一文解讀軟件定義的有效載荷及通信衛星未來發展方向
軟件定義的適用
軟件定義意味著所有關鍵的非服務器IT基礎設施都可以通過軟件實現,伴隨著效率、自動化、靈活性與服務質量的提升增益。在流行的SDDC版本中,完整的數據中心幾乎所有的資源都可以通過軟件定義,完全托管在虛擬化計算環境中。
軟件定義這個詞同樣適合用于整個服務資源。只要擁有支持SDN的網絡交換機,適用于軟件定義基礎設施的硬件與固件解決方案必然會出現。換句話說,軟件定義模塊化的物理資源池將被精心配置,用以實現彈性調整、動態分配與可編程配置。
軟件定義有效載荷概述
軟件定義有效載荷以軟件無線電通用硬件平臺為基礎,通過軟件來定義其功能。支持軟件定義有效載荷的通信載荷結構功能組成框圖如圖1所示,其硬件組成一般包括可重構綜合寬帶天線、天線開關陣、軟件無線電處理平臺。
可重構接收天線前端可以實現波束形狀和覆蓋區域的重構,由覆蓋各頻段的單副或多副天線組成的天線陣構成。天線開關陣作為輔助設備來完成射頻信號的分配,把各頻段天線接收到的信號,根據任務要求饋入到軟件無線電處理平臺的射頻輸入端,以進行后續處理。
軟件無線電處理平臺作為軟件定義有效載荷的核心,在其射頻完成對信號的濾波/放大和頻率變換,將射頻信號變換為寬帶中頻信號;在其數字信號處理單元完成寬帶中頻信號的數字化,并通過信號處理軟件對數據進行各種處理,完成與之對應的不同任務功能。在星載軟件有效載荷中,利用專用集成電路(ASIC)可以實現數字波束成形(DBF)和信道化的部分重構功能,而嵌入到ASIC元器件中的數字信號處理(DSP)軟件則能夠根據地面指揮控制系統的指令來實現需要的太空重構能力。這樣盡管ASIC設計不能在飛行中進行更改,但是通過在地面控制數字波束成形系數和分頻器設置也能夠改變衛星波束布局、頻率復用方案以及波形的頻率分配。
圖1支持軟件定義有效載荷的通信載荷結構功能組成框圖
可重構計算機是軟件無線電處理平臺的重要組成部分,為軟件定義有效載荷提供與外部設備的接口,并實現與外部高速數據輸入或輸出的交換。可重構計算機的組成如圖2所示,包括單個或多個航天認證FPGA,這是主要的處理和交換設備;耐輻射邏輯設備,用于初始配置,并對由輻射引發的單粒子效應(SEE)給FPGA造成的配置錯誤進行后續的檢測和糾正;耐單粒子效應的配置內存;耐輻射微控制器,用于管理可重構計算機的操作及外部控制接口。國外針對單粒子效應做了許多研究,目前已經出現了能夠在輻射環境中運行的高性能FPGA,這使基于FPGA的可重構軟件定義有效載荷的實現成為現實。
圖2可重構計算機(RCC)的組成
有效載荷應用實例
(1)AppSTARTM軟件定義有效載荷體系結構
AppSTARTM軟件定義有效載荷體系結構以模塊化軟件定義無線電和NASA發布的天基SDR體系STRS(SpaceTelecommunicationsRadioSystem)為基礎,由美國哈里斯公司基于XilinxVirtex4FPGA開發。AppSTARTM基于高性能的FPGA處理器和數字信號處理器(DSP),利用靈活的軟件實現可重構,使載荷的任務性能可隨著未來的需求改變而升級。
AppSTARTM體系結構的關鍵部分是一個高度靈活的信號處理系統和一套通用的軟件基礎單元,通過為通用的軟件應用接口(API)開發可移植的應用和波形,與硬件完全分離,實現第三方的可重編程。AppSTARTMAppSTAR軟件定義有效載荷由通用處理(GPP)子系統、數字處理子系統和射頻前端組成。
