第4章星上交换与处理技术_20120924.

1、第4章星上交换与处理技术目录一、星上交换技术二、星上处理技术三、星载转发器四、星上抗干扰技术19一、星上交换技术（一）星上交换及必要性（二）星上交换的实现方法（三）星上交换体制（一）星上交换及必要性大容量宽带卫星需要很高的eirp和g/t值，点波束 可以满足此要求。信息交换不仅在同一波束的不同 用户之间进行，还要茬不同波束用户之间进行。星上交换设备根据用户信息的不同种类、目标地址, 吋信房进行分类、打包和安排合适的传输路径，完 成信 息 的高效存输。对于星载基带交换，首先要将射频信号变成中频， 解调后得到基带信号，再进行交换。基带信号携节 目标信息，星上交换开关将传送到同一目标的信息 打包，提

2、供给相应的转发器，经过调制并上变频后, 爰往相应的目林。星上交换：卫星系统的业务数据、信令、测控及网 络管理信息，其交换均在星上完成。ipstar-1卫星的覆盖范围轨道位置：东经119.5 卫星容量- 45 gbps （前向 25/回传20, 支持1300万用户）-以上为使用120cm天线计算 得出的标称容量94个波束覆盖整个亚太地区- 84个点波束-3个成形波束-7个广播波束以及18个ka-band馈电波束ipstar-1卫星对中国的覆盖5 昌二一s二 moj-l1j成型波束 23个ku波段双向 点波束覆盖中国 中东部地区 1个双向成形波束 覆盖中国西部地 区 1个ku波段单向 广播波束重叠

3、覆 盖中东部地区通信容量：约12gbps 3个关口站：北京、 上海、广州degrees广播波束星上交换的必要性减少传输时延 提高频谱使用效率解决大容量的信息高速交换问题 星载多波束需要星载交换来改善业务传输的实时性，星间链路可以扩大覆盖范围,需要星上交换完成星间路由。星上交换的优点组网灵活，信息传输效率高有效载荷上下行可以选择不同的频段和带 宽，且用户和用户之间的业务交换不必经 过关口站进行，频率利用效率高信息处理可在基带进行，有利于对信息进 行再生或加密处理，提供信息传输的抗干 扰能力和安全性星上交换需考虑的因素业务类型-语音业务：电路交换-低速数据业务：分组交换-宽带多媒体业务：atm快速

4、分组交换业务量小业务量：电路或分组交换-大业务量：atm交换网络结构-星形结构：交换在关口站进行-网状结构：主要的交换在星上进行，地面关口站主要承 担系统内用户与系统外用户之间的接口及简单交换任务（二）星上交换的实现方法对微波信号进行交换-转发器装有交换功能的受控微波开关矩阵，在多 波束卫星上利用动态接续矩阵进行波束射频信号 交换对基带信号进行交换-将星上接收的所有射频信号进行下变频到中频， 解调得到基带信号后再交换具有多波束的星上交换星上交换处理的固定分配方式星上交换处理的全动态配置方式（三）星上交换体制星载电路交换星载分组交换-星载atm交换-星载ip交换星载mpls星载电路交换收发双方在

5、通信前建立一条被双方独占的物理传送通 路，可以是时隙/子频带/扩频码。若利用时隙来承载 业务，在通信过程中该时隙电路由收发双方固定使用, 只有当双方通信结束，其他用户才能再用。网络资源 利用效率较低。在星间链路切换时，需要重新进行时隙电路的分配和 大量的信令处理，用户的服务质量很难得到保证。现有星载电路交换技术(ss/tdma)(ss/fdma)(ss/cdma)-星载交换-时分多址-星载交换-频分多址-星载交换-码分多址星上交换-时分多址（ss-tdma ）每个区域一个点波束接收来自于t&c交换指令的每个区域一个点波束发送交换矩阵示意图不同时隙的开关连接状态路 时段、上行卜行 波束波束上行下

6、行 波束波束上行下行 波束波束上行下行 波束波束t11一 22 13 442星上交换-频分多址(ss-fdma)wgs的星载交换实现示意图(以2个星地上行链路信道和2个星地下行链路信道为例)星地上行链路信号采用fdma方式，任何一个用户的信号可以占用1个或者相邻的几个子频带，属于不同用户的子频带之间具有保护间隔。17星载电路交换的优缺点优点-不需要在业务信号中携带通信协议-星上设备可靠性高，费用较低缺点-每次建立链路需要通过控制信道向中心站申请, 信道频繁切换时效率低-不在星上解调，会使噪声累加，传输性能恶化-难以实现链路资源的统计复用星载分组交换星载分组交换：以数据分组为交换单位，数据分组

