CN101252384A - 基于ofdm和跨层设计的星载交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星星载交换技术领域，涉及基于OFDM和跨层设计的星载交换方法。该方法包括：每个星上点波束与相应地面网关采用OFDM技术进行星地上下行链路业务传输；各个地面网关确定点波束星地上行链路每个子载波的调制制式，给每个星地上行链路业务分配子载波，并把所有子载波调制成OFDM信号发送给卫星，星上对每个点波束星地上行链路OFDM信号进行子载波分离和交换，确定每个点波束星地下行链路每个子载波的调制制式和给每个星地下行链路业务分配子载波，并把所有子载波调制成OFDM信号发送给相应地面网关。本发明既能实现对频谱资源的统计复用，又不与具体通信体制相关联，具备良好的适应性，并可对传输业务提供QoS保证。

Description

基于OFDM和跨层设计的星载交换方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及基于OFDM和跨层设计的卫星星载交换技术。

背景技术

卫星通信由于具有容量大、适于多种业务、覆盖面积广、通信质量高等优点已成为国际和国内通信的重要手段。GEO系统的频谱开始从C、Ku波段向更高容量的Ka波段过渡，Ka波段同步卫星网络一般利用星地之间的链路形成数字波束网络，产生多个点波束覆盖地面不同区域，这是因为Ka波段信号的自由空间传播衰减以及雨衰损耗比较大，减小波束宽度可以提高发射有效全向辐射功率(EIRP)，同时频率的空分复用进一步提高了系统容量。卫星存在多个点波束使得透明转发已不能有效利用系统资源，星载交换成为必然选择。目前多波束GEO星载交换可分为电路交换和分组交换两种，电路交换中有时分星载交换(SS/TDMA)、频分星载交换(SS/FDMA)、码分星载交换(SS/CDMA)。

SS/TDMA通过给同一个点波束下的不同业务分配不同的数据传输时隙，星上设备在点波束星地上行链路的不同数据传输时隙接收各个业务信号，并根据交换控制参数把业务信号放置在各个点波束下行链路的不同时隙上，转发到地面。SS/TDMA的相邻数据传输时隙之间要设置保护时隙，降低了频谱利用律，而且难以实现对数据传输时隙的统计复用，造成频谱资源浪费。

SS/FDMA通过给同一个点波束下的不同业务分配不同的数据传输子频带，星上设备在点波束星地上行链路的不同数据传输子频带接收各个业务信号，并根据交换控制参数把业务信号放置在各个点波束下行链路的不同数据传输子频带上，转发到地面。SS/FDMA的相邻数据传输子频带之间要设置保护频带，降低了频谱利用律，而且难以实现对数据传输子频带的统计复用，造成频谱资源浪费。

SS/CDMA通过给同一个点波束下的不同业务分配不同的扩频伪随机(PN)码，承载不同业务的点波束星地上行链路信号与星上本地PN码进行相关处理，提取出各个业务信号，并根据交换控制参数把各个业务信号放置在各个点波束下行链路，同时采用PN码对各个业务信号进行扩频处理，转发到地面。SS/CDMA由于使用的PN码具有非理想的自相关和互相关特性，不同业务信号会造成相互干扰。

SS/TDMA、SS/FDMA、SS/CDMA都难以实现对频谱资源的统计复用，且服务质量不高，但适应性强，不与具体的通信体制相关联，容易利用地面新技术构筑先进系统以满足新的通信业务需求。

目前多波束GEO星载分组交换采用的技术主要有卫星异步传输模式(ATM)交换技术、卫星IP交换技术、卫星多协议标签交换(MPLS)技术。星载卫星ATM、卫星IP、或卫星MPLS交换都基于星上基带处理，例如：星上ATM交换机把经过解调、信道译码后的基带信号以ATM信元的形式进行交换，通过对ATM信头中虚通道标识符/虚信道标识符(VPI/VCI)的翻译，选定路由，将ATM信元交换到目的端口。交换后的基带信号经过编码调制等后处理，映射到相应的波束发送出去。卫星ATM、卫星IP、或卫星MPLS交换能够实现对频谱资源的统计利用，但是都与具体的通信体制相关联，如果地面采用新技术构筑先进系统以满足新的通信业务需求，则星上体制也必须改变，适应性差。