AppSTARTM有效載荷體系結構
通用處理器子系統包括通用處理器、數字I/O卡和功率轉換器。通用處理器控制有效載荷的運行,并具有加載波形或配置數據的功能,它由一組通用的軟件架構組成,通過一系列互相兼容的接口來配置、管理和控制系統硬件資源,提供基本的系統管理功能。數字I/O卡提供與平臺的標準接口,并可根據特殊應用的獨特需求進行定制。功率轉換器將外部電源轉換為合適的電壓,為無線電系統提供所需的電源。
射頻前端電子設備通常是來自數字子系統的一個獨立組件包,可以將射頻功能放置在離孔徑更近的地方,提高整個系統的性能。
數字處理子系統是AppSTARTM概念的核心,它的配置決定了有效載荷的功能。信號處理子系統基于XilinxVirtex4FPGA,具有高度的波形變換靈活性,以及完成多種空間任務的能力,包括通信和視頻轉播,還可以為下一代通信系統提供所需的處理功能。
下面介紹哈里斯公司軟件定義有效載荷概念的核心V4可重構星載處理器(V4RSP),V4可重構星載處理器是Xilinx公司持續開展一系列抗輻射可重構處理元件研究所取得的最新成果,它包括信號接口和數據轉換,適合太空環境。它在一個傳導冷卻的6U緊湊PCI中集成了高性能Virtex-4FPGA(256GOPS)、1GLOP通用DSP(SMJ320C6701)、256MBRAM、靈活的標準IO(IEEE1149.1JTAG)、雙Spacewire總線、4個1000CX2.5Gb串口和抗單粒子翻轉(SEU)規避邏輯單元,經過演示驗證,總的放射能劑量強度超過30Krad,功耗約為30W。應用軟件裝載在SDRAM(同步動態隨機存儲器)中,在執行任務時,可以將SDRAM分配到幾個應用(一般是16個)中,也能根據授權在任務過程中對SDRAM“隨意”進行重編程來實現更新。
使用V4星載處理器的軟件定義有效載荷可實現FPGA波形移植和第三方開發,同時確保該應用不會對航天器中的硬件和其他有效載荷造成影響。為實現這些目標,哈里斯公司設計并實現了一系列硬件描述語言(HDL)模塊,用于抽象軟件無線電中的硬件細節,并為有效載荷開發人員和任務規劃人員提供標準接口。硬件抽象是開發軟件定義平臺的關鍵,能夠提升可擴展性,方便新應用開發,便于用戶在遙感應用和通信應用中使用V4星載處理器。
AppSTARTM軟件定義有效載荷已經在一些太空系統研發項目中得到應用,例如高速Ka波段軟件無線電臺(SDR)、合成孔徑雷達和廣播式自動相關監視(ADS-B)接收機等。
(2)Ka波段軟件無線電臺(SDR)
在NASASCaN計劃(由通信、導航和組網可重構試驗臺(CoNNeCT)項目更名而來)的支持下,哈里斯公司利用其現有的軟件定義有效載荷體系結構開發了高數據率的Ka波段軟件無線電臺。Ka波段軟件定義電臺是一種工作在Ka波段上的完全可重編程、可重配置軟件定義電臺,其具有高度模塊化的硬件和軟件體系結構,因此能夠實現快速部署。它具有在軌重編程、抗輻射信號處理能力,通信速率可超過100Mbps。
Ka波段無線電臺基于AppSTAR軟件定義有效載荷體系結構設計,是首個與NASA天基無線通信系統的軟件無線電體系標準STRS(天基遠程通信無線電系統)體系結構兼容的Ka波段可重構軟件定義電臺。電臺的硬件平臺、軟件和波形應用適應STRS操作環境(OE)。STRSOE為所有應用提供開放式、可擴展的架構以及STRS標準定義的一套通用軟件接口(API),加載STRSOE后,軟件定義電臺就能從本地存儲器載入波形應用,這樣就能通過開放式的體系結構對現有的太空資產增加新的應用和特征。模塊化的體系結構除了便于軟件更新,還便于硬件擴展,允許新的硬件技術插入,更利于在軌資產未來的升級。
