工業物聯網衛星載荷及終端技術研究

李 健

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

衛星物聯網是通過衛星來連接實現信息交換的物聯網，是未來工業物聯網發展方向。工業物聯網主要面臨著三個問題，一是多址方式如何選擇才能實現效果較好的通信分配；二是衛星與地面移動終端間的相對運動會產生多普勒效應，導致信號解調非常困難，這會對系統性能造成很大的影響；三是衛星通信上行同步，上行同步是建立地面終端與衛星的通信鏈路、實現上行數據傳輸的重要保障。衛星物聯網是通過衛星來實現信息交換的物聯網技術，通過各種工業信息傳感器采集需要監測的各種物體的狀態與信息，然后通過衛星網絡接入實現物—物、物—人之間的連接，從而實現物聯網中智能化識別、感知與管理[1]。由于國內相關政策對衛星物聯網技術的不斷支持，衛星物聯網行業迎來了新的發展機遇。工信部、國家航天局和國防科工局等針對衛星物聯網出臺相關政策文件并做出了重要部署，進一步促進“天地一體化”通信發展[2]。同時，一些政策文件提出部署空間互聯網以及實現地空設施互聯的方針，同時開展建設天地一體化信息網絡工程[3]。2020 年4 月，國家發改委提出了新基建內涵，主要包括三個方面，一是信息基礎建設；二是融合基礎建設；三是創新基礎建設。其中信息基礎建設就提出要建設以工業互聯網、5G、衛星互聯網和物聯網為代表的通信基礎設施。在國外，低軌衛星技術已經非常成熟，并進行了大規模的發射部署。近些年來，俄羅斯、美國、歐盟和日本等發達國家紛紛出臺相關政策進行衛星組網建設[4]。一些公司也制定了一系列低軌衛星互聯網的研究計劃，很多企業也在該方面有了很大的發展，其中Telesat 和OneWeb 等公司一直處于行業領先位置。目前，全球有829 顆在軌的通信衛星，其中中國有44 顆，僅占總數的5%，美國有381 顆，占總數的一半左右，遠超中國。

衛星通信網絡在保障國家安全和促進社會經濟發展等方面起著重要的作用，是國家信息網絡布局的重中之重，已經成為各國科技經濟競爭的研究熱點[5-6]。在星基物聯網的快速發展趨勢下，將衛星載荷及終端進行組網有很多優勢，但也有面臨著諸多的挑戰。對于多址接入方式，需要通過適當的方式將其分配給需要通信的用戶。在低軌衛星移動系統中，由于衛星運動產生多普勒頻偏會導致接收端很難進行解調，并會出現一系列問題，例如相位解調錯誤和數據恢復錯誤等問題。我們可以通過對多普勒頻偏和變換規律進行相關分析，最終能夠對多普勒效應進行補償來提高通信質量[7]。為解決上述問題，本文設計了地面終端設備和基于低軌道衛星載荷設備的硬件和軟件，結合FDMA 與TDMA 多址接入、多普勒補償以及衛星通信上行同步等技術，解決了衛星通信相關技術難題，將星基物聯網和工業產業相結合，進一步提升工業物聯網自身的價值。

1 系統設計與實現

1.1 天地基物聯網架構

衛星物聯網是將衛星作為中繼站進行不同地面站之間的通信，其中衛星可以進行無線信號的轉發和發射。衛星物聯網通常由用戶段、地面段和空間段組成。空間段是指用戶地面站與用戶之間的數據轉發的衛星或衛星星座，從而可以完成天地間的通信。地面段主要由一些地面站點組成，包括遙測、跟蹤和發射指令的站點，以及關口站、衛星控制中心組成。衛星與地面網連接的樞紐稱為關口站，通過關口站，衛星能夠和地面終端進行通信連接。用戶段是各種各樣的終端，例如車載終端、手持終端以及一系列便攜式移動終端。小型工業物聯網衛星載荷搭載在衛星平臺上，作為中繼站，它在多個地面終端和地面站之間進行通信，發送和接收微波信號，并提供轉發服務。

