CN102118227B - 基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所属技术领域为星地通信系统，尤其涉及一种基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法。本发明提出了一种变速率方法。该方法保证了不同的信道状况下系统具有较高的吞吐量、频带利用率等通信质量参数。当信道状况较好的时候，采用满足误码要求下的最高进制调制方式，使系统的吞吐量和频带利用率最高；但当信道状况极差、任何一种调制方式下系统都达不到误码要求的时候，可以将发送端的码元速率降低，而接收端仍按照未降低的速率对码元进行抽样判决，这样，一个码元在接收端将被抽样判决多次，以超过一半的判决结果作为该码元的最终判决结果，通过这种方式可以大大降低码元被误判的概率。
Description
所属技术领域
本发明所属技术领域为星地通信系统，尤其涉及一种基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，该发明可应用于星地通信系统中的通信质量控制。
背景技术
随着通信技术的发展，卫星与地面站之间传输的数据越来越多，对通信速率的要求也越来越高，低频段有限的频谱资源导致载波频率由原来的几百MHz变为几GHz甚至几十GHz，使得卫星与地面站传输信息时损耗变得越来越大。
当信道状况变差，系统接收端信噪比降低时，系统误比特率、吞吐量、频带利用率等一系列影响通信质量的因素都将会受到严重影响，导致通信质量下降。如何让卫星传递到地面的信息经特殊环境(如高误码，突发错误多等)传输后，仍能使接收端获得较好的性能是现代卫星通信面临的主要问题。
发明内容
针对上述情况，本发明提出了一种变速率方法。该方法保证了不同的信道状况下系统具有较高的吞吐量、频带利用率等通信质量参数。
本发明所述的一种基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，包括：
a、星地通信系统的初始化包括误比特率要求、调制方式及可变换的码元速率、建立星地传输链路的星地传输链路
b、地面端计算星地传输系统允许使用的各调制方式的误比特率，选择一种符合系统误比特率要求的调制方式，将计算得到的误比特率上传给卫星端；
c、当所述调制方式的误比特率计算步骤得到的数据无法满足系统误比特率要求时，地面端分别计算按设定的码元速率变换后的误比特率，将计算得到的误比特率上传给卫星端；
d、根据步骤c得出的数据、按照系统误比特率要求选择一种变换后的码元速率并选择对应该码元速率的调制方式；
e、将接收到的信号按照发送的调制方式和码元速率进行解调，得到发送的星上原始数据。
所述调制方式包括BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM和256QAM调制方式。
所述码元速率为Rs，降低码元传输速率后的码元速率分别是、Rs/2、Rs/4、Rs/5和Rs/10。
所述步骤e中按照未变换的码元速率解调。
还具有监控信道状况的信道监控步骤，由星上发送数据，地面端测试，将检测的数据反馈给卫星端。
所述码元速率变换与所述调制方式的设定关系为：
0≤[Eb/N0]≤1 码元传输速率降低为原来的1/10，选用64QAM调制方式；
1＜[Eb/N0]≤4.3 码元传输速率降低为原来的1/5，选用16QAM调制方式；
4.3＜[Eb/N0]≤5.1 码元传输速率降低为原来的1/4，选用16QAM调制方式；
5.1＜[Eb/N0]≤8.5 码元传输速率降低为原来的1/5，选用64QAM调制方式；
8.5＜[Eb/N0]≤9.7 码元传输速率降低为原来的1/4，选用64QAM调制方式。
9.7＜[Eb/N0]≤13 码元传输速率保持不变，选用QPSK调制方式；
13＜[Eb/N0]≤13.4 码元传输速率保持不变，选用8PSK调制方式；
13.4＜[Eb/N0]≤17.8码元传输速率保持不变，选用16QAM调制方式；
17.8＜[Eb/N0]≤22.5码元传输速率保持不变，选用64QAM调制方式；
22.5＜[Eb/N0]≤30 码元传输速率保持不变，选用256QAM调制方式。
在星地通信过程中，信息传输损耗与信息传输速率之间的关系为：
[rb]＝[EIRP]+[GR]-[LOSSES]-[k]-[Ts]-[Rb]