Ka波段軟件無線電臺主要的有效載荷安裝在具有6U緊湊PCI開放標準底盤的飛行機箱內。V4處理器的FPGA通過數字處理器提供盡可能多的無線電功能。數字化無線電臺采用中頻波形直接采樣、數字增益控制算法、多普勒跟蹤濾波器、微調頻率調整、錯誤編碼、隨機選擇及其他調制解調器功能。
2012年,Ka波段軟件無線電臺通過測試和演示驗證獲得了系統飛行認證資質,處于8級技術成熟度(TRL8),2012年9月,NASA稱正在使用Ka波段軟件無線電臺在SCaN測試床上進行研究和技術驗證。V4可重構星載處理器作為Ka波段軟件無線電臺的一部分也會接受測試。
(3)Aireon天基廣播式自動相關監視(ADS-B)接收機
Aireon公司的天基廣播式自動相關監視(ADS-B)接收機是基于衛星的全球飛機跟蹤系統的組成部分,包括業務星和備份星在內的全部81顆銥星下一代(IridiumNext)衛星都將搭載ADS-B接收機。在即將于2016年開始發射的共計72顆銥星下一代在軌衛星中會全部安裝AireonADS-B接收機。接收機將采用AppStar有效載荷平臺,可接收來自飛機的ADS-B數據,并經由ADS-B地面站提供給空中導航服務供應商,服務響應時間可縮減至2s以內,從而實現完整覆蓋全球的近實時、高頻率、高精度的飛機位置監視。
2015年,哈里斯公司為Aireon公司制造了用于廣播式自動相關監視(ADS-B)系統的軟件定義相控陣天線載荷,如圖4所示。該載荷具備如下功能:天線方向圖可以完全由軟件定義,只需從地面向其加載相應軟件即可;在執行任務過程中,天線波束可隨時進行優化。
軟件定義衛星“量子”
由歐空局(ESA)、歐洲通信衛星公司和空客防務與航天公司共同開發的“量子”是載有軟件可重構載荷的試驗型通信衛星。“量子”類衛星能夠完全實現在軌可重構。一旦發射到空間,這種“變色龍”一樣的衛星就能夠自我調整以適應覆蓋范圍、頻段、功率上的新需求,甚至能改變軌道位置。這種能力使它成為首個服務全球各個區域的“世界衛星”,用戶無需購買和發射新的衛星,就可以通過它獲得新的業務。它能夠在Ku頻段上實現軟件定義的“接收”和“發射”功能,還具有干擾探測和干擾減輕能力。創新的軟件定義“量子”類衛星將為來自政府、移動和數據市場的用戶建立起包括覆蓋范圍、帶寬、功率和頻率配置等在內的一系列新標準。
2014年12月,薩里衛星技術公司(SSTL)研制的創新型小型地球靜止軌道衛星平臺被選擇用于研制首顆“量子”通信衛星,并計劃2018年發射。“量子”將是薩里公司的首顆地球靜止軌道衛星,其設計基于薩里“地球靜止迷你衛星平臺”(GMP-T),設計壽命15年,載荷功率7千瓦,載荷質量450千克。
2015年7月9日,歐洲通信衛星公司和歐洲航天局簽訂合同,研制歐洲通信衛星公司“量子”的新一代衛星載荷,朝實現完全軟件定義衛星又邁進了一步。
2016年3月17日,薩里衛星技術公司(SSTL)宣稱已經制造其首顆地球靜止軌道衛星GMP-T。在英國漢普郡Bordon的SSTL集成工廠,已經開始生產等離子插入中心管的碳質外殼和金屬接口環,后續還將生產其他關鍵組件和模塊。