OFDM技术是多载波调制(Multi-Carrier Modulation)的一种。其主要思想是，将频带分成若干正交子载波，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子载波上进行传输。正交子载波信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子载波之间的相互干扰(ICI)。每个子载波上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子载波上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子载波的带宽仅仅是原频带带宽的一部分，信道均衡变得容易。

跨层设计是为了应对无线通信信道的挑战，把网络7层协议功能统一考虑。根据各种业务的QoS需求，优化网络输出。另外，不同的应用可以从不同的优化中得到更多好处，随即出现了模糊层间界限的设计方案，称为跨层设计。

发明内容

本发明的目的在于克服已有星载交换技术的不足之处，提供一种基于OFDM和跨层设计的星载交换方法，该方法既能实现对频谱资源的统计复用，又不与具体通信体制相关联，具备良好的适应性，并可对传输业务提供QoS保证。

本发明提出的基于OFDM和跨层设计的星载交换方法，其特征在于，包括以下步骤：1)每个星上点波束与相应地面网关采用OFDM技术进行星地上下行链路业务传输；

2)地面网关确定点波束星地上行链路每个子载波的调制制式：与星上点波束进行星地上下行链路业务传输的地面网关在星地上行链路发射信号总功率受限条件下，根据点波束星地上行链路信道状态信息和星地上行链路信号检测后误比特率要求确定点波束星地上行链路OFDM信号中每个子载波的调制制式，使点波束星地上行链路所有子载波承载的信息比特个数总和R_u最大，子载波备选调制制式为M-QAM，M为每个子载波可能承载的信息比特个数，1≤M；R_u可作为卫星接纳控制系统的依据参数之一；

3)地面网关给每个星地上行链路业务分配子载波：地面网关根据每个星地上行链路业务的业务类型和相应FIFO缓存占用长度，按照恒定比特率业务CBR、实时可变速率业务rt-VBR、非实时可变速率业务nrt-VBR、未指定速率业务UBR的顺序和同一类型业务公平传输原则给各个业务分配子载波；

4)地面网关进行星地上行链路业务传输：地面网关把步骤3)中的星地上行链路子载波分配方式和步骤2)中的每个子载波的调制制式信息放入星地上行链路业务传输帧的控制子帧，并根据该信息对各个传输业务FIFO缓存的bit流进行排队，在各个子载波位置放置相应传输bit，对该传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，在导频信号位置插入导频信号，采用快速傅立叶逆变换IFFT把所有子载波信号调制成一个完整OFDM符号，放入星地上行链路业务传输帧的业务子帧，把整个星地上行链路业务传输帧传输给卫星；

5)卫星对星地上行链路业务进行子载波分离和交换：卫星上每个点波束对接收的星地上行链路OFDM接收进行分离处理，分离出的各个子载波信号进行交换，根据卫星接纳控制系统信息生成交换的第一级交换控制参数，并根据每个星地上行链路业务传输帧的控制子帧的子载波分配信息生成交换的第二级交换控制参数；第一级交换控制参数表示来自各个点波束星地上行链路的各个子载波信号交换后属于哪一个下行链路点波束，第二级交换控制参数表示属于某一个点波束下行链路的各个子载波信号交换后属于哪一个传输业务；根据第一、二级交换控制参数把各个点波束上行链路中所有子载波信号中交换后属于同一个下行链路传输业务的子载波信号抽取出来并进行缓存；

