近地轨道卫星通信LDPC码高速译码器设计与FPGA实现

这是一篇关于卫星通信,LDPC码,高吞吐率,译码器,FPGA,NMS算法的论文, 主要内容为在近地轨道卫星通信中,低密度奇偶校验(Low-density Parity-check,LDPC)码以其低误码平层、高编码增益以及译码性能逼近香农限的优越性能受到了广泛关注。在保证译码性能不损失条件下,利用有限硬件资源提高LDPC译码器的吞吐率一直是LDPC码应用于实际系统努力实现的方向。针对国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)标准下近地轨道卫星通信LDPC码型,本文在现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)平台上设计实现了该码型的高吞吐率译码器。首先,针对技术协议中规定的体积、功耗、对外数据交互接口、译码速率以及误码率等指标要求,设计了高速译码器的硬件电路。以FPGA为主控芯片,采用板卡设计形式。详细设计了PCI Express接口电路、DDR3接口电路以及辅助FPGA芯片正常运行的外围电路。然后,根据译码板卡内部高速数据传输架构,基于FPGA平台设计PCI Express接口控制逻辑与DDR3接口控制逻辑。PCI Express接口控制逻辑采用直接储存器访问(Direct Memory Access,DMA)方式、基于PCI Express硬核IP设计,实现了译码板卡与PC的高速数据交互。DDR3接口控制逻辑基于存储器接口生成器(Memory In-terface Interface,MIG)IP核,辅以数据管理模块划分DDR3存储空间,实现了DDR3的多通道数据读写。最后,研究常用的LDPC译码算法与译码架构,基于MATLAB对各种译码算法仿真分析。根据技术协议指标要求,系统采用修正因子为0.75、迭代次数为10的NMS算法作为译码算法。对于译码架构,系统采用部分并行译码架构设计,结合子块个数划分法与子块维度划分法,设计了112个变量节点并行度、14个校验节点并行度的部分并行译码架构。在译码算法与译码架构分析基础上,设计了LDPC译码逻辑。最终,对译码板卡进行验证,在信噪比bE/N0(28)6d B的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道条件下,基于Xilinx XC7K325T FPGA平台实现了译码吞吐率可达到1232Mbps的高速译码器;测试24个小时,未发现误码。

基于卫星通信的海上石油平台远程监控系统的研究与设计

这是一篇关于远程监控,卫星通信,现场总线,IPSTAR的论文, 主要内容为自动控制技术、计算机技术、网络通信技术的发展使得对工业现场状况进行监测和控制成为可能。而现场总线技术以其结构简单、费用低、易于维护、可靠性高、开放性等多种优势日渐成为工业监控领域的热点。 针对海上石油平台油气混输的具体需求,本文使用卫星通信来设计远程监控的数据传输,具有很好的可靠性和机动性,极大的降低了有线通信海底电缆的铺设成本和操作者的工作强度,体现了以人为本的理念。 本文深入研究了现场总线和以太网的特点,构建了以现场总线用于现场控制子系统、以太网用于远程监控子系统的远程监控体系结构。该体系结构充分体现了以太网技术的传输速度快、兼容性好和网络性好的特点,以及现场总线适用于设备控制层,具有抗干扰能力强、安全性好的特点。 现场控制子系统以海上石油平台的油气混输泵为对象,采用西门子公司的S7-300系列PLC对现场设备和西门子变频器进行控制,并对现场数据进行采集和处理;上位机采用工控机对数据进行记录、报警和监控;并通过PROFIBUS-DP现场总线组网实现系统的通讯;采用SIMATIC STEP7进行硬件组态与软件编程,并用Visual C++实现监控界面的开发。 远程监控子系统利用卫星通信实现数据传输,通过对卫星通信的发展现状的分析,选择IPSTAR作为卫星接入网络终端;应用OPC数据传输技术实现控制网络与信息网络的一体化;采用Socket,B/S,Jsp/Servlet,Java Applet技术,并通过Web服务器,设计了提供给远程客户的实时数据传输;最后,对网络通信中的基本安全技术进行了介绍,从远程监控子系统的整体上提出了一些加强网络安全的措施。 本文设计并实现了海上石油平台油气混输泵的现场控制子系统,提出并设计了基于卫星通信的远程监控集成方案,具有一定的推广效益和参考价值。

