CN102404070A - 基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法，属于星地通讯技术领域。本发明的帧长设计方法包括建立星地系统的链路；根据系统吞吐量的理论关系式设计出最优帧长与系统信道误比特率的关系，然后按照最小二乘法设计出几个信道误比特率段内的帧长；根据系统的调制方式、Ka频段的天气状况及输出信噪比，计算系统的误比特率；根据该信道状况下的帧长进行数据成帧、传输。本发明与现有技术的有益效果是：本发明的帧长设计方法应用于星地通信系统，能够根据信道的误比特率、系统调制方式来选择合适的帧长，提高了系统的吞吐量，从而避免了信道时好时坏导致的吞吐量大幅降低的现象。

Description

基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法

技术领域

本发明属于星地通讯技术领域，更具体地说，属于一种基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法。

背景技术

随着航空航天、载人飞船和轨道空间站技术的发展，人类空间活动进入空间站时代；星地通信在广播、电视、气象、救援等领域发挥着越来越重要的作用。人们对于星地通信的数据需求量也在不断扩大。

而空间站数据系统是空间站的重要组成部分，为了解决空间任务中存在的数据处理问题，美国航宇局(NASA)、欧洲空间局(ESA)和许多其他国家的空间局成立了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)。CCSDS的第一套成熟建议(COS)是针对常规任务的空间数据系统提出的，为适应许多新的系统和新的空间任务对数据系统的更高要求，CCSDS拓展了原有的常规建议，提出了拥有灵活多样的数据处理业务的高级在轨系统(AOS)建议。

传统的C、Ku频段难以满足大量、高速数据的传输，因而更高频段、更宽带宽、更窄波束的Ka频段将逐渐被采用。在星地通信系统中，常采用吞吐量(单位时间接收到的有效用户数据量)来衡量其性能，而影响系统吞吐量大小的一个主要参数是传输帧的帧长，因而进行帧长设计是非常必要的。

CCSDS在AOS协议中建议卫星通信系统传输帧的长度为定长值，优点是易于传输帧的提取，且成帧效率高；但Ka频段的星地信道受雨、水蒸汽、云雾、氧气和闪烁的影响，会造成信道误比特率的变化，若系统仍采用固定的帧长，则会造成吞吐量的大幅降低，从而影响系统性能。

空间站数据系统的数据源大体可分为两类：一类数据量较小且分布分散，例如遥控响应数据、故障数据及突发事件数据等，正常状态下的工程数据也属于此类，称为分散数据；另一类是大容量传送的数据，例如电视图像、静止图像、科学实验数据等，称为集中数据。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法。

本发明中设传输帧的格式包括帧头、帧尾和帧数据域三部分，帧头用于说明数据帧的版本号、源地址、帧长等信息；帧尾是校验信息位，

帧长设计时，按照系统归一化吞吐量与帧长的关系

来设计，其中：η_f为帧效率(传输帧中帧数据域长与帧长之比)；L_f为帧长；p_e为信道误比特率，

设信道为无记忆随机差错信道，即前后码元互不相关，具有等概无记忆特性。首先获得系统吞吐量最大时的传输帧长——最优帧长，即对归一化吞吐量表达式求极值，使

得到最优帧长

$L_{\mathrm{fo}}=\frac{C_f+\sqrt{C_f^2-4C_f/\ln (1-p_e)}}{2},$

其中C_f为帧头和帧尾长度之和。

由此可见，对不同的p_e，都会找到一个L_fo使系统吞吐量最大。但是如果信道的误比特率不断变化，则要不断改变传输帧的长度，这在实现的时候很困难，同时，帧格式中应该有关于帧长的说明，误比特率为10^-7时，最优帧长为3166字节，因此需要12比特来标识帧的长度，当信道误比特率更低时，需要标识帧长的比特数也会越多。接收端解帧的时候每次都需要判断帧的长度，如果某一帧的长度标识出错，那么包括这一帧在内，后续多个帧都可能无法正确解出，因而大大影响了系统的通信质量。

所以本发明按照最小二乘法的原理，将吞吐量随帧长变化曲线相近的误比特率区间划为一段，设计一个帧长，满足该区间各种信道状况下最大吞吐量与该帧长时吞吐量的差值平方和最小。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法，由软件系统组成，主要功能包括：建立星地链路、帧长生成、获得信道误比特率。

