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一文解读软件定义的有效载荷及通信卫星未来发展方向

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  软件定义意味着所有关键的非服务器IT基础设施都可以通过软件实现,伴随着效率、自动化、灵活性与服务质量的提升增益。在流行的SDDC版本中,完整的数据中心几乎所有的资源都可以通过软件定义,完全托管在虚拟化计算环境中。

  软件定义这个词同样适合用于整个服务资源。只要拥有支持SDN的网络交换机,适用于软件定义基础设施的硬件与固件解决方案必然会出现。换句话说,软件定义模块化的物理资源池将被精心配置,用以实现弹性调整、动态分配与可编程配置。

  软件定义有效载荷以软件无线电通用硬件平台为基础,通过软件来定义其功能。支持软件定义有效载荷的通信载荷结构功能组成框图如图1所示,其硬件组成一般包括可重构综合宽带天线、天线开关阵、软件无线电处理平台。

  可重构接收天线前端可以实现波束形状和覆盖区域的重构,由覆盖各频段的单副或多副天线组成的天线阵构成。天线开关阵作为辅助设备来完成射频信号的分配,把各频段天线接收到的信号,根据任务要求馈入到软件无线电处理平台的射频输入端,以进行后续处理。

  软件无线电处理平台作为软件定义有效载荷的核心,在其射频完成对信号的滤波/放大和频率变换,将射频信号变换为宽带中频信号;在其数字信号处理单元完成宽带中频信号的数字化,并通过信号处理软件对数据进行各种处理,完成与之对应的不同任务功能。在星载软件有效载荷中,利用专用集成电路(ASIC)可以实现数字波束成形(DBF)和信道化的部分重构功能,而嵌入到ASIC元器件中的数字信号处理(DSP)软件则能够根据地面指挥控制系统的指令来实现需要的太空重构能力。这样尽管ASIC设计不能在飞行中进行更改,但是通过在地面控制数字波束成形系数和分频器设置也能够改变卫星波束布局、频率复用方案以及波形的频率分配。

  图1支持软件定义有效载荷的通信载荷结构功能组成框图

  可重构计算机是软件无线电处理平台的重要组成部分,为软件定义有效载荷提供与外部设备的接口,并实现与外部高速数据输入或输出的交换。可重构计算机的组成如图2所示,包括单个或多个航天认证FPGA,这是主要的处理和交换设备;耐辐射逻辑设备,用于初始配置,并对由辐射引发的单粒子效应(SEE)给FPGA造成的配置错误进行后续的检测和纠正;耐单粒子效应的配置内存;耐辐射微控制器,用于管理可重构计算机的操作及外部控制接口。国外针对单粒子效应做了许多研究,目前已经出现了能够在辐射环境中运行的高性能FPGA,这使基于FPGA的可重构软件定义有效载荷的实现成为现实。

  图2可重构计算机(RCC)的组成

  AppSTARTM软件定义有效载荷体系结构以模块化软件定义无线电和NASA发布的天基SDR体系STRS(SpaceTelecommunicationsRadioSystem)为基础,由美国哈里斯公司基于XilinxVirtex4FPGA开发。AppSTARTM基于高性能的FPGA处理器和数字信号处理器(DSP),利用灵活的软件实现可重构,使载荷的任务性能可随着未来的需求改变而升级。

  AppSTARTM体系结构的关键部分是一个高度灵活的信号处理系统和一套通用的软件基础单元,通过为通用的软件应用接口(API)开发可移植的应用和波形,与硬件完全分离,实现第三方的可重编程。AppSTARTMAppSTAR软件定义有效载荷由通用处理(GPP)子系统、数字处理子系统和射频前端组成。

  AppSTARTM有效载荷体系结构

  通用处理器子系统包括通用处理器、数字I/O卡和功率转换器。通用处理器控制有效载荷的运行,并具有加载波形或配置数据的功能,它由一组通用的软件架构组成,通过一系列互相兼容的接口来配置、管理和控制系统硬件资源,提供基本的系统管理功能。数字I/O卡提供与平台的标准接口,并可根据特殊应用的独特需求进行定制。功率转换器将外部电源转换为合适的电压,为无线电系统提供所需的电源。

  射频前端电子设备通常是来自数字子系统的一个独立组件包,可以将射频功能放置在离孔径更近的地方,提高整个系统的性能。

  数字处理子系统是AppSTARTM概念的核心,它的配置决定了有效载荷的功能。信号处理子系统基于XilinxVirtex4FPGA,具有高度的波形变换灵活性,以及完成多种空间任务的能力,包括通信和视频转播,还可以为下一代通信系统提供所需的处理功能。