7、携带源地址、目标地址等信息，在星上交换节点采 用存储转发的传输方式。基于统计复用技术，分组 通过排队、调度等处理共享带宽资源。分为星载 atm交换和星载ip交换。-星载atm交换:atm信元为53字节的定长短包,实现对29链路资源的时分统计复用。在星上完成多路复用/分接、 信道编码/解码、星上快速分组交换。-星载ip交换：将数据封装在传输层协议数据单元中，然后添加ip控制信息，形成ip分组。ip分组在数据链路层被封装在数据帧中传输。路由是核心，路由器节点对分 组进行选路、转发以及路由表的管理。星载分组交换的优缺点优点-对链路带宽资源采用时分统计复用，能够实现 帯宽的按需分配-星地上下行链路分开

8、设计，实现各自的最优化缺点-系统实现与特定的体制相关联，星上交换软件 升级困难-星载分组交换需要解调、译码变成基带后交换, 交换完成后需要重调制、重编码，增加了星上 载荷及系统的复杂性星载分组交换必须重新设计信元的长度和 格式以适应卫星通信系统的业务信息流程、 应用特点和要求。、可以采用两类长度的定长包格式来承将各 类业寥、信令、测控和网管信息的传送。-短包负责承载时延敏感的低速话音业务 -长包针对数据业务、系统信令、测控和网络管 理信息的数据类信息传送电路交换和分组交换的比较效率：电路交换为固定复用，利用效率低;分组交换为 统计复用，利用效率高。切换：电路交换切换时需要复杂的信令处理重新进行

9、 电路的建立、维护和拆除，实现切换较复杂。分组交 换不需要复杂的信令处理，实现切换较简单。业务接入：电路交换较难实现,分组交换较易实现。151结论：分组交换比电路交换在效率、切换和业务接入 几个方面有较大的优势。星载atm交换技术星载atm交换技术的特点和要求-星上设备尽量简单，减少硬件数量及复杂度-星载atm交换信令和管理功能尽量简单有效， 尽量将复杂的控制功能放在地面站-星载设备要求具有高可靠性，有良好的应急措 施及重构配置方案-要求星载atm交换性能良好，交换时延小，信 源丢失率低，路由算法简单可靠星载atm交换信元信头(5 bytes)净荷(48 bytes)atm信元信头(5 byt

10、es)净荷(48 bytes)fec合并保护卫星atm信元保护方式星载atm交换结构crossbar交换结构25atm交换单元的三类实现方法37交叉或纵横式（crossbar）交换単元-连接方式（输入和输出一样多）-集中方式（输入比输出多）-扩展方式（输入比输出少）共享总线交换单元-采用时分背板总线进行数据交换，总线容量为单个端 口容量的n倍共享存储交换单元-复用器（mux ）对输入端口数据进行调度-解复用器（demux）对共享存储器的队列进行调度多协议标签交换(multi-protocol label switching, mpls)mpls结合atm与ip两种技术，采用定长标签，将 第2层

11、交换和第3层路由结合起来，在atm层上直 接承载ip业务，既支持网络层的“多种协议”，又 支持第2层的多种链路层技术将数据传输与路由计算分开，面向连接，保证qos利用标记作为标识，通过路由表寻找下一跳，引导 数据高速、高效传输支持大规模层次化的网络拓扑结构，标签合并机制 支持不同数据流的合并传输mpls交换流程使用现有的选路协议，如ospf等，建立到 终端网络的连接，标签分发协议（ldp ）完 成标记到终端网络的映射；输入端标记边缘路由器接收分组，完成第3 层功能，并给分组贴上标记；标记交换机对带有标记的分组进行交换；在输出端的mpls边缘路由器中去掉标记， 并将分组传送给终端用户。星地一体化

12、mpls网络考虑卫星平台载荷受限，兼顾不同类型终端、不同特征业务的接入及传输需求，将不同性质的处理单元放置到同一颗卫星上卫星一部分和宽带用户连接的终端组成mpls边缘 标签交换路由器(ler),处理相对低速业务， 其余部分和关口站组成核心标签交换路由器(lsr),处理相对高速聚合业务 ler的功能向卫星集中以降低用户终端成本， lsr的功能是尽量分散到关口站，从而降低卫星 高延时、高误码特性等因素的干扰相对低速的p數据包处理 satellite子网网塔子网阿络lsr相关模块c&tewg高aw mpls快速转发.一 ip敏据包ls分坦一星地一体化mpls网络三种交换方式比较在qos方面，ip交换