6)卫星确定点波束星地下行链路每个子载波的调制制式和给每个星地下行链路业务分配子载波：卫星上点波束在星地下行链路发射信号总功率受限条件下，根据点波束星地下行链路信道状态信息和星地下行链路的信号检测后误比特率要求确定星地下行链路OFDM信号中每个子载波的调制制式，使点波束星地下行链路所有子载波承载的信息比特个数总和R_d最大；子载波备选调制制式为M-QAM，M为每个子载波可能承载的信息比特个数，1≤M，R_d可作为卫星接纳控制系统的依据参数之一；根据每个点波束星地下行链路业务的业务类型和相应FIFO缓存占用长度，按照CBR、rt-VBR、nrt-VBR、UBR业务的顺序和同一类型业务公平传输原则给各个星地下行链路业务分配子载波；

7)卫星进行星地下行链路业务传输：该卫星上点波束把步骤6)中的星地下行链路子载波分配方式和每个子载波的调制制式信息放入星地下行链路业务传输帧的控制子帧，并根据该信息对各个传输业务FIFO缓的bit流进行排队，在各个子载波位置放置相应的传输bit，对该传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，在导频信号位置插入导频信号，采用IFFT把所有子载波信号调制成一个完整OFDM符号，放入星地下行链路业务传输帧的业务子帧，把星地下行链路业务传输帧传输给相应地面网关；地面网关根据此星地下行链路业务传输帧的控制子帧信息和业务子帧信号恢复出点波束星地下行链路的每个传输业务。

基于OFDM和跨层设计的星载交换方法与现有的星载交换技术相比，本发明的创新点主要体现在以下三个方面：

一、与现有星载电路交换技术相比，能够实现对资源的统计复用

OFDM信号中的每个正交子载波可等效于TDMA的每个时隙、FDMA的每个子频带、CDMA的每个扩频PN码，由于OFDM的各个子载波相互正交，所以它们的频谱相互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，同时提高了频谱利用律，通过对每个传输业务实时自适应分配子载波，可实现对频谱资源的统计复用。

二、与现有分组交换方式相比，可以在不同的通信体制之间灵活扩展。

基于OFDM和跨层设计的星载交换方法只需要分离出各个子载波、子载波交换以及交换后的子载波合成，星地之间各种类型传输业务可以占据不同的子载波，而交换过程只是实现不同子载波之间的交换，并不关心每个子载波承载的具体内容，可以在不同通信体制的系统中进行扩展。

三、对传输业务提供QoS保证。

纳入跨层设计的目的有三个：(1)为星上子载波交换提供第二级交换控制参数；(2)尽可能满足每个传输业务的QoS要求；(3)实现对点波束星地上下行链路的频谱资源、发射功率资源的充分利用。为此点波束星地上下行链路将根据每个传输业务的QoS要求(体现为不同的业务类型，属于应用层)、每个传输业务的业务速率(属于MAC层)、当前星地上下行链路信道状态(属于物理层)，在各个传输业务之间自适应分配子载波并自适应配置每个子载波的调制制式。

附图说明

图1为本发明方法的星地上下行链路业务传输帧格式；

图2为本发明方法的星地上行链路跨层设计流程框图；

图3为本发明方法的星载交换总体流程框图；

图4为本发明方法的子载波分离流程框图；

图5为本发明方法的子载波交换流程框图；

图6为本发明方法的星地下行链路跨层设计流程框图；

图7为本发明方法的子载波合成流程框图；

图8为本发明方法的信号检测误比特率对比图；

图9为本发明方法的传输速率对比图；

具体实施方式

本发明提出的基于OFDM和跨层设计的星载交换方法结合附图及实施例详细说明如下：

考虑到Ka波段的容量较大，本发明一般应用为通过地面网关实现与地面通信网络互连，以最大限度提高频谱利用率。此时每个卫星上点波束只与一个地面网关进行星地上下行链路通信，星地上下行链路不存在多址接入问题，而且每个地面网关都处于静止状态，星地上下行链路信道具有慢变性，可以不考虑因星地上下行链路的传输延时长(星地上下行链路的传输延时长达130ms)而导致的信道状态信息滞后问题带来的影响。

