星上透明转发与星上处理交换两种模式的兼容；设计了一种专用的分层可扩展的交换结构；采用动态配置方案，提高了星上处理资源的利用率。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种星上资源动态配置、星上透明转发与处理交换相兼容的技术方案。本发明的核心思想是实现星上透明转发与星上处理交换协同工作，网内业务在星上实时处理交换以实现一跳通信，网间业务透明转发到地面网关完成处理，仍然只有一跳延时。本发明设计专用的分层可扩展的星上交换结构，通过动态配置对星上处理资源进行优化配置。

本发明的特征在于，含有：波束接收单元、馈电链路发射单元、收信号交换单元、固定配置信号接收处理单元、全局信号接收处理单元、业务交换单元、固定配置信号发射处理单元、全局信号发射处理单元、发信号交换单元、馈电链路接收单元、星上控制单元、信号叠加器以及波束发射单元，都由数字集成电路芯片构成，其中：

波束接收单元，设有：Y个输入端，构成Y个波束通道，每个波束含有多路用户数据，输入Y个波束的全部采样数据Y_D包括网内和网际两种采样数据，又设有：三路输出端：第一路输出端，共有Y个，输出在所述Y_D个波束采样数据中经内置的判决模块判决后不需经星上处理的各路数据Y_D1，第二路输出端，有Y个，输出在所述Y_D个波束采样数据中经所述判决模块判决后在所述固定配置信号接收处理单元处理范围内的多路数据Y_D2，第三路输出端，有Y个，输出在所述Y_D个波束采样数据中经所述判决模块判决后在所述固定配置信号接收处理单元处理能力范围外其余需要做星上处理的多路数据Y_D3，所述Y_D＝Y_D1+Y_D2+Y_D3；

馈电链路发射单元，有Y个数据输入端，与所述波束接收单元的第一路各输出端相连，还设有：星地网管控制信令输入端，以便根据所述星地网管控制单元的控制信号把收到的多路网际数据Y_D1转发到地面站；

固定配置信号接收处理单元，共有YP个，Y是波束总数，P是每个波束配置的固定配置信号接收处理单元数，从所述波束接收单元的第二路输出端输入自己处理能力范围内供网内处理的第二路数据Y_D2，输出YP路基带数据；

收信号交换单元，至少一个，设有Y个输入端，分别与所述波束接收单元中第三路输出端的各输出端相连，所述收信号交换单元采用可扩展分层交换结构，含有：一级模块和二级模块共两类模块，用数字集成电路芯片实现，其中：

一级模块，含有N个子一级模块，每个子一级模块由第一级多路选择器和N个第二级多路选择器连接而成，其中，M是所述全局信号接收处理单元的个数，设Y_D3是在所述Y_D路采样数据中所述YP个固定配置信号接收处理单元处理能力范围外的用户多路数据中用户的数目，在数值上等于所述用户多路数据的数目，在所述Y个波束通道中传输，第n个所述子一级模块对应的多个波束的采样数据所对应的波束数在第n个所述子一级模块中：

第一级多路选择器只有一个，有I个输入端，分别输入以下数据：Input_n，1、…、Input_n，i、...、Input_n，1，其中，下标n表示所述第一级多路选择器的序号，n＝1、2、...、N、下标i表示第n个所述一级子模块中所包含的第i个波束输入端中采样数据序号，共有N个，输出端总数有N²个，

N个第二级多路选择器，每一个第二级多路选择器有N个对应于所述第一级多路选择器的N个输出端，有N个目的地址输出端，所述N个第二级多路选择器总计共有N²个目的地址输出端，用Road₁、Road₂、...、表示，

二级模块，由N个子二级模块构成，每个子二级模块是一个多路选择器，每一个多路选择器的各输入端与所述一级模块中对应序号的子一级模块内N个第二级多路选择器的各输出端相连，共计N²个，整个二级模块总共输入N×N²个目的地址，每一个作为所述子二级模块的所述多路选择器n输出N²个目的地址，表示为：Output_i，1、Output_i，2、...、Output_i，n、...、