13、不如atm和mpls在实现复杂度方面，atm和mpls相近，但 是atm要比mpls更加成熟稳定基于ofdm的星载交换技术基于ofdm的星载交换方案基于ofdm的星载交换原理假设卫星上有k个点波束，每个点波束上行链路 对应一个子载波分离子系统，k个子载波接收分 离子系统将分离出的各个子载波信号和附带的交 换控制参数送入子载波交换子系统。子载波交换子系统根据交换控制参数，在交换后 将k个点波束上行链路的所有子我波信彗中属于 同一个星地下行链路传输业务的字载波信号抽取 出来，交换到相应的点波束下行链路。每个点波束下行链路在交换后通过相应的子载波 合成子系统，将属于同一个点波東星地下行链路 的各个子

14、我波信号再调制晟一个完整的ofdm信 号，房输到*目应土&畐设畚。二、星上处理（obp）技术星上基带处理星上中频/射频处理39星上处理的功能存储转发和基带处理，如信息压缩和重新组帧、 信令处理、路由选择星上再生，如星上解调/重调制，解码/重编码、解 交织/重交织等调制方式的变换，如上行qpsk,下行16apsk多址方式的变换，如上行fdma,下行tdma速率变换，如将低速上行信道变换成高速下行信 道星上抗干扰,如自适应天线调零,可控点波束,47转发器放大特性的智能控制星上智能网控星上处理关键技术多波束天线（含接收天线和发射天线） 比特再生处理-解调/重调制-解码/重编码星间链路星上抗干扰技术星

15、上网络技术（含网络协议）星载转发器上行链路信号fl带通滤波低噪声放大中 放髙功放带通滤波下行链路信号本振1主振源本振2卫星转发器的通信链路卫星转发器的组成星载转发器由输入设备、调制设备、本振设备、c3放大设备和发射设备组成,可以转发两地或多地 的电报、电话、数据、传真、电视、广播等多类 业务。转发器接收来自地面的无线电波，经过放大后， 变换频率再向地面发射，相当于一个微波中继站。转发器数量与容量的关系转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。星载转发器少于12个，功率小于100()瓦的通信卫 星称为小容量卫星；有24个转发器，功率在 1000-3000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有 48个转

16、发器，功率在3000-7000瓦之间的卫星称为 大容量通信卫星；转发器多于48个，功率在7000 瓦以上的称为超大容量通信卫星。目前最大的通信卫星平台上可装150个转发器。东 方红三号有24个c波段转发器，6个电视和18个通 信传输信道，可传输6套彩色电视节目和15000路 电话或电报、传真、数据信号，工作寿命为8年。转发器的eirp和g/t eirp和g/t是转发器射频部分最重要的两个 指标，除了决定于hpa输出功率和lna的 等效噪声温度以外，还与星载天线的增益 相关。天线增益g与半功率波束宽度。05的 关系可以近似表示为g=27ooo/（eo 5）2对任意形状服务区的覆盖总希望天线对该

17、区域提供大的增益，为此采用若干点波束 的组合来对覆盖区赋形。卫星转发器类型透明转发器（弯管式转发器）处理转发器-非再生式处理转发器：不对上行信号进行解调 处理，例如，ss/tdma, ss/fdma, ss/cdma,天线调零等-再生式处理转发器：对上行信号进行解调处理, 再生数字信息流，转发器对再生的信息重新调 制、放大后送入下行链路。两种转发器特点比较透明转发器（弯管式转发器）a结构简单a性能可靠a适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况a抗干扰能力差处理转发器a结构相对复杂 将上行信号处理后再转发给地球站（终端）或其它卫星信号处理一般在中频或基带进行 具有抗干扰能力）透明转发器（弯管式

18、转发器）接收（上行） 天线一次电源蓄电池发送（下行） 天线执星载透明转发器结构图4953bpf ha转发器滤波器o m ux透明转发器（弯管式转发器）原理方框透明转发器的非线性特性转发器功放非线性-转发器所用的功放一般都具有非纟戋性效应-当输入信号功率低于某一电平（饱和点）时， 转发器的功放近似工作在线性区-当输入信号功率超过该电平时，功放就进入饱 和区或过饱和区，此时大信号压缩小信号，并 出现大量互调分量%10输入相对功率（db）星上高功率放大器的典型特性透明转发器的am-am、am-pm效应和互调分量当放大器工作在接近饱和点时，输出信号瞬时幅度是输入 信号瞬时幅度的非线性函数，表示为s =

