CN101917728A - 一种星载处理资源池的动态分配实现结构 - Google Patents

Abstract

一种星载处理资源池的动态分配实现结构，包括PRACH前导捕获单元、信道选择单元、解扩解调资源池、时间和控制单元。PRACH前导捕获单元将卫星接收到的各输入波束信号中包含的用户信道签名信息提取出来并送至时间和控制单元。信道选择单元根据时间和控制单元的选择控制指令，从卫星接收到的输入波束信号中筛选出待处理的信道信号并送至解扩解调资源池。解扩解调资源池从信道选择单元接收筛选出的待处理信道信号，并利用时间和控制单元传递的参数信息对各待处理的信道信号进行搜索和解扩解调处理。时间和控制单元负责整个动态分配结构的控制工作。本发明实现了星载载荷处理资源池的动态分配，具有灵活性好、处理效率高的特点。

Description

一种星载处理资源池的动态分配实现结构

技术领域

本发明属于卫星通信领域，涉及一种星载载荷处理资源池的动态分配实现结构，可以与星载交换设备共同设计。

背景技术

星上资源非常宝贵，如果像地面网络一样，固定分配每个小区的资源，则会造成很大的浪费。卫星上用户天线具有上百个波束，如果把每个波束看作一个小区，则它和地面上的小区完全不同。地面上的小区基站完成处理功能，它在地理位置上是分散的，而卫星上的上百个波束处理功能都集中在星载处理器或者透明转发至信关站。显而易见，星载处理器的资源由于卫星环境的约束而非常有限。

在地面移动通信系统中，由于基站在空间的广泛分布以及成本因素，当小区呼损率过高时，最经济的方法就是小区扩容，在基站里增加几块处理板即可解决。而像globalstar这样在地面进行处理的LEO系统，在功率许可的条件下，扩容的方法与前面所述的小区扩容类似。

在基于3G及其兼容技术的GEO卫星移动通信系统中，BUTLER矩阵在波束间调配功率，如果按照每波束的最大容量来固定每个波束的处理能力，那么会造成很大的浪费(因为并不是所有波束的所有用户都同时需要服务)，这在功耗体积上将是无法接受的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种灵活性好、处理效率高的星载处理资源池的动态分配实现结构。

本发明的技术解决方案是：一种星载处理资源池的动态分配实现结构，包括PRACH前导捕获单元、信道选择单元、解扩解调资源池、时间和控制单元，其中：

PRACH前导捕获单元：将卫星接收到的各输入波束信号中包含的用户信道签名能量、签名值以及签名相位信息提取出来并送至时间和控制单元；

信道选择单元：根据时间和控制单元的选择控制指令，从卫星接收到的输入波束信号中筛选出待处理的信道信号并送至解扩解调资源池；

解扩解调资源池：从信道选择单元接收筛选出的待处理信道信号，从时间和控制单元获取与信道选择单元筛选出的待处理的信道信号对应的扩频码、扰码信息、解扩解调处理通道信息以及帧指示信息，所述的帧指示信息包括连接建立帧和连接拆除帧，根据连接建立帧利用所述扩频码、扰码信息在相应的解扩解调处理通道对待处理的信道信号进行搜索和解扩解调处理，或者根据连接拆除帧终止该信道信号的处理进入空闲状态；

时间和控制单元：为PRACH前导捕获单元和解扩解调资源池提供待处理的信道信号所属波束区域的基准时间；从卫星获取准入用户所在波束的签名能量阈值及签名序列，从PRACH前导捕获单元接收用户信道的签名能量、签名值以及签名相位信息，判断用户信道的签名能量是否满足准入用户信道签名能量阈值，若满足再将用户信道的签名值与准入用户签名序列比对，如果比对结果一致则将该用户信道信号作为待处理信号并为其分配解扩解调处理通道；将待处理信道信号的出入控制信息以及帧指示信息编制成选择控制指令送至信道选择单元；从卫星获取与信道选择单元输出的待处理信道信号对应的扩频码和扰码信息，将分配好的解扩解调处理通道信息、对应的扩频码和扰码信息以及帧指示信息送至解扩解调资源池。

