星上路由交换与处理技术.ppt

第第4章章 星上路由交换与处理技术星上路由交换与处理技术2目录目录一、星上交换技术一、星上交换技术二、卫星网络路由技术二、卫星网络路由技术三、星上处理技术三、星上处理技术四、星载转发器四、星载转发器五、星上抗干扰技术五、星上抗干扰技术3•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径信息进行分类、打包和安排合适的传输路径，完成信息的高效传输卫星系统的业务数据、信令、卫星系统的业务数据、信令、测控及网络管理信息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信息同一目标的信息打包，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4•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5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6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7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8IPSTAR-1卫星对中国的覆盖点波束成形波束广播波束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9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10•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11l星上交换－时分多址（星上交换－时分多址（SS-TDMA））12交换矩阵示意图13 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14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。

15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16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17•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18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19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、切换和业务接入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几个方面有较大的优势20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，将将第第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21•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二、卫星网络路由技术•离散时间动态虚拟拓扑路由方案DT-DVTR①时间虚拟化②通信链路切换触发更新 ③无负载平衡功能•基于逻辑位置的分布式路由方案（DRA）①空间虚拟化(覆盖区域虚拟化)②数据传输触发更新③分布式负载平衡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Δt, Δt=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Δt开始的时刻•所有卫星向运行方向每移所有卫星向运行方向每移动动22.5°就会有两组水平环就会有两组水平环进入极区同时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出极区在任意时刻都有两组水平环处于极区位置两组水平环处于极区位置T1=115/(360/22.5)=7.1875min•一个周期内共分一个周期内共分360/22.5=16个时间片个时间片但是经过分析可以发现第但是经过分析可以发现第1个时间片与第个时间片与第9个时间片在个时间片在卫星网络的连接关系是相卫星网络的连接关系是相同的，第同的，第2个和第个和第10个也个也是相同的，以此类推，因是相同的，以此类推，因此一共仅需此一共仅需8个时间片即可个时间片即可表示空间段中所有卫星网表示空间段中所有卫星网络拓扑情况络拓扑情况离散时间动态虚拟拓扑路由方案(续)离散时间动态虚拟拓扑路由方案(续)•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)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•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)•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)30•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31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）32•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、、数据、、电视、广播等多类业务四、星载转发器33•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1000~3000瓦之间的卫星称为中容量通信卫星；有48个转发器，功率在3000~7000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路或电报、、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34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35•透明转发器（弯管式转发器）透明转发器（弯管式转发器）Ø结构简单Ø性能可靠Ø适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况Ø抗干扰能力差•处理转发器处理转发器Ø结构相对复杂Ø将上行信号处理后再转发给地球站（终端）或其它卫星Ø信号处理一般在中频或基带进行Ø具有抗干扰能力两种转发器特点比较36（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37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38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39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40透明转发器的AM-AM、AM-PM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，θ(A)是由AM-PM转换效应引起的相移，则41•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42•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43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。

44对抗透明转发器AM-AM、AM-PM和互调分量影响的措施•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45（二）处理转发器•具有交换和处理的功能•处理转发器分类 Ø载波处理转发器Ø比特流处理转发器Ø全基带处理转发器 46三种处理转发器比较•载波处理转发器Ø以载波为单位直接对射频信号进行处理Ø具有星上载波交换能力•比特流处理转发器Ø增加了解调和再调制功能Ø可能包括译码和重编码设备等•全基带处理转发器Ø具有基带信号处理和交换能力Ø存储、压缩、交换、信令处理、重组帧等Ø具有星上再生能力，例如解调/重调制，译码/重编码47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48l星载路由器星载路由器星载中频路由转发器49具有动态波束形成的星载转发器50五、星上抗干扰技术卫星通信系统面临的干扰威胁示意图51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，下行干扰或上行下行干扰或上行跳频链路干扰跳频链路干扰•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，上下行干扰上下行干扰52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53卫星通信系统接收机遭受的有意干扰方式54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55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56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57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58基于信号到达方向波束形成技术的调零天线实现方案•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59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（d

61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（Θ1,…,Θp），且有q个干扰信号，其来波到达方向为（Θp+1,…,Θp+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+q

64基于再生处理转发器的宽带跳频技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65基于再生处理转发器的直扩(DS)技术DS解调转发处理转发器原理框图66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。