空天车地立体环境下宽带传输系统设计.pdf

SOFTWARE软 件2023第 44 卷 第 7 期2023 年Vol.44,No.7作者简介：黄建尧（1981），男，博士，高级工程师，从事专用通信关键技术研究工作。空天车地立体环境下宽带传输系统设计黄建尧（天津七一二通信广播股份有限公司，天津 300462）摘要：针对轨道交通运营安全保障需求，本文阐述了一种以临近空间浮空器为中心的空天车地立体环境下的宽带传输系统设计方案，在分析主要技术指标要求的基础上，给出了主要工作参数设计思路，并重点论述了 S 频段宽带网络收发器和 S 频段功率放大器设计方案，并在最后给出了验证方法和实测结果，结果表明本文所述方案满足系统指标要求。关键词：轨道交通；空天车地立体环境；宽带传输中图分类号：TN915.85 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.07.018本文著录格式：黄建尧.空天车地立体环境下宽带传输系统设计J.软件,2023,44(07):076-078+098Design of Broadband Transmission System in an Integrated Air Space Vehicle Ground EnvironmentHUANG Jianyao(Tianjin 712 Communication&Broadcasting Co.,Ltd.,Tianjin 300462)【Abstract】：A broadband transmission system is designed for safety requirements of railway transit operation in an integrated air space vehicle ground environment,centered around nearby space aerostat.The system parameters are provided on the basis of analyzing the specifications.The design of the S-band broadband transmitter and S-band power amplifier are discussed.At the end,the verification method and test results are provided,indicating that the design meets the system requirements.【Key words】：railway transit;integrated air space vehicle ground environment;broadband transmission设计研究与应用0 引言我国铁路进入现代化建设的关键时期，尤其是在“一带一路”战略发展下，西部边远地区、重载铁路快速发展，对铁路运营与安全综合保障技术提出了新的更高要求1,2。但目前的技术手段功能单一、区域独立，未构成全方位、功能齐全的监测体系，导致大范围监测、全局态势共享、运管综合决策支持能力极度缺乏3,4。亟需通过新技术的突破，实现铁路大范围、全覆盖、全息化的运营与安全综合保障能力5。利用临近空间飞艇等空间信息平台结合地面既有系统，实现轨道运行信息的可靠传输与共享是一种可行的途径。空天车地立体环境下的通信系统以临近空间浮空器作为网络无线接入中心基站平台及数据回程平台，形成覆盖低空和地面的多节点星形移动网络，以解决多节点移动视频监控和地面高速移动节点接入等多业务综合汇接和回程问题。从逻辑功能上，空天车地立体环境下的通信系统包括两个功能子系统：空地移动通信系统和空地宽带通信系统，前者实现多类型移动节点的业务数据汇接（接入）功能；后者实现业务汇接数据的回程传输。本文重点阐述基于临近空间飞艇浮空器的空天车地立体环境下的宽带传输系统方案设计。1 总体方案空天车地立体环境下宽带传输通信系统的功能主要是作为空天车地立体环境下移动通信系统的骨干传输链路，实现临近空间飞艇与地面指挥中心之间的高速数据传输。本系统主要分为两个子系统：浮空器端传输子系统和地面端传输子系统。浮空器端传输子系统包括：S频段宽带网络收发器、S 频段功率放大器、全向天线和配套线缆。地面端传输子系统包括 S 频段宽带网络收发器、S 频段功率放大器、自跟踪定向天线以及配套线缆。1.1 主要技术指标（1）通信距离：300km；77黄建尧：空天车地立体环境下宽带传输系统设计（2）最大数据带宽：100Mbps；（3）业务类型：基于 IP/以太网的综合业务；（4）工作频点：S 频段；（5）频率带宽：20MHz。1.2 工作频点设计工作频率方面，考虑到空地宽带通信系统为固定地面站，浮空器相对移动速度较低，位置较为稳定，下行数据带宽需求较高，因此计划采用 3.3GHz3.5GHz。