如果星地之间采用时分双工(TDD)方式，且星地上下行链路采用同一频带进行传输：星上可通过对来自地面网关的星地上行链路信号进行信道估计得到下行链路信道状态信息；同理，地面网关也可得到星地下行链路信道状态信息。如果地面网关与卫星采用频分双工(FDD)双工方式：此时星地上下行链路信道具有的慢变特性依然存在，卫星通过对来自地面网关的星地上行链路信号进行信道估计得到星地上行链路信道状态信息，并从星地下行链路控制信道把上行链路信道状态信息反馈给地面网关；同理，卫星也可得到星地下行链路信道状态信息。星地上行链路的跨层设计在各个地面网关实施，星地下行链路的跨层设计在星上实施。

本发明的一种星载交换方法的实施例，具体包括以下步骤：

1)每个星上点波束与相应地面网关采用OFDM技术进行星地上下行链路业务传输；

星地上下行链路业务传输采用的帧格式如图1所示，一个完整的数据帧由控制子帧(传输适用于本帧所有OFDM符号的子载波分配方式和每个子载波的调制制式信息)和业务子帧(根据子载波分配方式和每个子载波的调制制式生成的OFDM符号)组成。

图2给出了星地上行链路的跨层设计模型，跨层设计的输入包括每个传输业务的业务类型、某个时刻每个传输业务的FIFO缓存占用长度信息(用R_u，m表示，反映了每个业务的传输速率要求)、星地上行链路信道状态信息(h_u(n)(0≤n≤N_u-1)表示第u个点波束星地上行链路关于第n个子载波的信道增益系数，N_u为第u个点波束星地上行链路用于业务传输的子载波总数；用σ_u ²表示第u个点波束星地上行链路的噪声功率)。

2)确定点波束星地上行链路每个子载波的调制制式：

在发射信号总功率受限条件下(根据卫星信道的发射功率受限特点)，根据星地上行链路信道状态信息和星地上行链路的信号检测后误比特率要求确定每个子载波的调制制式(子载波备选调制制式为M-QAM，M为每个子载波可能承载的信息比特个数，1≤M)，使所有子载波承载的信息比特个数总和R_u最大，具体描述如式(1)所示：

优化目标： $\max R_n=\underset{n=0}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n---\left(1\right)$

已知条件：h_u(n)(0≤n≤N_u-1)、σ_u ²、BER_req

约束条件：b_n是第n个子载波承载比特个数

$b_n\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·\}\∀n$

$\underset{n=0}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_u\left(n\right)\≤P_u,$

p_u(n)为第n个子载波信号功率

P_u为发射信号总功率上限

如果让第n个子载波承载b_n个信息比特，在满足信号检测后误比特率要求(BER_req)前提下，第n个子载波需要的发射信号功率为p_u(n)，如式(2)所示：

$P_u\left(n\right)=-\frac{2}{3}\frac{\left(\ln \left(5{\mathrm{BER}}_{\mathrm{req}}\right)\right){\mathrm{\σ}}_u^2}{{\left|h_u\left(n\right)\right|}^2}(2^{b_u}-1)={\mathrm{\λ}}_u\left(n\right)(2^{b_u}-1)---\left(2\right)$

根据式(1)和式(2)确定每个子载波调制制式的流程如下：

(1)、初始化：

设：b_n＝0，p_u(n)＝00≤n≤N_u-1

P′_u＝0，R_u＝0

$w=\underset{0\≤n\≤N_u-1}{\max }\left\{\right|h_u\left(n\right)\left|\right\}/\underset{0\≤n\≤N_u-1}{\min }\left\{\right|h_u\left(n\right)\left|\right\}---\left(3\right)$

w是判断信道特性(高斯白噪声信道还是频率选择性衰落信道)的依据。

如果： $w>\sqrt{2}$ 进入(2)，否则进入(3)。

(2)、执行过程：

b′_n＝b_n+1  0≤n≤N_u-1；

$\mathrm{\Δ}{p}_u\left(n\right)={\mathrm{\λ}}_u\left(n\right)(2^{b_n^{\′}}-1)-p_u\left(n\right)$ 0≤n≤N_u-1；