  下面介绍哈里斯公司软件定义有效载荷概念的核心V4可重构星载处理器(V4RSP),V4可重构星载处理器是Xilinx公司持续开展一系列抗辐射可重构处理元件研究所取得的最新成果,它包括信号接口和数据转换,适合太空环境。它在一个传导冷却的6U紧凑PCI中集成了高性能Virtex-4FPGA(256GOPS)、1GLOP通用DSP(SMJ320C6701)、256MBRAM、灵活的标准IO(IEEE1149.1JTAG)、双Spacewire总线、4个1000CX2.5Gb串口和抗单粒子翻转(SEU)规避逻辑单元,经过演示验证,总的放射能剂量强度超过30Krad,功耗约为30W。应用软件装载在SDRAM(同步动态随机存储器)中,在执行任务时,可以将SDRAM分配到几个应用(一般是16个)中,也能根据授权在任务过程中对SDRAM“随意”进行重编程来实现更新。

  使用V4星载处理器的软件定义有效载荷可实现FPGA波形移植和第三方开发,同时确保该应用不会对航天器中的硬件和其他有效载荷造成影响。为实现这些目标,哈里斯公司设计并实现了一系列硬件描述语言(HDL)模块,用于抽象软件无线电中的硬件细节,并为有效载荷开发人员和任务规划人员提供标准接口。硬件抽象是开发软件定义平台的关键,能够提升可扩展性,方便新应用开发,便于用户在遥感应用和通信应用中使用V4星载处理器。

  AppSTARTM软件定义有效载荷已经在一些太空系统研发项目中得到应用,例如高速Ka波段软件无线电台(SDR)、合成孔径雷达和广播式自动相关监视(ADS-B)接收机等。

  在NASASCaN计划(由通信、导航和组网可重构试验台(CoNNeCT)项目更名而来)的支持下,哈里斯公司利用其现有的软件定义有效载荷体系结构开发了高数据率的Ka波段软件无线电台。Ka波段软件定义电台是一种工作在Ka波段上的完全可重编程、可重配置软件定义电台,其具有高度模块化的硬件和软件体系结构,因此能够实现快速部署。它具有在轨重编程、抗辐射信号处理能力,通信速率可超过100Mbps。

  Ka波段无线电台基于AppSTAR软件定义有效载荷体系结构设计,是首个与NASA天基无线通信系统的软件无线电体系标准STRS(天基远程通信无线电系统)体系结构兼容的Ka波段可重构软件定义电台。电台的硬件平台、软件和波形应用适应STRS操作环境(OE)。STRSOE为所有应用提供开放式、可扩展的架构以及STRS标准定义的一套通用软件接口(API),加载STRSOE后,软件定义电台就能从本地存储器载入波形应用,这样就能通过开放式的体系结构对现有的太空资产增加新的应用和特征。模块化的体系结构除了便于软件更新,还便于硬件扩展,允许新的硬件技术插入,更利于在轨资产未来的升级。

  Ka波段软件无线电台主要的有效载荷安装在具有6U紧凑PCI开放标准底盘的飞行机箱内。V4处理器的FPGA通过数字处理器提供尽可能多的无线电功能。数字化无线电台采用中频波形直接采样、数字增益控制算法、多普勒跟踪滤波器、微调频率调整、错误编码、随机选择及其他调制解调器功能。

  2012年,Ka波段软件无线电台通过测试和演示验证获得了系统飞行认证资质,处于8级技术成熟度(TRL8),2012年9月,NASA称正在使用Ka波段软件无线电台在SCaN测试床上进行研究和技术验证。V4可重构星载处理器作为Ka波段软件无线电台的一部分也会接受测试。

  Aireon公司的天基广播式自动相关监视(ADS-B)接收机是基于卫星的全球飞机跟踪系统的组成部分,包括业务星和备份星在内的全部81颗铱星下一代(IridiumNext)卫星都将搭载ADS-B接收机。在即将于2016年开始发射的共计72颗铱星下一代在轨卫星中会全部安装AireonADS-B接收机。接收机将采用AppStar有效载荷平台,可接收来自飞机的ADS-B数据,并经由ADS-B地面站提供给空中导航服务供应商,服务响应时间可缩减至2s以内,从而实现完整覆盖全球的近实时、高频率、高精度的飞机位置监视。

