一种基于基带资源池的中远距离卫星信号传输方法

技术领域

本发明涉及面向固定式卫星接收处理站群使用的卫星数据接收处理技术领域，具体涉及一种基于基带资源池的中远距离卫星数据传输方法。

背景技术

现有的卫星地面接收处理站通常是独立站型设计，站与站之间不涉及设备共用，处于“烟囱”式结构状态。该架构缺乏统一接口标准，同类设备间接收处理性能差异较大，单个站内设备间紧耦合，导致地面站性能固化，可扩展性较差。

随着卫星星座及卫星互联网星座建设的快速推进，卫星数量将急剧攀升。截至2020年底，国内已发布53项商业卫星星座建设计划，卫星数量达6487颗。未来地面站建设将以站群的形式存在，以满足多星同时过境使用要求，但如果依然采用独立的“烟囱”式结构，以不断增加地面站数量的方式来满足多星过境的接收处理需求，将会增加设备制造成本和人工维护成本。因此地面站群逐渐采用一种新型的地面站资源池化架构设计，以模块化、组合化方式，将天伺馈、信道、数传设备解耦，实现接收设备、测控设备资源和数传设备资源的智能管理、按需调度和动态共享，能够提高接收设备资源利用率和系统可靠性，并且能够降低建设成本和后期维护成本。

采用上述架构，可将地面站群天伺馈设备与后端处理设备分开部署。考虑地面站群天伺馈设备可免值守设计，为减少电磁干扰，通常要远离人口及信号密集区。而后端数据处理设备通常部署在资源丰富的中心机房，两者之间会有一定的距离。

当地面接收站接收的卫星数据进行远距离传输时，通常采用光纤传输方案，光纤传输既可解决电缆传输的信号衰减问题，还可避免将感应雷引入中心机房。现有方案利用模拟光端发射机，将不同波段的模拟信号调制为光信号进行传输，进入机房后，再由光端接收机转为电信号，输出至交换、变频设备等。但光端机在中远距离数据传输时，易出现色散和时延抖动的问题，且常以通道路数为单位计价，以10套S/X/Ka天伺馈设备为例，单套天伺馈设备需6条传输通道（Ka和X共用4通道，S用2通道），则共需60条光传输通道，以4通道X频段光端机和2通道S频段光端机计算，中心机房共需配置20套光接收机，设备成本较高。同时中心机房内交换设备数量多、种类多，设备规模大、布线困难。且使用多级交换设备，必然会引入更多信号噪声，影响信噪比。

为解决上述问题，数字光传输方案应运而生，即下变频及数字化信号采集设备前置，部署在天伺馈塔基内，将模拟电信号转换为数字光信号，通过数字光传输设备进行远距离传输，接入中心机房后，再通过核心光交换设备完成数字光信号的点对点全交换，实现基带资源池化处理。数字光传输方案的优点在于减少了天伺馈接收设备的种类和规模，有利于设备部署和维护，提高了系统可靠性；减少了信道接入设备及连接电缆，减少了信号噪声的引入，降低了对信号的恶化，有利于提高数据质量；传输信号为数字信号，增强了抗干扰能力，加大了最远传输距离；模块化光交换设备便于横向扩展，只需增加板卡就可增加传输通道；接入方便，只需利用1套接入端设备和传输光缆即可实现信号接入中心机房。

公开号为CN107135018A的发明专利申请公开了一种分布式天线阵列系统，但是数字光传输方案应用也存在问题，即将数字化ADC（模数转换电路）前置后，ADC与信号处理模块距离较远（五公里以上），将存在信号时延及延时抖动、采样时钟与信号处理时钟不同步以及多条高速率通道带来的传输容量、交换容量、端口数量、光交叉能力等一系列问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于基带资源池的中远距离卫星数据传输方法，能解决远距离传输中存在的信号时延及延时抖动、采样时钟与处理时钟不同步等问题，满足多条高速率通道所需的大传输容量、大交换容量、多端口、强光交叉能力要求，达到基带资源可动态共享和分配的效果。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于基带资源池的中远距离卫星信号传输方法，包括如下步骤：

步骤1：天线跟踪接收到卫星信号后，先对下行射频信号进行对应频段LNA放大处理；

步骤2：经过交换、变频输出中频信号进入信号采集设备；

步骤3：利用信号采集设备中的高速/低速数字化ADC进行信号的模/数转换处理；

步骤4：利用光模块输出至OTN接入设备，由远距离光传输通道将数字光信号传回中心机房中的OTN设备；

步骤5：上位机控制OTN设备完成光信号的交换输出，信号按需选择后进入信号处理设备资源池；

步骤6：信号处理设备资源池完成多路信号的解调、译码处理。

所述的步骤1的下行射频信号包括4路Ka数传信号，2路X数传信号，2路X遥测信号和2路S遥测信号。

所述的4路Ka数传信号由Ka-LNA放大后，经过Ka/X下变频器将信号转换到X频段，进入X频段交换矩阵；2路X数传信号由X-LNA放大后，直接进入X频段交换矩阵；2路X遥测信号由X-LNA放大后，进入X频段交换矩阵；2路S遥测信号由S-LNA放大后，进入S频段交换矩阵。