$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{0\≤n\≤N_u-1}{\min }\left\{\mathrm{\Δ}{p}_u\left(n\right)\right\};$

P_u″＝P_u′+Δp_u(n_opt)；

如果：P″_u≤P_u

则：P_u′＝P_u″；

R_u＝R_u+1；

b_{n_opt}＝b_{n_opt}+1；

p_u(n_opt)＝p_u(n_opt)+Δp_u(n_opt)；

重复以上过程；

否则整个执行过程结束。

(3)、执行过程：

p_u(n)＝P_T/N_u    0≤n≤N_u-1；

0≤n≤N_u-1；

$R_u=\underset{n=0}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_n$ 整个执行过程结束。

执行完毕后得到的R_u作为呼叫接纳控制系统的依据参数之一。

3)给每个星地上行链路业务分配子载波：

对M_u个传输业务按照CBR、rt-VBR、nrt-VBR、UBR业务的顺序分配子载波。用O_u，c表示属于CBR业务的业务集合，M_u，c表示CBR业务的个数；用F_u表示还未分配的子载波集合，F_u的初值为N_u个子载波。

(1)、给所有CBR业务分配子载波：

如果M_u，c＝0，则跳过(1)；否则继续：

如果满足： $\underset{m\∈O_{u,c}}{\mathrm{\Σ}}{R}_{u,m}=R_{u,c}>S*R_u;$

则：

否则：

式(4)处理体现了对所有同一类型业务进行公平传输原则，式(4)处理得到的 $R_{u,m}^{\′}\∀m\∈O_{u,c}$ 为属于O_u，c的某个业务在一个OFDM符号中可能被传输的bit个数。

用R′_u，c，l表示O_u，c中的第一个传输业务在一个OFDM符号中可能被传输的bit个数；A_{u，c，l，a}表示已分配给O_u，c中的第一个传输业务的所有子载波集合，A_{u，c，l，a}的初值为空集；用R_{u，c，l，a}表示已被分配给O_u，c中的第一个传输业务的所有子载波在一个OFDM符号中能够承载的信息比特个数总和，R_{u，c，l，a}的初值为0。对O_u，c的第一个传输业务分配子载波的具体过程如下：

$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{n\∈F_u}{\min }\left\{\right|R_{u,c,l}^{\′}-R_{u,c,l,a}-b_n\left|\right\},$

如果：R′_u，c，l-R_u，c，l，a-b_{n_opt}＞0：

A_{u，c，l，a}＝A_{u，c，l，a}∪{n_opt}；F_u＝F_u-{n_opt}；

返回开始步骤继续分配子载波；

否则：A_{u，c，l，a}＝A_{u，c，l，a}∪{n_opt}；F_u＝F_u-{n_opt}；

b″＝R_{u，c，l，a}+b_{n_opt}-R′_u，c，l；

如果：b″＝0，子载波分配过程结束

否则：继续执行；

$p_u(n\_\mathrm{opt})={\mathrm{\λ}}_u(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}-b}-1);$

$\mathrm{\ΔP}={\mathrm{\λ}}_u(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}}-1)-p_u(n\_\mathrm{opt});$

b_{n_opt}＝b_{n_opt}-b″；

do

{b′_n＝b_n+1 n∈F_u；

$\mathrm{\Δ}{p}_u\left(n\right){\mathrm{\λ}}_u\left(n\right)(2^{b_n^{\′}}-1)-p_u\left(n\right),n\∈F_u;$

$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{n\∈F_u}{\min }\left\{\mathrm{\Δ}{p}_u\left(n\right)\right\};$

如果满足：Δp_n(n_opt)＞ΔP：子载波分配过程结束

否则：继续执行；

b_{n_opt}＝b_{n_opt}+1；

$p_u(n\_\mathrm{opt})={\mathrm{\λ}}_u(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}}-1);$

b″＝b″-1；

}while(b″＞0)；

子载波分配过程结束。

以上对O_u，c中的第一个传输业务分配子载波过程采用的基本原则：在满足此传输业务的传输速率要求前提下，对信号发射功率进行充分利用。

依次类推，直到给所有CBR业务都已分配子载波。如果此时还有剩余子载波，对R_u进行更新： $R_u=\underset{n\∈F_u}{\mathrm{\Σ}}{b}_n,$ 进入下一步(对rt-VBR业务分配子载波)；否则子载波分配过程结束。