所述收信号交换单元按以下步骤完成输入数据的调度，以完成输入数据与输出数据之间的交换，

步骤(1).所述第n个子一级模块输入共I路波束内采样数据中的用户数据个数，

步骤(2).判别是否存在X_i≤Y₁，其中：

X_i是所述一级模块内输入到所述第n个子一级模块的共I路波束内的用户数据个数，

Y₁是所述二级模块内对应于所述第n个子一级模块的所述子二级模块内空余的输出端口数，在数字上等于目的地址个数，

若：X_i≤Y₁，则所述第n个子一级模块内所述第一级多路选择器直接输出所述共I路波束内采样数据中的用户数据个数X_i，所述每一个用户数据都包含有目的地址在内，直接通过对应于所述子二级模块序号的第n个所述第n个子一级模块内第二级多路选择器的对应序号的所述子二级模块输出，

若：X_i＞Y₁，

则：所述一级模块内的第一级多路选择器复制k份的所述共I路波束内的用户数据个数向所述一级模块内N个所述第二级多路选择器中顺序对应的k个第二级多路选择器的输入端转发，其中：1≤k≤N，该条件不等式从第一个模块开始计算，在该不等式条件未满足前顺序向下累加，直至求出k值，

步骤(3).所述第n个子二级模块接到步骤(2)发来的所述第n个子一级模块输出的对应于所述Input_n，1、…、Input_n，i、...、Input_n，1采样数据的N个地址信号Road₁、Road₂、...、后，一一对应地直接通过N²个输出端口地址输出第Output_i，1、Output_i，2、...、Output_i，n、...、，个采样数据，整个二级模块输入信号为N个第Road₁至第个采样数据，而总输出则有N²个采样数据Output_i，1、Output_i，2、...、Output_i，n、...、

全局信号接收处理单元，共M个把从所述收信号交换单元输入的采样数据处理为基带数据后送到业务交换单元，

业务交换单元，用时分总线实现，把从所述固定配置信号接收处理单元收到的基带数据送到所述固定配置信号发射单元，把从所述全局信号发射处理单元收到的数据送到所述全局信号发射处理单元，

固定配置信号发射处理单元，对每个波束配置Q个，共计YQ个，把接收到的在所述固定配置信号接收处理单元处理能力范围内的基带数据送到所述信号叠加器，

全局信号发射处理单元，共N个，把从所述业务交换单元收到的基带数据送到发信号交换单元，

发信号交换单元，由发信号交换的一级和二级模块串联而成，其中：发信号交换用的一级模块，由N个子一级模块组成，第n个所述一级交换模块有N²个采样数据，表示为Input′_n，1、…、符号“’”表示为发信号交换单元的分路通过一个加法器后再分别送入一个多路选择器，所述的加法器中，第一个加法器的输出，其中一路送到第二个加法器，第二个加法器的输出其中的一路送到第三个加法器，以此类推，一直到第N²个加法器位置，而第n个所述子一级模块中共N²个输出送到第n+1个所述子一级模块中的第一个加法器，所述多路选择器输出N²个地址信号Road₁、Road₂、...、直接送到发信号交换单元的二级模块对应子二级模块的各输入端，完成N个N²输入到N个N²输出的交换，

发信号交换单元的二级模块，由N个子二级模块构成，子二级模块也是一个多路选择器输出I路采样数据1≤K≤N，完成N个N²输入到I个输出的交换，

同时，所述发信号交换单元也是一个输入采样数据路数大于输出采样数据路上的非对称结构；

馈电链路接收单元，根据所述星上控制单元发出的星地网管信令把地面站发送上来的一跳采样数据直接送到所述信号叠加器，

信号叠加器，把接收到的地面站采样数据和发信号交换单元送来的采样数据进行叠加，送往波束发射单元。

图1为本发明的系统结构示意图，其中：

发信号交换单元1和收信号交换单元7内部结构根据特定可扩展分层交换结构设计实现，具体方法如下：

1.收信号交换单元结构实现(图3)：所述收信号交换单元结构为非对称交换结构，根据图1可知收信号交换单元的输入为I路波束，输出为N³路数据。由于输入的每个波束内部含有输出的多路用户数据，因此输入数小于输出数。首先，利用公式求出参数N值，从而得到参数然后，利用参数N、I设计结构如下：一级模块共N个，每个完成I到N²的交换；二级模块共N个，每个完成N²到N²的交换。其中，一级模块内部结构如图4所示：一级模块内部含有N个N输入N输出的基本交换模块，基本模块可由多路选择器实现，一级模块的输入与基本模块的输入间由多路选择器连接。二级模块由N²输入N²输出的多路选择器实现。最后，确定一级模块的输出与二级模块的输入的连接关系为：第1个一级模块的1至N路输出按顺序分别连接到各个二级模块的第1路输入，第k个一级模块的1至N路输出按顺序分别连接到各个二级模块的第k路输入(1≤k≤n)；第1个一级模块的(m-1)N+1至mN路输出按顺序分别连接到各个二级模块的第(m-1)N+1路输入，第k个一级模块的(m-1)N+1至mN路输出按顺序分别连接到各个二级模块的第(m-1)N+k路输入(1≤k≤N，1≤m≤N)。

