CN114422961A - 一种多域灵活的通信柔性转发处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其中，星上时间基准产生模块根据系统的交换关系自主产生动态交换所需要的时间控制信息以及对地时间基准广播信号，并在规划的子带对地面广播时间同步信号；其次，同步化动态综合交换模块在时间基准产生模块产生的周期性控制信号的控制下实现动态的信道化交换，支持不同时间下各端口子带的不同映射关系；最后地面设备通过测量两个连续时间广播信号之间的时间差值，与交换周期计数器里给出的值进行对比计算频率和时间的校准参数并进行补偿，实现星地同步。该方法实现了时域与频域相结合的动态灵活转发，进一步提升频率资源的使用效率和组网灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向高通量卫星等通信载荷中的多域灵活的通信柔性转发处理系统，该方法主要用于卫星通信载荷中的灵活处理载荷，属于卫星通信技术领域。
背景技术
数字透明处理器(DTP)是宽带以及高通量(HTS，High Throughput Satellite)通信卫星的主载荷，核心部分采用基于近似完美滤波的数字信道化/信道合成、子带交换等技术，结合子带功率估计、子带增益控制等功能，具有多体制支持能力强、链路连接灵活可变、频率规划按需可变等突出特点。数字透明处理器相比传统弯管式转发器，在保证一定处理容量的同时，具有控制灵活度和资源利用率高的特点，可提供子信道级别的转发关系，从而实现任意上行波束和任意下行波束间任意子信道的交链；功率、频率资源“池化”，实现系统效率的优化；基于子信道波形的重构技术，可实现无失真的业务传输；与空口体制松耦合，系统实现方式灵活；星上交换支持点到点、广播、组播等多种工作方式，可满足各类应用需求。
目前正在使用的数字透明处理器能够实现各个端口以子带为颗粒度的频率交链关系，实现了频率资源的高效灵活使用，但该频率关系一旦配置，端口间的连接关系就确定了，如果需要更改的话需要重新配置，无法实现动态的端口之间的频率映射关系。传统数字透明处理器的原理框图及交换关系如图1所示。
卫星交换时分多址接入技术SS-TDMA(Satellite Switched Time DivisionMultiple Access)是20世纪80年代发展起来的为解决多个点波束区域之间互联互通的一种卫星多址技术。传统SS-TDMA相关的星上载荷主要由微波开关矩阵(MSM，MicrowaveSwitch Matrix)以及数字控制单元(DCU，Digital Control Unit)组成，其主要优点是通过一个重量轻的星上开关矩阵实现所有波束的动态互连，提高了组网的灵活性。但该技术只能支持波束级粗颗粒度的交换，同时需要精密的同步技术保证各地面站以及卫星之间的时间同步，基于SS-TDMA交换的载荷原理及应用示意图如图2所示。
传统的数字透明转发能够充分利用频率资源的优势，以子带为颗粒度实现多个波束之间的频域灵活互联，但是其主要缺点是波束间的频率连接关系固定，动态性不足。传统的SS-TDMA载荷主要面向透明转发器，能够实现多个波束之间的时域动态互联，但其主要以波束整带宽粗颗粒度为频率使用单元，在支持的终端类型、组网规模上相对不足。
本发明主要面向未来灵活通信载荷的发展需求，充分结合传统的数字透明转发以及SS-TDMA载荷的优点，实现时域与频域相结合的动态灵活转发，进一步提升频率资源的使用效率。