  2015年,哈里斯公司为Aireon公司制造了用于广播式自动相关监视(ADS-B)系统的软件定义相控阵天线载荷,如图4所示。该载荷具备如下功能:天线方向图可以完全由软件定义,只需从地面向其加载相应软件即可;在执行任务过程中,天线波束可随时进行优化。

  由欧空局(ESA)、欧洲通信卫星公司和空客防务与航天公司共同开发的“量子”是载有软件可重构载荷的试验型通信卫星。“量子”类卫星能够完全实现在轨可重构。一旦发射到空间,这种“变色龙”一样的卫星就能够自我调整以适应覆盖范围、频段、功率上的新需求,甚至能改变轨道位置。这种能力使它成为首个服务全球各个区域的“世界卫星”,用户无需购买和发射新的卫星,就可以通过它获得新的业务。它能够在Ku频段上实现软件定义的“接收”和“发射”功能,还具有干扰探测和干扰减轻能力。创新的软件定义“量子”类卫星将为来自政府、移动和数据市场的用户建立起包括覆盖范围、带宽、功率和频率配置等在内的一系列新标准。

  2014年12月,萨里卫星技术公司(SSTL)研制的创新型小型地球静止轨道卫星平台被选择用于研制首颗“量子”通信卫星,并计划2018年发射。“量子”将是萨里公司的首颗地球静止轨道卫星,其设计基于萨里“地球静止迷你卫星平台”(GMP-T),设计寿命15年,载荷功率7千瓦,载荷质量450千克。

  2015年7月9日,欧洲通信卫星公司和欧洲航天局签订合同,研制欧洲通信卫星公司“量子”的新一代卫星载荷,朝实现完全软件定义卫星又迈进了一步。

  2016年3月17日,萨里卫星技术公司(SSTL)宣称已经制造其首颗地球静止轨道卫星GMP-T。在英国汉普郡Bordon的SSTL集成工厂,已经开始生产等离子插入中心管的碳质外壳和金属接口环,后续还将生产其他关键组件和模块。

  星载软件定义有效载荷的发展涉及到许多关键领域,例如标准和协议、ASIC、DSP和FPGA技术、数/模转换器和模数转换器技术等,下面介绍国外对相关领域的一些研究进展。

  专用集成电路(ASIC)是软件定义无线电的重要组件。Aeroflex公司开发的UT90nHBD采用抗辐射的90nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,该项目开始于2011年,本预计2014年结束。根据通用动力公司的研究,在SCaN计划的所有备选ASIC技术中,UT90nHBD的逻辑密度和速度最高,功耗最低。2015年初,UT90nHBD在端到端环境中进行原型验证(技术就绪6级)。将UT90nHBD与其他高性能抗辐射元件结合是未来SDR平台上非可重编程部分的发展方向。

  空间的辐射环境会给硬件元件带来处理误差,因此必须考虑星载可重编程硬件的可靠性,可以利用采取抗辐射措施的ASIC或一次性可重编程FPGA来减轻辐射影响,但它们不能单独实现“真正的软件无线电可重构硬件”概念。

  Xilink公司与空军研究实验室共同开发了空间应用的Virtex-5QV(V5QV),这种型号由商用XilinxVirtex5FPGA增加了抗辐射单元演变而来。V5QV应用65nmCMOS工艺,可提供1500的等效ASIC门数。V5QV包括超过80000个抗单粒子翻转触发器和10000比特的块随机存储器(RAM),此外它还能提供先进的DSP时钟发生和IO特征技术。

  可重编程FPGA技术基于静态随机存储(SRAM),并具有可变性,因此需要可编程图像的外部存储。在航天飞行应用中,一般使用增强辐射性的永久存储技术,例如电可擦可编程制度存储器(EEPROM)、计算随机存储器(CRAM)或多组随机存储器(MRAM)。V5QV的可编程图像大约为50M比特。随着技术的发展,将来会需要使用多种永久性存储设备。

  在SDR平台上扩展可重构数字逻辑单元的处理能力,将V5QV与其他更高性能的抗辐射FPGA元件结合是未来的重要发展方向。

  耐辐射的航天应用模数转换器和数模转换器的发展要落后于ASIC技术,但近年来转换器最大采样率、有效比特数(ENOB)、模拟输入输出带宽和功耗得到提高,这种改善能够共同实现新的星上处理信号处理架构和更小的尺寸重量与功耗。截止到2015年,最新的模拟设备AD9467能在250MHz频点上达到13个有效比特数。这样的性能足够支持使用高达500MHz的信息带宽,对接收到的信号进行数字转换和子带定义滤波。

