李 健

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)衛(wèi)星來(lái)連接實(shí)現(xiàn)信息交換的物聯(lián)網(wǎng)，是未來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要面臨著三個(gè)問(wèn)題，一是多址方式如何選擇才能實(shí)現(xiàn)效果較好的通信分配；二是衛(wèi)星與地面移動(dòng)終端間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)非常困難，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成很大的影響；三是衛(wèi)星通信上行同步，上行同步是建立地面終端與衛(wèi)星的通信鏈路、實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾Ｕ?。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)信息交換的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)各種工業(yè)信息傳感器采集需要監(jiān)測(cè)的各種物體的狀態(tài)與信息，然后通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)物—物、物—人之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中智能化識(shí)別、感知與管理[1]。由于國(guó)內(nèi)相關(guān)政策對(duì)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷支持，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。工信部、國(guó)家航天局和國(guó)防科工局等針對(duì)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)出臺(tái)相關(guān)政策文件并做出了重要部署，進(jìn)一步促進(jìn)“天地一體化”通信發(fā)展[2]。同時(shí)，一些政策文件提出部署空間互聯(lián)網(wǎng)以及實(shí)現(xiàn)地空設(shè)施互聯(lián)的方針，同時(shí)開展建設(shè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程[3]。2020 年4 月，國(guó)家發(fā)改委提出了新基建內(nèi)涵，主要包括三個(gè)方面，一是信息基礎(chǔ)建設(shè)；二是融合基礎(chǔ)建設(shè)；三是創(chuàng)新基礎(chǔ)建設(shè)。其中信息基礎(chǔ)建設(shè)就提出要建設(shè)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)為代表的通信基礎(chǔ)設(shè)施。在國(guó)外，低軌衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并進(jìn)行了大規(guī)模的發(fā)射部署。近些年來(lái)，俄羅斯、美國(guó)、歐盟和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛出臺(tái)相關(guān)政策進(jìn)行衛(wèi)星組網(wǎng)建設(shè)[4]。一些公司也制定了一系列低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的研究計(jì)劃，很多企業(yè)也在該方面有了很大的發(fā)展，其中Telesat 和OneWeb 等公司一直處于行業(yè)領(lǐng)先位置。目前，全球有829 顆在軌的通信衛(wèi)星，其中中國(guó)有44 顆，僅占總數(shù)的5%，美國(guó)有381 顆，占總數(shù)的一半左右，遠(yuǎn)超中國(guó)。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在保障國(guó)家安全和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面起著重要的作用，是國(guó)家信息網(wǎng)絡(luò)布局的重中之重，已經(jīng)成為各國(guó)科技經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的研究熱點(diǎn)[5-6]。在星基物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展趨勢(shì)下，將衛(wèi)星載荷及終端進(jìn)行組網(wǎng)有很多優(yōu)勢(shì)，但也有面臨著諸多的挑戰(zhàn)。對(duì)于多址接入方式，需要通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞綄⑵浞峙浣o需要通信的用戶。在低軌衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻偏會(huì)導(dǎo)致接收端很難進(jìn)行解調(diào)，并會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，例如相位解調(diào)錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)恢復(fù)錯(cuò)誤等問(wèn)題。我們可以通過(guò)對(duì)多普勒頻偏和變換規(guī)律進(jìn)行相關(guān)分析，最終能夠?qū)Χ嗥绽招?yīng)進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)提高通信質(zhì)量[7]。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了地面終端設(shè)備和基于低軌道衛(wèi)星載荷設(shè)備的硬件和軟件，結(jié)合FDMA 與TDMA 多址接入、多普勒補(bǔ)償以及衛(wèi)星通信上行同步等技術(shù)，解決了衛(wèi)星通信相關(guān)技術(shù)難題，將星基物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，進(jìn)一步提升工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)自身的價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 天地基物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是將衛(wèi)星作為中繼站進(jìn)行不同地面站之間的通信，其中衛(wèi)星可以進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)射。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通常由用戶段、地面段和空間段組成?？臻g段是指用戶地面站與用戶之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星或衛(wèi)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(diǎn)組成，包括遙測(cè)、跟蹤和發(fā)射指令的站點(diǎn)，以及關(guān)口站、衛(wèi)星控制中心組成。衛(wèi)星與地面網(wǎng)連接的樞紐稱為關(guān)口站，通過(guò)關(guān)口站，衛(wèi)星能夠和地面終端進(jìn)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(dòng)終端。小型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星載荷搭載在衛(wèi)星平臺(tái)上，作為中繼站，它在多個(gè)地面終端和地面站之間進(jìn)行通信，發(fā)送和接收微波信號(hào)，并提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