国外相关文献在灵活处理载荷的研究上重点研究传统数字透明转发处理与MPA以及和再生处理相结合的领域。例如文献1“Flexible Payload Operations of SatelliteCommunication Systems”(Elena Godino,Luis Escolar，GMV Tres Cantos(Madrid)，SpaceOps Conferences，2018)提出了一种数字透明转发与多端口放大器MPA相结合的灵活处理方法，该方法主要实现载荷的频率与功率的联合优化，提高功率的使用效能。文献2“Gateway Diversity via Flexible Resource Allocation in a Multibeam SS-TDMASystem”(Argyrios Kyrgiazos,Student Member，IEEE COMMUNICATI ONS LETTERS，2013)，给出了一种将SS-TDMA技术应用到HTS系统中实现用户波束与信关站之间灵活转发的使用模式用于提升系统的可靠性，但并未给出对应的星上灵活载荷的实现方式。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明给出了一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，该系统支持时频域动态转发，实现数字透明转发系统频率资源的优化使用及组网灵活性的提升。
本发明的技术解决方案是：一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，该系统包括星上时间基准产生模块、同步化综合交换模块；其中：
星上时间基准产生模块，根据预设的交换关系，自主产生动态交换所需要的周期脉冲信号、时隙脉冲信号、时间控制信息以及对地时间基准广播信号，发送给同步化动态综合交换模块；所述周期脉冲信号为周期与交换周期T相等的脉冲信号；时隙脉冲信号为周期与交换周期T内的时隙周期相等的脉冲信号，而且，交换周期T内第一个时隙脉冲信号与周期脉冲信号同步；所述时间控制信息与时隙脉冲信号同步，包括当前时隙对应的交换关系序号；所述对地时间基准广播信号包括前导头和预设的交换周期计数值，与周期脉冲信号同步；
同步化动态综合交换模块，在时隙脉冲信号的控制下实现动态的信道化灵活交换，支持不同时间下输入端口到输出端口不同子带之间的变换；在周期脉冲信号到来时，每个输出端口在规划的子带将对地时间基准广播信号发送至地面；
地面设备，测量得到两个连续对地时间基准广播信号之间的时间差值，记为地面交换周期，根据对地时间基准广播信号中预设的交换周期计数值计算得到星上交换周期，根据地面交换周期与星上交换周期的差值，计算地面时钟与星上偏差和频率偏差，并进行补偿，实现星地时间同步。
优选地，所述灵活交换所需要的交换周期T和一个交换周期内交换关系数W可根据系统需求进行配置。
优选地，所述时间基准广播信号在每个输出端口的边缘子带上进行周期性播发，时间基准广播信号的第一个符号的上升沿与交换周期的起始时刻一致，所述边缘子带为中心频率最小或者最大的频率子带。
优选地，所述时间基准广播信号的前导头由PN序列组成，相邻波束发送的时间基准广播信号采用不同的PN序列，交换周期计数为32bit，单位为ns。
优选地，地面设备按照分配的交换时隙补偿星地之间的距离偏差后发送业务数据，实现整个系统的SS-TDMA时间同步。
优选地，所述同步化综合交换模块包括TST交换模块、交换参数配置存储模块、定时装载器；其中：
TST交换模块，用于按照交换配置表，通过时分和空分相结合的方式，实现输入端口和输出端口之间的灵活交换，包括相同编号输入端口和输出端口相同子带变换，相同编号输入端口和输出端口不同子带的变换、不同编号输入端口和输出端口相同子带的变换、不同编号输入端口和输出端口不同子带的变换；
交换参数配置存储器，在外部交换参数控制信号的控制下将一个交换周期内T内所有W次交换关系交换所需的参数全部加载到交换配置表中，存储W中交换关系所对应的交换配置表；
定时装载器，在时隙脉冲到来时，将当前时隙对应的交换关系序号所对应的交换配置关系装载到TST交换模块。
优选地，所述TST交换模块包括K个一级时分交换单元、K个空分交换模块、K个二级时分交换单元；
