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软件定义的星上信号处理架构
摘 要：面对未来我国卫星移动通信发展过程中可能面临的卫星资源紧张、星上载荷研发周期长、星上处理能力有限以及多种体制并存兼容等核心问题,本文提出一种基于软件定义的星上信号处理架构设计,该架构呈现功能模块按需重构、资源弹性供给、体制解耦、前后兼容的全新架构特征,可能一劳永逸地解决未来星上信号处理的后向兼容性问题.
关键词：反向兼容；网络切片；智能编排
1 引言
随着卫星移动通信逐渐渗透到各个垂直行业,其通信速率跨度会变得更大,低速的更低,高速的更高,终端形态也会更加丰富,既有更小、更简单的终端,也有功能更强、更复杂的终端,满足不同业务的不同通信体制和通信格式将会大量出现.普遍预期未来的卫星移动通信网络必将是由多种通信制式共存的系统,即不同接入技术同时存在将是未来卫星移动通信接入网络的基本特征.未来的卫星移动通信网络框架和技术只有有效地解决不同通信体制、不同特性业务、不同种类终端、不同应用场景的融合问题,才能应对未来行业应用的业务和用户需求；另一方面,随着在轨卫星的增加、用户数目的增加、用户速率的提升,卫星移动通信会从功率受限系统向频率受限系统过渡.同时,未来卫星移动通信会从国土覆盖向全球覆盖发展,在国土之外需要更强的星上处理能力和星际网络能力的支持.
针对上述未来我国卫星移动通信发展过程中可能面临的卫星资源紧张、星上载荷研发周期长、星上处理能力有限以及多种体制并存兼容等核心问题,提出基于软件定义的星上信号处理架构,为未来卫星移动通信系统的高效融合提供一种解决途径.
2 卫星移动通信多种应用体制研究
研究星上信号处理架构的前提是多种传输体制的特性研究.一方面,各种体制在子带、时隙和波束方面的具体需求是资源切片满足各种垂直应用的基础；另一方面,各种体制的协议共同特性及差异部分为模块化星上信号处理设计提供了依据.
我国大S 卫星系统民用体制的标准主要是依据GMR-1 和GMR-1 3G体制,针对我国卫星平台能力及应用需求做一些适应性改进.在这套体制中,一个基本信道的符号传输率定为16kbit/s,占用带宽为23.4kHz,帧长为60ms；分组信道可将多个基本信道进行捆绑,以支持更高带宽,帧长保持不变；目前,支持捆绑数量为2、5、10 和15,分别对应符号传输率32、80、160 和240kbit/s.由于一般民用卫星移动通信终端的运行速度不会太快,且基本波束范围也足够大,普通的波束切换方案即可满足切换性能需求.
另外,我国向ITU-R 提交的提案BMSat（BroadbandMultimedia Satellite）已被确定为IMT-Advanced 系统卫星部分的候选方案.为了与地面体制一致,以支持未来天地一体应用需求,BMSat 体制支持与地面LTE 体制相同的多种带宽,包括1.4、3、5、10、15 和20MHz,且基本帧长（TTI）为1ms.另外,为了改善低等级手持终端的接收能力,BMSat 提出了TTI 绑定方案,最多20 个1ms TTI 绑定（形成一个20ms TTI）来传输一个传输块.另外,BMSat下行采用OFDM体制,上行采用SC-FDMA体制,其核心运算均为FFT.
综上所述,我国第一代卫星移动通信体制以及基于LTE/LTE-A的下一代卫星移动通信体制在带宽和帧长方面的变化范围很大,且不均匀,对于波束覆盖及切换的需求也不尽相同.
3 软件定义的星上信号处理架构
从对多种卫星移动通信体制分析的结果来看,无论通信体制如何演进,频分多址、时分多址和空分多址仍旧是多址方式主流,演化到今天无非是这3 种多址方式的变形,有可能成为下一代卫星移动通信多址方式有OFDM、OFDMA 和MIMO（空分多址的演进）.
因此,如果将频率资源、时间资源和空间资源进一步抽象,将资源有效地分割,保证每个资源片段的完整性,建立起空时频联合信号处理,进而对资源进行切片（Slicing）,每个组切片可以用来满足一个垂直应用.例如,一代民用可以作为一个切片来使用资源；一代军用可以作为另一切片来使用资源.
面向时空频联合资源划分具有非常好的结构,即可以用内聚非常强的高速信号处理单元聚合成复杂的信号处理和交换.在此基础上,将基本的高速信号处理单元ASIC 化,信号处理单元之间连接总线化,并将信号处理交换的过程可配置化,从而构建基于软件定义的星上信号处理架构,可以涵盖未来可能出现的新的卫星移动通信体制反向可以兼容一代的卫星移动通信,递进地可以兼容地基波束赋型、透明转发模式和星上处理.
借用软件定义网络SDN 的表述方法,可以将软件定义的星上信号处理架构从逻辑上分为3 层,分别是基础设施层、控制层和应用层.具体来说,AISC 和连接它们的总线以及软件无线电模块构成基础设施,对基础设施层的管理配置也就是切片构成控制层,而不同的卫星通信体制和应用构成应用层.
3.1 软件定义网络概述
SDN网络的核心理念是数据转发和控制层面的分离.SDN网络架构共分为应用层、控制层和基础设施层（见图1）.
（1）基础设施层就是原有的交换机、路由器等转发设备,但这些设备不会“思考”,没有控制管理功能,只能根据控制器的指令进行数据包的转发.
