“物聯網”（IoT）在過去幾年中呈指數級發展， 這一發展得益于覆蓋偏遠地區的小型LEO通信衛星星座的建立。物聯 網需要高效的通信協議支持其快速增長，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）和連續干擾消除（SIC）技術，可消除接收端的多址干擾（MAI）。另外，該協議不需要終端之間的信號和協調，大大降低了系統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的服務鏈接和低密度的星座來加速服務的實現。在不連續的反饋連接的情況下，它還可提供存儲和轉發的功能。

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軌道衛星上實現這種高性能的計算協議成為可能。

本文將介紹一種新型的小型LEO通信衛星的架構，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。可以看到，LEOnida物聯網平臺可以被搭載在LEO衛星上，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步驟。

處理架構

E-SSA 通信協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協議至關重要，這也是我們為什么選擇QLS1046-Space的原因。

圖 3 – 使用QLS1046-Space 和 FPGA 的處理策略

下面的章節將在實踐中評估這一平臺的性能。

測試設置和軟件實現

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

MBI集團已經為地面應用開發了E-SSA的軟件實現方案。這個軟件使用C++開發，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。為了減少開發時間，軟件并未針對QLS1046-Space 優化，因此本文所述的測試結果可通過優化這一新的目標平臺的運行來進一步提高。

圖 4 - QLS1046-Space 開發工具

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 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工具提供采樣值。測試設置的框圖如圖5所示。

圖5 – 實際測試的軟件實現

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

三種測試條件下的性能評估結果如圖7所示。協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。

圖 7 – 實際性能

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化，因此在 QLS1046-Space 上運行優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。

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。第一步是使用開發工具實現實驗室的演示器，以驗證該方法的可行性。