工业物联网卫星载荷及终端技术研究

李 健

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

卫星物联网是通过卫星来连接实现信息交换的物联网，是未来工业物联网发展方向。工业物联网主要面临着三个问题，一是多址方式如何选择才能实现效果较好的通信分配；二是卫星与地面移动终端间的相对运动会产生多普勒效应，导致信号解调非常困难，这会对系统性能造成很大的影响；三是卫星通信上行同步，上行同步是建立地面终端与卫星的通信链路、实现上行数据传输的重要保障。卫星物联网是通过卫星来实现信息交换的物联网技术，通过各种工业信息传感器采集需要监测的各种物体的状态与信息，然后通过卫星网络接入实现物—物、物—人之间的连接，从而实现物联网中智能化识别、感知与管理[1]。由于国内相关政策对卫星物联网技术的不断支持，卫星物联网行业迎来了新的发展机遇。工信部、国家航天局和国防科工局等针对卫星物联网出台相关政策文件并做出了重要部署，进一步促进“天地一体化”通信发展[2]。同时，一些政策文件提出部署空间互联网以及实现地空设施互联的方针，同时开展建设天地一体化信息网络工程[3]。2020 年4 月，国家发改委提出了新基建内涵，主要包括三个方面，一是信息基础建设；二是融合基础建设；三是创新基础建设。其中信息基础建设就提出要建设以工业互联网、5G、卫星互联网和物联网为代表的通信基础设施。在国外，低轨卫星技术已经非常成熟，并进行了大规模的发射部署。近些年来，俄罗斯、美国、欧盟和日本等发达国家纷纷出台相关政策进行卫星组网建设[4]。一些公司也制定了一系列低轨卫星互联网的研究计划，很多企业也在该方面有了很大的发展，其中Telesat 和OneWeb 等公司一直处于行业领先位置。目前，全球有829 颗在轨的通信卫星，其中中国有44 颗，仅占总数的5%，美国有381 颗，占总数的一半左右，远超中国。

卫星通信网络在保障国家安全和促进社会经济发展等方面起着重要的作用，是国家信息网络布局的重中之重，已经成为各国科技经济竞争的研究热点[5-6]。在星基物联网的快速发展趋势下，将卫星载荷及终端进行组网有很多优势，但也有面临着诸多的挑战。对于多址接入方式，需要通过适当的方式将其分配给需要通信的用户。在低轨卫星移动系统中，由于卫星运动产生多普勒频偏会导致接收端很难进行解调，并会出现一系列问题，例如相位解调错误和数据恢复错误等问题。我们可以通过对多普勒频偏和变换规律进行相关分析，最终能够对多普勒效应进行补偿来提高通信质量[7]。为解决上述问题，本文设计了地面终端设备和基于低轨道卫星载荷设备的硬件和软件，结合FDMA 与TDMA 多址接入、多普勒补偿以及卫星通信上行同步等技术，解决了卫星通信相关技术难题，将星基物联网和工业产业相结合，进一步提升工业物联网自身的价值。

1 系统设计与实现

1.1 天地基物联网架构

卫星物联网是将卫星作为中继站进行不同地面站之间的通信，其中卫星可以进行无线信号的转发和发射。卫星物联网通常由用户段、地面段和空间段组成。空间段是指用户地面站与用户之间的数据转发的卫星或卫星星座，从而可以完成天地间的通信。地面段主要由一些地面站点组成，包括遥测、跟踪和发射指令的站点，以及关口站、卫星控制中心组成。卫星与地面网连接的枢纽称为关口站，通过关口站，卫星能够和地面终端进行通信连接。用户段是各种各样的终端，例如车载终端、手持终端以及一系列便携式移动终端。小型工业物联网卫星载荷搭载在卫星平台上，作为中继站，它在多个地面终端和地面站之间进行通信，发送和接收微波信号，并提供转发服务。