采用与给CBR业务分配子载波相同方法给对rt-VBR、nrt-VBR、UBR业务分配子载波。

4)地面网关进行星地上行链路业务传输：

地面网关把星地上行链路子载波分配方式和每个子载波的调制制式信息放入星地上行链路业务传输帧的控制子帧，并根据此信息对M_u个传输业务的传输bit流进行排队，在各个子载波位置放置相应传输bit，对传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，在导频位置插入导频信号，采用IFFT把所有子载波信号调制成一个完整OFDM符号，放入星地上行链路业务传输帧的业务子帧，把整个星地上行链路业务传输帧传输给卫星传输给卫星。

星载交换由三部分构成，依次是点波束星地上行链路子载波分离、子载波交换、点波束星地下行链路子载波合成，如图3。卫星将根据接收到的控制子帧的每个子载波的调制制式信息将用于子载波分离子系统，用控制子帧的星地上行链路子载波分配信息形成子载波交换子系统的第二级交换控制参数。

5)卫星对星地上行链路OFDM信号进行子载波分离和交换：

图4给出了点波束星地上行链路子载波分离的实现流程，由OFDM符号时间同步估计(估计出一个OFDM符号的起始位置，消除相邻OFDM符号之间的相互干扰)、OFDM符号频偏估计和频偏校正(消除因接收到的OFDM符号与接收方本地的频率不同步而导致的同一OFDM符号中子载波信号间相互干扰)、通过快速傅立叶变换(FFT)实现子载波信号分离、信道估计与信道均衡(对分离出的各个正交子载波信号进行信道估计与均衡是为子载波信号最大似然检测做准备)、子载波信号最大似然检测(根据各个子载波信号的调制制式信息，把各个经信道均衡后的接收子载波信号与相应的原始发射子载波信号的所有可能值进行比较，选取其中与信道均衡后的各个接收子载波信号最相似的一种作为最终分离出的各个子载波信号，其目的是消除噪声累计效应。并把分离出的各个子载波信号和相应的调制制式信息发送给子载波交换子系统。各个子载波信号的调制制式由星地上行链路业务传输帧的控制子帧提供)，并利用各个子载波信号的最大似然检测结果进行噪声功率估计。

图5给出了子载波交换的实现流程，子载波交换子系统的交换控制参数分为两级，第一级交换控制参数表示来自U个上行链路点波束的各个子载波信号交换后属于哪一个或多个下行链路点波束，第二级交换控制参数表示属于某一个下行链路点波束的各个子载波信号交换后属于哪一个或多个下行链路传输业务。子载波交换子系统根据交换控制参数把U个上行链路点波束中所有子载波信号中交换后属于同一个下行链路传输业务的子载波信号抽取出来，放置在相应的FIFO缓存。子载波交换子系统的第一级交换控制参数由卫星通信系统的呼叫接纳控制系统产生，第二级交换控制参数由星地上行链路业务传输帧的控制子帧提供。

6)卫星确定每个点波束星地下行链路每个子载波的调制制式和给每个星地下行链路业务分配子载波：

图6给出了星地下行链路的跨层设计模型，采用与星地上行链路相同的原理和规则对星地下行链路进行跨层设计，执行完毕后得到的R_d也可作为卫星通信系统的呼叫接纳控制系统的依据参数之一。把星地下行链路子载波分配方式和每个子载波的调制制式信息放入星地下行链路业务传输帧的控制子帧。