19、 asj +bs； +cs； +其中a、b、c等是常数,并交替取正、负值，且|b|c| 具体的放大器对应不同的常数和阶数，尽可能逼近实际的输 入与输出。这种非线性幅度转移特性称为am-am转换效应。 此外，输入信号包络的变化会引起输出信号相位的变化，这 种调幅调相作用称为ampm转换效应0设x(t)和y(t)分别为输 入和输出，a(t)是输入信号包络，0(a)是由am-pm转换效应 引起的相移，则x (，)= a (，) cos (w()t + ) y (，) = a(t) cos vv(/ + s + 0( a)0(a) = aa2(t) / 1 + 六妒q = 4.0,0 = 9.单载波情

20、况-只考虑一个载波，采用非线性函数so=0+bs；,当输入信号为 x(t) = asinwt时，若忽略3w()t项以上的高次项(高次项被滤波器 滤除),则输出为y (。= ar(z) + b x(f)3 =(泌 + 3m3/4)sin 成/ + (aa+3ba3 /4)sin wqt输出信号的平均功率为：4)=：(招+ 3园/4=片枷+(3力2)亍其中，p. = a2/2为输入信号的平均功率。输出信号的平均功率是输入信号平均功率的函数，当输入信号平 均功率从小变大时，输出信号平均功率也逐渐变大，当接近功放 饱和区时，输出信号平均功率接近最大值，并不再随输入信号平 均功率的增加而变化，最大输出功

21、率值称为饱和输出功率。 48多载波情况一考虑多个载波，输入信号表示为x(t) = asinw|t+bsinw2t+csinw3t+. o根据非线性函数$。=銘+靖+成+，则输出为y(t) = ax(t) +bx(ty + cx(t h从上式可看出，由于转发器功放的非线性作用，在输出中除了原 来的频率分量以外，还产生了新的频率分量，这些新频率为输入 各个载波的频率组合，称为互调干扰。当转发器的中心频率远大 于其带宽时，只有奇次项互调分量才会落入转发器频带内，其中 由三次方项产生的互调分量对系统的影响最大，其落入转发器频 带内的组合频率为写胡和b-fk。五阶互调信号三阶互调3fi-2ffi f?

22、2f2-fi 3f?-2fi三阶和五阶互调分量49在多载波情况下，除了由于幅度非线性产生的互调频率分量以外， 才艮据twta的相位特性，由于多载波信号的包络是波动的，因此 通过透明转发器时各个载波都会引入变化的相移，也会产生新的 频率分量。当输入信号为两个等幅载波时，w)= asinwj + 8sinwj(a=b)。采用 非线性函数so = asi+bs：,经过转发器的输出信号，频率为w和w? 的信号幅度为：as1 + (9w4%(2)其毎一个输出载波的平均功率为：何 + (9。/2)町(3)其中p, = a2/2为单个输入载波信号的平均功率。对(3)式求导 数，得到当pj = 2a/(27b

23、)时，每一个载波的输出功率达到最大(为- 8a3/243b)0同单载波情况相比，两个等幅载波的饱和输入功率是 单载波饱和输入功率的1/3,总饱和输入功率为单载波饱和输入功 辜的2/3,总饱和输出功率也是单载波饱和输出功率的2/3。对抗透明转发器am-am、am-pm和互调分量影响的措施采用功率补偿技术。控制进入转发器的信号总功 率，使其离开饱和工作点，减小非线性的影响。 在多载波工作时，输入总功率和输出总功率总是 比单载波的饱和输入、饱和输出功率低；利用预失真技术修正行波管特性。在行波管放大器前接入与之相反幅度和相位特性的器件和网络, 对行波管放大器的非线性特性进行校正；载波优化排列。采用优化

24、的载波不等间隔排列方 法，使互调分量落在有用信号的带外。（二）处理转发器具有交换和处理的功能 处理转发器分类a载波处理转发器，比特流处理转发器a全基带处理转发器三种处理转发器比较载波处理转发器以载波为单位直接对射频信号进行处理具有星上载波交换能力比特流处理转发器增加了解调和再调制功能a可能包括译码和重编码设备、解扩设备等全基带处理转发器具有基带信号处理和交换能力存储、压缩、交换、信令处理、重组帧等a具有星上再生能力，例如解调/重调制，译码/重编码解调-一再调制转发器65接收机-f1 h解调_ - -i f2 - 4 f3 k1爾7卜-t司d解旷p -cf广卜匸解调卜调制 一调制 t再调制i t