為了能在地球上任何地方實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，必須要解決衛(wèi)星對(duì)地面基站的覆蓋問(wèn)題。通過(guò)衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)，將海洋、荒漠、偏遠(yuǎn)山區(qū)和無(wú)人區(qū)等地面設(shè)備與地面終端連接起來(lái)，地面終端通過(guò)連接衛(wèi)星，進(jìn)而連接互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)，將散落在各地的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、物聯(lián)網(wǎng)之間與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計(jì)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星載荷提供多用戶接入，完成上行信號(hào)接收、信息處理和下行信號(hào)發(fā)射。主要包括通過(guò)下行通道發(fā)送廣播信息、資源分配信息、確認(rèn)信息和指令信息等給地面終端，接收多個(gè)上行通道地面終端的請(qǐng)求信息、上行數(shù)據(jù)等信息，完成地面終端信息收集與存儲(chǔ)，并且將其轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星平臺(tái)。載荷定時(shí)自動(dòng)廣播一條星上狀態(tài)廣播，廣播內(nèi)容包含時(shí)間、星歷、位置及速度等信息。載荷通過(guò)接收衛(wèi)星平臺(tái)的廣播信息，立即向地面終端廣播該控制終端命令廣播。衛(wèi)星載荷有兩套互為冗余備份的模塊，每一個(gè)模塊都有AD、AGC、FPGA、DA、存儲(chǔ)、信道等硬件以及信號(hào)捕獲、編譯碼、調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻、組幀解幀、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)等軟件功能模塊。每個(gè)模塊單元硬件平臺(tái)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(nèi)部嵌入式處理器軟核完成協(xié)議處理，F(xiàn)PGA 完成基帶調(diào)制解調(diào)。衛(wèi)星載荷包括如下幾個(gè)部分：系統(tǒng)主控（操作系統(tǒng)以及應(yīng)用層程序）、外設(shè)接口驅(qū)動(dòng)（ART、422、I2C、SPI 以及ADDA 驅(qū)動(dòng)）、MAC 協(xié)議（包括廣播發(fā)送、請(qǐng)求時(shí)隙接收、資源分配算法、下行數(shù)據(jù)和下行確認(rèn)發(fā)射）、AXI總線驅(qū)動(dòng)（連接ARM 與物理層的總線驅(qū)動(dòng)接口）、物理層發(fā)射（采用擴(kuò)頻體制）、物理層接收（采用單載波體制，并支持4 個(gè)天線波束賦型，同時(shí)支持7 個(gè)信道的接收機(jī)）和GNSS 驅(qū)動(dòng)（支持GNSS 定時(shí)作為時(shí)統(tǒng)）。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)地面終端為對(duì)接工業(yè)環(huán)境下的各種傳感器設(shè)備。各種傳感器通過(guò)RS-422/RS-232 或GPIO 接入地面終端，上行發(fā)送傳感器信息，下行接收控制信息。工業(yè)傳感器供電環(huán)境要求衛(wèi)星地面終端低功耗、小型化。地面終端內(nèi)置GNSS 并接入1PPS，支持解析GNSS 時(shí)間與位置信息。普通情況下，地面終端保持低功耗休眠，關(guān)閉大部分電路，以及射頻收發(fā)、信道與功放，只保留內(nèi)置的低功耗RTC 時(shí)鐘。地面終端包含Xilinx zynq FPGA、AD9361、RTC、GNSS、信道功放、存儲(chǔ)等硬件以及信號(hào)捕獲、調(diào)制解調(diào)、解頻、編譯碼、組幀解幀、傳感器信息收集、多普勒頻率補(bǔ)償、衛(wèi)星軌道計(jì)算等軟件功能。硬件平臺(tái)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(xié)議處理，F(xiàn)PGA 完成基帶調(diào)制解調(diào)。地面終端波形設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 地面終端架構(gòu)