7)星地下行链路业务传输：

子载波合成的实现流程如图7所示。根据点波束星地下行链路的子载波分配方式和每个子载波的调制制式对各个星地下行链路传输业务bit流进行排队，在各个子载波位置放置合适的传输bit，对传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，再把导频信号插入相应子载波位置，通过IFFT和插入循环前缀把所有子载波信号调制成一个OFDM信号，放入星地下行链路业务传输帧的业务子帧，把整个星地下行链路业务传输帧传输给相应地面网关。地面网关将根据星地下行链路业务传输帧的控制子帧信息恢复出各个传输业务。

仿真实例

表1仿真参数-1

星地上行链路带宽	20MHz
		星地上行链路子载波个数和用于业务传输的子载波个数	512，392
星地下行链路带宽	40MHz
		星地下行链路子载波个数和用于业务传输的子载波个数	1024，784
星地上下行链路OFDM符号持续时间	25.6us
		循环前缀持续时间	3.2us
S	16
		星地上下行链路信道模型	莱斯信道(莱斯因子η＝4)
子载波信号检测后误比特率要求	0.001
		卫星上点波束和相应地面网关个数	2

图8给出了在相同发射功率、相同传输速率条件下，采用自适应配置每个子载波的调制制式时接收端的误比特率与采用固定配置每个子载波的调制制式时接收端的误比特率性能对比。可以看出，采用自适应配置每个子载波的调制制式的误比特率比采用固定配置每个子载波的调制制式的误比特率有明显改善。

图9给出了在相同误比特率(0.001)要求、相同发射功率情况下，采用自适应设置每个子载波的调制制式时，能够达到的传输速率与采用固定设置每个子载波的调制制式时能够达到的传输速率对比。采用自适应配置每个子载波的调制制式能够达到的传输速率比采用固定配置每个子载波的调制制式能够达到传输速率高10％-25％。

设两个地面网关在信号检测误比特为0.001时的星地上下行链路最大传输速率为40Mbps，在两个地面网关分别注入5个传输业务，第1个业务为CBR业务，第2个业务为rt-VBR业务、第3个业务为nrt-VBR业务、第4、5个业务为UBR业务，每个业务的到达速率用平均速率/峰值速率表示。对这10个传输业务从源地面网关到星载交换单元、从星载交换单元再到目的地面网关的整个传输交换过程进行仿真，不考虑差错重传，交换场景设置为把地面网关1、2的上行链路业务全部交换到地面网关2，1，仿真时间设为10秒钟，检验每个业务的平均传输延时和传输延时抖动。仿真中每个业务的传输延时包括星地上下行链路的传输延时(260ms)、输出排队延时。具体仿真参数见表2。

表2仿真参数-2

地面网关	业务1速率	业务2速率	业务3速率	业务4速率	业务5速率
						1	2Mbps/2Mbps	4Mbps/6Mbps	6Mbps/9Mbps	8Mbps/10Mbps	10Mbps/14Mbps
2	2Mbps/2Mbps	4Mbps/6Mbps	6Mbps/10Mbps	8Mbps/12Mbps	9Mbps/13Mbps

得到的每个业务的传输平均延时和传输延时抖动分别见表3、表4：

表3各个业务的平均传输延时

地面网关	业务1平均延时(ms)	业务2平均延时(ms)	业务3平均延时(ms)	业务4平均延时(ms)	业务5平均延时(ms)
						1	261.001	261.003	261.013	261.017	261.0175
2	261.001	261.003	261.014	261.017	261.017

表4各个业务的传输延时抖动

地面网关	业务1延时抖动(ms)	业务2延时抖动(ms)	业务3延时抖动(ms)	业务4延时抖动(ms)	业务5延时抖动(ms)
						1	0.0014	0.0017	0.0024	0.0048	0.0043
2	0.0014	0.00168	0.0023	0.0044	0.0041

仿真表明：子载波分配有效地支持了各种业务类型，CBR业务的传输延时和延时抖动均小于其他业务，依次类推。子载波分配以统计复用的方式提供服务，只要所有业务到达速率的均值之和小于链路最大传输速率(40Mbps)，即使瞬时到达速率之和可能超过链路最大传输速率，也不会产生拥塞。

Claims (1)