為了能在地球上任何地方實現無線通信，必須要解決衛星對地面基站的覆蓋問題。通過衛星聯網，將海洋、荒漠、偏遠山區和無人區等地面設備與地面終端連接起來，地面終端通過連接衛星，進而連接互聯網的服務，將散落在各地的物聯網節點、物聯網之間與互聯網連接在一起。衛星物聯網架構如圖1所示。

圖1 衛星物聯網架構

1.2 硬件設計

工業物聯網衛星載荷提供多用戶接入，完成上行信號接收、信息處理和下行信號發射。主要包括通過下行通道發送廣播信息、資源分配信息、確認信息和指令信息等給地面終端，接收多個上行通道地面終端的請求信息、上行數據等信息，完成地面終端信息收集與存儲，并且將其轉發至衛星平臺。載荷定時自動廣播一條星上狀態廣播，廣播內容包含時間、星歷、位置及速度等信息。載荷通過接收衛星平臺的廣播信息，立即向地面終端廣播該控制終端命令廣播。衛星載荷有兩套互為冗余備份的模塊，每一個模塊都有AD、AGC、FPGA、DA、存儲、信道等硬件以及信號捕獲、編譯碼、調制解調、擴頻、組幀解幀、轉發、存儲等軟件功能模塊。每個模塊單元硬件平臺由一塊120 mm×100 mm×20 mm 板卡組成，核心器件為一塊FPGA 芯片。其中FPGA 內部嵌入式處理器軟核完成協議處理，FPGA 完成基帶調制解調。衛星載荷包括如下幾個部分：系統主控（操作系統以及應用層程序）、外設接口驅動（ART、422、I2C、SPI 以及ADDA 驅動）、MAC 協議（包括廣播發送、請求時隙接收、資源分配算法、下行數據和下行確認發射）、AXI總線驅動（連接ARM 與物理層的總線驅動接口）、物理層發射（采用擴頻體制）、物理層接收（采用單載波體制，并支持4 個天線波束賦型，同時支持7 個信道的接收機）和GNSS 驅動（支持GNSS 定時作為時統）。

工業物聯網地面終端為對接工業環境下的各種傳感器設備。各種傳感器通過RS-422/RS-232 或GPIO 接入地面終端，上行發送傳感器信息，下行接收控制信息。工業傳感器供電環境要求衛星地面終端低功耗、小型化。地面終端內置GNSS 并接入1PPS，支持解析GNSS 時間與位置信息。普通情況下，地面終端保持低功耗休眠，關閉大部分電路，以及射頻收發、信道與功放，只保留內置的低功耗RTC 時鐘。地面終端包含Xilinx zynq FPGA、AD9361、RTC、GNSS、信道功放、存儲等硬件以及信號捕獲、調制解調、解頻、編譯碼、組幀解幀、傳感器信息收集、多普勒頻率補償、衛星軌道計算等軟件功能。硬件平臺的核心為zynq FPGA 芯片，集成ARM 處理器與FPGA可編程邏輯器件。其中，ARM 處理器完成協議處理，FPGA 完成基帶調制解調。地面終端波形設計架構如圖2所示。

圖2 地面終端架構

1.3 軟件設計

1.3.1 衛星載荷軟件設計衛星載荷處理單元核心是FPGA 芯片，主要完成上行鏈路信號接收、信息處理以及下行鏈路的數據處理和信號發射。處理單元使用一個通道將各類信息，例如廣播信息、確認信息、資源分配信息以及控制信息發送給地面，然后通過30 個通道接收地面的請求信息、上行數據信息以及控制響應信息，最后完成用戶信息存儲和轉發。以IP 軟核的方式例化出一個Microblaze 處理器。處理軟件運行于這個Microblaze 處理器之上。當FPGA bit 文件從外部FLASH 加載到FPGA 時，協議處理軟件的執行代碼和運行環境也一并完成加載。

協議處理軟件的運行場景要求處理軟件有高可靠性，執行結果有強實時性，處理延遲精確可控。應對功能高需求，協議軟件使用C語言編寫，不適用動態內存分配，程序不使用布爾型變量，使用AAH或者55H。軟件架構如圖3所示。