所述的步骤2包括以下具体内容：

1)4路Ka数传信号通过交换矩阵后变频为1.2GHz中频进入信号采集设备；

2） 2路X数传信号从交换矩阵输出后通过X/1.2GHz下变频器变频为1.2GHz中频进入信号采集设备；

3)2路X遥测信号通过交换矩阵后变频为70MHz中频进入信号采集设备；

4)2路S遥测信号进入S频段交换矩阵，通过交换矩阵后变频为70MHz中频进入信号采集设备。

所述的步骤4中远距离光传输通道由40GE通道和10GE通道组成。

所述的步骤4的40GE通道的数量为4个，10GE通道的通道数量为4个，具体内容为：

1)4路Ka频段数传信号和2路X频段数传信号均在完成滤波、AGC控制、高速采样及数字量化后，通过40GE光模块输出至OTN接入设备；

2）2路X频段遥测信号和2路S频段遥测信号均在完成滤波、AGC控制、中低速采样及数字量化后，通过10GE光模块输出至OTN接入设备。

步骤1中，所述的天线的通道数量为大于2路的多路通道，多路通道分别下传下行射频信号。

步骤5中，信号处理设备资源池由多个信号处理模块组成，多个信号处理模块相同且互为备份。

所述信号处理设备资源池为基于9U VPX机箱的馈电基带资源池，采用动态资源调度策略，将馈电基带设备进行资源池化，高效灵活地向用户提供馈电链路收发服务。

步骤6中，馈电基带资源池的基本单元为信号处理板卡，由光交叉网络实现馈电基带输入信号的点对点切换，全站多路信号均可切换至基带池内任意信号处理板卡进行信号处理；

每块板卡均具备信号合成处理功能，当处理信号少于满载数量时，调用空闲板卡资源进行信号合成处理，若有多块板卡空闲时，整合多块板卡共同完成处理业务；当现有处理板卡满载时，通过增加物理机箱和板卡的数量进行横向扩展。

本发明的有益效果是：通过本发明所述的基于基带资源池的中远距离卫星信号传输方法，在卫星数据远距离传输和处理过程中分别采用OTN设备和基带资源池化技术，通过数据配置实现光交叉和智能交换，极大降低传输时延和成本，提高资源利用率和系统灵活性。利用OTN设备降低远距离传输的时延，提供确定性低时延，时钟同步精度可达50PPB以下，单波和单纤管道容量分别超过200G和20T。信号处理阶段利用了基带资源池技术，构建大规模光交叉网络，实现了基带处理资源的动态共享和分配。

附图说明

图1为基于基带资源池的中远距离卫星信号传输方法的工作原理框图；

图2为基带资源池逻辑视图；

图3为基于9U VPX机箱的馈电基带配置型谱图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

本发明基于基带资源池的中远距离卫星信号传输方法采用的系统主要由天线模块、光纤和中心机房模块组成，其中天线模块又包括天线馈源、LNA、下变频器、交换矩阵、信号采集设备（ADC设备）及OTN接入设备，其中，LNA指低噪声放大器（Low Noise Amplifier），用于天线接收信号放大，提高接收信号信噪比，天线馈源接收卫星信号后，进入对应频段的LNA对信号进行放大，馈源部署在天线面上，LNA、下变频器、交换矩阵，信号采集设备（ADC设备）及OTN接入设备等设备均部署在天线面的下方中心体内。

中心机房模块包括OTN设备、上位机和信号处理设备资源池，本实施例中的OTN设备具备统一汇聚OTN设备中信号的功能，信号处理设备资源池是把信号处理的设备资源虚拟池化，可根据任务需求进行资源调度并灵活扩充。

OTN设备通过远距离光传输通道连接OTN接入设备，OTN设备连接上位机和信号处理设备资源池。

以由10个9U VPX机箱组成的信号处理设备资源池为例，每个9U VPX机箱包含面板一体机，配置在4个机柜中，每个机箱包括8块通用信号收发处理板。机柜1、机柜2和机柜3分别配置3套9U VPX机箱和1套网络交换设备，机柜4配置1套9U VPX机箱、1套网络交换设备、1套时频产生设备和1套时频分发设备。当天线跟踪接收到卫星信号后，信号通过LNA、下变频器、交换矩阵完成交换、变频，再进入信号采集设备中的ADC设备完成信号的模/数转换等处理，利用信号采集设备上的光模块将数字电信号转换为数字光信号，之后通过OTN统一接入设备完成远距离传输，接入中心机房后，再通过OTN设备完成数字光信号的点对点全交换，实现基带资源池。