该频段频率资源相对较为充裕，频率监管问题不突出，适合试验局部署采用，对于较高的工作频点带来的链路传播损耗高的问题，可通过采用较高增益的数引跟踪天线予以弥补。1.3 链路分析空地宽带通信系统链路分析：以3.5GHz S频段分析，300km基本传播损耗为153dB，空地宽带通信信道相对较为稳定，预留 6dB 动态裕量，因此链路预算为 159dB。S 频段/20MHz（7/8FEC+64QAM，NF=3dB）接收机灵敏度工程上可设定为-72dBm，空地通信信道可近似为静中通卫通信道，则收发增益储备需达到 77dB，功率放大器设计提供 40dBm（10W），那么要求浮空器与地面站收发天线合计增益需达到 37dB 以上。地面站采用抛物面数引跟踪天线，3m 天线即可实现 40dBi 以上增益，浮空器端 S 频段全向天线可提供 3 5dB 增益，完全可以达到这一设计要求。1.4 传输速率计算对于空地宽带通信系统，网络峰值带宽为 100Mbps，数据传输效率不低于（100%-（纠错+抗多径+捕获同步+MAC）80%，故空口速率要求不低于 125Mbps。上下行占空比按照2:32配置。采用20MHz基带带宽及64QAM 调制方式，滚降系数 0.25，则能够达到 128Mbps空口速率，且能够满足系统的需求。2 S 频段宽带网络收发器设计S 频段宽带网络收发器是整个宽带传输通信系统的核心设备，数据发送/接收的大部分工作均由 S 频段宽带网络收发器完成，根据系统建设需求，规划 S 频段宽带网络收发器功能如下：（1）具有 S 频段接收发射通路；（2）具有可配置双向或单向传输网络 IP 数据功能；（3）采用高效的 TDD 突发通信体制；（4）具有上下行数据带宽 QoS 配置功能；（5）支持 TCP/UDP/IP 和 IEEE802.3 的网络通信体制，可与浮空器和地面网络无缝集成；（6）具有数据加扰传输功能，并支持串接符合国家保密要求的网络保密机；（7）采用恒包络或近恒包络调制传输体制，通信信号峰均比不大于 5dB；（8）支持北斗/GPS 卫星导航数据采集和随路传输能力；（9）具备良好的临空信道适应能力，适用于临空应用环境；（10）适航高度 20000m；（11）支持 SNMP 网络化配置、监控和管理能力。收发器整体设计基于大规模高速 FPGA 和高速嵌入式处理器的 SDR（软件无线电）架构实现，系统的核心处理均在数字信号处理逻辑中完成，这种设计大大提高了信号处理效率和准确性。由 ADC/DAC（模数-数模转换）实现模拟与数字分割界面。由大规模 FPGA 实现的数字 PHY 和高速嵌入式 ARM 主控处理器实现的数字信号处理与 MAC 协议处理，完成核心的数据处理过程。收发器通过 1 个标准 IEEE802.3u 100/1000M 自适应网络接口与网关设备连接，设备整机基于 TCP/IP的全透明化网络数据传输体制，设备工作于对等传输模式（即通信两端基本收发模式和通信体制相同）。鉴于系统功能的复杂性，采用多板互联分功能模块化设计思想，分为 4 个功能单元：（1）主控处理器单元：ARM 处理器主控；（2）FPGA 数字基带单元：FPGA 和 AD、DA 一体化电路；（3）射频单元：含射频滤波、放大、AGC/TPC、UC/DC 等电路；（4）电源：分布于各单元电路中。逻辑框图如图 1 所示。3 S 频段功率放大器设计S 频段功率放大器按照收发一体的思路设计。把功放安装在天线端口附近，既保证发射机输出功率能最大化到达天线端口；又能保证接收信号经过最小衰减进入高增益 LNA，使噪声系数降至最低。采用环形器和射频开关进行收发隔离，保证工作时收发通路不会相互干扰。S 频段功率放大器原理如图 2 所示。发射通道如图 2 下半部分为了保证输出功率能推到10W，TX 通道设计 4 级放大器。前 3 级功放驱动第 4 级功放，输出功率达到 10W，且保证输出 10W 时 IMD3可达-26dBc。在各级放大器之间设置隔离器，减小各级输出驻波，并降低功放管的反串信号，以免功放管自激烧毁。为应对高低温下功放输出功率变化较大问题，在发射通道设置 3dB 负温度系数温补衰减器，降低温78软 件第 44 卷 第 7 期SOFTWARE度对功放输出功率的影响。接收通道如图 2 上半部分，对接收信号进行射频到中频的下变频，并保证较低的噪声系数。因此，LNA噪声系数不大于 1dB，且下变频选用相位噪声低的压控振荡器和噪声系数低的混频器。通过在 LNA 之前增加限幅器，并在 LNA 之后增加两级射频开关实现收发隔离。即当 TX 通路工作时，从输出环形器泄露至限幅器的信号约+30dBm，经过限幅器限幅后，输出信号约+6dBm，通过两级开关和输入环形器隔离，泄漏到输入端信号小于-85dBm，影响可以忽略不计。4 实验验证按照如图 3 所示的环境图搭建测试环境，测试工具列表如表 1 所示。将衰减器的总衰减量调到 153dB，此时在计算机上运行测试速率软件，测得上下行速率之和不小于100Mbps，则可判定满足传输 300km 和 100Mbps 传输速率的要求。从 表 1 的 实 测 结 果 可 以 看 出，传 输 速 率 可 达101Mbps，满足系统设计要求。