交换配置表包括输入时分交换级K个时分交换单元的配置信息、空分交换级M个子带的空分交换配置信息和输出时分交换级K个时分交换单元的配置信息，这些配置信息描述了当前TST交换模块所能支持的全部交换关系，实现了对卫星频域和空域资源的交换。
所述交换配置表存储W组，每组对应W个时隙中的一个特定时隙的交换配置表，W为交换关系数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过将传统的数字透明转发与SS-TDMA交换进行了有效融合，相对于传统的数字透明转发模式，能够根据业务需求实现动态的交换关系，有效提升了系统的频率资源使用效率，提升了组网的灵活性；
(2)、本发明通过星上自主产生动态交换所需要的时间控制信息以及对地时间基准广播信号，并在规划的子带对地面广播时间同步信号实现地面同步星上的同步方式，相对传统的SS-TDMA同步方法同步过程简单，同步时间快。
(3)、本发明交换周期及交链关系可按需配置，提升了系统频率资源的使用效率以及组网能力，提升了载荷应用的灵活性；
(4)、本发明支持多种交换关系的快速同步切换，且切换过程中不影响已有业务的状态；
(5)、发明提供的基于地面同步星上的SS-TDMA交换同步方法，相对传统的SS-TDMA同步方法同步过程简单，同步时间快。
附图说明
图1传统数字透明处理器载荷组成及应用示意图；
图2传统SS-TDMA载荷组成原理示意图；
图3多域灵活通信柔性转发处理载荷框图；
图4动态交换关系周期配置示意图；
图5动态交换后不同时间内的子带交换关系示意图；
图6同步化动态交换组成及原理图；
图7同步化TST交换模块组成图；
图8基准广播信号与交换周期示意图；
图9时间广播信号组成图；
图10时间广播信号子带内配置示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，该系统包括星上时间基准产生模块、同步化综合交换模块；其中：
星上时间基准产生模块，根据预设的交换关系，自主产生动态交换所需要的周期脉冲信号、时隙脉冲信号、时间控制信息以及对地时间基准广播信号，发送给同步化动态综合交换模块；所述周期脉冲信号为周期与交换周期T相等的脉冲信号；时隙脉冲信号为周期与交换周期T内的时隙周期相等的脉冲信号，而且，交换周期T内第一个时隙脉冲信号与周期脉冲信号同步；所述时间控制信息与时隙脉冲信号同步，包括当前时隙对应的交换关系序号；所述对地时间基准广播信号包括前导头和预设的交换周期计数值，与周期脉冲信号同步；所述灵活交换所需要的交换周期T和一个交换周期内交换关系数W可根据系统需求进行配置。
同步化动态综合交换模块，在时隙脉冲信号的控制下实现动态的信道化灵活交换，支持不同时间下输入端口到输出端口不同子带之间的变换；在周期脉冲信号到来时，每个输出端口在规划的子带将对地时间基准广播信号发送至地面；
地面设备，测量得到两个连续对地时间基准广播信号之间的时间差值，记为地面交换周期，根据对地时间基准广播信号中预设的交换周期计数值计算得到星上交换周期，根据地面交换周期与星上交换周期的差值，计算地面时钟与星上偏差和频率偏差，并进行补偿，实现星地时间同步。
所述时间基准广播信号在每个输出端口的边缘子带上进行周期性播发，时间基准广播信号的第一个符号的上升沿与交换周期的起始时刻一致，所述边缘子带为中心频率最小或者最大的频率子带。所述时间基准广播信号的前导头由PN序列组成，相邻波束发送的时间基准广播信号采用不同的PN序列，交换周期计数为32bit，单位为ns。
地面设备按照分配的交换时隙补偿星地之间的距离偏差后发送业务数据，实现整个系统的SS-TDMA时间同步。
所述同步化综合交换模块包括TST交换模块、交换参数配置存储模块、定时装载器；其中：
TST交换模块，用于按照交换配置表，通过时分和空分相结合的方式，实现输入端口和输出端口之间的灵活交换，包括相同编号输入端口和输出端口相同子带变换，相同编号输入端口和输出端口不同子带的变换、不同编号输入端口和输出端口相同子带的变换、不同编号输入端口和输出端口不同子带的变换；