为了能在地球上任何地方实现无线通信，必须要解决卫星对地面基站的覆盖问题。通过卫星联网，将海洋、荒漠、偏远山区和无人区等地面设备与地面终端连接起来，地面终端通过连接卫星，进而连接互联网的服务，将散落在各地的物联网节点、物联网之间与互联网连接在一起。卫星物联网架构如图1所示。

图1 卫星物联网架构

1.2 硬件设计

工业物联网卫星载荷提供多用户接入，完成上行信号接收、信息处理和下行信号发射。主要包括通过下行通道发送广播信息、资源分配信息、确认信息和指令信息等给地面终端，接收多个上行通道地面终端的请求信息、上行数据等信息，完成地面终端信息收集与存储，并且将其转发至卫星平台。载荷定时自动广播一条星上状态广播，广播内容包含时间、星历、位置及速度等信息。载荷通过接收卫星平台的广播信息，立即向地面终端广播该控制终端命令广播。卫星载荷有两套互为冗余备份的模块，每一个模块都有AD、AGC、FPGA、DA、存储、信道等硬件以及信号捕获、编译码、调制解调、扩频、组帧解帧、转发、存储等软件功能模块。每个模块单元硬件平台由一块120 mm×100 mm×20 mm 板卡组成，核心器件为一块FPGA 芯片。其中FPGA 内部嵌入式处理器软核完成协议处理，FPGA 完成基带调制解调。卫星载荷包括如下几个部分：系统主控（操作系统以及应用层程序）、外设接口驱动（ART、422、I2C、SPI 以及ADDA 驱动）、MAC 协议（包括广播发送、请求时隙接收、资源分配算法、下行数据和下行确认发射）、AXI总线驱动（连接ARM 与物理层的总线驱动接口）、物理层发射（采用扩频体制）、物理层接收（采用单载波体制，并支持4 个天线波束赋型，同时支持7 个信道的接收机）和GNSS 驱动（支持GNSS 定时作为时统）。

工业物联网地面终端为对接工业环境下的各种传感器设备。各种传感器通过RS-422/RS-232 或GPIO 接入地面终端，上行发送传感器信息，下行接收控制信息。工业传感器供电环境要求卫星地面终端低功耗、小型化。地面终端内置GNSS 并接入1PPS，支持解析GNSS 时间与位置信息。普通情况下，地面终端保持低功耗休眠，关闭大部分电路，以及射频收发、信道与功放，只保留内置的低功耗RTC 时钟。地面终端包含Xilinx zynq FPGA、AD9361、RTC、GNSS、信道功放、存储等硬件以及信号捕获、调制解调、解频、编译码、组帧解帧、传感器信息收集、多普勒频率补偿、卫星轨道计算等软件功能。硬件平台的核心为zynq FPGA 芯片，集成ARM 处理器与FPGA可编程逻辑器件。其中，ARM 处理器完成协议处理，FPGA 完成基带调制解调。地面终端波形设计架构如图2所示。

图2 地面终端架构

1.3 软件设计

1.3.1 卫星载荷软件设计卫星载荷处理单元核心是FPGA 芯片，主要完成上行链路信号接收、信息处理以及下行链路的数据处理和信号发射。处理单元使用一个通道将各类信息，例如广播信息、确认信息、资源分配信息以及控制信息发送给地面，然后通过30 个通道接收地面的请求信息、上行数据信息以及控制响应信息，最后完成用户信息存储和转发。以IP 软核的方式例化出一个Microblaze 处理器。处理软件运行于这个Microblaze 处理器之上。当FPGA bit 文件从外部FLASH 加载到FPGA 时，协议处理软件的执行代码和运行环境也一并完成加载。

协议处理软件的运行场景要求处理软件有高可靠性，执行结果有强实时性，处理延迟精确可控。应对功能高需求，协议软件使用C语言编写，不适用动态内存分配，程序不使用布尔型变量，使用AAH或者55H。软件架构如图3所示。