  为满足SCaN计划的目标,ADC/DAC元件的未来发展主要是扩展频段(S、X、Ku、Ka波段,甚至是光学频段),支持更宽频段的信号以及获得更低的比特误码率。

  近年随着毫米波器件的成熟,通信卫星的工作频段已全面进入Ka时代[4],未来将向更高频段发展,新一代的通信卫星大多带有Ka转发器,2011年欧洲发射的Ka-Sat是全球第一颗全Ka转发器卫星,它标志着Ka转发器正式成为通信卫星的主要载荷。目前L、C、S波段已非常拥挤频段且容量有限,随着毫米波TR组件的发展,通信卫星必然向Ka频段和更高的V(美国AEHF)频段发展。高频载波的信息容量更大,能够提供更高的带宽,并且能够实现终端小型化,WINDS卫星终端采用45cm(HPA1W)天线完成155Mbps信息速率的传输。

  随着地面网络和信息技术的发展,视频、图片、大量数据业务已成为通信业务的主流,下一代卫星需要与地面网络对接,因此新一代卫星载荷也朝着宽带业务发展,新一代卫星如SpaceWay3、WINDS[2]、Ka-Sat、Via-Sat均提供Mbps甚至Gbps量级的传输速率。

  不同于传统的广播卫星,目前所有通信卫星全都采用多波束技术,通过空分复用增大通信容量,提高频谱资源的利用率。复用率取决于波束数量和波束宽度,因此高增益窄波束是未来通信卫星的发展趋势。高增益天线可以提高卫星G/T值,简化了地面终端设备,使其小型化。而通信终端的体积一直是限制其使用范围的关键因素。

  GEO卫星覆盖范围较广,3-4颗卫星可以覆盖全球,但GEO卫星通信延迟较大,传统透明转发器卫星延迟超过0.5ms,用于网络接入时,无法适应用户需求。GEO卫星由于入射角的原因,容易被城市建筑或山体遮挡,如汶川地震时仅有铱星系统能够全天候使用。LEO卫星通信延迟小,与地面的蜂窝通信相近,同一地区可同时被3颗星覆盖,可避免信号被遮挡,如汶川地震时仅有铱星系统能够全天候使用。但LEO卫星覆盖范围小,需要几十颗才能覆盖全球,远距离通信通过星间链路转发,星间链路复杂度高,Globalstar星座为节约成本而没有设计星间链路。未来卫星通信将采用GEO和LEO相结合的形式,LEO卫星负责提供用户接入服务,LEO星座通过少量GEO卫星组网,降低星间组网的复杂度和传输延迟,目前有美国的GPS采用这种模式。

  星上再生处理技术可以实现用户间一跳通信,降低通信延迟,可隔离上下行的干扰,消除上行链路噪声,提高星地链路约3dB信噪比。再生处理还可以简化星上转发器设计,降低星上载荷功耗和重量。通过识别用户报文中的地址信息,可以实现不同波束之间的用户交换。再生处理的基础上可以实现IP交换,能够将卫星直接接入办公室和家庭网络中,极大地扩展了卫星通信的市场领域,因此,西方国家的政府和卫星制造与经营者都极为重视它的发展。近年欧美新生的卫星中,几乎都采用了星上处理技术。

  星上处理和交换技术的广泛使用将弱化地面站的作用,远距离的转发将过星间链路传输,星间链路将采用V波段、W波段和激光传输,传输带宽达到GB量级。目前美国的军用和民用卫星大多具有星间传输功能。

  软件无线电技术的可重构性特征,使其得到越来越广泛的应用。由于空间环境的复杂性以及星载载荷的SWaP限制,通信卫星上软件定义可重构载荷的发展,落后于地面应用的通信系统。但近年来,国外积极探索软件无线电技术的太空应用,开发并验证了多种航天应用的软件定义有效载荷,在相关技术上取得了巨大的进步。国内也有知名专家提出“软件星”的概念,指的是“有效载荷基于软件无线电通用平台,卫星功能由软件来定义的卫星系统”,包括通信中继、电子侦察与干扰、有源探测、导航定位等的卫星功能都可通过软件上载实现重构,在概念上比目前国外应用的“软件定义有效载荷”更具前瞻性。

  不论在国内还是国外,要实现真正意义上的星载软件无线电都还有诸多工作要做,但具有可重构功能的灵活软件定义有效载荷毫无疑问成为通信卫星重要的发展方向。