交换参数配置存储器，在外部交换参数控制信号的控制下将一个交换周期内T内所有W次交换关系交换所需的参数全部加载到交换配置存储器中，存储W种交换关系所对应的交换配置表；
定时装载器，在时隙脉冲到来时，将当前时隙对应的交换关系序号所对应的交换配置关系装载到TST交换模块。
所述TST交换模块包括K个一级时分交换单元、K个空分交换模块、K个二级时分交换单元；
交换配置表包括输入时分交换级K个时分交换单元的配置信息、空分交换级M个子带的空分交换配置信息和输出时分交换级K个时分交换单元的配置信息，这些配置信息描述了当前TST交换模块所能支持的全部交换关系，实现了对卫星频域和空域资源的交换。
所述交换配置表存储W组，每组对应W个时隙中的一个特定时隙的交换配置表，W为交换关系数。
实施例：
本发明一种典型多域灵活通信柔性转发处理载荷作为本发明的实施例对本发明进行详细描述，该载荷简化框图如图3所示，多域灵活通信柔性转发处理载荷在传统数字透明处理转发载荷的基础上，增加了星上时间基准产生模块，并将原有的支持频率域交换的综合交换处理模块改进为支持时频域动态交换的同步化综合交换模块。载荷的组成介绍如下：
(1)、星上时间基准产生模块：根据系统的交换关系自主产生动态交换所需要的时间控制信息，整个灵活交换所需要的交换周期T和一个交换周期内交换关系数W可根据系统需求进行配置，交换时间周期关系如图4所示。
(2)、同步化动态综合交换模块：该模块的主要功能是在时间基准产生模块产生的周期性控制信号的控制下实现动态的信道化交换，支持不同时间下各端口子带的不同映射关系，在动态交换关系变化过程中，原有不变的交换关系业务不受影响，动态交换后不同时间内的子带交换关系如图5示意所示。
(3)、数字信道分路处理模块和数字信道合路处理模块基本功能和传统的数字透明转发处理器相关模块的功能相同，实现端口信号的子带分路合子带合路处理，不同的是针对数字信道合路处理模块中的子带增益调节由原来的静态调节改为动态调节，根据交换关系对增益的不同需求动态改变。
由以上组成可知，多域灵活通信柔性转发处理载荷能够实现动态的端口间子带交换，交换周期和一个交换周期内的交换次数可按需配置，极大的提高了系统频率资源的使用效率，同时基于星上自主产生时间基准的方式也简化了系统的同步复杂度，提高了同步效率。下面重点介绍同步化动态交换实现流程及系统时间同步流程。
(1)同步化动态交换实现方法
在多域灵活通信柔性转发处理载荷的组成中，同步化动态交换方法的设计是整个系统的关键，需要保证交换关系按照系统规划的需要进行动态变化，同时也要简化星上实现复杂度，便于用更可靠的处理器实现，图6给出了一种同步化动态交换的实现流程图。
同步动态交换网络由TST交换模块、交换参数配置存储模块以及定时装载器组成。TST交换模块通过时分和空分相结合的方式实现同一端口内不同子带以及不同端口之间的交换，为传统数字透明转发器常规模块；交换参数配置存储模块用于存储动态交换所需的所有交换配置关系；定时装载器根据时间计划将不同的交换配置关系装载到TST交换模块，整个动态交换的实现步骤如下：
1)、交换参数配置存储模块在外部交换参数控制信号的控制下将一个交换周期内T内所有W次交换所需的参数全部加载到交换配置表中；每个交换配置表对应一次交换关系，只有在一个交换周期T内交换关系发生变化时，交换参数配置表才进行更新；
2)、输入信号用于多域交换的传输帧在具体组帧时按照整个交换周期T和交换次数W进行组帧,并输入给交换网络；
3)、定时装载器在时间同步控制信号的控制下将交换参数配置表中对应时刻的交换配置关系实时加载到TST交换模块中，实现动态的交换关系。
4)、TST交换模块包含时分交换单元和空分交换单元，具体为K个一级时分交换单元、K个空分交换模块、K个二级时分交换单元，K大于等于1，时分交换和空分交换相互配合，构成多级交换网络，完成了输入子带到输出子带的交换。
