星上路由交换与处理技术.pptx
1星上交换是指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输路信息进行分类、打包和安排合适的传输路径径，完成信息的高效传输。卫星系统的业务数据、卫星系统的业务数据、信令、测控及网络管理信息信令、测控及网络管理信息，其交换均在星上完成。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同一目标的信息打包，信息打包，提供给相应的转发器，经过调制并上变频后，发往相应的目标。一、星上交换技术一、星上交换技术第1页/共65页2减少传输时延，星载多波束通过交换来改善业务传输的实时性，解决大容量的信息高速传输问题星间链路可以扩大覆盖范围，星间路由需要星上交换来完成上下行链路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，频率利用效率高星上交换的意义星上交换的意义第2页/共65页3星上交换需考虑的因素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：电路或分组交换大业务量：ATM交换网络结构星形结构星形结构：交换在关口站进行网状结构网状结构：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第3页/共65页4星上交换的实现方法星上交换的实现方法对微波射频信号进行交换转发器装载具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的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第4页/共65页5宽带卫星通信中的交换宽带卫星通信中的交换轨道位置：东经119.5o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卫星卫星宽带卫星通信是未来的重点发展方向之一，需要很高的宽带卫星通信是未来的重点发展方向之一，需要很高的EIRP和和G/T值，点波值，点波束可以满足此要求。信息交换在波束之间进行，不仅在同一波束的不同用户束可以满足此要求。信息交换在波束之间进行，不仅在同一波束的不同用户之间进行，还要在不同波束用户之间进行。以之间进行，还要在不同波束用户之间进行。以IPSTAR系统为例说明。系统为例说明。第5页/共65页6IPSTAR-1卫星对中国的覆盖卫星对中国的覆盖点波束点波束成形波束成形波束广播波束广播波束l2323个KuKu波段双向点波束覆盖中国中东部地区l1 1个KuKu波段单向广播波束重叠覆盖中东部地区l1 1个双向成形波束覆盖中国西部地区l通信容量:约12Gbps12Gbpsl3个关口站：北京、上海、广州第6页/共65页7星上交换体制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第7页/共65页8收发双方在通信前建立一条被双方独占的物理传送通路，占用资源可以是时隙时隙/子频带子频带/扩频码扩频码。若利用时隙来承载业务，在通信过程中该时隙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）星载电路交换第8页/共65页9l星上交换时分多址（星上交换时分多址（SS-TDMA）第9页/共65页10交换矩阵示意图第10页/共65页11 通路时段上行 下行波束 波束上行 下行波束 波束上行 下行波束 波束上行 下行波束 波束T11 22 13 44 3T21 32 23 14 4T31 42 33 24 1T41 12 43 34 2不同时隙的开关连接状态不同时隙的开关连接状态第11页/共65页12星上交换频分多址星上交换频分多址(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。第12页/共65页13星载电路交换的优缺点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第13页/共65页14星载分组交换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、目的地址等信息，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。星载星载ATM交换交换：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。星载星载IP交换交换：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。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。第14页/共65页15星载分组交换必须优化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第15页/共65页16星载分组交换的优缺点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第16页/共65页17电路交换和分组交换的比较电路交换和分组交换的比较效率效率：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。业务接入业务接入：电路交换较难实现,分组交换较易实现。结论：结论：分组交换比电路交换在效率、切换和业务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接入几个方面有较大的优势。第17页/共65页18多协议标签交换（多协议标签交换（Multi-protocol Label Switching,MPLS）MPLS结合结合ATM与与IP两种技术，采用定长标签，将第将第2层交换和第层交换和第3层路由结合起来层路由结合起来，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第18页/共65页19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更加成熟稳定三种交换方式比较三种交换方式比较第19页/共65页二、卫星网络路由技术二、卫星网络路由技术离散时间动态虚拟拓扑路由方案DT-DVTR时间虚拟化通信链路切换触发更新 无负载平衡功能基于逻辑位置的分布式路由方案（DRA）空间虚拟化(覆盖区域虚拟化)数据传输触发更新分布式负载平衡第20页/共65页离散时间动态虚拟拓扑路由方案DT-DVTR算法就是根据卫星运行的周期性，把整个卫星运行周期分成K个等间隔t,t=T/K，其中T是卫星运行一圈所需时间。