面向低軌通信小衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的QLS1046-Space使高性能協(xié)議變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

摘要

“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)在過去幾年中呈指數(shù)級(jí)發(fā)展，這一發(fā)展得益于覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)的小型 LEO 通信衛(wèi)星星座的建立。物聯(lián)網(wǎng)需要高效的通信協(xié)議支持其快速增長(zhǎng)，提升對(duì)最終用戶的服務(wù)質(zhì)量，并增加最終用戶或終端的數(shù)量。這些高級(jí)協(xié)議 有助于增加帶寬，減少延遲和錯(cuò)誤率，并增加支持的通道數(shù)量。

MBI 集團(tuán)研發(fā)的 LEOnida 方案，基于返回鏈路(RL)和一種改進(jìn)的增強(qiáng)擴(kuò)頻 Aloha(E-SSA)空中接口[1]。E-SSA 是一種隨機(jī)訪問(RA)技術(shù)，由之前的 Aloha 協(xié)議進(jìn)化而來，允許在信噪比(C/N)遠(yuǎn)低于 0 dB 的情況下對(duì)接收到的異步突變信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。它結(jié)合了直接序列擴(kuò)頻(SS)和連續(xù)干擾消除(SIC)技術(shù)，可消除接收端的多址干擾(MAI)。另外， 該協(xié)議不需要終端之間的信號(hào)和協(xié)調(diào)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)管理難度。LEOnida 解決方案可容忍一定的延遲，這意味著它可以使用不連續(xù)的服務(wù)鏈接和低密度的星座來加速服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。在不連續(xù)的反饋連接的情況下，它還可提供存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

RL LEOnida 解決方案之前被用于 MBI 集團(tuán)的地面處理應(yīng)用，而從未被用于星載處理的應(yīng)用。隨著高性能、高效的宇航級(jí)計(jì)算密集型設(shè)備的出現(xiàn)，在小型 LEO 軌道衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)這種高性能的計(jì)算協(xié)議成為可能。

本文將介紹一種新型的小型 LEO 通信衛(wèi)星的架構(gòu)，通過實(shí)現(xiàn) RL LEOnida 解決方案和嵌入式解調(diào)算法來提高終端和衛(wèi)星之間的通信性能。這個(gè)架構(gòu)使用了 Teledyne e2v 公司的宇航級(jí)處理模塊 QLS1046-Space。可以看到，LEOnida 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以被搭載在 LEO 衛(wèi)星上，為大量的低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端提供窄帶物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

本文首先將闡述所需的處理架構(gòu)，并評(píng)估在宇航應(yīng)用中應(yīng)用的選項(xiàng);然后會(huì)給出實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方法和測(cè)試設(shè)置，隨后進(jìn) 行性能測(cè)試，并評(píng)估測(cè)試的結(jié)果;最后將討論可能的后續(xù)步驟。

1. 處理架構(gòu)

E-S SA 通信協(xié)議的處理架構(gòu)可以被分為兩個(gè)主要部分：

- 與 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器互聯(lián)并處理數(shù)字采樣的前端部分，包含接收端的前導(dǎo)搜索器和發(fā)射端的調(diào)制器。這部分的操作簡(jiǎn)單，但需要極高的確定性，因此通常使用低功耗 FPGA 的可編程邏輯(PL)實(shí)現(xiàn)。

- 與前端相連的后端部分，包含接收機(jī)和星載 HUB。這部分需要復(fù)雜的操作和很強(qiáng)的計(jì)算能力，高性能的處理器核心是最適合的器件。

因此，我們推薦使用一種結(jié)合了可編程邏輯(PL)和處理器核心的高效混合架構(gòu)。圖 1 列出了幾種可行的器件組合方案， 以及可以提供的處理能力。一些方案的性能中等，可用于 nanosat，而對(duì)于微小衛(wèi)星則需要更強(qiáng)的計(jì)算能力。

圖 1 – 幾種可行的處理架構(gòu)的性能

在這些選項(xiàng)中，Teledyne e2v 的 QLS1046-Space 處理模塊結(jié)合 Xilinx 的 XQRKU060 FPGA 的方案具有完全耐輻射的優(yōu)勢(shì)。QLS1046-Spacce 是一款耐輻射宇航級(jí)器件，包含 1 片 1.8GHz 的四核 64 位 Arm® Cortex A72 處理器和一片高速 4GB DDR4 存儲(chǔ)器。它的外形緊湊，如圖 2 所示。

圖 2 - QLS1046-Space

使用 QLS1046-Space 和 FPGA 結(jié)合的方案的框圖如圖 3 所示。這是一種實(shí)際的星載數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，可以被用于小型LEO 衛(wèi)星上搭載的 LEOnida 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。E-SSA 前導(dǎo)搜索器在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)，以管理應(yīng)對(duì) LEO 衛(wèi)星的大多普勒頻移所需的多頻假設(shè)，可達(dá)到數(shù)十 kHz。調(diào)制器也通過 FPGA 的 PL 實(shí)現(xiàn)，以便能實(shí)時(shí)運(yùn)行。初步研究表明，這兩種應(yīng)用都可通過低功耗 FPGA 實(shí)現(xiàn)。另一方面，E-SSA 接收器和星載 HUB 在處理器上運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果表明，處理器的選擇對(duì)于充分利用 LEOnida 協(xié)議至關(guān)重要，這也是我們?yōu)槭裁催x擇 QLS1046-Space 的原因。