图3 卫星载荷软件架构

协议处理软件处理流程按照软件架构，依照数据流向依次处理，如图4所示。

图4 卫星载荷协议数据处理流程

1.3.2 地面终端软件设计

地面单元核心是zynq7000 芯片，主要完成上行链路信号发射、信息处理以及下行链路的数据处理和信号接收。地面终端接受卫星广播信息、资源分配信息、确认信息以及控制信息。通过广播信息和资源分配信息携带的坐标参数和分配指令从30个通道中选择1 个发送请求信息、上行数据和控制响应信息，完成用户数据的存储并将其发送给卫星。

地面终端协处理软件利用ARM 双核处理器的优势，将软件架构设计为AMP 系统，CPU0 运行在linux 系统上，在CPU1 运行裸机程序。两核之间使用IPC 进行交互与协同，这既可以保证关键业务的实时性也可以充分利用Linux 程序的便利性。Linux端的功能主要实现AD9361 射频控制与配置，进行交互界面的调试，同时实现日志收集。裸机程序分为驱动层、支撑层和主逻辑层。驱动层实现硬件外设（包含FPGA 实现的PHY/MAC）的访问。支撑层实现任务队列、缓冲池、中断管理、射频控制以及一些软件功能库。

1.3.3 FPGA 软件总体方案

如图5所示，卫星载荷FPGA 接收方向主要需要实现以下内容：中频信号从ADC 接口输入后，进行多通道下变频处理，最多支持30 个通道并行处理。下变频后进行滤波和抽取，30 路并行处理，进行30 个通道的信号解调。解调后信号进行30 个通道并行译码，译码后数据送microblaze 进行协议处理，协议处理后的数据通过422 接口送出。

图5 FPGA 软件总体方案图

卫星载荷FPGA 发射方向主要需要实现以下内容：待发数据从CAN 接口送入microblaze 进行处理，进行1/2 卷积编码处理。进行组帧和扩频调制，然后内插到DAC 时钟频率，进行上变频到中频频点，中频数据通过DAC 接口送出。地面FPGA 软件处理包括信号发射、捕获、跟踪、RTC 和跳时等模块的功能，而ARM 软件处理FPGA 模块的配置和协调模块间的处理流程，同时ARM 软件配合FPGA 模块实现信号捕获、参数配置和协议处理等功能。

1.4 工作原理

由于静止轨道卫星系统无法覆盖到高纬度地区和极地地区，所以无法确保实时实地地提供全球性的服务。另外，因为静止轨道卫星到地面终端的距离较远，所以需要使用较大的天线，这样链路电平预算就可以为地面终端提供支持。同时，静止卫星系统传播延时较长，通信业务实时性下降。所以，在本文中我们采用低轨道卫星通信系统。

如图1所示，从用户终端或关口站到卫星之间的链路表示上行链路，图中的1、3 都是上行链路。从卫星到用户终端或关口站的链路是下行链路，图中2、4 为下行链路。多普勒预校正将标称频率和多普勒频移进行反向混频，然后发射。多普勒频移只是对原始传输信号进行了修正。卫星接收后，无论是预校正还是补偿都可以对其进行与标称信号相同方式的处理。用户链路的载波跟踪包括上行链路的多普勒预校正和下行链路的多普勒频移补偿，由FPGA 实现。在下行链路中，需要对已调信号进行多普勒补偿，通过接收的信号和估算模块实时对多普勒频移混频，消除多普勒频移，然后继续处理信号。在上行链路中，信号通过预校正模块来抵消多普勒频移，能够保证通信链路正常，同时降低卫星接收信号影响。对多普勒频移估算，通过在FPGA实现高精度、实时的频移估算，能给预校正和补偿模块提供相应数据。

