星上交换与处理技术

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、星载转发器八星上抗干扰技术2一、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,对信息进行分类、打包和安排合适的传榆路径，完成信息的高效传输。 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。基带信号携带目标信息，星上交换开关将传送到同一目标的信息打包，提供给相应的转发器

2、，经过调制并上变频后,爱往相应的目标。 星上交换：卫星系统的业备数据、信令、测控及网络管理信息，其更换均在盒上完成。4IPSTAR-1卫星的覆盖范围4九道位置：东经119.5。卫星容量- 45Gbps（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at inu广播波束点波束成型波束 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覆盖中东部地区 通信容，:约12

3、Gbps 3个关口站：北京、上海、广州6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8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快速分组交换业务量-小业务量：电路或分组交换-大

4、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10具有多波束的星上交换全局”处理单元ftt业务文换M元全N发处理小无ft!全局发波泉父换小元全目牧波束攵换水&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11（三）星上交换体制 星载电路交换 星载分组交换-星载AT

5、M交换-星载IP交换星载MPLS12星载电路交换收发双方在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，只宥当双方通信结束，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- 星载交换-时分多址（SS/TDMA）- 星载交换-频分多址（SS/FDMA）- 星载交换-码分多址（SS/CDMA）13星上交换-时分多址（SS-TDMA）每个区域一个点波束接收每个区域个点波束发送14交换矩阵示意图15不同时隙的开关

6、连接状态路时段、上行波束下行波束上行波束卜.行波束上行波束卜行波束上行波束下行波束T11，22-一13-44一3T21一,32-一23T4一4T31*42-一33-24一1T41-12一434一216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。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

7、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。1

8、9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，能够实现带宽的按需分配-星地上下行链路分开设计，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20 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载各类业务、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21电路交换和分组交换的比较 效率：电路交换为固

9、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。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。22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2

10、3星载ATM交换信元信头(5 bytes)净荷(48 bytes)ATM信元信头(5 bytes)净荷(48 bytes)FEC合并保护24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交叉或纵横式（Crossbar）交换单元- 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26多协议标签交换(Multi-protocolLab

11、elSwitching,MPLS) MPLS结合ATM与IP两种技术，采用定长标签，将第2层交换和第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 将数据传榆与路由计算分开，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27MPLS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

12、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。28地一体化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29相时怅述的IP数据包处理、 Satellite IP敷据包A MPLS分更 一星地一体化MPLS网络

13、30三种交换方式比较 在QoS方面，IP交换不如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31基于OFDM的星载交换技术点浓东I上力海路M他信号点波笊K上行缸路礼帝信号基于OFDM的星载交换方案33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多数，在交换后将K个点波束上行链路的所有子薮波信亨中属于同一个星地下行链路传输业务的子载波信号抽取出来，交换到相应的点波束下行链路。33

14、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，将属于同一个点波束星地下行链路的各个子载波信号再调制成一个完整的OFDM信号，传输朝相应痣击设备。二、星上处理（OBP）技术星上基带处理星上中频/射频处理34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，转发器放大特性的智能控制 星上智能网控35星上处理关键技术 多波

15、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 星上网络技术（含网络协议）36三、星载转发器上行链路信号 fl带通潴波低噪声放大分路海频路高 功 放再混频带通滤波卜行链路信号2本振V主振源一本报2卫星转发器的通信链路37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、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。38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

16、，功率小于1000瓦的通信卫星称为小容量卫星；有24个转发器，功率在100030()0瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有48个转发器，功率在30007()0()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。39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

17、线增益G与半功率波束宽度的关系可以近似表示为G=27OOO/(0o5)2.对任意形状服务区的覆盖总希望天线对该区域提供大的增益，为此采用若干点波束的组合来对覆盖区赋形。40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。41两种转发器特点比较透明转发器（弯管式转发器）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A将上行信号处理后

18、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A具有抗干扰能力42一）透明转发器（弯管式转发器）一次电源蓄电池43接收（上行） 天线发送（下行） 天线星载透明转发器结构图透明转发器（弯管式转发器）原理方框图44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线性效应-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45-100Ui入相对功率 (dB)一吊替体我黑SSF星上高功率放大器的典型特性46透明转发器的AM-AM、AM-PM效应和互调分量

19、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”=g+bs.+cs：+其中a、b、c等是常数，并交替取正、负值，且同|卜|，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榆出信号相位的变化，这种调幅调相作用称为AM-PM转换效应。I殳x(t)和y分别为输入和输出，A是输入信号包络，9(A)是由AM-PM转换效应引起的相移，则x(r)=i4(r)cos(%r+yQ)=AQ)cosw(/+0+e(A)0(A)=aA2(t)/+a=4.0,/?=9.1单载波情况一只考虑一个载波，采用非线性函数%=”+从：，当输入信号为x(t)=Asinwot时，若忽略3w0t项以上的高次项(高次项被淀波器淀除)，则输出为yQ)=ax(t)+=(aA+36A/4)sin吗/+*(aA+3bA*/4)sinvv(/输出信号的平均功率为：Q)=g(aA+3必3/4)2=q+(36/2)丁其中，R=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，揄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，最大输出功率值称为饱和输出功率。48多载波情况-考虑多个载波，