假定星座状态的变化都发生在每个t开始的时刻。第21页/共65页所有卫星向运行方向每移动22.5就会有两组水平环进入极区同时两组水平环出极区。在任意时刻都有两组水平环处于极区位置。T1=115/(360/22.5)=7.1875min一个周期内共分360/22.5=16个时间片。但是经过分析可以发现第1个时间片与第9个时间片在卫星网络的连接关系是相同的，第2个和第10个也是相同的，以此类推，因此一共仅需8个时间片即可表示空间段中所有卫星网络拓扑情况。离散时间动态虚拟拓扑路由方案(续)第22页/共65页离散时间动态虚拟拓扑路由方案(续)第23页/共65页优点：DT-DVTR算法利用卫星运动的规律性降低星上路由计算的复杂度，采用最短路径方式确定数据包的传输路径，因此在正常情况其时延有优势缺点：不能适应突发性错误改进思路卫星识别本节点的发送队列情况利用应答机制删除路径重新解算最优路径离散时间动态虚拟拓扑路由方案(续)第24页/共65页基于逻辑位置的分布式路由算法基于逻辑位置的分布式路由算法（DRA）是对覆盖区域虚拟化，其优点是无需预先进行路由计算，根据路由策略以及流量负载、故障等情况实时选择路径，适应性较强，所需的存储空间较小。其缺点是，由于路由计算利用局部状态信息，所以路由不一定最优，而且对星上的处理能力要求较高。第25页/共65页逻辑区域划分：按照卫星排列情况，将地球表面划分为48个区域。对每个逻辑区用(P,S)表示。l逻辑位置更新：对S进行更新，Ts1=Tp/M；对P进行更新，Th2=Te/(2N)。基于逻辑位置的分布式路由算法(续)第26页/共65页在DRA算法中，卫星将对每一个到来的包进行独立地处理，决定其下一跳的方向。下一跳的决定包含三个步骤：方向估计方向增强拥塞避免DRA算法对卫星失效提出了重路由策略基于逻辑位置的分布式路由算法(续)第27页/共65页28存储转发和基带处理，如信息压缩和重新组帧、信令处理、路由选择星上再生处理，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三、星上处理（三、星上处理（OBP）技术）技术第28页/共65页29星上处理关键技术星上处理关键技术高性能星上接收技术波束成形技术比特再生处理解调/重调制解码/重编码解交织/重交织星间链路技术：链路建立、捕获、跟踪星上网络控制技术（含网络协议）第29页/共65页30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。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。四、星载转发器第30页/共65页31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1000瓦的通信卫星称为小容量卫星；有24个转发器，功率在10003000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有48个转发器，功率在30007000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。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，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。转发器数量与系统容量的关系转发器数量与系统容量的关系第31页/共65页32卫星转发器类型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。第32页/共65页33透明转发器（弯管式转发器）透明转发器（弯管式转发器）结构简单性能可靠适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况抗干扰能力差处理转发器处理转发器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两种转发器特点比较第33页/共65页34（一）透明转发器（弯管式转发器）（一）透明转发器（弯管式转发器）星载透明转发器结构图星载透明转发器结构图第34页/共65页35透明转发器（弯管式转发器）原理方框图透明转发器（弯管式转发器）原理方框图第35页/共65页36透明转发器的非线性特性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第36页/共65页37星上高功率放大器的典型特性星上高功率放大器的典型特性第37页/共65页38透明转发器的透明转发器的AM-AM、AM-PM效应和互调分量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，表示为其中a、b、c等是常数，并交替取正、负值，且 ，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AM-PM转换效应。设x(t)和y(t)分别为输入和输出，A(t)是输入信号包络，(A)是由AM-PM转换效应引起的相移，则第38页/共65页39单载波情况只考虑一个载波，采用非线性函数 ，当输入信号为 x(t)Asinw0t时，若忽略3w0t 项以上的高次项（高次项被滤波器滤除），则输出为输出信号的平均功率为：其中，Pi=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，最大输出功率值称为饱和输出功率。第39页/共65页40多载波情况考虑多个载波，输入信号表示为 x(t)=Asinw1t+Bsinw2t+Csinw3t+。根据非线性函数 ，则输出为从上式可看出，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2fi-fj 和fi+fj-fk。三阶和五阶互调分量第40页/共65页41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，根据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，。采用非线性函数 ，经过转发器的输出信号，频率为w1和w2的信号幅度为：其每一个输出载波的平均功率为：其中Pi=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Pi=-2a/(27b)时，每一个载波的输出功率达到最大(为-8a3/243b)。