TST交换模块如图7所示，对TST交换模块的配置包括输入时分交换级K个一级时分交换单元的配置信息、空分交换级M个子带的空分交换配置信息和输出时分交换级K个二级时分交换单元的配置信息，这些配置信息描述了当前TST交换模块所能支持的全部交换关系，实现了对卫星频域和空域资源的交换。将上述TST交换模块的配置信息存储W组，每组对应传输帧W个时隙中的一个特定时隙的TST交换模块的配置，由此在频域和空域基础上实现了时域资源的交换，时隙配置严格受外部同步控制信号的驱动工作。
(2)基于地面同步星上的时间同步方法
由于星上采用了动态交换，且需要支持SS-TDMA交换，因此整个系统的全网时间同步成为了关键。以往采用透明转发的SS-TDMA交换模式的系统同步方案是以地面主站为中心节点，通过主站播发同步信号并与从站实现多次交互实现系统的时间同步，该方式时间同步慢，需要多次迭代实现全网时间同步且同步维持复杂。本发明还提出了一种基于地面同步星上的时间同步方法，同步方法简单且同步时间快，具体方法介绍如下。
(2.1)、星上时间基准产生模块产生动态交换控制信号的同时产生时间基准广播信号，并在每个输出端口的边缘子带上进行周期性播发，时间基准信号的第一个符号的上升沿与动态交换周期的起始时刻一致，每个交换周期内都产生时间基准广播信号，具体时间参考信号的示意图如图8所示。
(2.2)、时间基准广播信号主要由前导头和交换周期计数组成，如图9所示，其中前导头主要由相关性能比较好的PN序列组成，相邻波束采用不同的PN序列提升抗干扰性能以及捕获性能，交换周期计数为32bit，单位为ns，可支持最大约4.3s的交换周期，满足系统对动态交换周期的使用要求；
(2.3)、地面设备通过测量两个连续时间广播信号之间的时间差值，与交换周期计数器里给出的值进行对比，根据其差值计算本地时钟偏差与频率偏差；
(2.4)、地面设备以收到的时间广播信号第一个符号的上升沿为时间基准，按照分配的交换时隙补偿星地之间的距离偏差后发送业务数据，实现整个系统的SS-TDMA时间同步。需要说明的是，时间广播子带的选择可以根据系统需求进行配置，考虑到频率资源的最优使用，优选最边上的子带,如图10所示。
综上所述，本发明给出了一种支持时频域动态转发的星上柔性转发处理方法，将传统的数字透明转发与SS-TDMA交换进行了融合，交换周期及交链关系可按需配置，提升了系统频率资源的使用效率以及组网能力，提升了载荷应用的灵活性；同时发明了一种同步化动态信道化交换方法，支持多种交换关系的快速同步切换，且切换过程中不影响已有业务的状态；发明了一种基于地面同步星上的SS-TDMA交换同步方法，相对传统的SS-TDMA同步方法同步过程简单，同步时间快。
综上所述，多域灵活通信柔性转发处理载荷在传统数字透明处理转发载荷的基础上，增加了星上时间基准产生模块，并将原有的支持频率域交换的综合交换处理模块改进为支持时频域动态交换的同步化综合交换模块；星上时间基准产生模块根据系统所需的交换周期T和交换关系次数W自主产生动态交换所需要的时间控制信息以及对地时间基准广播信号，并在规划的子带对地面广播时间同步信号；同步化动态综合交换模块在时间基准产生模块产生的周期性控制信号的控制下实现动态的信道化交换，支持不同时间下各端口子带的不同映射关系，在动态交换关系变化过程中，原有不变的交换关系业务不受影响；地面设备通过测量两个连续时间广播信号之间的时间差值，与交换周期计数器里给出的值进行对比计算频率和时间的校准参数并进行补偿，实现星地同步。
本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员的公知常识。
Claims (8)
1.一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于包括星上时间基准产生模块、同步化综合交换模块；其中：