其特征在于该系统包括如下步骤：

建立星地系统的链路；

根据系统吞吐量的理论关系式设计出最优帧长与系统信道误比特率的关系，然后按照最小二乘法设计出几个信道误比特率段内的帧长；

根据系统的调制方式、Ka频段的天气状况及输出信噪比，计算系统的误比特率；

根据该信道状况下的帧长进行数据成帧、传输。

本发明与现有技术的有益效果是：本发明的帧长设计方法应用于星地通信系统，能够根据信道的误比特率、系统调制方式来选择合适的帧长，提高了系统的吞吐量，从而避免了信道时好时坏导致的吞吐量大幅降低的现象；本发明的方法考虑了不同调制方式下信号的误码率及Ka信道的各种天气情况对信号的影响，在不同的信道误比特率的情况下，设计星地通信系统传输帧的长度，保证系统具有较高的吞吐量。

附图说明

附图1是本发明的系统框图；

附图2是本发明的帧长设计框图。

具体实施方式

针对Ka频段的星地通信系统，本发明提出一种可变帧长的设计方法，该方法针对星地通信信道状况的不同，采用不同长度的传输帧进行数据传输，提高了不同信道状况下系统的吞吐量，传输帧的长度在帧格式中给出。

本发明的基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法，所述传输帧的格式包括帧头、帧尾和帧数据域三部分，其特征在于，所述帧长设计方法包括以下步骤：

S1建立星地通信系统的链路；

S2根据星地通信系统吞吐量的理论关系式：(其中：η_f为帧效率，L_f为帧长，p_e为信道误比特率)来设计出最优帧长与系统信道误比特率的关系，即对归一化吞吐量表达式求极值，使

得到最优帧长

其中C_f为帧头和帧尾长度之和；

S3然后按照最小二乘法设计出信道误比特率段内的帧长；

S4根据星地通信系统的调制方式、Ka频段的天气状况和输出信噪比，计算星地通信系统的误比特率；

S5根据信道状况下的帧长进行数据成帧、传输。

本发明的帧长设计方法由软件系统组成，主要包括星上系统、Ka频段信道检测模块、帧长设定、传输帧生成、地面接收系统模块，各模块的关系如图1所示；各模块的主要功能如下：

星上系统模块：该模块首先完成星地通信系统的初始化，即建立星地链路，然后发送数据。

Ka频段信道检测模块：根据Ka频段信道的天气特点以及采用的调制方式，实时对测试数据进行检测，并计算出此时信道误比特率，同时将得到的结果反馈给星上，为星上传输帧的帧长设定提供依据。Ka频段信道的各种天气(晴天、小雨、小雪、黑云、雷雨、中雨、冰霜)对信号产生一个乘性高斯噪声，但其均值和方差各不相同，因而对信号产生的误码也各不相同。

帧长设定模块：该模块的具体实现环节如图2所示。按照吞吐量与帧长的关系式，根据极值定理，推导出帧长与信道误比特率的关系，该帧长满足系统的吞吐量最大，即最优帧长，同时计算出最大吞吐量；然后根据帧长和吞吐量的关系找到吞吐量相近的误比特率区间，根据最小二乘法原理得到各误比特率区间的帧长。

传输帧生成模块：根据信道实时状况和“帧长设定模块”给出的帧长，将待传输的数据装成帧，发送给地面接收系统。

地面接收系统模块：该模块将接收到的数据按照发送的逆过程进行解数据。

误比特率区间在10^-6～10^-7区间，设计帧长为1500字节，误比特率为10^-7时，最优帧长为3166字节，最大吞吐量为0.8708，帧长取1500字节时的吞吐量为0.8695，与最大值相差不多；同样，误比特率为10^-6时，最优帧长为1004字节，最大吞吐量为0.8613，帧长取1500字节时的吞吐量为0.8602，与最大值相差不多，因而通过这种方式将误比特率在10⁰～10^-7范围的帧长设计为几个固定长度。在帧的格式中只用较少的几个比特数就可以描述几种帧长，而且接收端一旦收到错误长度指示的帧，可以按照几种确定的帧长去对比，从而避免了大量帧无法识别而被丢弃的现象，保证了接收端的通信质量。

Claims (1)

1.一种基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法，所述传输帧的格式包括帧头、帧尾和帧数据域三部分，其特征在于，所述帧长设计方法包括以下步骤：

S1建立星地通信系统的链路；

S2根据星地通信系统吞吐量的理论关系式：(其中：η_f为帧效率，L_f为帧长，p_e为信道误比特率)来设计出最优帧长与系统信道误比特率的关系，即对归一化吞吐量表达式求极值，使

得到最优帧长

其中C_f为帧头和帧尾长度之和；

S3然后按照最小二乘法设计出信道误比特率段内的帧长；

S4根据星地通信系统的调制方式、Ka频段的天气状况和输出信噪比，计算星地通信系统的误比特率；

S5根据信道状况下的帧长进行数据成帧、传输。

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