所述收信号交换单元按以下步骤完成输入数据的调度，以完成输入数据与输出数据之间的交换，

步骤(1).所述与n个子一级模块输入共I路波束内采样数据中的用户数据个数，

步骤(2).判别是否存在X_i≤Y₁，其中：

X_i是所述一级模块内输入到所述第n个子一级模块的共I路波束内的用户数据个数，

Y₁是所述二级模块内对应于所述第n个子一级模块的所述子二级模块内空余的输出端口数，在数字上等于目的地址个数，

若：X_i≤Y₁，则所述第n个子一级模块内所述第一级多路选择器直接输出所述共I路波束内采样数据中的用户数据个数X_i，所述每一个用户数据都包含有目的地址在内，直接通过对应于所述子二级模块序号的第n个所述第n个子一级模块内第二级多路选择器的对应序号的所述子二级模块输出，

若：X_i＞Y₁，

则：所述一级模块内的第一级多路选择器复制k份的所述共I路波束内的用户数据个数同所述一级模块内N个所述第二级多路选择器中顺序对应的k个第二级多路选择器的输入转发端，其中：1≤k≤N，该条件不等式从第一个模块开始计算，在该不等式条件未满足前顺序向下累加，直至求出k值，

步骤(3).所述第n个子二级模块接到步骤(2)发来的所述第n个子一级模块输出的对应于所述Input_n，1、…、Input_n，i、...、Input_n，1采样数据的N个地址信号Road₁、Road₂、...、后，一一对应地直接通过N²个输出端口地址输出第Output_i，1、Output_i，2、...、Output_i，n、...、，个采样数据，整个二级模块输入信号为N个第Road₁至第个采样数据，而总输出则有N²个采样数据Output_i，1、Output_i，2、...、Output_i，n、...、

2.发信号交换单元结构实现(图6)：根据图1可知发信号交换单元的输入为来自L个全局信号发射处理单元的采样数据，输出为K路波束。由于发信号交换单元的多路输入数据加入一路输出波束，因此该交换结构为输入数大于输出数的非对称结构。因此，发信号交换单元结构采用与收信号交换单元相反结构。利用公式求出参数N，利用公式求出参数I。将参数N、I代入特定可扩展分层交换结构设计原理图。则：每个一级模块由N个N²输入N²输出的模块组成，完成N²到N²的交换；每个二级模块由N个N²输入I输出的模块组成，完成N²到i的交换。由于发信号交换单元需要将多路数据合并到一路波束内，因此发信号交换单元二级模块(对应于特定可扩展分层交换结构的一级模块)内部结构变更为图5所示。其余结构不变。

所述发信号交换单元，利用一级模块内部的加法器，将目的波束相同的采样数据加权到其中一路送到一级模块的输出端，而后按目的地址送到相应输出所属的二级模块，而后根据目的地址送到相应输出端。

3.业务交换单元：对业务级数据进行全交换处理，可采用基于时分总线、共享存储器或者Crossbar等交换结构实现。图2为一种采用时分总线结构的实例。

本发明所述的适用于GEO卫星移动通信系统的星上处理交换系统按以下步骤实现(图1)：

步骤(1)波束接收单元9利用其内部的判决器将接收到的波束采样数据中不需要做星上处理的数据送到馈电链路发射单元11，将在固定配置信号接收处理单元处理能力范围内的数据送到固定配置信号接收处理单元2，将其余需要做星上处理的数据送到收信号交换单元1；

步骤(2)负责控制馈电链路的星上控制单元13利用星地网管信令控制馈电链路发射单元11将收到的波束采样数据直接透明转发到地面站；

步骤(3)固定配置信号接收处理单元2将收到的采样数据处理为基带数据后送到业务交换单元4；

步骤(4)收信号交换单元1将接收到的采样数据交换到全局信号接收处理单元3处理为基带数据后送到业务交换单元4；

步骤(5)业务交换单元4将接收到的基带数据中在波束内部信号发射处理单元5处理能力范围内的基带数据送到固定配置信号发射处理单元5，将其他基带数据送到全局信号发射处理单元6；