所述的时间和控制单元为待处理信道信号动态分配解扩解调处理通道，根据解扩解调资源池的使用状态生成用于表示可动态调配的解扩解调处理通道忙闲状况的解扩解调资源池忙闲表，当判断用户签名信息可以准入时查找解扩解调资源池忙闲表，按照顺序分配的原则将找到的空闲解扩解调处理通道分配给准入用户，同时将连接信息记入已建连接信息表；当某一用户离开卫星系统时，根据卫星的控制指令查找已建连接信息表，将离开用户所在解扩解调处理通道置为空闲状态，同时更新解扩解调资源池忙闲表。

本发明与现有技术相比的优点在于：将星上信道捕获、辅助控制、时间管理和解扩解调处理分离成多个功能实体，解扩解调处理在实现上等同于一个解扩解调资源池(由一定数量的解扩解调单元组成)，由统一的时间和控制单元根据系统指令对其进行动态分配与调度。其中，任意一路解扩解调处理通道可以用来处理任意一个波束的任意一个信道，而该信道信号由信道选择单元送给解扩解调资源池的对应入线。控制单元和卫星之间进行信息交互，指示信道选择单元将信道信号送到正确的出线，给解扩解调资源池所需的信息完成信道的解扩解调处理，从而对解扩解调资源池进行动态分配，实现所有波束间处理资源的共享。本发明的动态分配实现结构利用星上处理资源在空间上的紧凑性，使得解扩解调资源可以在所有波束间动态实时灵活分配，在卫星资源受限的情况下，大大降低了呼叫阻塞率，提高了卫星的处理效率，满足了应用需求。

附图说明

图1为本发明动态分配实现结构的组成原理图；

图2为本发明资源池忙闲表示意图；

图3为本发明时间和控制单元的控制指令格式示意图；

图4为本发明已建连接信息表示意图；

图5为本发明时间和控制单元的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明星载处理资源池的动态分配实现结构的组成原理图，由时间和控制单元、PRACH前导捕获单元、信道选择单元和解扩解调资源池四部分构成。下面对该实现结构中的各组成部分进行详细的说明。

1、PRACH前导捕获单元

PRACH(Physical random access channel物理随机接入信道)前导捕获单元将卫星系统接收到的各输入波束信号中包含的用户波束的签名参数信息提供给时间和控制单元，由后者判决并动态分配解扩解调资源。签名参数信息包括用户信道的签名能量、签名值以及签名相位信息，通常这些信息可由匹配滤波、FHT(快速Hadamard变换)和门限判决获得。

2、信道选择单元

信道选择单元根据时间和控制单元的选择控制指令，从卫星接收到的输入波束信号中筛选出待处理的信道信号并送至解扩解调资源池。在实际应用时，可以用一个开关矩阵来实现该功能。

3、解扩解调资源池

解扩解调资源池可以被所有波束共享使用，卫星系统在接纳用户的时候为其分配扰码、扩频码以及用户签名相关信息。

解扩解调资源池从信道选择单元接收筛选出的待处理信道信号；从时间和控制单元获取与信道选择单元筛选出的待处理的信道信号对应的扩频码、扰码信息、解扩解调处理通道信息以及帧指示信息(分为连接建立帧和连接拆除帧两类)，根据连接建立帧与信道选择单元输出的信道信号建立连接，并利用扩频码、扰码信息在相应的解扩解调处理通道对各待处理的信道信号进行搜索和解扩解调处理，或者根据连接拆除帧终止该信道信号的处理进入空闲状态。

在实际应用时，根据解扩解调资源的需求和硬件板卡/芯片的处理能力，构成规模适当、满足要求的资源池。例如，一块采用具有FPGA和DSP芯片的SDR(software defined radio：软件定义无线电)板卡可以具有32路或64路解扩解调能力，那么可以根据系统要求采用若干块这样的板卡，构成规模满足技术指标的资源池。亦可采用具有多路解扩解调处理能力的ASIC芯片构成所需的资源池。

4、时间和控制单元

时间和控制单元向PRACH前导捕获单元和解扩解调资源池提供各波束区域的基准时间，同时它和卫星系统存在信息交互接口，从卫星获取准入用户所在波束的签名能量阈值及签名序列，从PRACH前导捕获单元接收用户信道的签名能量、签名值以及签名相位信息，先判断用户信道的签名能量是否满足准入用户信道签名能量阈值，若满足再将用户信道签名值与准入用户签名序列比对，如果一致则查看星上解扩解调资源池忙闲表为其分配解扩解调处理通道，同时将信道选择单元的入线序号和出线序号信息以及帧指示信息(分为连接建立帧和连接拆除帧两类)编制成选择控制指令送至信道选择单元，即根据指令建立或者拆除信道选择单元对应序号的入线和对应序号的出线之间的连接关系。时间和控制单元从卫星获取与信道选择单元输出的待处理信道信号对应的扩频码和扰码信息，将分配好的解扩解调处理通道信息及对应的扩频码和扰码信息以及帧指示信息送至解扩解调资源池(解扩解调资源池在物理实现上由若干个解扩解调单元构成，每个解扩解调单元可提供一定数目的解扩解调处理通道)。