海洋通管理与维护平台的设计与实现

这是一篇关于卫星通信,SpringMVC,MySQL,tomcat,Bootstrap的论文, 主要内容为随着科技的不断进步,卫星信号的不断增强,卫星发射的成本的降低,卫星宽带资费和VSAT设备售价也随之大幅度下降。用户通过使用卫星VSAT集群通信网络,连接互联网,享受上网服务。该通信网络针对上网所产生的流量费用可以进行自动结算,保障了用户对于资费信息的知情权,不会给用户带来账目混乱的困扰。船岸通信需求随着船公司的信息化管理而不断地增加,这些需求也促进了海上通信技术的发展。海洋通APP给使用联通手机号码出海的渔民提供普通应用互联网功能,利用互联网进行海陆直拨互通,这一功能的实现给他们带来极大的便利和安全。本文实现了海洋通管理与维护平台的开发,将会在论文中就系统各功能模块设计的逻辑和方案、系统的数据库设计以及各模块实际运行的效果截图进行详细的介绍,并给出各功能模块进行严格测试的步骤和方法。系统能够及时处理海洋通APP的用户在使用过程中出现的问题,实现了对海洋通APP后台数据的管理和维护的功能,包括充值话费和流量、各项资费信息的数据统计、代理商管理、公众号管理以及将最新的行业、生活、服务等信息推送到客户端等功能。本系统作为服务APP、企业管理者营销活动的重要模块,能够满足企业日常工作处理需求。系统的前端页面使用当前较为流行Bootstrap框架技术,后端采用SpringMVC框架。利用Java语言编写代码,使用MySQL数据库进行数据的创建和维护,最终保证了系统能够稳定快捷安全的运行在各个浏览器上。目前系统已上线且运行状态良好,提高了工作人员的工作效率,减轻了客服人员的工作量。该管理系统实现了对海洋通APP进行内容管理和数据监测等功能,不仅为运营人员管理APP以及解决用户使用过程中出现的问题提供了一套相应的策略,很大程度上提升了工作效率,对于开发同类型的后台管理与维护系统具有参考价值。

基于OpenStack的卫星关口站高可用技术研究与实现

这是一篇关于OpenStack,高可用,卫星关口站,卫星通信,OpenSAF的论文, 主要内容为OpenStack是一个广泛应用的开源云计算管理平台。研究和借鉴OpenStack的先进架构和设计思想,有利于指导卫星关口站实用系统的研究与开发工作。OpenStack简化了三大资源的分配:计算、存储和网络,它能够迅速而简便地提供按需定制的云资源,同时也容易实现规模上的扩展。卫星关口站是连接卫星网络和地面网络的枢纽,资源的高可用性是其必备的一个主要特征。实现OpenStack与卫星关口站的融合,能够有效简化关口站的架构设计,降低开发工作量,并实现资源高可用的目标。本文的研究目标是基于OpenStack搭建提供卫星关口站服务的云系统。基于数据流的处理和转发负载均衡,传输层网络协议的优化和增强,该系统能够提供路由高可用服务。该系统是一个管道模型的优化和增强,不同于基于C/S(或者B/S)架构的云系统。所有的数据流既不产生于该模型,也不终结于该模型。该系统的高可用研究内容可以体现在三个层次:应用服务级的高可用、OpenStack的高可用和底层服务器的高可用。本文的关键创新点在应用服务级高可用研究。经过调查研究论证,依托OpenSAF标准研究实现该关键创新点,达到了关口站软件改动小、系统稳定性高、设计有依据的目的。可用性是在一定的功能性能需求和边界条件下在设计系统时的一种考量。概括地说,要满足高可用的设计,需要完善的架构、冗余设计、错误处理和持续更新。控制平面与数据平面分离的卫星关口站Cell高可用架构设计具有很多优点,有利于各个模块独立发展和演进;每个平面都设计了热冗余备份,其中,数据平面还支持负载均衡;这种冗余架构支持错误自动修复功能。该架构从高可用的角度分析,满足了设计目标。本文研究了信息系统高可用的内涵,结合卫星通信和OpenStack的特点,通过设计和评估,完成了基于OpenStack的高可用卫星关口站总体设计方案,并对关键服务(应用层控制平面和数据平面)进行了详细的设计。通过实际测试,基于OpenStack的高可用卫星关口站服务系统具备高可用能力,可有效支持语音、图像、视频和数据等多种业务通信。该架构不仅能够有效解决目前大容量关口站的功能性能需求,而且提高了关口站的应用服务能力,为进一步研究部署高可用大容量卫星关口站奠定了基础。