1. 一种基于OFDM和跨层设计的星载交换方法，其特征在于，包括以下步骤：

   1)每个星上点波束与相应地面网关采用OFDM技术进行星地上下行链路业务传输；

   2)地面网关确定点波束星地上行链路每个子载波的调制制式：与星上点波束进行星地上下行链路业务传输的地面网关在星地上行链路发射信号总功率受限条件下，根据点波束星地上行链路信道状态信息和星地上行链路信号检测后误比特率要求确定点波束星地上行链路OFDM信号中每个子载波的调制制式，使点波束星地上行链路所有子载波承载的信息比特个数总和R_u最大，子载波备选调制制式为M-QAM，M为每个子载波可能承载的信息比特个数，1≤M；R_u可作为卫星接纳控制系统的依据参数之一；

   3)地面网关给每个星地上行链路业务分配子载波：地面网关根据每个星地上行链路业务的业务类型和相应FIFO缓存占用长度，按照恒定比特率业务CBR、实时可变速率业务rt-VBR、非实时可变速率业务nrt-VBR、未指定速率业务UBR的顺序和同一类型业务公平传输原则给各个业务分配子载波；

   4)地面网关进行星地上行链路业务传输：地面网关把步骤3)中的星地上行链路子载波分配方式和步骤2)中的每个子载波的调制制式信息放入星地上行链路业务传输帧的控制子帧，并根据该信息对各个传输业务FIFO缓存的bit流进行排队，在各个子载波位置放置相应传输bit，对该传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，在导频信号位置插入导频信号，采用快速傅立叶逆变换IFFT把所有子载波信号调制成一个完整OFDM符号，放入星地上行链路业务传输帧的业务子帧，把整个星地上行链路业务传输帧传输给卫星；

   5)卫星对星地上行链路业务进行子载波分离和交换：卫星上每个点波束对接收的星地上行链路OFDM接收进行分离处理，分离出的各个子载波信号进行交换，根据卫星接纳控制系统信息生成交换的第一级交换控制参数，并根据每个星地上行链路业务传输帧的控制子帧的子载波分配信息生成交换的第二级交换控制参数；第一级交换控制参数表示来自各个点波束星地上行链路的各个子载波信号交换后属于哪一个下行链路点波束，第二级交换控制参数表示属于某一个点波束下行链路的各个子载波信号交换后属于哪一个传输业务；根据第一、二级交换控制参数把各个点波束上行链路中所有子载波信号中交换后属于同一个下行链路传输业务的子载波信号抽取出来并进行缓存；

   6)卫星确定点波束星地下行链路每个子载波的调制制式和给每个星地下行链路业务分配子载波：卫星上点波束在星地下行链路发射信号总功率受限条件下，根据点波束星地下行链路信道状态信息和星地下行链路的信号检测后误比特率要求确定星地下行链路OFDM信号中每个子载波的调制制式，使点波束星地下行链路所有子载波承载的信息比特个数总和R_d最大；子载波备选调制制式为M-QAM，M为每个子载波可能承载的信息比特个数，1≤M，R_d可作为卫星接纳控制系统的依据参数之一；根据每个点波束星地下行链路业务的业务类型和相应FIFO缓存占用长度，按照CBR、rt-VBR、nrt-VBR、UBR业务的顺序和同一类型业务公平传输原则给各个星地下行链路业务分配子载波；

   7)卫星进行星地下行链路业务传输：该卫星上点波束把步骤6)中的星地下行链路子载波分配方式和每个子载波的调制制式信息放入星地下行链路业务传输帧的控制子帧，并根据该信息对各个传输业务FIFO缓的bit流进行排队，在各个子载波位置放置相应的传输bit，对该传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，在导频信号位置插入导频信号，采用IFFT把所有子载波信号调制成一个完整OFDM符号，放入星地下行链路业务传输帧的业务子帧，把星地下行链路业务传输帧传输给相应地面网关；地面网关根据此星地下行链路业务传输帧的控制子帧信息和业务子帧信号恢复出点波束星地下行链路的每个传输业务。

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