带有多普勒频移补偿部分的通信接收端流程图如图6所示。下行链路补偿模块，信号经过混频后成为中频信号，然后通过采样变成数字信号，进行二次混频。在没有多普勒频移时，本振为中频本振，但是由于频偏的产生，为了消除此频偏，中频本振要与实时估算的多普勒频偏叠加后作为二次混频的本振频率，最终消除多普勒频偏，解调成基带信号。

图6 下行链路补偿

上行链路多普勒预校正模块如图7所示，与上行链路相同，该模块能清除信号多普勒频移，确保到达卫星的载波频率在其标称频率附近，使得卫星上能够实现正确的解调和相关信号处理。

在无线通信系统中，最主要考虑的是同步模块。同步模块的性能对数字接收机的设计至关重要。例如，数字通信系统有载波不同步以及符号不同步的问题，这可能会导致信号无法正确解调，使得通信质量大大降低。低轨道卫星移动通信系统有着相对运动速度快、波束覆盖范围广、信号传输距离远和载波受限等一系列特性，这些特性严重影响上行同步性能。针对上述问题，需要满足以下条件：首先，对于星载接收，上行同步需要在低接收信噪比的情况下进行；其次，地面接收需要在高动态信道环境下快速建立上行同步；同时，上行同步算法需要尽可能降低复杂度来缓解接收机计算的压力。

工业物联网卫星系统上行传输的一个重要特征是地面终端不同，来自不同终端的上行传输之间互不干扰。为了保证上行传输的正交性，避免内部干扰，卫星载荷要求来自同一子帧且占用不同频域资源的地面终端信号到达卫星载荷的时间是基本对齐的，进而能够正确地解调上行数据。然而，由于地面终端在地面覆盖区域中的位置各不相同，这导致地面终端与卫星载荷之间的传输时延各异。为了确保卫星载荷侧各地面终端信号同步到达，我们采用了上行定时提前机制，即各地面终端根据到卫星载荷的传输时延的不同，提前不同的时间发送上行数据。

以卫星载荷下行子帧的发送时间作为基准进行调整，其中TE1 和TE2 代表地面终端近侧和远侧的卫星载荷，传播时延用 Δ1t与 Δt2来代替。在图8中，TE2 需提前两倍的传播时延发送至上行子帧，提前量为往返时延。TE2 距离卫星载荷较远，需要离卫星载荷较近的TE1 提前发送上行子帧。

图8 上行定时提前机制

2 关键技术

2.1 卫星载荷FDMA 与TDMA 多址接入

在卫星通信系统中，许多地面终端需要同时通信，因此系统所占的频率资源必须以适当的方式分配给用户，以使它们能同时接入系统。FDMA 是一种常用的多址技术，它可以对系统频带进行划分，将其划分到互相不重叠的子频带，又称信道。每一个信道的宽度可以不相同，最后使用带通滤波器将信道分开。一般情况下，FDMA 都是和其他方式结合使用。TDMA 可以将时间进行划分，得到不重叠的时隙，信道和时隙相互对应，每一个周期将其定义为帧。然后使用时间选择来将信道分离，用户可占据一个或多个信道。因为TDMA 资源率比较高，所以在给定频段TDMA 中，系统能够提高较多的信道。目前，在覆盖区域相互间隔较远和单区覆盖的地方，使用TDMA 或FDMA 以及TDMA 和FDMA 的混合形式可得到较高的系统容量。

卫星载荷重要的功能是提供系统定时，包括时钟定时以及分帧及复帧定时。TDMA 方式的地面终端首先需要完成系统同步，也就是确定发射和接收帧的开始、分帧和复帧同步、接收和发射开始时刻以及它的宽度。地面终端利用下行广播完成同步定时、轨道计算、计算过顶时间和波束选择。通过上行申请，向卫星载荷申请发送资源。卫星载荷接收到申请，按照速率需要和通信等级，鉴权信息，分配上行时隙和对应信道给地面终端。地面终端按照载荷分配的资源，用分配的频点、时隙上行业务传输。同时，卫星载荷还保留有下行控制信道和时隙，可向特定地面设备发送控制指令，对地面终端完成特殊的控制与配置。