每个波束都有自己的基准时间和PRACH前导的接入时隙，信号的接收和发射处理都以基准时间作为参考。

对于PRACH前导捕获，根据CDMA的原理，如果进行相关运算的相位点不是同步的相位点，那么输入门限判决器的值为噪声功率；如果进行相关运算的相位点是同步的相关点，那么输入门限判决器的值为信号功率。噪声功率超过门限的概率称为虚警概率，信号功率超过噪声门限的概率称为捕获概率。由理论推导可知，噪声超过门限的概率为：

$P_f={\∫}_{\mathrm{\θ}}^{\∞}\frac{e^{-Z/V}}{V}\mathrm{dZ}=e^{-\mathrm{\θ}/V}$

其中Z为门限判决器的输入，θ为门限判决器的门限值，V为噪声功率。信号过门限的概率为：

$P_d={\∫}_{\mathrm{\θ}}^{\∞}\frac{e^{-(Z+M_D^2)/V}}{V}\·B\left(\frac{2\sqrt{M_D^{2}Z}}{V}\right)\mathrm{dZ}$

其中，B(·)为0阶改进型贝塞尔函数，

为解扩后的信号功率。为了简便起见，一般门限判决器的门限值为噪声功率的正整数倍。由于解扩后的信号功率

正比于相关次数L(L为接收到的信号与本地解扰码进行相关运算的次数)的平方，根据系统要求的捕获概率和虚警概率，可以综合地选取判决门限θ与相关次数L。

签名序列是一组OVSF(正交可变扩频因子)码，它用来区分不同的接入用户。

时间和控制单元初始化时根据给定的卫星处理资源配置信息生成解扩解调资源池忙闲表，表示星上可动态调配的解扩解调处理通道的忙闲状况。通常，解扩解调资源池忙闲表由一个j行K列的表构成，如图2所示，j表示星上解扩解调单元的数目，K表示每个解扩解调单元可以提供的处理通道数目，每个表项用1bit来表示，只有两种状态，‘0’表示该处理通道空闲，‘1’表示该处理通道忙。例如假定卫星解扩解调资源池的处理能力为1024路，而每个解扩解调单元可处理32路，那么在时间和控制单元初始化时，将生成一个32＊32的表，每个表项均为‘0’，每行占用4字节，共128字节，其中，K＝32，J＝32。

该结构中存在的指令分为三类，如图3所示，系统指令(由卫星系统给时间和控制单元)，信道选择单元控制指令(由时间和控制单元给信道选择单元)和解扩解调资源池控制指令(由时间和控制单元给解扩解调资源池)。卫星系统为某一用户建立连接时，发送图中所示的帧指示为“01”的系统指令帧；卫星系统拆除某一用户的连接时，发送图中所示的帧指示为“10”的系统指令帧。

时间和控制单元除了生成、维护、保存更新解扩解调资源池忙闲表之外，还需动态更新维护已建连接信息表，已建连接信息表如图4所示，该表由N行组成，N表示星上可接纳的连接数目，每行的表项包括信道选择单元的入线序号、出线序号以及分配的解扩解调处理通道序号，各表项按照连接号从小到大依次排列。每建立一个连接，在该信息表中填写连接号对应行的内容，每拆除一个连接，在该信息表中清空连接号对应行的内容。

在解扩解调资源池分配时，按照“逐个查看顺序分配”的原则分配资源，即每次分配时，从第一个解扩解调单元开始查看，采用遍历算法搜索解扩解调资源池忙闲表，即从图2所示的第一行开始逐行比较，用A[i]表示解扩解调资源池第i行的连续K个比特，A[i][j]表示第i个解扩解调单元的第j个处理通道，在图2中对应为1个表项，即1比特，若该bit为‘0’，说明该通道空闲，若该bit为‘1’，说明该通道忙。