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 衛(wèi)星載荷軟件設(shè)計(jì)衛(wèi)星載荷處理單元核心是FPGA 芯片，主要完成上行鏈路信號(hào)接收、信息處理以及下行鏈路的數(shù)據(jù)處理和信號(hào)發(fā)射。處理單元使用一個(gè)通道將各類信息，例如廣播信息、確認(rèn)信息、資源分配信息以及控制信息發(fā)送給地面，然后通過(guò)30 個(gè)通道接收地面的請(qǐng)求信息、上行數(shù)據(jù)信息以及控制響應(yīng)信息，最后完成用戶信息存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。以IP 軟核的方式例化出一個(gè)Microblaze 處理器。處理軟件運(yùn)行于這個(gè)Microblaze 處理器之上。當(dāng)FPGA bit 文件從外部FLASH 加載到FPGA 時(shí)，協(xié)議處理軟件的執(zhí)行代碼和運(yùn)行環(huán)境也一并完成加載。

協(xié)議處理軟件的運(yùn)行場(chǎng)景要求處理軟件有高可靠性，執(zhí)行結(jié)果有強(qiáng)實(shí)時(shí)性，處理延遲精確可控。應(yīng)對(duì)功能高需求，協(xié)議軟件使用C語(yǔ)言編寫，不適用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，程序不使用布爾型變量，使用AAH或者55H。軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星載荷軟件架構(gòu)

協(xié)議處理軟件處理流程按照軟件架構(gòu)，依照數(shù)據(jù)流向依次處理，如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星載荷協(xié)議數(shù)據(jù)處理流程

1.3.2 地面終端軟件設(shè)計(jì)

地面單元核心是zynq7000 芯片，主要完成上行鏈路信號(hào)發(fā)射、信息處理以及下行鏈路的數(shù)據(jù)處理和信號(hào)接收。地面終端接受衛(wèi)星廣播信息、資源分配信息、確認(rèn)信息以及控制信息。通過(guò)廣播信息和資源分配信息攜帶的坐標(biāo)參數(shù)和分配指令從30個(gè)通道中選擇1 個(gè)發(fā)送請(qǐng)求信息、上行數(shù)據(jù)和控制響應(yīng)信息，完成用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)并將其發(fā)送給衛(wèi)星。

地面終端協(xié)處理軟件利用ARM 雙核處理器的優(yōu)勢(shì)，將軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)為AMP 系統(tǒng)，CPU0 運(yùn)行在linux 系統(tǒng)上，在CPU1 運(yùn)行裸機(jī)程序。兩核之間使用IPC 進(jìn)行交互與協(xié)同，這既可以保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性也可以充分利用Linux 程序的便利性。Linux端的功能主要實(shí)現(xiàn)AD9361 射頻控制與配置，進(jìn)行交互界面的調(diào)試，同時(shí)實(shí)現(xiàn)日志收集。裸機(jī)程序分為驅(qū)動(dòng)層、支撐層和主邏輯層。驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)硬件外設(shè)（包含F(xiàn)PGA 實(shí)現(xiàn)的PHY/MAC）的訪問(wèn)。支撐層實(shí)現(xiàn)任務(wù)隊(duì)列、緩沖池、中斷管理、射頻控制以及一些軟件功能庫(kù)。

1.3.3 FPGA 軟件總體方案

如圖5所示，衛(wèi)星載荷FPGA 接收方向主要需要實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：中頻信號(hào)從ADC 接口輸入后，進(jìn)行多通道下變頻處理，最多支持30 個(gè)通道并行處理。下變頻后進(jìn)行濾波和抽取，30 路并行處理，進(jìn)行30 個(gè)通道的信號(hào)解調(diào)。解調(diào)后信號(hào)進(jìn)行30 個(gè)通道并行譯碼，譯碼后數(shù)據(jù)送microblaze 進(jìn)行協(xié)議處理，協(xié)議處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)422 接口送出。

