資源池架構對衛星通信地面站網建設的影響

徐艷清

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

資源池是我國未來衛星系統的一種新型架構模式。針對不同功能的衛星，資源池架構方式和應用存在一定的差異。為了更好地升級衛星通信地面站網，利用資源池架構衛星站網，要先解決現階段衛星通信地面站網存在的網絡自成體系、資源利用率低等問題，并發揮資源池整合各類資源的優勢，將數字化與信號處理、基帶處理等功能融入資源池架構中，設計出新的衛星通信地面站網結構，以提升衛星地面測運控及高速數傳通信資源的利用效率。

1 基于資源池架構衛星通信地面站網的目的

資源池是一種具有高效整合各類資源的架構模式，當前已經成為地面無線接入的主要架構模式，也將成為我國衛星系統的新型架構模式。為進一步促進通信事業的發展，我國正在不斷拓展衛星通信領域。其中，更新老舊的衛星站設備、提升資源利用率以及構建完善的通信網絡自成體系，是衛星站網升級的關鍵[1]。傳統地面站網體系架構如圖1所示，資源池式地面站網體系架構如圖2所示?，F階段，衛星通信正在針對不同功能、不同系列的衛星打造合適的終端站運行管控自成體系，以提高與衛星系統的耦合性，實現資源的高效利用。衛星通信地面站網的升級思路是將數字化、信號處理及基帶處理和存儲功能融入資源池，設計基于資源池的衛星地面站構建，借助中間件軟總線的虛擬化架構，提升高速數傳通信資源的利用率和衛星地面測運控效果。但是，衛星地面站系統還缺乏統一的接口與標準，管理體系以及技術體制上還存再一定的問題。此外，不同類型的衛星對航天測運控以及高速數傳通信系統提出了新要求，傳統“定制+專用式”的衛星-地面站架構難以適應，使得衛星測控通信任務與測運控和通信信息處理資源之間的需求矛盾愈加突出。因為傳統“定制+專用式”的衛星-地面站架構各個系統之間的靈活性較差，數據很難共享，以致于造成了衛星資源浪費。

通過將資源池引入衛星地面站設計，兼顧各類航天器測運控與高速數據接收等任務需求[2]打造新的衛星地面站網，更換老舊的設備，打破自成體系、條塊分割的局面，實現地面站系統資源的高效利用。采用資源池方案可集中解決業務子系統設備無法共用、系統靈活性差的問題，通過資源池升級下一代地面站，運用以彈性和分布式為特征的新型綜合地面站技術提高整個系統的支持力，從而減少地面終端站所需的設備數量?？梢?，資源池架構是實現衛星地面站網升級的關鍵。

圖1 傳統地面站網體系架構

圖2 資源池式地面站網體系架構

2 資源池對衛星通信地面站網建設的影響

資源池架構是將不同功能的處理設備，通過模塊化、標準化和通用化，架構成便于各個系統共用的資源池系統，實現統一的資源監控與管理。獲取工作任務后，資源監控系統先對其進行資源評估，靈活調用空閑資源以滿足任務需求。完成任務后，將所有的資源釋放到資源池，以供后續使用。資源池架構地面站主要分為4個模塊，包含射頻前端資源池、數字化資源池、信號處理資源池和存儲資源池。射頻前端資源池主要包含場放、功放、開關矩陣以及信道設備等，用于信號放大、射頻交換等。數字化資源池則是借助統一的硬件平臺完成數字模擬信號的轉化，并將轉化后的信號輸送到射頻系統中。信號處理資源[3]是通過萬兆網以及數字化子系統進行基帶IQ數據交換，基于任務需求加載不同基帶波形調制解調數據信息，并在IP交換網以及數據中心進行交換。存儲資源池主要是進行協議加息和數據分發等。

這些系統與模塊協調運用，是完成數字信號采集、解析以及反饋等的關鍵。對于衛星通信地面站網而言，既要實現子系統的資源與設備共享，也要保證數字與信號的傳輸與測運控效率。資源池在衛星通信地面站網建設中，一方面要減少獨占式設備的數量，盡可能實現設備共享，減少設備總數量，提高設備配置的靈活性和硬件資源的利用率，確保地面終端內與終端之間的資源共享；另一方面要實現數字信號的快速采集、轉化與儲存等，保證通信業務的高效運轉，縮短終端之間信號共享傳輸與資源共享的時間，以同步運行為目標，實現資源的統一管控，靈活調度資源快速完成通信業務，并實現資源的高效利用。

因此，對于衛星通信地面站網建設而言，資源池架構不僅是實現下一代地面站升級的關鍵，也影響著地面站網和通信業務的正常運行，對今后的衛星通信領域發展有著較大的影響。預測資源池將會成為衛星通信地面站終端建設的一種新型架構模式。

