面向低軌通信小衛(wèi)星的物聯網平臺的QLS1046-Space使高性能協(xié)議變?yōu)楝F實

摘要

“物聯網”(IoT)在過去幾年中呈指數級發(fā)展，這一發(fā)展得益于覆蓋偏遠地區(qū)的小型 LEO 通信衛(wèi)星星座的建立。物聯網需要高效的通信協(xié)議支持其快速增長，提升對最終用戶的服務質量，并增加最終用戶或終端的數量。這些高級協(xié)議 有助于增加帶寬，減少延遲和錯誤率，并增加支持的通道數量。

MBI 集團研發(fā)的 LEOnida 方案，基于返回鏈路(RL)和一種改進的增強擴頻 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 0 dB 的情況下對接收到的異步突變信號進行解調。它結合了直接序列擴頻(SS)和連續(xù)干擾消除(SIC)技術，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和協(xié)調，大大降低了系統(tǒng)復雜度和網絡管理難度。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)的服務鏈接和低密度的星座來加速服務的實現。在不連續(xù)的反饋連接的情況下，它還可提供存儲和轉發(fā)的功能。

RL LEOnida 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出現，在小型 LEO 軌道衛(wèi)星上實現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，通過實現 RL LEOnida 解決方案和嵌入式解調算法來提高終端和衛(wèi)星之間的通信性能。這個架構使用了 Teledyne e2v 公司的宇航級處理模塊 QLS1046-Space?？梢钥吹剑琇EOnida 物聯網平臺可以被搭載在 LEO 衛(wèi)星上，為大量的低功耗物聯網終端提供窄帶物聯網服務。

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

1. 處理架構

E-S SA 通信協(xié)議的處理架構可以被分為兩個主要部分：

- 與 A/D 和 D/A 轉換器互聯并處理數字采樣的前端部分，包含接收端的前導搜索器和發(fā)射端的調制器。這部分的操作簡單，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)實現。

- 與前端相連的后端部分，包含接收機和星載 HUB。這部分需要復雜的操作和很強的計算能力，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合了可編程邏輯(PL)和處理器核心的高效混合架構。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，而對于微小衛(wèi)星則需要更強的計算能力。

圖 1 – 幾種可行的處理架構的性能

在這些選項中，Teledyne e2v 的 QLS1046-Space 處理模塊結合 Xilinx 的 XQRKU060 FPGA 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 Arm® Cortex A72 處理器和一片高速 4GB DDR4 存儲器。它的外形緊湊，如圖 2 所示。

圖 2 - QLS1046-Space

使用 QLS1046-Space 和 FPGA 結合的方案的框圖如圖 3 所示。這是一種實際的星載數據處理架構，可以被用于小型LEO 衛(wèi)星上搭載的 LEOnida 物聯網平臺。E-SSA 前導搜索器在 FPGA 中實現，以管理應對 LEO 衛(wèi)星的大多普勒頻移所需的多頻假設，可達到數十 kHz。調制器也通過 FPGA 的 PL 實現，以便能實時運行。初步研究表明，這兩種應用都可通過低功耗 FPGA 實現。另一方面，E-SSA 接收器和星載 HUB 在處理器上運行。測試結果表明，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 的原因。

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

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 集團已經為地面應用開發(fā)了 E-SSA 的軟件實現方案。這個軟件使用 C++開發(fā)，可在 CPU 和 GPU 服務器上運行。為了本文所述的研究，MBI 集團對現有的軟件做了移植，使其可以運行在 QLS1046-Space 上。為了減少開發(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

圖5 – 實際測試的軟件實現

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 FPGA。

包含前導搜索器在內的完整的 E-SSA 接收器被移植到 QLS1046-Space 上。前導搜索器配置了一個較小的頻率范圍采集窗口，以減少資源的使用(因為它通常在 FPGA 上運行)。流量仿真器用于為開發(fā)工具提供采樣值。測試設置的框圖如圖 5 所示。

結果

圖 6 列出了用于性能評估的多種 LEOnida modcods 和流量生成器的配置。我們特別修改的參數是擴散因數(SF)和數據大小。

圖6 – 測試條件

圖 7 – 實際性能

三種測試條件下的性能評估結果如圖 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，并采用較低的 800MHz 的 CPU 頻率進行仿真。

測試結果清楚地表明，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，對于擴散因數 64，QLS1046-Space 成為限制的因素，這是我們預期的結果。代碼并未針對本研究優(yōu)化，因此在 QLS1046-Space 上運行優(yōu)化的代碼將帶來更高的性能。還應該注意到，在這個應用中，在所有條件下， QLS1046-Space 的性能都遠遠超過 ZYNQ-7000 的仿真性能。

4. 討論和下一步

這個案例研究提出并評估了一種在小型 LEO 通信衛(wèi)星上實現物理網的宇航處理平臺。MBI 集團通過實際測試證明，這種使用 Teledyne e2v 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 LEOnida E-SSA。使用QLS1046-Space 實現的 LEOnida 接收機的在軌演示可以通過重用測試臺的架構并使用地面終端設計預補償多普勒頻移來實現。

MBI 集團也正在研究使用這種計算平臺執(zhí)行信號智能算法的可能性，例如干擾頻率檢測、源定位和緩解。雖然現在這些算法的 TRL 依然較低，它們仍可以被移植到 QLS1046-Space 上并進行在軌演示的測試。第一步是使用開發(fā)工具實現實驗室的演示器，以驗證該方法的可行性。

5. 參考文獻

[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 產品頁面