2.2 多普勒补偿

为了减轻多普勒效应的影响，一种方法是提高捕获高动态载波变化的能力，另一种方法是用混频的方法对多普勒频移进行补偿。地面终端主要有两种补偿方法，一是把关口站估算得到的多普勒频移，然后使用导频法将其发送出去；二是在地面终端进行多普勒补偿和估算。我们采用第二种方法，并由FPGA 实现。

在不发生多普勒频移的情况下，我们可以使用二次混频的本振频率作为中频本振。由于在低轨卫星系统中有较大的多普勒频移，我们在对其进行补偿时需要加上多普勒频移的数值。在保持变频器一次本振不变的情况下，使用合成频率（DDS+PLL）作为二次变频本振。主要是因为DSS 存在一些缺点，例如频率低、杂散大等。为了解决该问题，使用PLL来提高频率并改善频谱质量。该方法的原理框图如图9所示。接收端系统主要包括高速扩频信号的处理和低速信息的处理。由于FPGA 具有完成复杂计算、快速数据收发、实时信号处理等一系列优点，所以能够实现信号收发、频移计算和补偿等功能。如图10 所示为多普勒频移补偿的功能模块划分。

图9 DDS+PLL 原理框图

图10 多普勒补偿功能框图

2.3 卫星通信上行同步及资源管理分配

用户和基站建立上行通信连接主要包括两个方面：第一个是和基站保持上行同步；第二个是基站分配上行资源来发送数据信号。主要有竞争性和非竞争性两种模式，竞争性随机接入和竞争性随机接入区别在于前者能随机选择前导序列和时频资源，而后者可以自由选择前导序列和时频资源，从而能够避免不同的地面终端产生冲突。首先，地面终端通过卫星载荷的下行广播搜索过程获得与卫星载荷的下行同步，下行带宽和系统帧号通过对主信息块解码来获得。然后在下行共享信道上解码系统访问信息。最后，在解码系统信息成功后，随机接入过程可以在地面终端执行。对于上行同步的资源分配方法，在接受到SR 请求时，为其请求分配子带，然后判断分配的子带是否属于共享子带，如果分配的子带为共享子带，那么将子带中的SR 资源分配给上行共享信道PUSCH 资源。

2.4 面向地面终端CDMA 广播与多用户接入

在工业卫星物联网系统设计中，针对下行广播，采用码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术。下行数据使用CDMA 技术结合时分多路复用（Testing Data Management，TDM）的方式，上行数据使用频分多址结合时分多址（FDMA+TDMA）的方式。终端上、下行数据传输结合多种多址方式，能够实现频率资源的复用、多终端并发请求及数据传输。

在工业卫星物联网系统，不同的波束、通信频段，通信带宽、可用时隙数目和通信延迟不同。针对不同的地面终端用户的业务等级，采用基于多优先级的信道预留分配策略。同时对于相同优先级的终端接入请求，采用基于抢占排队的信道分配策略。另外，对于较低优先级的低速率、窄带宽和数据量小的信道业务，采用随机抢占的分配策略。以上多种策略组合，达成最大化资源利用，提高多用户接入能力。

3 结论

本文结合FDMA 与TDMA 多址接入、多普勒补偿以及卫星通信上行同步等相关技术，设计了地面终端设备和基于低轨道卫星通信的卫星载荷。卫星载荷提供多用户接入，完成上行信号接收和信息处理，下行信号发射给地面终端。为了保证通信，分析了移动终端的多普勒频偏以及变化规律，使用多普勒补偿方法改善了信号的传输质量。随着小型化工业物联网卫星载荷及终端技术以及其他核心技术的研发，将进一步加快工业物联网的建设，推动卫星物联网、智能制造和实体经济的快速发展融合，促进传统产业优化升级。