圖5 FPGA 軟件總體方案圖

衛(wèi)星載荷FPGA 發(fā)射方向主要需要實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：待發(fā)數(shù)據(jù)從CAN 接口送入microblaze 進(jìn)行處理，進(jìn)行1/2 卷積編碼處理。進(jìn)行組幀和擴(kuò)頻調(diào)制，然后內(nèi)插到DAC 時(shí)鐘頻率，進(jìn)行上變頻到中頻頻點(diǎn)，中頻數(shù)據(jù)通過(guò)DAC 接口送出。地面FPGA 軟件處理包括信號(hào)發(fā)射、捕獲、跟蹤、RTC 和跳時(shí)等模塊的功能，而ARM 軟件處理FPGA 模塊的配置和協(xié)調(diào)模塊間的處理流程，同時(shí)ARM 軟件配合FPGA 模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲、參數(shù)配置和協(xié)議處理等功能。

1.4 工作原理

由于靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)無(wú)法覆蓋到高緯度地區(qū)和極地地區(qū)，所以無(wú)法確保實(shí)時(shí)實(shí)地地提供全球性的服務(wù)。另外，因?yàn)殪o止軌道衛(wèi)星到地面終端的距離較遠(yuǎn)，所以需要使用較大的天線，這樣鏈路電平預(yù)算就可以為地面終端提供支持。同時(shí)，靜止衛(wèi)星系統(tǒng)傳播延時(shí)較長(zhǎng)，通信業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性下降。所以，在本文中我們采用低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

如圖1所示，從用戶終端或關(guān)口站到衛(wèi)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(wèi)星到用戶終端或關(guān)口站的鏈路是下行鏈路，圖中2、4 為下行鏈路。多普勒預(yù)校正將標(biāo)稱頻率和多普勒頻移進(jìn)行反向混頻，然后發(fā)射。多普勒頻移只是對(duì)原始傳輸信號(hào)進(jìn)行了修正。衛(wèi)星接收后，無(wú)論是預(yù)校正還是補(bǔ)償都可以對(duì)其進(jìn)行與標(biāo)稱信號(hào)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(yù)校正和下行鏈路的多普勒頻移補(bǔ)償，由FPGA 實(shí)現(xiàn)。在下行鏈路中，需要對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，通過(guò)接收的信號(hào)和估算模塊實(shí)時(shí)對(duì)多普勒頻移混頻，消除多普勒頻移，然后繼續(xù)處理信號(hào)。在上行鏈路中，信號(hào)通過(guò)預(yù)校正模塊來(lái)抵消多普勒頻移，能夠保證通信鏈路正常，同時(shí)降低衛(wèi)星接收信號(hào)影響。對(duì)多普勒頻移估算，通過(guò)在FPGA實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)的頻移估算，能給預(yù)校正和補(bǔ)償模塊提供相應(yīng)數(shù)據(jù)。

帶有多普勒頻移補(bǔ)償部分的通信接收端流程圖如圖6所示。下行鏈路補(bǔ)償模塊，信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻后成為中頻信號(hào)，然后通過(guò)采樣變成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行二次混頻。在沒(méi)有多普勒頻移時(shí)，本振為中頻本振，但是由于頻偏的產(chǎn)生，為了消除此頻偏，中頻本振要與實(shí)時(shí)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(diào)成基帶信號(hào)。

圖6 下行鏈路補(bǔ)償

上行鏈路多普勒預(yù)校正模塊如圖7所示，與上行鏈路相同，該模塊能清除信號(hào)多普勒頻移，確保到達(dá)衛(wèi)星的載波頻率在其標(biāo)稱頻率附近，使得衛(wèi)星上能夠?qū)崿F(xiàn)正確的解調(diào)和相關(guān)信號(hào)處理。