若A[1]&“1111...11”！＝“1111...11”，说明解扩解调单元1有空闲处理资源，将A[1]中选中的比特0的行列序号记录下来，即A_1j＝0，1表示行序号，j表示列序号，同时将该比特置1(更新资源池表)。若A[1]&“1111...11”＝“1111...11”，则开始比较第二行，直到A[1]&“1111...11”！＝“1111...11”时停止。

当卫星系统准入某一用户时，卫星告知时间和控制单元该准入用户所在的波束号、签名能量阈值及签名序列，以及为该用户分配的扰码、扩频码信息；时间和控制单元判断用户签名信息可以准入时查看解扩解调资源池忙闲表，按照上述的分配原则将找到的第一个空闲解扩解调处理通道分配给该准入用户，将处理该通道序号和系统为该准入用户配置的扰码、和扩频码信息以及帧指示信息(连接建立帧)编制成解扩解调资源池可以识别的控制指令送到解扩解调资源池；同时根据用户所在波束号确定信道选择单元的入线序号，根据处理通道序号确定信道选择单元的出线序号，将入线序号、出线序号以及帧指示信息(连接建立帧)编制成选择控制指令送至信道选择单元。

当某一用户离开卫星系统时，卫星系统通知时间和控制单元释放已分配的解扩解调资源，时间和控制单元将根据系统给的连接标号去查找已建连接信息表，找到该连接号对应的已分配的信道选择单元的入线序号、出线序号以及解扩解调处理通道序号；将信道选择单元的入线序号、出线序号和帧指示信息(连接拆除帧)编制成控制指令发送给信道选择单元，将解扩解调处理通道序号和帧指示信息(连接拆除帧)编制成控制指令发送给解扩解调资源池。

本发明实现结构的具体工作过程如图5所示。PRACH前导捕获单元对波束内的用户签名信息逐一提取送至时间和控制单元，时间和控制单元判断其是否可以准入，若准入，则根据解扩解调资源池忙闲表分配处理资源，并分别生成连接指令发送给信道选择单元和解扩解调资源池，并将分配结果报告给卫星系统；当连接拆除时，卫星系统告知时间和控制单元，时间和控制单元分别生成释放指令发送给信道选择单元和解扩解调资源池。

实施例

设某基于3G及其兼容技术的GEO卫星移动通信系统的有效载荷基本组成如为：109个波束，采用WCDMA通信体制，每个波束包含128个信道，采用数字波束成型网络技术，具备透明载荷和处理载荷，其再生处理交换能力可同时支持109波束内任意512对用户(对应1024个信道)的一跳通信能力。将星载处理器看作服务机构，它的服务员个数是固定的(1024)，而用户则是随机分布于109个波束中(109＊128)，需要根据卫星系统的分配指令才能获得用户的相关信息为用户提供服务。

采用本发明的动态分配实现结构，为随机分布于109个波束(每个波束128路用户)的任意1024路用户提供无丢失服务。因为下行信号处理主要完成1024路信道的109个波束的汇聚，通过基带交换可以协助完成，故不再强调。

109个波束中只有1024个用户可以获得星上一跳处理，接收DBF(DiaitalBeam Forming：数字波束成形)出来的109个波束信号分一路送于下行馈电链路处理，其余用户(109＊128-1024)将在地面信关站进行处理，处理完成形成109个波束由上行馈电链路送至卫星系统，与星上处理设备送出的109个波束(1024路信道信号通过基带交换单元和下行信号处理单元后形成109个波束)信号进行波束合路后送给发射DBF。

如图1所示，卫星配备信道选择单元从109个波束信号中动态选择需要处理的1024路信道信号送给解扩解调资源池，同时109个波束信号分路送至上行处理设备中的前导捕获模块，该模块将进行前导信息的获取，并交由时间和控制单元进行星上处理资源池的分配与调度。

当卫星系统准入某一用户时，卫星告知时间和控制单元该准入用户所在的波束号、签名能量阈值及签名序列，以及为该用户分配的扰码、扩频码信息。

PRACH前导捕获单元在波束的接入时隙上进行捕获，并向时间和控制单元报告捕获到的用户签名值、签名相位和签名能量。

时间和控制单元判断用户签名信息是否可以准入，若可以准入，则查看32＊32的解扩解调资源忙闲表，按照“逐个查看顺序分配”的分配原则将找到的第一个空闲解扩解调处理通道分配给该准入用户，将处理该通道序号和系统为该准入用户配置的扰码、和扩频码信息以及帧指示信息编制成解扩解调资源池可以识别的控制指令送到解扩解调资源池；同时根据用户所在波束号确定信道选择单元的入线序号，根据处理通道序号确定信道选择单元的出线序号，将入线序号、出线序号以及帧指示信息(连接建立帧)编制成选择控制指令送至信道选择单元。