3 資源池架構地面站網的設計方案

想要運用資源池架構衛星通信地面站網，需運用虛擬化技術動態完成基帶和信號等資源分配，從而將C-RAN等地面無線通信接入網中，打造新的基帶處理架構。衛星地面站架構圖，如圖3所示。依據設計方案，同類設備分層次進行配置，不同設備之間都采用標準開放接口。此外，設備還要進行通用化處理，依據業務應用模塊完成功能重構。

圖3 地面站虛擬化架構

基于這種架構方案，資源池中的地面站天線、信號處理單元和數據處理單元3種基本物理資源都會進行通用化設計。尤其是同類的硬件資源會分類部署，不同的資源池之間則通過高速光纖在IP交換網中進行數據交互。地面站天線在獲取射頻信號后，通過射頻信號子系統統一進行變頻，經過開關矩陣進入地面站資源池，然后依次通過信號處理、數據處理等進入資源運管中心發送到業務用戶終端。返向數據或是遙控信息[4]則先通過數據處理，再在存儲資源池中進行組幀封裝，完成數字上變頻、模數轉換至中頻后，通過天線進入到返向射頻鏈路。在這個運轉過程中，地面系統會依據任務規劃進行資源的調動與組合?？臻e資源的調動和任務完成后的資源釋放決定著資源利用效率。

這種架構體系具有鮮明的開放性、可拓展性、通用性以及動態重構等特點。開放性使得衛星通信地面站網的業務運行能嚴格遵守標準化與規范化要求，在標準模塊上構建硬件系統，通過成熟的商用組網術，實現地面站系統的數據交互與信號快速傳輸?？赏卣剐允沟孟到y能夠依據業務需求，持續性地擴容建設，更好地適應衛星通性業務的發展需求，具有較強的兼容能力。通用性主要是因為系統基本物理資源具有較強的通用性，能滿足不同頻段以及功能的衛星通信需求，具有較強的系統支持力，完成多頻段、多極化、多功能等不同應用領域的航天任務。動態重構體現在資源池的自有性能上。資源池具有動態重構需求，系統的軟硬件配置和架構中需針對任務特點對應進行調整，依據常規任務和應急任務的需求開放不同的資源池接口，在動態重構中進行資源的分類調用，以滿足任務執行需求[5]。

4 架構衛星通信地面站網的資源池技術方案

對應地面站天線、A/D轉換單元、信號處理單元和數據處理單元的是射頻前端資源池、數字化資源池、信號處理資源池、數據處理與存儲資源池這4種資源池，其應用需求以及資源調動方式等存在一定的差異。例如，數字化資源池主要是進行數字信號與模擬信號轉換。模擬信號的轉換功能對業務規劃與系統運行的影響較大，要根據帶寬不同業務動態選擇合適的轉換頻段和極化程度。數模轉換功能在不同業務中的中頻信號、數字化采樣、基帶信號等不同，依據數模轉換功能接收來自信息交換網獲取的前向基帶IQ數字信號，也會通過內插、數字上變頻、DA變換成為中頻信號。因此，在數字化資源池架構中，應該采用可編程的實時處理器件（FPGA芯片和DSP信號）規范硬件架構與數據接口，保證接口的統一性，再完成數字化處理板卡的加載、參數配置和狀態監控。

信號處理資源池進行大容量的實時信號處理，是滿足衛星通信高速數傳業務的關鍵。這種資源池架構基本與數字化資源池一樣，具有相同的終端和硬件架構[6]，對數據接口的統一性要求也相同。信號處理資源池是依據信號處理板卡，加載不同的軟件以滿足信號處理的多元化需求，包括匹配濾波、載波恢復、信道均衡以及信道編譯碼等。

數據處理與存儲資源池與信號處理資源池、數字化資源池不同，由通用服務器組成，在數據處理平臺上進行比特級信息處理，重點在于數據傳輸協議的解析與PDXP換碼，并完成用戶數據的分發。用戶數據的直接分發可縮減很多中間環節，以減少對設備量的需求。在數據儲存方面則選用了高速磁盤陣列的方式，采用磁盤陣列服務器、RAID陣列卡、40G以太網卡等獨立的可更換單元，從而保證后續維修操作的正常開展。

5 結 論

綜上所述，基于資源池架構衛星地面站網，旨在升級衛星地面站測運控與高速數傳系統，提高系統的靈活性和整個系統的支持力，解決以往衛星資源利用率低下和設備無法共用等問題，實現各個子系統設備、數據的共享，打造新的衛星地面站網，兼顧各類航天器測運控與高速數據接收等任務需求。