基于卫星通信的海上石油平台远程监控系统的研究与设计

这是一篇关于远程监控,卫星通信,现场总线,IPSTAR的论文, 主要内容为自动控制技术、计算机技术、网络通信技术的发展使得对工业现场状况进行监测和控制成为可能。而现场总线技术以其结构简单、费用低、易于维护、可靠性高、开放性等多种优势日渐成为工业监控领域的热点。 针对海上石油平台油气混输的具体需求,本文使用卫星通信来设计远程监控的数据传输,具有很好的可靠性和机动性,极大的降低了有线通信海底电缆的铺设成本和操作者的工作强度,体现了以人为本的理念。 本文深入研究了现场总线和以太网的特点,构建了以现场总线用于现场控制子系统、以太网用于远程监控子系统的远程监控体系结构。该体系结构充分体现了以太网技术的传输速度快、兼容性好和网络性好的特点,以及现场总线适用于设备控制层,具有抗干扰能力强、安全性好的特点。 现场控制子系统以海上石油平台的油气混输泵为对象,采用西门子公司的S7-300系列PLC对现场设备和西门子变频器进行控制,并对现场数据进行采集和处理;上位机采用工控机对数据进行记录、报警和监控;并通过PROFIBUS-DP现场总线组网实现系统的通讯;采用SIMATIC STEP7进行硬件组态与软件编程,并用Visual C++实现监控界面的开发。 远程监控子系统利用卫星通信实现数据传输,通过对卫星通信的发展现状的分析,选择IPSTAR作为卫星接入网络终端;应用OPC数据传输技术实现控制网络与信息网络的一体化;采用Socket,B/S,Jsp/Servlet,Java Applet技术,并通过Web服务器,设计了提供给远程客户的实时数据传输;最后,对网络通信中的基本安全技术进行了介绍,从远程监控子系统的整体上提出了一些加强网络安全的措施。 本文设计并实现了海上石油平台油气混输泵的现场控制子系统,提出并设计了基于卫星通信的远程监控集成方案,具有一定的推广效益和参考价值。

基于OpenStack的卫星关口站高可用技术研究与实现

这是一篇关于OpenStack,高可用,卫星关口站,卫星通信,OpenSAF的论文, 主要内容为OpenStack是一个广泛应用的开源云计算管理平台。研究和借鉴OpenStack的先进架构和设计思想,有利于指导卫星关口站实用系统的研究与开发工作。OpenStack简化了三大资源的分配:计算、存储和网络,它能够迅速而简便地提供按需定制的云资源,同时也容易实现规模上的扩展。卫星关口站是连接卫星网络和地面网络的枢纽,资源的高可用性是其必备的一个主要特征。实现OpenStack与卫星关口站的融合,能够有效简化关口站的架构设计,降低开发工作量,并实现资源高可用的目标。本文的研究目标是基于OpenStack搭建提供卫星关口站服务的云系统。基于数据流的处理和转发负载均衡,传输层网络协议的优化和增强,该系统能够提供路由高可用服务。该系统是一个管道模型的优化和增强,不同于基于C/S(或者B/S)架构的云系统。所有的数据流既不产生于该模型,也不终结于该模型。该系统的高可用研究内容可以体现在三个层次:应用服务级的高可用、OpenStack的高可用和底层服务器的高可用。本文的关键创新点在应用服务级高可用研究。经过调查研究论证,依托OpenSAF标准研究实现该关键创新点,达到了关口站软件改动小、系统稳定性高、设计有依据的目的。可用性是在一定的功能性能需求和边界条件下在设计系统时的一种考量。概括地说,要满足高可用的设计,需要完善的架构、冗余设计、错误处理和持续更新。控制平面与数据平面分离的卫星关口站Cell高可用架构设计具有很多优点,有利于各个模块独立发展和演进;每个平面都设计了热冗余备份,其中,数据平面还支持负载均衡;这种冗余架构支持错误自动修复功能。该架构从高可用的角度分析,满足了设计目标。本文研究了信息系统高可用的内涵,结合卫星通信和OpenStack的特点,通过设计和评估,完成了基于OpenStack的高可用卫星关口站总体设计方案,并对关键服务(应用层控制平面和数据平面)进行了详细的设计。通过实际测试,基于OpenStack的高可用卫星关口站服务系统具备高可用能力,可有效支持语音、图像、视频和数据等多种业务通信。该架构不仅能够有效解决目前大容量关口站的功能性能需求,而且提高了关口站的应用服务能力,为进一步研究部署高可用大容量卫星关口站奠定了基础。