圖 3 – 使用QLS1046-Space 和FPGA 的處理策略

下面的章節(jié)將在實(shí)踐中評(píng)估這一平臺(tái)的性能。

2. 測(cè)試設(shè)置和軟件實(shí)現(xiàn)

實(shí)際的測(cè)試設(shè)置基于 QLS1046-Space 開發(fā)工具，這是一個(gè)完整的開發(fā)平臺(tái)，包含各種接口，如圖 4 所示。

MBI 集團(tuán)已經(jīng)為地面應(yīng)用開發(fā)了 E-SSA 的軟件實(shí)現(xiàn)方案。這個(gè)軟件使用 C++開發(fā)，可在 CPU 和 GPU 服務(wù)器上運(yùn)行。為了本文所述的研究，MBI 集團(tuán)對(duì)現(xiàn)有的軟件做了移植，使其可以運(yùn)行在 QLS1046-Space 上。為了減少開發(fā)時(shí)間，軟件并未針對(duì) QLS1046-Space 優(yōu)化， 因此本文所述的測(cè)試結(jié)果可通過優(yōu)化這一新的目標(biāo)平臺(tái) 的運(yùn)行來進(jìn)一步提高。

圖 4 - QLS1046-Space 開發(fā)工具

圖5 – 實(shí)際測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)

由于本文的重點(diǎn)是評(píng)估處理器上 E-SSA 接收器的性能，因此在設(shè)置中沒有包含 FPGA。

包含前導(dǎo)搜索器在內(nèi)的完整的 E-SSA 接收器被移植到 QLS1046-Space 上。前導(dǎo)搜索器配置了一個(gè)較小的頻率范圍采集窗口，以減少資源的使用(因?yàn)樗ǔＴ?FPGA 上運(yùn)行)。流量仿真器用于為開發(fā)工具提供采樣值。測(cè)試設(shè)置的框圖如圖 5 所示。

結(jié)果

圖 6 列出了用于性能評(píng)估的多種 LEOnida modcods 和流量生成器的配置。我們特別修改的參數(shù)是擴(kuò)散因數(shù)(SF)和數(shù)據(jù)大小。

圖6 – 測(cè)試條件

圖 7 – 實(shí)際性能

三種測(cè)試條件下的性能評(píng)估結(jié)果如圖 7 所示。協(xié)議的最大理論性能用藍(lán)色表示，QLS1046-Space 的性能用紅色表示，ZYNQ-7000 的仿真性能用紫色表示。ZYNQ 是通過運(yùn)行 QLS1046-Space 的兩個(gè)核，并采用較低的 800MHz 的 CPU 頻率進(jìn)行仿真。

測(cè)試結(jié)果清楚地表明，當(dāng) SF 為 16 時(shí)，頻譜效率不受 QLS1046-Space 的限制。這意味著 LEOnida 協(xié)議可在這些條件下得到充分利用。然而，對(duì)于擴(kuò)散因數(shù) 64，QLS1046-Space 成為限制的因素，這是我們預(yù)期的結(jié)果。代碼并未針對(duì)本研究?jī)?yōu)化，因此在 QLS1046-Space 上運(yùn)行優(yōu)化的代碼將帶來更高的性能。還應(yīng)該注意到，在這個(gè)應(yīng)用中，在所有條件下， QLS1046-Space 的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 ZYNQ-7000 的仿真性能。

4. 討論和下一步

這個(gè)案例研究提出并評(píng)估了一種在小型 LEO 通信衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)的宇航處理平臺(tái)。MBI 集團(tuán)通過實(shí)際測(cè)試證明，這種使用 Teledyne e2v 的 QLS1046-Space 處理模塊和 FPGA 的平臺(tái)能夠處理高級(jí)星載協(xié)議，例如 LEOnida E-SSA。使用QLS1046-Space 實(shí)現(xiàn)的 LEOnida 接收機(jī)的在軌演示可以通過重用測(cè)試臺(tái)的架構(gòu)并使用地面終端設(shè)計(jì)預(yù)補(bǔ)償多普勒頻移來實(shí)現(xiàn)。

MBI 集團(tuán)也正在研究使用這種計(jì)算平臺(tái)執(zhí)行信號(hào)智能算法的可能性，例如干擾頻率檢測(cè)、源定位和緩解。雖然現(xiàn)在這些算法的 TRL 依然較低，它們?nèi)钥梢员灰浦驳?QLS1046-Space 上并進(jìn)行在軌演示的測(cè)試。第一步是使用開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的演示器，以驗(yàn)證該方法的可行性。

5. 參考文獻(xiàn)

[1] Del Rio Herrero O, De Gaudenzi R., ?High efficiency satellite multiple access scheme for machine-to-machine communications,” IEEE Trans Aerosp. Electron Syst., vol. 48, no. 4, October 2012.

QLS1046-Space 產(chǎn)品頁面