步骤(6)固定配置信号发射处理单元5将接收到的基带数据处理成采样数据后送到信号叠加器8，全局信号发射处理单元6将接收到的基带数据处理成采样数据后送到发信号交换单元7；

步骤(7)发信号交换单元7将接收到的采样数据根据用户要求交换后送到信号叠加器8；

步骤(8)负责控制馈电链路的星上控制单元13利用星地网管信令控制馈电链路接收单元12将地面站发送上来的波束采样数据直接送到信号叠加器8；

步骤(9)信号叠加器8将接收到的采样数据叠加到各个波束内后送出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明实现了星上同时支持数字透明转发和处理交换两种模式。对不同的用户需求可以有不同的处理方案，既保证了通信质量，同时也能对星上资源的配置和利用有很大的优化作用。

2、本发明中星上处理部分利用分层式交换设计，分解了交换压力。

3、设计了特定可扩展分层交换结构，运用该交换结构实现GEO卫星星上处理资源动态配置，降低了星上结构的复杂度。

附图说明

图1为GEO卫星星上交换处理结构示意图

图2为业务交换单元实例示意图

图3为收信号交换单元原理示意图

图4为收信号交换单元一级模块内部结构示意图

图5为发信号交换单元一级模块内部结构示意图

图6为发信号交换单元原理示意图

具体实施方式

下面我们结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细的描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实例1：本发明实施例以基于3G技术的GEO卫星通信系统的星上处理与交换结构为例来说明本发明的提出的GEO卫星高速星上处理与交换方法。

应用背景：GEO卫星移动通信系统由GEO卫星S频段卫星有效载荷、中央站(网络管理中心、运行控制中心)、网关站和各种用户站/终端组成。卫星采用大型可展开网状天线，产生100个点波束。点波束满足手持式终端对较高G/T(品质因数)值和较高EIRP(等效全向辐射功率)的需求。

星上交换预处理的功能需求：

(1)支持数字透明和星上处理交换两种工作模式；

(2)星上完成上行多路信号的处理(接收升余弦滤波、相关器、PN码生成器、信道估计器、相位旋转器、延迟均衡器以及多径合并模块、Viterbi译码、CRC校验)；

(3)星上完成下行多路信号的处理(添加CRC校验位、1/3速率卷积码、OVSF码扩频、QPSK调制)；

(4)每个波束至少要保证10个星上处理用户业务，全网最多需要同时完成1330个星上处理业务；

(5)基础器件IO口数上限为100。

利用本发明系统结构图(图1)，应用本发明具体的方案实施如下：

1、设计收信号交换单元、发信号交换单元：

根据功能要求(4)设定参数：P＝Q＝10。又因为卫星点波束数为100，得到参数I＝100，进而得到参数：M＝L＝1330-100×10＝330。

根据功能要求(4)(5)及M、N值，设计交换结构部分如下：

收信号交换结构设计(图6)：根据收信号结构特点，利用图3结构设计收信号交换结构，利用公式求出则该结构由7个16输入49输出的一级模块和7个49输入49输出的二级模块构成。模块内部结构及模块间连接根据原理结构实现。该结构交换能力：总交换能力为112输入、343输出。

发信号交换结构设计(图6)：根据发信号结构特点，利用公式求出则结构由7个49输入49输出的一级模块和7个49输入16输出的二级模块构成。网络结构与收信号结构相反。模块内部结构及模块间连接根据原理结构实现。结构交换能力：总交换能力为输入343、输出112。

2、结合实例背景完成方案设计(图1)：

波束接收单元9由S波段多波束接收天线系统(100波束)实现，波束发射单元8由S波段多波束发射天线系统(100波束)实现，馈电链路发射单元11由S波段单波束发射天线系统实现，馈电链路接收单元12由S波段单波束接收天线系统实现。

其余部分用FPGA实现(可选用Xilinx的抗辐射版本FPGA：XQR4VFX60-10CF1144V)。其中：收信号交换单元1、发信号交换单元7的内部逻辑结构根据第1部分中设计实现(每个一级、二级模块均由一片FPGA构成)，业务交换单元4由时分总线结构实现，信号叠加器8内部可采用基于WCDMA公共信道的帧同步方案实现，波束内部信号接收处理单元2、全局信号接收处理单元3内部实完成功能需求(2)要求，波束内部信号发射处理单元5、全局信号发射处理单元6内部完成功能需求(3)要求，星上控制单元13完成全局控制CPU功能。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可做出各种修改或改型。