星載軟件定義有效載荷關鍵技術領域進展
星載軟件定義有效載荷的發展涉及到許多關鍵領域,例如標準和協議、ASIC、DSP和FPGA技術、數/模轉換器和模數轉換器技術等,下面介紹國外對相關領域的一些研究進展。
1、抗輻射的ASIC技術
專用集成電路(ASIC)是軟件定義無線電的重要組件。Aeroflex公司開發的UT90nHBD采用抗輻射的90nm互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝,該項目開始于2011年,本預計2014年結束。根據通用動力公司的研究,在SCaN計劃的所有備選ASIC技術中,UT90nHBD的邏輯密度和速度最高,功耗最低。2015年初,UT90nHBD在端到端環境中進行原型驗證(技術就緒6級)。將UT90nHBD與其他高性能抗輻射元件結合是未來SDR平臺上非可重編程部分的發展方向。
2、FPGA技術
空間的輻射環境會給硬件元件帶來處理誤差,因此必須考慮星載可重編程硬件的可靠性,可以利用采取抗輻射措施的ASIC或一次性可重編程FPGA來減輕輻射影響,但它們不能單獨實現“真正的軟件無線電可重構硬件”概念。
Xilink公司與空軍研究實驗室共同開發了空間應用的Virtex-5QV(V5QV),這種型號由商用XilinxVirtex5FPGA增加了抗輻射單元演變而來。V5QV應用65nmCMOS工藝,可提供1500的等效ASIC門數。V5QV包括超過80000個抗單粒子翻轉觸發器和10000比特的塊隨機存儲器(RAM),此外它還能提供先進的DSP時鐘發生和IO特征技術。
可重編程FPGA技術基于靜態隨機存儲(SRAM),并具有可變性,因此需要可編程圖像的外部存儲。在航天飛行應用中,一般使用增強輻射性的永久存儲技術,例如電可擦可編程制度存儲器(EEPROM)、計算隨機存儲器(CRAM)或多組隨機存儲器(MRAM)。V5QV的可編程圖像大約為50M比特。隨著技術的發展,將來會需要使用多種永久性存儲設備。
在SDR平臺上擴展可重構數字邏輯單元的處理能力,將V5QV與其他更高性能的抗輻射FPGA元件結合是未來的重要發展方向。
3、模數轉換器和數模轉換器技術
耐輻射的航天應用模數轉換器和數模轉換器的發展要落后于ASIC技術,但近年來轉換器最大采樣率、有效比特數(ENOB)、模擬輸入輸出帶寬和功耗得到提高,這種改善能夠共同實現新的星上處理信號處理架構和更小的尺寸重量與功耗。截止到2015年,最新的模擬設備AD9467能在250MHz頻點上達到13個有效比特數。這樣的性能足夠支持使用高達500MHz的信息帶寬,對接收到的信號進行數字轉換和子帶定義濾波。
為滿足SCaN計劃的目標,ADC/DAC元件的未來發展主要是擴展頻段(S、X、Ku、Ka波段,甚至是光學頻段),支持更寬頻段的信號以及獲得更低的比特誤碼率。
通信衛星發展的六大趨勢
1)高頻段
近年隨著毫米波器件的成熟,通信衛星的工作頻段已全面進入Ka時代[4],未來將向更高頻段發展,新一代的通信衛星大多帶有Ka轉發器,2011年歐洲發射的Ka-Sat是全球第一顆全Ka轉發器衛星,它標志著Ka轉發器正式成為通信衛星的主要載荷。目前L、C、S波段已非常擁擠頻段且容量有限,隨著毫米波TR組件的發展,通信衛星必然向Ka頻段和更高的V(美國AEHF)頻段發展。高頻載波的信息容量更大,能夠提供更高的帶寬,并且能夠實現終端小型化,WINDS衛星終端采用45cm(HPA1W)天線完成155Mbps信息速率的傳輸。