图 1 S 频段宽带网络收发器逻辑框图Fig.1 Logic block diagram of S-band broadband network transceiver图 2 S 频段功率放大器原理框图Fig.2 Schematic diagram of S-band power amplifier图 3 验证测试环境图Fig.3 Validation test environment diagram 下转第98页RF_Tx1RF_Tx1RF_Tx2RF_Tx2CLKDACLKADCPUAXI-HPAXI-GP12V28VDC/220VAC5V 1.2V 3.3V 1.8VTCXO时钟缓冲1PPSRS232授时接口管理网口数据网口100M网口电源单元100M网口FPGA隔离温补衰减检波环形器下变频及LNA模块220V-AC电压/功率/温度单片机(温度传感)SMA-M隔离隔离ADC电源(AC-DC)通过RS485去收发器收发切换PA模块频率控制信号检波收发切换LNA限幅环形器SMA-MSMA-MPA1PA3PA4PLL本振PA228V/DC28V/DC220V/AC220V/AC浮空器端S波段网络收发器S波段功率放大器衰减器网口地面端S波段网络收发器S波段功率放大器网口RFRFRF98软 件第 44 卷 第 7 期SOFTWARE监测系统，能够在建筑建设中或者建设完成后采集沉降、倾斜、变形等海量数据信息，通过云端对数据库中的数据调取形成网页端可视化界面，实现对建筑的安全状况监测。该系统具有延时性低、可靠性高的特点，能够实现对建筑安全状态的实时性智能监测。参考文献1 周颖.建筑远程沉降监测系统的可靠性影响因素J.建筑结构,2021,51(S1):1748-1751.2 雄亮,任艳,方月娥.基于多传感器和RBF神经网络的建筑沉降监测J.电子设计工程,2021,29(13):51-55.图 6 监测建筑 8 月份沉降量走势图Fig.6 Monitoring building settlement trend map for August3 邵珠山,徐腾,张宇鹏.改进GM-BP神经网络模型的高层建筑沉降预测J.建设科技,2021(16):84-88.4 李林哲,周佩雷,程鹏,等.边缘计算的架构、挑战与应用J.大数据,2019,5(2):3-16.5 徐亚明,束进芳,安动动.自适应阈值激光光斑中心定位方法研究J.城市勘测,2014(4):5-7.6 李静,陈桂芬,丁小奇.基于改进Canny算法的图像边缘检测方法研究J.计算机仿真,2021,38(4):371-375.7 房晓伟,邹吉炜,陈茂胜,等.基于FPGA的高可靠数字太阳敏算法研究J.测试技术学报,2021,35(1):62-67+78.5 结语空天车地立体环境下的宽带传输系统，主要用于实现浮空器业务汇接数据与地面指挥中心的骨干网络通信，该系统可在 300km 距离实现 100Mbps 点对点通信。本文阐述了空天车地立体环境下的微波宽带传输系统的功能以及组成结构，设计了微波宽带通信设备的总体框架，分析了主要技术指标，并设计了关键系统参表 1 测试工具列表Tab.1 List of test tools序号仪器名称数量单位备注1稳压电源2台DC-28V/6A2可调衰减器1套范围：0110dB3固定衰减器2个50dB4SMA-J 转 SMA-J 线6根线损 1dB5N 型公头转 SMA-J 线4根线损 1dB6DP9 母头转 RJ45 线2根支持千兆速率7移动 PC2台网口支持百兆速率数，详细论述了 S 频段宽带网络收发器和 S 频段功率放大器设计方案。最后，针对所设计系统进行了测试验证，结果表明，所设计系统满足系统技术指标要求，未来将会在系统产品化、工程化方面开展进一步工作。参考文献1 高一凡,王楠楠,吴迪迪,等.空天车地一体化重载铁路安全保障技术框架J.现代交通技术,2021,18(1):84-90.2 高一凡,马小平,陈小英,等.空天车地一体化技术在列车群车联网中的应用框架研究J.现代城市轨道交通,2020(5):86-91.3 王开锋,开祥宝,李明,等.天地一体化信息网络在铁路领域的应用展望J.天地一体化信息网络,2021,2(1):93-98.4 张鹏.基于高通量卫星的铁路应急指挥通信系统研究J.中国新通信,2021,23(20):3-4.5 马艳.浅析铁路通信传输的构成及实现方法J.数字通信世界,2019(3):137.上接第78页 -0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.22021/8/12021/8/32021/8/52021/8/72021/8/92021/8/112021/8/132021/8/152021/8/172021/8/192021/8/212021/8/232021/8/252021/8/272021/8/292021/8/31沉降量/mm日期/d8月监测数据1号监测点2号监测点3号监测点4号监测点