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，最主要考慮的是同步模塊。同步模塊的性能對(duì)數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。例如，數(shù)字通信系統(tǒng)有載波不同步以及符號(hào)不同步的問(wèn)題，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正確解調(diào)，使得通信質(zhì)量大大降低。低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度快、波束覆蓋范圍廣、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)和載波受限等一系列特性，這些特性嚴(yán)重影響上行同步性能。針對(duì)上述問(wèn)題，需要滿足以下條件：首先，對(duì)于星載接收，上行同步需要在低接收信噪比的情況下進(jìn)行；其次，地面接收需要在高動(dòng)態(tài)信道環(huán)境下快速建立上行同步；同時(shí)，上行同步算法需要盡可能降低復(fù)雜度來(lái)緩解接收機(jī)計(jì)算的壓力。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星系統(tǒng)上行傳輸?shù)囊粋€(gè)重要特征是地面終端不同，來(lái)自不同終端的上行傳輸之間互不干擾。為了保證上行傳輸?shù)恼恍?，避免?nèi)部干擾，衛(wèi)星載荷要求來(lái)自同一子幀且占用不同頻域資源的地面終端信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星載荷的時(shí)間是基本對(duì)齊的，進(jìn)而能夠正確地解調(diào)上行數(shù)據(jù)。然而，由于地面終端在地面覆蓋區(qū)域中的位置各不相同，這導(dǎo)致地面終端與衛(wèi)星載荷之間的傳輸時(shí)延各異。為了確保衛(wèi)星載荷側(cè)各地面終端信號(hào)同步到達(dá)，我們采用了上行定時(shí)提前機(jī)制，即各地面終端根據(jù)到衛(wèi)星載荷的傳輸時(shí)延的不同，提前不同的時(shí)間發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

以衛(wèi)星載荷下行子幀的發(fā)送時(shí)間作為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，其中TE1 和TE2 代表地面終端近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)的衛(wèi)星載荷，傳播時(shí)延用 Δ1t與 Δt2來(lái)代替。在圖8中，TE2 需提前兩倍的傳播時(shí)延發(fā)送至上行子幀，提前量為往返時(shí)延。TE2 距離衛(wèi)星載荷較遠(yuǎn)，需要離衛(wèi)星載荷較近的TE1 提前發(fā)送上行子幀。

圖8 上行定時(shí)提前機(jī)制

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 衛(wèi)星載荷FDMA 與TDMA 多址接入

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，許多地面終端需要同時(shí)通信，因此系統(tǒng)所占的頻率資源必須以適當(dāng)?shù)姆绞椒峙浣o用戶，以使它們能同時(shí)接入系統(tǒng)。FDMA 是一種常用的多址技術(shù)，它可以對(duì)系統(tǒng)頻帶進(jìn)行劃分，將其劃分到互相不重疊的子頻帶，又稱信道。每一個(gè)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，F(xiàn)DMA 都是和其他方式結(jié)合使用。TDMA 可以將時(shí)間進(jìn)行劃分，得到不重疊的時(shí)隙，信道和時(shí)隙相互對(duì)應(yīng)，每一個(gè)周期將其定義為幀。然后使用時(shí)間選擇來(lái)將信道分離，用戶可占據(jù)一個(gè)或多個(gè)信道。因?yàn)門DMA 資源率比較高，所以在給定頻段TDMA 中，系統(tǒng)能夠提高較多的信道。目前，在覆蓋區(qū)域相互間隔較遠(yuǎn)和單區(qū)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(tǒng)容量。

衛(wèi)星載荷重要的功能是提供系統(tǒng)定時(shí)，包括時(shí)鐘定時(shí)以及分幀及復(fù)幀定時(shí)。TDMA 方式的地面終端首先需要完成系統(tǒng)同步，也就是確定發(fā)射和接收幀的開始、分幀和復(fù)幀同步、接收和發(fā)射開始時(shí)刻以及它的寬度。地面終端利用下行廣播完成同步定時(shí)、軌道計(jì)算、計(jì)算過(guò)頂時(shí)間和波束選擇。通過(guò)上行申請(qǐng)，向衛(wèi)星載荷申請(qǐng)發(fā)送資源。衛(wèi)星載荷接收到申請(qǐng)，按照速率需要和通信等級(jí)，鑒權(quán)信息，分配上行時(shí)隙和對(duì)應(yīng)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(diǎn)、時(shí)隙上行業(yè)務(wù)傳輸。同時(shí)，衛(wèi)星載荷還保留有下行控制信道和時(shí)隙，可向特定地面設(shè)備發(fā)送控制指令，對(duì)地面終端完成特殊的控制與配置。

2.2 多普勒補(bǔ)償

為了減輕多普勒效應(yīng)的影響，一種方法是提高捕獲高動(dòng)態(tài)載波變化的能力，另一種方法是用混頻的方法對(duì)多普勒頻移進(jìn)行補(bǔ)償。地面終端主要有兩種補(bǔ)償方法，一是把關(guān)口站估算得到的多普勒頻移，然后使用導(dǎo)頻法將其發(fā)送出去；二是在地面終端進(jìn)行多普勒補(bǔ)償和估算。我們采用第二種方法，并由FPGA 實(shí)現(xiàn)。