本发明中所选示例，基于基带资源池的中远距离卫星数据传输系统，该系统配置有多个天线及信道设备，在本实施例中，配置10套接收天线及信道设备，数据接收频段为S/X/Ka频段，进一步的，接收频段可根据任务需要进行扩充，不局限于S/X/Ka频段，10套接收天线及信道设备均相同配置，进一步的，天线通道数可根据下传数据量进行扩展。

图1为一套设备基于基带资源池的中远距离卫星数据传输方法的工作原理，且涉及的LNA、下变频器、交换矩阵、数据采集设备及OTN接入设备均部署在天线下方中心体，具体步骤如下：

步骤1：天线跟踪接收到卫星信号后，先对下行射频信号进行对应频段LNA放大处理，具体内容如下所示：

(1)4路Ka数传信号由Ka-LNA放大后，经过Ka/X下变频器将信号转换到X频段，进入X频段交换矩阵；

(2)2路X数传信号由X-LNA放大后，直接进入X频段交换矩阵；

(3)2路X遥测信号由X-LNA放大后，进入X频段交换矩阵；

(4)2路S遥测信号由S-LNA放大后，进入S频段交换矩阵。

步骤2：经过交换、变频输出1.2GHz/70MHz中频信号进入信号采集设备，包括以下具体内容：

(1)4路Ka数传信号通过交换矩阵后变频为1.2GHz中频进入信号采集设备；

(2)2路X数传信号从交换矩阵输出后通过X/1.2GHz下变频器变频为1.2GHz中频进入信号采集设备；

(3)2路X遥测信号通过交换矩阵后变频为70MHz中频进入信号采集设备；

(4)2路S遥测信号进入S频段交换矩阵，通过交换矩阵后变频为70MHz中频进入信号采集设备。

特别地，由于Ka频段与X频段分时使用，因此本发明通过8×8（X频段）交换矩阵完成8路输入信号的选择输出，并共用4台X/1.2GHz下变频器及后端传输链路。

步骤3：利用信号采集设备中的高速/低速数字化ADC完成信号的模/数转换等处理，此处采用数字化ADC前置方案。

步骤4：通过光模块输出至OTN接入设备，由4条40GE和4条10GE远距离光传输通道将数字光信号传回中心机房，统一接入OTN设备，OTN接入设备采用华为E6608。详细的内容如下所示：

(1)4路Ka频段数传信号和2路X频段数传信号均在完成滤波、AGC控制、高速采样及数字量化后，通过40GE光模块输出至OTN接入设备；

(2)2路X频段遥测信号和2路S频段遥测信号均在完成滤波、AGC控制、中低速采样及数字量化后，通过10GE光模块输出至OTN接入设备。

特别地，本发明将数字化ADC前置后，ADC与信号处理模块距离远，故采用数字光传输方案，仅需利用1套接入端设备和传输光缆即可实现信号远距离接入中心机房，且便于后续新增加机动式地面站的接入处理。

10套天线共80路信号（每套8路，即4路40GE和4路10GE）分别传回中心机房后，统一接入OTN设备，OTN设备采用华为E9624。

步骤5：上位机管理软件控制OTN设备完成光信号的交换输出，信号按需选择后进入信号处理设备资源池。

特别地，为满足接收80路信号的处理要求，基带处理分系统部署在4个机柜中，机柜1、机柜2和机柜3分别由3套9U VPX机箱（含面板一体机）、1套网络交换设备组成，机柜4由1套9U VPX机箱（含面板一体机）、1套网络交换设备组成、1套时频产生设备和1套时频分发设备组成。

基带资源池由10个机箱共80个信号处理模块组成，10个机箱中的板卡相同且互为备份。同时基带池机柜物理上由多个相同的可扩展机柜组成，可根据实际任务的需要进行扩展和缩减，其逻辑视图如图2所示。

步骤6：信号处理设备资源池完成80路信号的解调、译码等处理。

基于9U VPX机箱的馈电基带资源池为本实施例的核心部分，其采用动态资源调度策略，将基带设备进行资源池化，高效灵活地向用户提供馈电链路收发服务，VPX机箱配置型谱图如图3所示。

特别地，基带资源池的基本单元为通用信号收发处理板。由光交叉网络实现馈电基带输入信号的点对点切换，全站80路信号均可切换至基带池内任一信号处理板卡进行信号处理，每块板卡均具备信号合成处理功能：

（1）当处理信号少于80路时，可调用空闲板卡资源进行信号合成处理，且若有多块板卡空闲时，可整合多块板卡共同完成处理业务，高效利用板卡资源；

（2）当现有处理板卡满载时，基带池支持硬件资源横向扩展，增加物理机箱和板卡的数量，即可实现信号合成处理。