“物聯(lián)網(wǎng)”（IoT）在過(guò)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(wèn)（RA）技術(shù)，由之前的 Aloha 協(xié)議進(jìn)化而來(lái)，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(lái)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(guò)實(shí)現(xiàn)RL LEOnida 解決方案和嵌入式解調(diào)算法來(lái)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?？梢钥吹?，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。

處理架構(gòu)

E-SSA 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(guò)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(guò)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。

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(kāi)發(fā)工具，這是 一個(gè)完整的開(kāi)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(kāi)發(fā)了E-SSA的軟件實(shí)現(xiàn)方案。這個(gè)軟件使用C++開(kāi)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(kāi)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(guò)優(yōu)化這一新的目標(biāo)平臺(tái)的運(yùn)行來(lái)進(jìn)一步提高。

圖 4 - QLS1046-Space 開(kāi)發(fā)工具

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(méi)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(kāi)發(fā)工具提供采樣值。測(cè)試設(shè)置的框圖如圖5所示。

圖5 – 實(shí)際測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)

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

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(guò)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。

圖 7 – 實(shí)際性能

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(lái)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(guò)ZYNQ-7000的仿真性能。

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(guò)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(guò)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(lái) 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)钥梢员灰浦驳絈LS1046-Space上并進(jìn)行在軌演示的測(cè)試。第一步是使用開(kāi)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。