信道选择单元为一个109＊1024的空分交换矩阵，每根出线连接1个109选1的选择型开关，该开关输入为109路波束信号，出线连接解扩解调资源池的某根入线，此时N＝109，M＝1024。其内部的控制模块接收到控制指令，则根据出线序号选定对应的选择型开关，将入线序号以控制字的形式送给选择型开关以选择对应的入线信号。

解扩解调资源池由32个解扩解调单元组成，每个解扩解调单元由1块具备32路解扩解调能力的处理子板实现。解扩解调资源池内部有一个控制接口，将接收到的来自时间和控制单元的控制指令送到对应的解扩解调处理板，由其完成对应入线输入信号的解扩解调处理。

当某一用户离开卫星系统时，卫星通知时间和控制单元释放已分配的解扩解调资源，系统指令格式见图3。

时间和控制单元维护、保存和更新行数为1024的已建连接信息表，根据系统指令给的连接标号去查找已建连接信息表，找到该连接已分配的信道选择单元的入线序号、出线序号以及解扩解调处理通道序号，将信道选择单元的入线序号、出线序号和帧指示信息编制成控制指令发送给信道选择单元，将解扩解调处理通道序号和帧指示信息编制成控制指令发送给解扩解调资源池。

信道选择单元则根据出线序号选定对应的选择型开关，关闭其输出。

解扩解调资源池内部的控制接口，将接收到的来自时间和控制单元的释放指令送到对应的解扩解调处理板，指示其停止某路入线信号的解扩解调处理。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种星载处理资源池的动态分配实现结构，其特征在于包括：PRACH前导捕获单元、信道选择单元、解扩解调资源池、时间和控制单元，其中：

PRACH前导捕获单元：将卫星接收到的各输入波束信号中包含的用户信道签名能量、签名值以及签名相位信息提取出来并送至时间和控制单元；

信道选择单元：根据时间和控制单元的选择控制指令，从卫星接收到的输入波束信号中筛选出待处理的信道信号并送至解扩解调资源池；

解扩解调资源池：从信道选择单元接收筛选出的待处理信道信号，从时间和控制单元获取与信道选择单元筛选出的待处理的信道信号对应的扩频码、扰码信息、解扩解调处理通道信息以及帧指示信息，所述的帧指示信息包括连接建立帧和连接拆除帧，根据连接建立帧利用所述扩频码、扰码信息在相应的解扩解调处理通道对待处理的信道信号进行搜索和解扩解调处理，或者根据连接拆除帧终止该信道信号的处理进入空闲状态；

时间和控制单元：为PRACH前导捕获单元和解扩解调资源池提供待处理的信道信号所属波束区域的基准时间；从卫星获取准入用户所在波束的签名能量阈值及签名序列，从PRACH前导捕获单元接收用户信道的签名能量、签名值以及签名相位信息，判断用户信道的签名能量是否满足准入用户信道签名能量阈值，若满足再将用户信道的签名值与准入用户签名序列比对，如果比对结果一致则将该用户信道信号作为待处理信号并为其分配解扩解调处理通道；将待处理信道信号的出入控制信息以及帧指示信息编制成选择控制指令送至信道选择单元；从卫星获取与信道选择单元输出的待处理信道信号对应的扩频码和扰码信息，将分配好的解扩解调处理通道信息、对应的扩频码和扰码信息以及帧指示信息送至解扩解调资源池。

2.根据权利要求1所述的一种星载处理资源池的动态分配实现结构，其特征在于：所述的时间和控制单元为待处理信道信号动态分配解扩解调处理通道，根据解扩解调资源池的使用状态生成用于表示可动态调配的解扩解调处理通道忙闲状况的解扩解调资源池忙闲表，当判断用户签名信息可以准入时查找解扩解调资源池忙闲表，按照顺序分配的原则将找到的空闲解扩解调处理通道分配给准入用户，同时将连接信息记入已建连接信息表；当某一用户离开卫星系统时，根据卫星的控制指令查找已建连接信息表，将离开用户所在解扩解调处理通道置为空闲状态，同时更新解扩解调资源池忙闲表。

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