圖3 衛星載荷軟件架構

協議處理軟件處理流程按照軟件架構，依照數據流向依次處理，如圖4所示。

圖4 衛星載荷協議數據處理流程

1.3.2 地面終端軟件設計

地面單元核心是zynq7000 芯片，主要完成上行鏈路信號發射、信息處理以及下行鏈路的數據處理和信號接收。地面終端接受衛星廣播信息、資源分配信息、確認信息以及控制信息。通過廣播信息和資源分配信息攜帶的坐標參數和分配指令從30個通道中選擇1 個發送請求信息、上行數據和控制響應信息，完成用戶數據的存儲并將其發送給衛星。

地面終端協處理軟件利用ARM 雙核處理器的優勢，將軟件架構設計為AMP 系統，CPU0 運行在linux 系統上，在CPU1 運行裸機程序。兩核之間使用IPC 進行交互與協同，這既可以保證關鍵業務的實時性也可以充分利用Linux 程序的便利性。Linux端的功能主要實現AD9361 射頻控制與配置，進行交互界面的調試，同時實現日志收集。裸機程序分為驅動層、支撐層和主邏輯層。驅動層實現硬件外設（包含FPGA 實現的PHY/MAC）的訪問。支撐層實現任務隊列、緩沖池、中斷管理、射頻控制以及一些軟件功能庫。

1.3.3 FPGA 軟件總體方案

如圖5所示，衛星載荷FPGA 接收方向主要需要實現以下內容：中頻信號從ADC 接口輸入后，進行多通道下變頻處理，最多支持30 個通道并行處理。下變頻后進行濾波和抽取，30 路并行處理，進行30 個通道的信號解調。解調后信號進行30 個通道并行譯碼，譯碼后數據送microblaze 進行協議處理，協議處理后的數據通過422 接口送出。

圖5 FPGA 軟件總體方案圖

衛星載荷FPGA 發射方向主要需要實現以下內容：待發數據從CAN 接口送入microblaze 進行處理，進行1/2 卷積編碼處理。進行組幀和擴頻調制，然后內插到DAC 時鐘頻率，進行上變頻到中頻頻點，中頻數據通過DAC 接口送出。地面FPGA 軟件處理包括信號發射、捕獲、跟蹤、RTC 和跳時等模塊的功能，而ARM 軟件處理FPGA 模塊的配置和協調模塊間的處理流程，同時ARM 軟件配合FPGA 模塊實現信號捕獲、參數配置和協議處理等功能。

1.4 工作原理

由于靜止軌道衛星系統無法覆蓋到高緯度地區和極地地區，所以無法確保實時實地地提供全球性的服務。另外，因為靜止軌道衛星到地面終端的距離較遠，所以需要使用較大的天線，這樣鏈路電平預算就可以為地面終端提供支持。同時，靜止衛星系統傳播延時較長，通信業務實時性下降。所以，在本文中我們采用低軌道衛星通信系統。

如圖1所示，從用戶終端或關口站到衛星之間的鏈路表示上行鏈路，圖中的1、3 都是上行鏈路。從衛星到用戶終端或關口站的鏈路是下行鏈路，圖中2、4 為下行鏈路。多普勒預校正將標稱頻率和多普勒頻移進行反向混頻，然后發射。多普勒頻移只是對原始傳輸信號進行了修正。衛星接收后，無論是預校正還是補償都可以對其進行與標稱信號相同方式的處理。用戶鏈路的載波跟蹤包括上行鏈路的多普勒預校正和下行鏈路的多普勒頻移補償，由FPGA 實現。在下行鏈路中，需要對已調信號進行多普勒補償，通過接收的信號和估算模塊實時對多普勒頻移混頻，消除多普勒頻移，然后繼續處理信號。在上行鏈路中，信號通過預校正模塊來抵消多普勒頻移，能夠保證通信鏈路正常，同時降低衛星接收信號影響。對多普勒頻移估算，通過在FPGA實現高精度、實時的頻移估算，能給預校正和補償模塊提供相應數據。