同单载波情况相比，两个等幅载波每个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率的2/3，总饱和输出功率也是单载波饱和输出功率的2/3。第41页/共65页42对抗透明转发器对抗透明转发器AM-AM、AM-PM和互调分和互调分量影响的措施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。第42页/共65页43（二）处理转发器具有交换和处理的功能处理转发器分类 载波处理转发器比特流处理转发器全基带处理转发器 第43页/共65页44三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可能包括译码和重编码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、重组帧等具有星上再生能力，例如解调/重调制，译码/重编码第44页/共65页45解调解调再调制转发器结构再调制转发器结构l解调解调-再调制转发器再调制转发器第45页/共65页46l星载路由器星载路由器星载中频路由转发器第46页/共65页47具有动态波束形成的星载转发器第47页/共65页48五、星上抗干扰技术五、星上抗干扰技术卫星通信系统面临的干扰威胁示意图第48页/共65页49根据干扰机位置对干扰分类根据干扰机位置对干扰分类地基干扰地面固定、车载和舰载等大型的干扰站：比较隐蔽，干扰功率大，上行干扰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，下行干扰或上行跳频链路干扰下行干扰或上行跳频链路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，上下行上下行干扰干扰第49页/共65页50干扰方式和干扰信号样式干扰方式和干扰信号样式干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样式单音干扰、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、跟踪式干扰第50页/共65页51卫星通信系统接收机遭受的有意干扰方式第51页/共65页52星上功率掠夺现象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“吃掉吃掉”星上的功率资源星上的功率资源，使通信无法正常进行，这一现象称为星上功率“掠夺”现象。第52页/共65页53干扰对透明转发器的影响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。第53页/共65页54卫星通信系统抗干扰措施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 AGC技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）技术第54页/共65页55干扰源定位与自适应调零一体化实现方案基于信号到达方向波束形成技术的调零天线第55页/共65页56基于信号到达方向波束形成技术的调零天线实基于信号到达方向波束形成技术的调零天线实现方案现方案首先采用干扰源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）方向估计获得有用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。第56页/共65页57基于信号到达方向的波束形成算法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个窄带辐射源（dN），中心频率在已知角频率w0附近，相应的DOA参数分别为 ，其中 表示第k个辐射源的方位角和仰角。在时刻n，第i个波束的输出信号为：式中，sk(n)为第 k个辐射源的信号形式，ni(n)为第i个波束接收通道的加性高斯白噪声，ai(k)为第k个辐射源在第i个波束的二维空间响应函数。对于多波束天线，ai(k)可表示为：，其中，J1(.)为第一类一阶贝塞尔函数；为天线效率；D为天线孔径大小；为辐射源信号波长；i,i代表第i个波束指向中心。第57页/共65页58基于信号到达方向的波束形成算法（续）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n接收的N个点波束的响应信号写成矢量，则其中A()的d个N1列矢量使多波束天线对应于从d个不同入射方向信号的响应矢量。第58页/共65页59基于信号到达方向的波束形成算法（续）基于信号到达方向的波束形成算法（续）零向波束合成器假设已知有p个期望信号入射到天线上，其电波到达方向分别为（1,p），且有q个干扰信号，其来波到达方向为（p+1,p+q）。期望信号和干扰信号的总数要小于多波束天线的点波束个数，即p+qN。零向波束合成器的准则要求同时满足 是多波束天线的加权系数矢量，是多波束天线在方向k上的方向响应矢量。上式保证天线在期望信号方向的增益为1，而在干扰信号的来波方向响应为零，从而抑制干扰。第59页/共65页60星上信道化干扰陷波技术星上信道化干扰陷波技术星上信道化干扰陷波实现结构接收信号经A/D变换后，应用滑动的数字带阻滤波器或DFT，通过地面或星上检测到干扰位置和个数，就可以实现干扰位置的陷波。最后，由D/A模块将数字信号变为模拟信号。第60页/共65页61Smart AGC 组成框图Smart AGC 技术根据强干扰与直扩信号包络特性的不同特点，通过自适应包络变换实现强干扰的抑制。自适应包络变换是一种零区可变的非线性部件自适应包络变换是一种零区可变的非线性部件，输出特性如下图，包括零区、线性区和限幅区。Smart AGC输入输出特性零区根据干扰信号包络的大小进行自适应调节，当无上行干扰时，该装置不进行包络处理，相当于线性放大器；当检测到强干扰时，将包络线性放大区右移，从而产生零区，使干扰落入零区而被消除，而叠加在强干扰上的小信号部分被放大。第61页/共65页62基于再生处理转发器的宽带跳频技基于再生处理转发器的宽带跳频技术术解跳转发处理转发器原理框图解跳、解调转发处理转发器原理框图解跳、解调、解码转发处理转发器原理框图第62页/共65页63基于再生处理转发器的直扩基于再生处理转发器的直扩(DS)技技术术DS解调转发处理转发器原理框图第63页/共65页64作业作业分析卫星通信系统采用何种交换技术和路由协议比较合适。分析卫星通信系统抗干扰技术的现状、发展趋势及需要解决的关键技术问题。第64页/共65页65感谢您的观看！第65页/共65页