用于卫星通信的毫米波共口径天线阵列研究

这是一篇关于卫星通信,双频共口径,天线阵列,宽带,圆极化的论文, 主要内容为随着人类对卫星通信技术的需求日益增长和卫星通信技术的不断发展,其对天线的性能要求也越来越高,宽带、圆极化、小型化成为了研究的热门话题。共口径天线可以有效提高口径效率,进而提高天线系统的紧凑度、集成度,十分契合卫星通信天线系统的发展需求。本文围绕卫星通信天线发展的需求,分析用于卫星通信的毫米波共口径天线阵列,主要内容有下面几点:(1)K/Ka波段共口径天线单元分析与设计。根据设计指标要求,分析了阵列的排布拓扑结构,为了确保两个频段的天线阵列具有大角度扫描的能力,采用了方形排布的拓扑结构,将K波段天线与Ka波段天线嵌套放置,从而实现两个天线的半波长布阵。首先考虑了Ka波段天线单元的设计,为了在小尺寸下实现宽带圆极化辐射,设计了一款加载寄生贴片的开槽圆形微带天线,通过单馈实现了10.8%的轴比带宽和17.5%的阻抗带宽,同时剖面高度仅为0.110λ。接着,设计了一款K波段天线单元,实现了12%的阻抗带宽,同时具备一定的圆极化辐射能力。最后,将Ka波段天线单元放置于K波段天线中心协同仿真,结果显示天线的阻抗匹配性能未受到影响,而隔离度方面,K波段大于21.25 dB,Ka波段大于15.15 dB。(2)K/Ka波段共口径天线阵列分析与设计。首先设计了一款基于同轴馈电的K/Ka波段共口径相控阵天线阵列,采用方形排布的拓扑结构。性能方面,K、Ka波段天线阵列均能实现50°波束扫描,同时增益下降小于3 dB。在扫描过程中,两个天线阵列分别实现了10%、12%的阻抗带宽,以及15%、12%的轴比带宽。然后设计了加上馈电网络的四款K/Ka波段共口径天线阵列,分别实现了K-0°、K-50°、Ka-0°、Ka-50°的波束扫描。结果显示,对于K波段0°和50°扫描的两个天线阵列,阻抗带宽大于13.7%,3 dB轴比带宽大于7.3%,5 dB轴比带宽大于11%,50°扫描增益下降小于3.5 dB。而对于Ka波段0°和50°扫描的两个天线阵列,阻抗带宽大于17%,3 dB轴比带宽大于9.8%,5 dB轴比带宽大于13.9%,50°扫描增益下降小于2.3 dB。所提出的K/Ka波段共口径天线阵列能够满足设计指标中的要求。