其中，式中[]表示各量为分贝值，rb是二进制信噪比，即接收的每比特能量同噪声功率谱密度之比；EIRP是全向辐射功率，即发送链路的输入功率；GR是接收天线的增益；LOSSES是无线信道总的链路损耗，包括自由空间链路损耗、接收机馈线损耗、天线指向误差损耗、大气吸收损耗等；k是玻耳兹曼常数；Ts是系统噪声温度；Rb是数据比特速率。从式中可以看出，当各种增益和损耗不变时，数据速率Rb和rb之间成反比关系。因而，当信道质量差的时候，误比特率比较高，为了保证系统的通信质量，可以通过降低物理层的传输速率来实现接收信噪比的增加，进而降低系统信道误比特率。因此可见，变速率通信主要是在信道质量好的时候提高传输速率，在信道质量差的时候降低传输速率，以此获得更大的吞吐量。
本发明根据信道状况，选用不同的调制方式和码元速率，使系统获得最大的吞吐量和频带利用率。当信道状况较好的时候，采用满足误码要求下的最高进制调制方式，使系统的吞吐量和频带利用率最高；但当信道状况极差、任何一种调制方式下系统都达不到误码要求的时候，可以将发送端的码元速率降低，即每个码元的宽度将增加，而接收端仍按照未降低的速率对码元进行抽样判决，这样，一个码元在接收端将被抽样判决多次，以超过一半的判决结果作为该码元的最终判决结果，通过这种方式可以大大降低码元被误判的概率。
本发明的有益效果是：本发明的变速率传输方法应用于星地通信系统，能够根据信道的误比特率要求选择不同的调制方式和码元传输速率，提高系统的吞吐量和频带利用率，从而避免了信道变化导致的通信质量大幅降低的现象，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是变速率通信质量控制方法框图；
图2是根据系统要求进行变速率传输的具体选择流程。
具体实施方式
本发明提出了一种适合于星地通信系统的变速率传输方法，该方法针对星地通信信道状况的不同，采用不同的调制方式和码元传输速率进行数据传输，提高了不同信道状况下系统的通信质量。
本发明的变速率通信质量控制方法由软件系统组成，主要包括卫星系统模块、参数计算模块、变速率模块、地面接收系统模块几部分组成，各模块的关系如图1所示。各模块的主要功能如下：
卫星系统模块：该模块首先完成星地通信系统的初始化，建立星地传输链路。
参数计算模块：该模块包括计算各种调制方式的误比特率和码元速率变化后的误比特率两个环节。前者是计算星地传输系统允许使用的每种调制方式的信噪比和误比特率的关系，并根据系统误比特率要求，找到各种调制方式在满足误比特率要求时的最低信噪比；后者是在信噪比较低、各种调制方式均无法满足系统误比特率要求时，降低发送端码元速率，同时计算码元速率降低后的新的误比特率。
变速率模块：该模块实现当信道误比特率不同时，根据参数计算模块的数据选择相应的调制方式和码元速率，同时保证此时系统的吞吐量和频带利用率最高，根据选择的调制方式和码元速率进行数据传输。
地面接收系统模块：该模块将接收到的数据按照发送的调制方式和码元速率进行解调，抽样判决数据，得到发送的原始数据。
假设系统采用的调制方式有5种，分别是QPSK、8PSK、16QAM、64QAM和256QAM，采用的码元传输速率有5种，分别是Rs，Rs/2，Rs/4，Rs/5，Rs/10。假设接收端系统要求误比特率小于10，为既能满足通信系统误比特率的要求，又能有效提高系统吞吐量，根据各种调制方式的误比特率关系，可以计算每种调制方式的边界值，选择调制方式和码元速率的方法如附图2：
具体框图：
0≤[Eb/N0]≤1 码元传输速率降低为原来的1/10，选用64QAM调制方式；
1＜[Eb/N0]≤4.3 码元传输速率降低为原来的1/5，选用16QAM调制方式；
4.3＜[Eb/N0]≤5.1 码元传输速率降低为原来的1/4，选用16QAM调制方式；
5.1＜[Eb/N0]≤8.5 码元传输速率降低为原来的1/5，选用64QAM调制方式；
8.5＜[Eb/N0]≤9.7 码元传输速率降低为原来的1/4，选用64QAM调制方式；
9.7＜[Eb/N0]≤13 码元传输速率保持不变，选用QPSK调制方式；
13＜[Eb/N0]≤13.4 码元传输速率保持不变，选用8PSK调制方式；
13.4＜[Eb/N0]≤17.8码元传输速率保持不变，选用16QAM调制方式；
17.8＜[Eb/N0]≤22.5码元传输速率保持不变，选用64QAM调制方式；
22.5＜[Eb/N0]≤30 码元传输速率保持不变，选用256QAM调制方式。
如假设码元速率改变后系统的误比特率为BER′，一个码元在接收端经过N次判决后误比特率BER″为：三