25、再调制 一f耗调制 t再调制if1f3f4諸f2f6lpf*数字转发器的一种方案解调再调制转发器结构星载路由器下行星载数字处理星载中频路由转发器前向处理器下变频卜a/d分接.存 储,交换数字波h束成形1.6 ghz上行反向处理器具有动态波束形成的星载转发器四、星上抗干扰技术69卫星通信系统面临的干扰威胁示意图卫星通信的几种干扰形式地基干扰-地面固定、车载和舰载等大型的干扰站：比较 隐蔽，干扰场率关，上行干扰空基干扰-电子战飞机、升空平台：机动灵活，易于实施 突发性干扰，干扰功率较大，下行干扰天基干扰-航天器和低轨卫星：干扰时间受限，干扰功率 较小，但有距离优势，下行干猊干扰方式和干扰信号波形干

26、扰方式-压制性干扰根据干扰信号频谱宽度相对于被干扰的通信接收机带宽的比值 关系，分为窄带瞄准式干扰和宽带阻塞式干扰根据干扰信号作用时间不同，分为连续波干扰和脉冲干扰-欺骗式干扰转发式欺骗干扰产生式欺骗干扰干扰信号波形-单音干扰、多音干扰、宽带噪声干扰、窄带噪声干扰、 部分频带噪声干扰、脉冲干扰、转发式干扰、跟踪式 干扰卫星通信系统接收机遭受的有意干扰方式星上功率掠夺现象透明转发器具有非线性特性，当转发器的功放进 入饱和区以后，大信号压缩小信号，并出现大量 互调分量。当干扰信号和通信信号一起通过透明 转发器时，会同时被高功率放大器(hpa)放大。 由于干扰信号幅度一般远大于通信信号，总的输 入信

27、号将转发器推向饱和区或过饱和区，使有用 输出功率大大降低。对于透明转发器系统，干扰方的上行干扰信号不 仅可以直接用于干扰通信信号，而且还可以利用 阻塞干扰“吃掉”星上的功率资源，使通信无法 正常进行，这一现象称为星上功率“掠夺”现象。干扰对透明转发器的影响当干扰信号频谱同通信信号频谱无重叠时，干扰 在信号频带之外，此时带外干扰不仅压缩信号， 产生功率“掠夺”现象，使信噪比减小，还会产 生大量的互调分量。当干扰信号频谱同通信信号频谱重叠时，干扰信 号在“掠夺”星上功率的同时，还会对通信信号 造成直接干扰。卫星通信系统抗干扰措施透明转发器抗干扰技术-自适应调零空间滤波技术-干扰源定位与自适应调零一

28、体化实现方案-采用时域和变换域的星上干扰消除技术-星上信道化干扰陷波技术 smart agcm术-基于变换域的干扰消除技术-采用ds、fh等扩频信号传输体制-采用先进的编码和调制技术基于再生处理转发器的宽带跳频(fh)技术基于再生处理转发器的直扩(ds)技术71基于信号到达方向波束形成技术的调零天线天慎部件及接收机阔频蘭罷叫i ri致字波!rf/if a/d hi i j* a4rf/tf |4商邛）区分干扰与1_ 信矿卜高分辨二级 方向估计加权矢量产牛器,1rf.1f |j-f!. ! ： i干扰源定位与自适应调零一体化实现方案64基于信号到达方向波束形成技术的调零天线实现方案首先采用干扰源

29、定位技术获得干扰信号的doa信 息，然后将这些信息用于自适应权值的计算，实 现自适应调零。调零天线实现过程-将多波束天线接收的n路信号进行高分辨二维（方位角 和仰角）方向估计获得信号和干扰的方向信息；-区分信号方向和干扰方向-将信号方向的输出约束为所需值，而将干扰方向的输 出约束为零，计算波束加权矢量；由波束加权矢量对n个波束进行加权求和基于信号到达方向的波束形成算法多波束天线的数学模型!：-假/设多波束天线焦平面上的馈源数目为n （n个波束），空间有d 个窄带辐4源（d,回旧（）+,（）k=l4何）=而也式中，sk（小为第k个辐射源的信号形式，勺（）为第，个波束接收通道 的加姓高斯噪声，为第&个辐射源在第，个波束的二维空间响应 函数。对于多波束天线，.（），可表示为：其中，二罕sin(j(0 q)，+ (0. 一 二)2（.）为第一类一阶贝塞尔函数；n为天线效率；d为天线.孔径大小; a为辐射源信号波长；旭皿代表第冷波束指向中心。77基于信号到达方向的波束形成算法（续）将多波束天线在时刻接收的n个点波束的