帶有多普勒頻移補償部分的通信接收端流程圖如圖6所示。下行鏈路補償模塊，信號經過混頻后成為中頻信號，然后通過采樣變成數字信號，進行二次混頻。在沒有多普勒頻移時，本振為中頻本振，但是由于頻偏的產生，為了消除此頻偏，中頻本振要與實時估算的多普勒頻偏疊加后作為二次混頻的本振頻率，最終消除多普勒頻偏，解調成基帶信號。

圖6 下行鏈路補償

上行鏈路多普勒預校正模塊如圖7所示，與上行鏈路相同，該模塊能清除信號多普勒頻移，確保到達衛星的載波頻率在其標稱頻率附近，使得衛星上能夠實現正確的解調和相關信號處理。

在無線通信系統中，最主要考慮的是同步模塊。同步模塊的性能對數字接收機的設計至關重要。例如，數字通信系統有載波不同步以及符號不同步的問題，這可能會導致信號無法正確解調，使得通信質量大大降低。低軌道衛星移動通信系統有著相對運動速度快、波束覆蓋范圍廣、信號傳輸距離遠和載波受限等一系列特性，這些特性嚴重影響上行同步性能。針對上述問題，需要滿足以下條件：首先，對于星載接收，上行同步需要在低接收信噪比的情況下進行；其次，地面接收需要在高動態信道環境下快速建立上行同步；同時，上行同步算法需要盡可能降低復雜度來緩解接收機計算的壓力。

工業物聯網衛星系統上行傳輸的一個重要特征是地面終端不同，來自不同終端的上行傳輸之間互不干擾。為了保證上行傳輸的正交性，避免內部干擾，衛星載荷要求來自同一子幀且占用不同頻域資源的地面終端信號到達衛星載荷的時間是基本對齊的，進而能夠正確地解調上行數據。然而，由于地面終端在地面覆蓋區域中的位置各不相同，這導致地面終端與衛星載荷之間的傳輸時延各異。為了確保衛星載荷側各地面終端信號同步到達，我們采用了上行定時提前機制，即各地面終端根據到衛星載荷的傳輸時延的不同，提前不同的時間發送上行數據。

以衛星載荷下行子幀的發送時間作為基準進行調整，其中TE1 和TE2 代表地面終端近側和遠側的衛星載荷，傳播時延用 Δ1t與 Δt2來代替。在圖8中，TE2 需提前兩倍的傳播時延發送至上行子幀，提前量為往返時延。TE2 距離衛星載荷較遠，需要離衛星載荷較近的TE1 提前發送上行子幀。

圖8 上行定時提前機制

2 關鍵技術

2.1 衛星載荷FDMA 與TDMA 多址接入

在衛星通信系統中，許多地面終端需要同時通信，因此系統所占的頻率資源必須以適當的方式分配給用戶，以使它們能同時接入系統。FDMA 是一種常用的多址技術，它可以對系統頻帶進行劃分，將其劃分到互相不重疊的子頻帶，又稱信道。每一個信道的寬度可以不相同，最后使用帶通濾波器將信道分開。一般情況下，FDMA 都是和其他方式結合使用。TDMA 可以將時間進行劃分，得到不重疊的時隙，信道和時隙相互對應，每一個周期將其定義為幀。然后使用時間選擇來將信道分離，用戶可占據一個或多個信道。因為TDMA 資源率比較高，所以在給定頻段TDMA 中，系統能夠提高較多的信道。目前，在覆蓋區域相互間隔較遠和單區覆蓋的地方，使用TDMA 或FDMA 以及TDMA 和FDMA 的混合形式可得到較高的系統容量。

衛星載荷重要的功能是提供系統定時，包括時鐘定時以及分幀及復幀定時。TDMA 方式的地面終端首先需要完成系統同步，也就是確定發射和接收幀的開始、分幀和復幀同步、接收和發射開始時刻以及它的寬度。地面終端利用下行廣播完成同步定時、軌道計算、計算過頂時間和波束選擇。通過上行申請，向衛星載荷申請發送資源。衛星載荷接收到申請，按照速率需要和通信等級，鑒權信息，分配上行時隙和對應信道給地面終端。地面終端按照載荷分配的資源，用分配的頻點、時隙上行業務傳輸。同時，衛星載荷還保留有下行控制信道和時隙，可向特定地面設備發送控制指令，對地面終端完成特殊的控制與配置。