比如，系统要求误比特率不高于10-5，系统的码元传输速率为Rs，采用BPSK方式调制时，当接收端的信噪比低于9.7dB，BPSK方式传输的误比特率将高于10-5，不满足传输要求，系统的吞吐量为零，采用其它调制方式也将无法满足误比特率要求。此时如果将码元速率降低为Rs/3，则接收端的信噪比将提高4.8dB，此时误比特率减小为8.356e-6，可以选用吞吐量和频带利用率更高的64QAM调制方式，从而获得较高的系统吞吐量和频带利用率。因此，采用本发明的方法将有效地改善系统的通信质量。当接收端的信噪比越低时，码元传输速率也将变得越低。
设系统要求误比特率pe＜10-5，码元速率为Rs，可以得到在最高误比特率情况下各种调制方式的临界信噪比。假设系统当前信道的信噪比为11dB，则可以采用QPSK方式调制；当信道的信噪比降为8.8dB，则采用BPSK也无法满足系统误比特率的要求，所以采用降低码元速率的方式，即将码元发送速率将为Rs/4，而接收端速率还保持Rs不变，此时系统的误比特率可以达到5.13e-6，选择64QAM调制方式即可满足系统要求。
Claims (7)
1.一种基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，包括：
a、星地通信系统的初始化包括误比特率要求、调制方式及可变换的码元速率、建立星地传输链路的星地传输链路；
b、地面端计算星地传输系统允许使用的各调制方式的误比特率，选择一种符合系统误比特率要求的调制方式，将计算得到的误比特率上传给卫星端；
c、当所述调制方式的误比特率计算步骤得到的数据无法满足系统误比特率要求时，地面端分别计算按设定的码元速率变换后的误比特率，将计算得到的误比特率上传给卫星端；
d、根据步骤c得出的数据、按照系统误比特率要求选择一种变换后的码元速率并选择对应该码元速率的调制方式；
e、将接收到的信号按照发送的调制方式和未变换的码元速率进行解调，得到发送的星上原始数据。
2.根据权利要求1所述的基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，其特征在于所述调制方式包括BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM和256QAM调制方式。
3.根据权利要求1所述的基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，其特征在于所述码元速率为Rs，降低码元传输速率后的码元速率分别是、Rs/2、Rs/4、Rs/5和Rs/10。
4.根据权利要求1、2或3任意一项权利要求所述的基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，其特征在于一个码元在接收端将被抽样判决多次，以超过一半的判决结果作为该码元的最终判决结果。
5.根据权利要求4所述的基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，其特征在于还具有监控信道状况的信道监控步骤，由星上发送数据，地面端测试，将检测的数据反馈给卫星端。
6.根据权利要求4所述的基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，其特征在于所述码元速率变换与所述调制方式的设定关系为：
0≤[Eb/N0]≤1 码元传输速率降低为原来的1/10，选用64QAM调制方式；
1＜[Eb/N0]≤4.3 码元传输速率降低为原来的1/5，选用16QAM调制方式；
4.3＜[Eb/N0]≤5.1 码元传输速率降低为原来的1/4，选用16QAM调制方式；
5.1＜[Eb/N0]≤8.5 码元传输速率降低为原来的1/5，选用64QAM调制方式；
8.5＜[Eb/N0]≤9.7 码元传输速率降低为原来的1/4，选用64QAM调制方式。
7.根据权利要求1或2所述的基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法，其特征在于所述码元速率不变换与所述调制方式的设定关系为：
9.7＜[Eb/N0]≤13 码元传输速率保持不变，选用QPSK调制方式；
13＜[Eb/N0]≤13.4 码元传输速率保持不变，选用8PSK调制方式；
13.4＜[Eb/N0]≤17.8 码元传输速率保持不变，选用16QAM调制方式；
17.8＜[Eb/N0]≤22.5 码元传输速率保持不变，选用64QAM调制方式；
22.5＜[Eb/N0]≤30 码元传输速率保持不变，选用256QAM调制方式。
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