2)高帶寬
隨著地面網絡和信息技術的發展,視頻、圖片、大量數據業務已成為通信業務的主流,下一代衛星需要與地面網絡對接,因此新一代衛星載荷也朝著寬帶業務發展,新一代衛星如SpaceWay3、WINDS[2]、Ka-Sat、Via-Sat均提供Mbps甚至Gbps量級的傳輸速率。
3)高增益點波束
不同于傳統的廣播衛星,目前所有通信衛星全都采用多波束技術,通過空分復用增大通信容量,提高頻譜資源的利用率。復用率取決于波束數量和波束寬度,因此高增益窄波束是未來通信衛星的發展趨勢。高增益天線可以提高衛星G/T值,簡化了地面終端設備,使其小型化。而通信終端的體積一直是限制其使用范圍的關鍵因素。
4)GEO和LEO相結合
GEO衛星覆蓋范圍較廣,3-4顆衛星可以覆蓋全球,但GEO衛星通信延遲較大,傳統透明轉發器衛星延遲超過0.5ms,用于網絡接入時,無法適應用戶需求。GEO衛星由于入射角的原因,容易被城市建筑或山體遮擋,如汶川地震時僅有銥星系統能夠全天候使用。LEO衛星通信延遲小,與地面的蜂窩通信相近,同一地區可同時被3顆星覆蓋,可避免信號被遮擋,如汶川地震時僅有銥星系統能夠全天候使用。但LEO衛星覆蓋范圍小,需要幾十顆才能覆蓋全球,遠距離通信通過星間鏈路轉發,星間鏈路復雜度高,Globalstar星座為節約成本而沒有設計星間鏈路。未來衛星通信將采用GEO和LEO相結合的形式,LEO衛星負責提供用戶接入服務,LEO星座通過少量GEO衛星組網,降低星間組網的復雜度和傳輸延遲,目前有美國的GPS采用這種模式。
5)星上再生處理和IP交換
星上再生處理技術可以實現用戶間一跳通信,降低通信延遲,可隔離上下行的干擾,消除上行鏈路噪聲,提高星地鏈路約3dB信噪比。再生處理還可以簡化星上轉發器設計,降低星上載荷功耗和重量。通過識別用戶報文中的地址信息,可以實現不同波束之間的用戶交換。再生處理的基礎上可以實現IP交換,能夠將衛星直接接入辦公室和家庭網絡中,極大地擴展了衛星通信的市場領域,因此,西方國家的政府和衛星制造與經營者都極為重視它的發展。近年歐美新生的衛星中,幾乎都采用了星上處理技術。
6)星間鏈路
星上處理和交換技術的廣泛使用將弱化地面站的作用,遠距離的轉發將過星間鏈路傳輸,星間鏈路將采用V波段、W波段和激光傳輸,傳輸帶寬達到GB量級。目前美國的軍用和民用衛星大多具有星間傳輸功能。
總結
軟件無線電技術的可重構性特征,使其得到越來越廣泛的應用。由于空間環境的復雜性以及星載載荷的SWaP限制,通信衛星上軟件定義可重構載荷的發展,落后于地面應用的通信系統。但近年來,國外積極探索軟件無線電技術的太空應用,開發并驗證了多種航天應用的軟件定義有效載荷,在相關技術上取得了巨大的進步。國內也有知名專家提出“軟件星”的概念,指的是“有效載荷基于軟件無線電通用平臺,衛星功能由軟件來定義的衛星系統”,包括通信中繼、電子偵察與干擾、有源探測、導航定位等的衛星功能都可通過軟件上載實現重構,在概念上比目前國外應用的“軟件定義有效載荷”更具前瞻性。
不論在國內還是國外,要實現真正意義上的星載軟件無線電都還有諸多工作要做,但具有可重構功能的靈活軟件定義有效載荷毫無疑問成為通信衛星重要的發展方向。
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( 發表人:姚遠香 )