星上时间基准产生模块，根据预设的交换关系，自主产生动态交换所需要的周期脉冲信号、时隙脉冲信号、时间控制信息以及对地时间基准广播信号，发送给同步化动态综合交换模块；所述周期脉冲信号为周期与交换周期T相等的脉冲信号；时隙脉冲信号为周期与交换周期T内的时隙周期相等的脉冲信号，而且，交换周期T内第一个时隙脉冲信号与周期脉冲信号同步；所述时间控制信息与时隙脉冲信号同步，包括当前时隙对应的交换关系序号；所述对地时间基准广播信号包括前导头和预设的交换周期计数值，与周期脉冲信号同步；
同步化动态综合交换模块，在时隙脉冲信号的控制下实现动态的信道化灵活交换，支持不同时间下输入端口到输出端口不同子带之间的变换；在周期脉冲信号到来时，每个输出端口在规划的子带将对地时间基准广播信号发送至地面；
地面设备，测量得到两个连续对地时间基准广播信号之间的时间差值，记为地面交换周期，根据对地时间基准广播信号中预设的交换周期计数值计算得到星上交换周期，根据地面交换周期与星上交换周期的差值，计算地面时钟与星上偏差和频率偏差，并进行补偿，实现星地时间同步。
2.根据权利要求1所述的一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于所述灵活交换所需要的交换周期T和一个交换周期内交换关系数W可根据系统需求进行配置。
3.根据权利要求1所述的一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于所述时间基准广播信号在每个输出端口的边缘子带上进行周期性播发，时间基准广播信号的第一个符号的上升沿与交换周期的起始时刻一致，所述边缘子带为中心频率最小或者最大的频率子带。
4.根据权利要求3所述的一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于所述时间基准广播信号的前导头由PN序列组成，相邻波束发送的时间基准广播信号采用不同的PN序列，交换周期计数为32bit，单位为ns。
5.根据权利要求1所述的一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于地面设备按照分配的交换时隙补偿星地之间的距离偏差后发送业务数据，实现整个系统的SS-TDMA时间同步。
6.根据权利要求1所述的一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于所述同步化综合交换模块包括TST交换模块、交换参数配置存储模块、定时装载器；其中：
TST交换模块，用于按照交换配置表，通过时分和空分相结合的方式，实现输入端口和输出端口之间的灵活交换，包括相同编号输入端口和输出端口相同子带变换，相同编号输入端口和输出端口不同子带的变换、不同编号输入端口和输出端口相同子带的变换、不同编号输入端口和输出端口不同子带的变换；
交换参数配置存储器，在外部交换参数控制信号的控制下将一个交换周期内T内所有W次交换关系交换所需的参数全部加载到交换配置表中，存储W中交换关系所对应的交换配置表；
定时装载器，在时隙脉冲到来时，将当前时隙对应的交换关系序号所对应的交换配置关系装载到TST交换模块。
7.根据权利要求1所述的一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于所述TST交换模块包括K个一级时分交换单元、K个空分交换模块、K个二级时分交换单元；
交换配置表包括输入时分交换级K个时分交换单元的配置信息、空分交换级M个子带的空分交换配置信息和输出时分交换级K个时分交换单元的配置信息，这些配置信息描述了当前TST交换模块所能支持的全部交换关系，实现了对卫星频域和空域资源的交换。
8.根据权利要求1所述的一种多域灵活的通信柔性转发处理系统，其特征在于所述交换配置表存储W组，每组对应W个时隙中的一个特定时隙的交换配置表，W为交换关系数。
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