（2）控制层是由原有的交换机、路由器等网元设备中的控制功能抽取出来,形成的一个软件操作系统.原有交换机、路由器中的网络管理、路由策略、故障恢复等所有的控制功能都由控制层统一完成,真正实现了数据转发层和控制层的分离.
（3）应用层是用户编写的各种软件应用,通过API方式和控制层之间完成信令的交互,这些API 都是开放的,用户可以随意根据自己的需求控制网络,进行研究创新.
3.2 基础设施层
基础设施层包括信号处理单元的模块化和抽象化、模块连接总线标准化、通信协议层间接口的抽象化,以实现星上信号处理资源可配置化,适应不同体制的需求.
信号处理单元的抽象化是将不同通信体制所共同面对的调制、编码等功能进一步抽象,变成通用的信号处理单元,使其具备ASIC化的可能.将通信体制中信号处理单元模块化以后,升级某部分协议只需升级对应的模块,不需更换整个协议,升级更新更加灵活、便捷.从编排器和流的视角看来,信号处理模块是平坦的、占用资源的、具有可串接关系的模块,通信协议各层变成了平等的关系,靠编排器串接来达成其上下层关系.每个用户的数据流称为一个Flow,在用户接入网络的过程中,控制器会针对此Flow 分配FlowID,同时储存该Flow 相关的信息.基础设施层接收到该Flow 后,在FlowTable 中匹配,进行相应处理,处理过程中涉及的资源映射表等数据可向全局网络视图请求获得.为了支持各处理模块的灵活编排,各信号处理模块间的连接总线需兼顾局部的高速高效和全局的路由和连通.同时,将不同系统、不同协议层间的接口定义通用化,从而异种RAT都可以通过此通用接口封装消息、进行串接,方便不同网络的深度融合.在硬件实现方面,将采用尽可能少的ASIC 种类,以及少量的FPGA和处理器构建基础设施层,功能完备,性能强大,从而匹配15~20 年后的卫星移动需求.
3.3 控制层
控制层实现管理功能和控制功能,在基础设施层的支持下完成对资源的切片,使得每个切片具有良好的完整性和独立性,同时对星上信号处理模块进行编排.控制层包括南向接口和北向接口.南向接口规划硬件资源配置点和配置项,对基础设施层（载荷的硬件主体）进行配置；北向接口完成对时空频及EIRP、GT值需求的适配,完成切片的抽象过程和实现过程,以及完成对信号处理模块的编排.
控制器可以是地面的网络控制中心,通过中高轨卫星组成泛在信令网作为控制器与基础设施层间的状态收集与决策分发通道.来自基础设施层的状态收集构成全局网络视图,控制器访问全局网络视图获取所需信息并做决策,并以流表的形式将决策下达给基础设施层.以波束间干扰协调为例,控制器和全局网络视图的存在将大大提高干扰协调的性能并简化流程.受到干扰的波束将自己受到干扰的情况上报给全局网络视图,控制器基于某种触发机制访问全局网络视图中干扰协调相关的参数,由于控制器能获得全网的干扰情况,故可以采用一些高效的全局优化算法计算出对应决策.然后,将决策指令下达给基础设施层,指令下达的实现方式可以是更新基础设施层对应模块的FlowTable中的参数,从而实现全网的干扰协调控制.在该架构中,与基础设施层分离的独立控制层除了能够从全局最优的角度实现高效的波束间和波束内干扰协调,提高稀缺RF 频谱资源的利用率外,还能够实现更细粒度、更灵活的网络控制.基于标准化接口的控制模型使得运营商能有效地在非常细的层上高度抽象、自适应地应用策略,包括会话、用户、设备、应用层.同时,该控制模型使得运营商能够支持多租户,并在用户共享相同的基础设施时,保持流量独立、安全、灵活的资源管理.另一方面,该架构使得运营商可以有效地处理不同业务的挑战,为不同业务提供差异化服务、灵活分配网络资源、增值价值,而不是低利润的哑管道.
3.4 应用层
在基于软件定义的星上信号处理架构基础上,卫星移动通信系统将采用模块化功能设计模式,通过“功能组件”的组合,构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络.在应用层具体研究对新体制的开发以及对一代体制的反向兼容,一代的体制已经形成标准,考虑一代的演进和面向特定需求的新体制展开示例性研究,例如更低速率、更多用户数量的物联网需求和单用户增强的以用户为中心的波束赋型.
4 结束语
在基于软件定义的星上信号处理架构中,RAT 不再是区分不同通信系统的标识,而仅仅是作为系统能力的一个子集,包含在每个用户/业务的控制信息中.这样,在系统进行调度时,RAT将变成和空间资源类似的一种资源,每个用户/业务根据各自控制信息和网络可用资源,选择某一个RAT 作为自己的承载获得服务.为了提高接入网网络资源的调度效率,可以利用切片技术对接入网资源构造网络切片.接入网网络切片可以看成是接入网资源调度的基本单位,每个切片都对应着一定的网络资源.
总之,软件定义的星上信号处理架构设计呈现出功能模块按需重构、资源弹性供给、体制解耦、前后兼容的全新架构特征,典型服务能力主要包括网络切片、功能编排、以用户为中心的无线接入网.这一架构可能一劳永逸地解决未来星上信号处理的后向兼容性问题,新的通信协议将不需要考虑与大量现存通信系统的交互,而只是将自己作为系统能力子集的一个新的元素,同时增加/更新系统的部分控制功能.
（收稿日期：2017-09-09）
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