【無線射頻芯片】-面向低軌通信小衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)平臺的QLS1046-Space使高性能協(xié)議變?yōu)楝F(xiàn)實

1/1面向低軌通信小衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)平臺的QLS1046-Space使高性能協(xié)議變?yōu)楝F(xiàn)實這些高級協(xié)議有助于增加帶寬，削減延遲和錯誤率，并增加支持的通道數(shù)量

"物聯(lián)網(wǎng)'(IoT)在過去幾年中呈指數(shù)級進展，這一進展得益于掩蓋偏遠地區(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，提升對最終用戶的服務質(zhì)量，并增加最終用戶或終端的數(shù)量。這些高級協(xié)議有助于增加帶寬，削減延遲和錯誤率，并增加支持的通道數(shù)量。

MBI集團研發(fā)的LEOnida方案，基于返回鏈路(RL)和一種改進的增加擴頻Aloha(E-SSA)空中接口[1]。E-SSA是一種隨機訪問(RA)技術，由之前的Aloha協(xié)議進化而來，允許在信噪比(C/N)遠低于0dB的狀況下對接收到的異步突變信號進行解調(diào)。它結(jié)合了直接序列擴頻(SS)和連續(xù)干擾消退(SIC)技術，可消退接收端的多址干擾(MAI)。另外，該協(xié)議不需要終端之間的信號和協(xié)調(diào)，大大降低了系統(tǒng)簡單度和網(wǎng)絡管理難度。LEOnida解決方案可容忍肯定的延遲，這意味著它可以使用不連續(xù)的服務鏈接和低密度的星座來加速服務的實現(xiàn)。在不連續(xù)的反饋連接的狀況下，它還可供應存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。

RLLEOnida解決方案之前被用于MBI集團的地面處理應用，而從未被用于星載處理的應用。隨著高性能、高效的宇航級計算密集型設備的消失，在小型LEO軌道衛(wèi)星上實現(xiàn)這種高性能的計算協(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)，通過實現(xiàn)RLLEOnida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。這個架構(gòu)使用了Teledynee2v公司的宇航級處理模塊QLS1046-Space?？梢钥吹?，LEOnida物聯(lián)網(wǎng)平臺可以被搭載在LEO衛(wèi)星上，為大量的低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端供應窄帶物聯(lián)網(wǎng)服務。

本文首先將闡述所需的處理架構(gòu)，并評估在宇航應用中應用的選項；然后會給出實際的實現(xiàn)方法和測試設置，隨后進行性能測試，并評估測試的結(jié)果；最終將爭論可能的后續(xù)步驟。

1.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，包含接收端的前導搜尋器和放射端的調(diào)制器。這部分的操作簡潔，但需要極高的確定性，因此通常使用低功耗FPGA的可編程規(guī)律(PL)實現(xiàn)。

-與前端相連的后端部分，包含接收機和星載HUB。這部分需要簡單的操作和很強的計算力量，高性能的處理器核心是最適合的器件。

因此，我們推舉使用一種結(jié)合了可編程規(guī)律(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，以及可以供應的處理力量。一些方案的性能中等，可用于nanosat，而對于微小衛(wèi)星則需要更強的計算力量。

圖1、幾種可行的處理架構(gòu)的性能

在這些選項中，Teledynee2v的QLS1046-Space處理模塊結(jié)合Xilinx的XQRKU060FPGA的方案具有完全耐輻射的優(yōu)勢。QLS1046-Spacce是一款耐輻射宇航級器件，包含1片1.8GHz的四核64位ArmCortexA72處理器和一片高速4GBDDR4存儲器。它的形狀緊湊，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。E-SSA前導搜尋器在FPGA中實現(xiàn)，以管理應對LEO衛(wèi)星的大多普勒頻移所需的多頻假設，可達到數(shù)十kHz。調(diào)制器也通過FPGA的PL實現(xiàn)，以便能實時運行。初步討論表明，這兩種應用都可通過低功耗FPGA實現(xiàn)。另一方面，E-SSA接收器和星載HUB在處理器上運行。測試結(jié)果表明，處理器的選擇對于充分利用LEOnida協(xié)議至關重要，這也是我們?yōu)槭裁催x擇QLS1046-Space的緣由。

圖3、使用QLS1046-Space和FPGA的處理策略

下面的章節(jié)將在實踐中評估這一平臺的性能。

2.測試設置和軟件實現(xiàn)

實際的測試設置基于QLS1046-Space開發(fā)工具，這是一個完整的開發(fā)平臺，包含各種接口，如圖4所示。

MBI集團已經(jīng)為地面應用開發(fā)了E-SSA的軟件實現(xiàn)方案。這個軟件使用C++開發(fā)，可在CPU和GPU服務器上運行。為了本文所述的討論，MBI集團對現(xiàn)有的軟件做了移植，使其可以運行在QLS1046-Space上。為了削減開發(fā)時間，軟件并未針對QLS1046-Space優(yōu)化，因此本文所述的測試結(jié)果可通過優(yōu)化這一新的目標平臺的運行來進一步提高。

圖4、QLS1046-Space開發(fā)工具

由于本文的重點是評估處理器上E-SSA接收器的性能，因此在設置中沒有包含F(xiàn)PGA。

包含前導搜尋器在內(nèi)的完整的E-SSA接收器被移植到QLS1046-Space上。前導搜尋器配置了一個較小的頻率范圍采集窗口，以削減資源的使用（由于它通常在FPGA上運行）。流量仿真器用于為開發(fā)工具供應采樣值。測試設置的框圖如圖5所示。

圖5、實際測試的軟件實現(xiàn)

3.結(jié)果

圖6列出了用于性能評估的多種LEOnidamodcods和流量生成器的配置。我們特殊修改的參數(shù)是集中因數(shù)（SF）和數(shù)據(jù)大小。

圖6、測試條件

三種測試條件下的性能評估結(jié)果如圖7所示。協(xié)議的最大理論性能用藍色表示，QLS1046-Space的性能用紅色表示，ZYNQ-7000的仿真性能用紫色表示。ZYNQ是通過運行QLS1046-Space的兩個核，并采納較低的800MHz的CPU頻率進行仿真。

圖7、實際性能

測試結(jié)果清晰地表明，當SF為16時，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，對于集中因數(shù)64，QLS1046-Space成為限制的因素，這是我們預期的結(jié)果。代碼并未針對本討論優(yōu)化，因此在QLS1046-Space上運行優(yōu)化的代碼將帶來更高的性能。還應當留意到，在這個應用中，在全部條件下，QLS1046-Space的性能都遠遠超過ZYNQ-7000的仿真性能。

4.爭論和下一步

這個案例討論提出并評估了一種在小型LEO通信衛(wèi)星上實現(xiàn)物理網(wǎng)的宇航處理平臺。MBI集團通過實際測試證明，這種使用Teledynee2v的QLS1046-Space處理模塊和FPGA的平臺能夠處理高級星載協(xié)議，例如LEOnidaE-SSA。使用QLS1046-Space實現(xiàn)的LEOnida接收機的在軌演示可以通過重用測試臺的架構(gòu)并使用地面終端設計預