在不發(fā)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(wèi)星系統(tǒng)中有較大的多普勒頻移，我們?cè)趯?duì)其進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)需要加上多普勒頻移的數(shù)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?yàn)镈SS 存在一些缺點(diǎn)，例如頻率低、雜散大等。為了解決該問(wèn)題，使用PLL來(lái)提高頻率并改善頻譜質(zhì)量。該方法的原理框圖如圖9所示。接收端系統(tǒng)主要包括高速擴(kuò)頻信號(hào)的處理和低速信息的處理。由于FPGA 具有完成復(fù)雜計(jì)算、快速數(shù)據(jù)收發(fā)、實(shí)時(shí)信號(hào)處理等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)收發(fā)、頻移計(jì)算和補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｈ鐖D10 所示為多普勒頻移補(bǔ)償?shù)墓δ苣K劃分。

圖9 DDS+PLL 原理框圖

圖10 多普勒補(bǔ)償功能框圖

2.3 衛(wèi)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(gè)方面：第一個(gè)是和基站保持上行同步；第二個(gè)是基站分配上行資源來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。主要有競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性兩種模式，競(jìng)爭(zhēng)性隨機(jī)接入和競(jìng)爭(zhēng)性隨機(jī)接入?yún)^(qū)別在于前者能隨機(jī)選擇前導(dǎo)序列和時(shí)頻資源，而后者可以自由選擇前導(dǎo)序列和時(shí)頻資源，從而能夠避免不同的地面終端產(chǎn)生沖突。首先，地面終端通過(guò)衛(wèi)星載荷的下行廣播搜索過(guò)程獲得與衛(wèi)星載荷的下行同步，下行帶寬和系統(tǒng)幀號(hào)通過(guò)對(duì)主信息塊解碼來(lái)獲得。然后在下行共享信道上解碼系統(tǒng)訪問(wèn)信息。最后，在解碼系統(tǒng)信息成功后，隨機(jī)接入過(guò)程可以在地面終端執(zhí)行。對(duì)于上行同步的資源分配方法，在接受到SR 請(qǐng)求時(shí)，為其請(qǐng)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(yè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)下行廣播，采用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技術(shù)。下行數(shù)據(jù)使用CDMA 技術(shù)結(jié)合時(shí)分多路復(fù)用（Testing Data Management，TDM）的方式，上行數(shù)據(jù)使用頻分多址結(jié)合時(shí)分多址（FDMA+TDMA）的方式。終端上、下行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)合多種多址方式，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率資源的復(fù)用、多終端并發(fā)請(qǐng)求及數(shù)據(jù)傳輸。

在工業(yè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，不同的波束、通信頻段，通信帶寬、可用時(shí)隙數(shù)目和通信延遲不同。針對(duì)不同的地面終端用戶的業(yè)務(wù)等級(jí)，采用基于多優(yōu)先級(jí)的信道預(yù)留分配策略。同時(shí)對(duì)于相同優(yōu)先級(jí)的終端接入請(qǐng)求，采用基于搶占排隊(duì)的信道分配策略。另外，對(duì)于較低優(yōu)先級(jí)的低速率、窄帶寬和數(shù)據(jù)量小的信道業(yè)務(wù)，采用隨機(jī)搶占的分配策略。以上多種策略組合，達(dá)成最大化資源利用，提高多用戶接入能力。

3 結(jié)論

本文結(jié)合FDMA 與TDMA 多址接入、多普勒補(bǔ)償以及衛(wèi)星通信上行同步等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了地面終端設(shè)備和基于低軌道衛(wèi)星通信的衛(wèi)星載荷。衛(wèi)星載荷提供多用戶接入，完成上行信號(hào)接收和信息處理，下行信號(hào)發(fā)射給地面終端。為了保證通信，分析了移動(dòng)終端的多普勒頻偏以及變化規(guī)律，使用多普勒補(bǔ)償方法改善了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。隨著小型化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星載荷及終端技術(shù)以及其他核心技術(shù)的研發(fā)，將進(jìn)一步加快工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，推動(dòng)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)、智能制造和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展融合，促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)。