星地融合网络中以用户为中心的核心网架构设计

这是一篇关于卫星通信,5G核心网,DRQN,遗传算法的论文, 主要内容为随着5G技术的快速发展和成熟,越来越多的人享受到了 5G带来的高速率、低时延的体验,然而由于5G基站的覆盖范围、能耗等原因,5G只能覆盖地球上极少部分区域。相对来说,少数几颗高轨卫星网络就能够更轻易地覆盖地球绝大多数区域,为用户提供全球服务,但是其时延较高且信号受环境影响大。低轨卫星网络作为地面蜂窝网络的有效补充,其覆盖面积较大,发射成本在不断降低,带宽和时延相对于高轨卫星有较大改善,但是其移动性强,且覆盖全球需要较多数量的卫星。因此需要研究如何将地面网络和卫星网络有效结合在一起,以更低的成本实现全球覆盖的低时延网络。在上述背景下,本文综合考虑了地面网络覆盖范围小、卫星网络时延高移动速率快等特点,开展了在星地融合网络背景下的核心网架构设计、资源分配和服务迁移方面的研究。主要研究内容为:1.针对星地融合网络环境,本文提出了以用户为中心的核心网架构,并基于开源软件open5gs搭建了星地融合网络仿真平台和用户专属核心网管理平台。用户专属核心网由改进的AMF、SMF、UPF以及新增的 GPF(gNB Proxy Function)、CMF(CN Manage Function)和LUD(LocalUser Data)组成,该轻量级核心网可以快速部署、迁移和销毁。通过在边缘侧、地面云端部署为用户提供低时延的服务,通过卫星链路连接云端为用户提供了覆盖范围更广的服务;通过对用户专属核心网自动回收资源,大大降低用户在空闲时期的资源消耗。最后基于核心网管理平台验证了用户对核心网的主动选择和动态销毁功能;并使用UERANSIM模拟用户,证明了用户专属核心网相对于传统核心网能够有效降低资源消耗;最后通过与核心网云端部署、UPF下沉的方式对比,证明了用户专属核心网在地面网络和卫星网络中能够降低用户的连接时延和传输时延。2.针对星地融合网络中多用户的专属核心网资源分配问题,提出了一种基于亲缘关系改进的遗传算法,根据该算法设计了用户专属核心网的资源分配机制。该机制考虑到了链路特性和节点资源限制,并设计了默认核心网和用户友好度机制,友好度低的用户使用专属核心网的概率更大,并使用基于亲缘关系改进的遗传算法进行求解问题模型。通过仿真实验证明,基于亲缘关系的遗传算法相对于传统遗传算法在求解多用户资源分配问题中迭代速率更快,并且损失值更低;相对于随机选择算法和传统遗传算法,该算法能够降低用户的平均时延,并降低单位用户体验(Quality ofExperience,QoE)所需要的成本(Cost per QoE,CPQ)。3.针对星地融合网络中高速移动的低轨卫星环境,本文设计了基于DRQN(Deep Recurrent Q-Network)的用户专属核心网迁移方案。在低轨卫星通信环境中,链路时延和带宽会随着低轨卫星移动呈现规律性的波动,用户在不断地切换和重连过程中会产生较大的时延。本文提出的基于DRQN的核心网迁移方案利用DRQN模型来预测不同链路的时延、带宽特性并拟合不同链路的Q值,通过提前部署用户专属核心网(AMF、SMF、UPF和LUD),来减少用户切换的时延,避免频繁切换核心网。通过仿真实验证明,在星地融合网络中,基于DRQN的核心网迁移算法相对于传统的DQN算法以及贪婪算法能够降低用户在一段时间内核心网的平均切换频率以及CPQ。

基于卫星通信的海上石油平台远程监控系统的研究与设计

这是一篇关于远程监控,卫星通信,现场总线,IPSTAR的论文, 主要内容为自动控制技术、计算机技术、网络通信技术的发展使得对工业现场状况进行监测和控制成为可能。而现场总线技术以其结构简单、费用低、易于维护、可靠性高、开放性等多种优势日渐成为工业监控领域的热点。 针对海上石油平台油气混输的具体需求,本文使用卫星通信来设计远程监控的数据传输,具有很好的可靠性和机动性,极大的降低了有线通信海底电缆的铺设成本和操作者的工作强度,体现了以人为本的理念。 本文深入研究了现场总线和以太网的特点,构建了以现场总线用于现场控制子系统、以太网用于远程监控子系统的远程监控体系结构。该体系结构充分体现了以太网技术的传输速度快、兼容性好和网络性好的特点,以及现场总线适用于设备控制层,具有抗干扰能力强、安全性好的特点。 现场控制子系统以海上石油平台的油气混输泵为对象,采用西门子公司的S7-300系列PLC对现场设备和西门子变频器进行控制,并对现场数据进行采集和处理;上位机采用工控机对数据进行记录、报警和监控;并通过PROFIBUS-DP现场总线组网实现系统的通讯;采用SIMATIC STEP7进行硬件组态与软件编程,并用Visual C++实现监控界面的开发。 远程监控子系统利用卫星通信实现数据传输,通过对卫星通信的发展现状的分析,选择IPSTAR作为卫星接入网络终端;应用OPC数据传输技术实现控制网络与信息网络的一体化;采用Socket,B/S,Jsp/Servlet,Java Applet技术,并通过Web服务器,设计了提供给远程客户的实时数据传输;最后,对网络通信中的基本安全技术进行了介绍,从远程监控子系统的整体上提出了一些加强网络安全的措施。 本文设计并实现了海上石油平台油气混输泵的现场控制子系统,提出并设计了基于卫星通信的远程监控集成方案,具有一定的推广效益和参考价值。