2.2 多普勒補償

為了減輕多普勒效應的影響，一種方法是提高捕獲高動態載波變化的能力，另一種方法是用混頻的方法對多普勒頻移進行補償。地面終端主要有兩種補償方法，一是把關口站估算得到的多普勒頻移，然后使用導頻法將其發送出去；二是在地面終端進行多普勒補償和估算。我們采用第二種方法，并由FPGA 實現。

在不發生多普勒頻移的情況下，我們可以使用二次混頻的本振頻率作為中頻本振。由于在低軌衛星系統中有較大的多普勒頻移，我們在對其進行補償時需要加上多普勒頻移的數值。在保持變頻器一次本振不變的情況下，使用合成頻率（DDS+PLL）作為二次變頻本振。主要是因為DSS 存在一些缺點，例如頻率低、雜散大等。為了解決該問題，使用PLL來提高頻率并改善頻譜質量。該方法的原理框圖如圖9所示。接收端系統主要包括高速擴頻信號的處理和低速信息的處理。由于FPGA 具有完成復雜計算、快速數據收發、實時信號處理等一系列優點，所以能夠實現信號收發、頻移計算和補償等功能。如圖10 所示為多普勒頻移補償的功能模塊劃分。

圖9 DDS+PLL 原理框圖

圖10 多普勒補償功能框圖

2.3 衛星通信上行同步及資源管理分配

用戶和基站建立上行通信連接主要包括兩個方面：第一個是和基站保持上行同步；第二個是基站分配上行資源來發送數據信號。主要有競爭性和非競爭性兩種模式，競爭性隨機接入和競爭性隨機接入區別在于前者能隨機選擇前導序列和時頻資源，而后者可以自由選擇前導序列和時頻資源，從而能夠避免不同的地面終端產生沖突。首先，地面終端通過衛星載荷的下行廣播搜索過程獲得與衛星載荷的下行同步，下行帶寬和系統幀號通過對主信息塊解碼來獲得。然后在下行共享信道上解碼系統訪問信息。最后，在解碼系統信息成功后，隨機接入過程可以在地面終端執行。對于上行同步的資源分配方法，在接受到SR 請求時，為其請求分配子帶，然后判斷分配的子帶是否屬于共享子帶，如果分配的子帶為共享子帶，那么將子帶中的SR 資源分配給上行共享信道PUSCH 資源。

2.4 面向地面終端CDMA 廣播與多用戶接入

在工業衛星物聯網系統設計中，針對下行廣播，采用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技術。下行數據使用CDMA 技術結合時分多路復用（Testing Data Management，TDM）的方式，上行數據使用頻分多址結合時分多址（FDMA+TDMA）的方式。終端上、下行數據傳輸結合多種多址方式，能夠實現頻率資源的復用、多終端并發請求及數據傳輸。

在工業衛星物聯網系統，不同的波束、通信頻段，通信帶寬、可用時隙數目和通信延遲不同。針對不同的地面終端用戶的業務等級，采用基于多優先級的信道預留分配策略。同時對于相同優先級的終端接入請求，采用基于搶占排隊的信道分配策略。另外，對于較低優先級的低速率、窄帶寬和數據量小的信道業務，采用隨機搶占的分配策略。以上多種策略組合，達成最大化資源利用，提高多用戶接入能力。

3 結論

本文結合FDMA 與TDMA 多址接入、多普勒補償以及衛星通信上行同步等相關技術，設計了地面終端設備和基于低軌道衛星通信的衛星載荷。衛星載荷提供多用戶接入，完成上行信號接收和信息處理，下行信號發射給地面終端。為了保證通信，分析了移動終端的多普勒頻偏以及變化規律，使用多普勒補償方法改善了信號的傳輸質量。隨著小型化工業物聯網衛星載荷及終端技術以及其他核心技術的研發，將進一步加快工業物聯網的建設，推動衛星物聯網、智能制造和實體經濟的快速發展融合，促進傳統產業優化升級。