CN107508659B - 面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法。通过星间距离测算器测算星座中任意两颗卫星之间的距离，估算接收端接收信号的信噪比，编码调制方案选择器基于目标误码率算法和吞吐量与带宽之比算法选择相应的LDPC‑CPM方案并通过导频发送到接收机，数据信号经过LDPC码编码器、随机交织器以及CPM调制器生成已调信号发送至加性高斯白噪声信道，通过编码调制方案估算器对导频信号进行分析，叠加加性高斯白噪声信道噪声的数据信号经过CPM解调器、解交织器、LDPC译码器以及随机交织器进行迭代检测，由LDPC译码器作硬判决输出数据。本发明可有效提高星间自适应编码调制系统的可靠性和有效性。

Description

面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法
技术领域
本发明涉及的是一种卫星导航系统星间链路(Inter-satellite Link,ISL)的数据传输(简称“数传”)方法，尤其是一种基于连续相位调制(Continuous PhaseModulation,CPM)的自适应编码调制(Adaptive Coding Modulation,ACM)数传方法。
背景技术
随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)之间竞争的加剧和导航战的升级，对定位精度、完好性、可靠性以及抗摧毁能力提出了更高的要求，星间链路(ISL)是解决这一问题的主要途径之一。通过星间链路进行卫星之间的相互测距和通信，可以缩短星历的更新周期，实现导航星座的星地联合定轨，从而提升定位精度；可以提供一种独立的校验星历和时钟参数的手段，提升系统的完好性；可以实现测控信号的转发，完成导航星座的间接测控，解决区域监测跟踪网的局限性问题；可以实现导航星座在一段时间内的自主运行，提升系统生存能力。因此，建设有星间链路支持的导航星座成为新一代GNSS主要的发展趋势。
星间链路的主要任务是实现导航卫星星间相对测距和星间通信，目前我国的导航卫星一般配有两种信道，即低速率全向测控信道和高速率业务数据信道，分别实现测控和数据传输功能。鉴于测控和通信系统相互独立，重复建设经济效益差，同时业务用户对测控数据的需求各不相同，协调工作复杂。导航与通信的融合，即导通一体化，是解决上述问题的一种有效手段和必然趋势，可简化星上设备、提高电磁兼容能力、减少功率消耗、节约频率资源。可以推测，未来GNSS星间链路将融合导航与通信并借此实现自主导航。
导航与通信的融合不是简单的功能叠加，而是深层次的复合，具有测距与通信双重功能的一体化信号模型是目前论证的焦点，涉及信道编码、调制、测距码以及载频等方案的设计，其中调制方案是研究的重点。连续相位调制(CPM)是一类包络恒定、相位连续、功率与频带利用率较高的调制方案，尤其适用于使用非线性功率放大器的卫星通信、卫星导航、数字视频广播等。CPM调制不是单一调制，而是一类调制的总称，通过设置进制数M、基带脉冲波形函数g(t)、关联长度L以及调制指数h可以构成无穷多个CPM信号，例如进制数为2、基带脉冲波形为矩形脉冲(REC)、关联长度为2的CPM信号可表示为“2M2REC”，再如进制数为4、基带脉冲波形为升余弦脉冲(RC)、关联长度为2的CPM信号可表示为“4M2RC”。
2015年，国内学者薛睿等人于《Sensors》期刊发表了《CPM signals forsatellite navigation in the S and C bands》一文，提出了适用于卫星导航S和C波段的CPM信号波形，证明了CPM调制可应用在GNSS不同频段的星地链路中，并在跟踪精度、多径抑制以及抗干扰等方面具有更加出色的性能。因此，基于CPM调制建立通信测距一体化信号模型是可行的。
卫星导航星座中星间距离变化范围较大，由星间距离不同所造成的路径功率损耗差异可多达20dB。为了保证星间链路的可用性与可靠性，通常GNSS采用固定编码调制方案(Constant Coding Modulation,CCM)以抵抗最远星间距离所引起路径损耗，此时系统备余量很大。然而星间距离是不断变化的，当星间距离减少时，系统备余量将造成信道资源的严重浪费。为了充分地利用信道资源，引入自适应编码调制(ACM)技术，根据星间距离的远近动态地改变编码和调制方式，提高系统的传输速率和频带利用率，以有效解决功率效能和带宽效能的不可兼顾的问题。
2016年，Huang J等人于《IET Communications》期刊发表了《Adaptivemodulation and coding techniques for global navigation satellite systeminter-satellite communication based on the channel condition》一文，提出了一种适用于GNSS星间链路的自适应编码调制方案，基于正交相移键控(Quadrature PhaseShift Keying,QPSK)、正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)以及低密度奇偶校验(Low Density Parity Check Code,LDPC)码生成了一系列调制编码方案(Modulation Coding Scheme,MCS)。随着卫星导航系统空间业务的增加，通信容量急剧增长，星载数据调制方式为了适应非线性功放的特性、降低信号解调门限，不宜选择高阶信号调制方式。同时，发射信号功率谱还必须符合空间频率协调组(SFCG)、国际电信联盟(ITU)等管理机构的规定。所以要求星载设备采用的调制方式产生的信号频谱扩展最小化，使其具有恒包络及高频带效率的特性。QPSK调制虽然是恒包络调制，但其相位不连续，会造成频谱的扩展和发射机的高压瞬变现象；QAM调制不但相位不连续，而且已调信号的包络非恒定，通过星载非线性功率放大器将产生非线性失真。因此，基于CPM调制设计面向卫星导航系统星间链路的ACM方案可以利用CPM调制包络恒定、相位连续、功率利用率高、信号储备丰富等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高卫星导航系统星间链路数传的可靠性和有效性的面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法。
本发明的目的是这样实现的：
包括星间距离测算器1、编码调制方案选择器2、LDPC编码器3、随机交织器4、CPM调制器5、加性高斯白噪声信道(AWGN)6、编码调制方案估算器7、CPM解调器8、解交织器9以及LDPC译码器10，首先利用导航星座中任一卫星存储所有卫星星历的特点，通过星间距离测算器1测算星座中任意两颗卫星之间的距离，根据发射信号的功率和传输路径的损耗，估算接收端接收信号的信噪比，编码调制方案选择器2基于目标误码率算法和吞吐量与带宽之比(Throughput/B)算法选择相应的LDPC-CPM方案，并将所选方案通过导频发送到接收机，而数据信号经过LDPC码编码器3、随机交织器4以及CPM调制器5生成已调信号发送至加性高斯白噪声信道6，接收机通过编码调制方案估算器7对导频信号进行分析，估计发射机所使用的编码调制具体方案，然后叠加AWGN噪声的数据信号经过CPM解调器8、解交织器9、LDPC译码器10以及随机交织器4进行迭代检测，经过若干次迭代处理，最后由LDPC译码器10作硬判决输出数据。
本发明的基于CPM调制的自适应编码调制数传方法，可以显著提高卫星导航系统星间链路数传的可靠性和有效性。主要由发射机、加性高斯白噪声(Additive WhiteGaussian Noise,AWGN)信道7以及接收机三部分组成。发射机由星间距离测算器1、编码调制方案选择器2、LDPC编码器3、随机交织器4以及CPM调制器5构成，其主要工作原理如下：
利用导航星座中任一卫星存储所有卫星星历的特点，首先测算星座中任意两颗卫星之间的距离，根据发射信号的功率和传输路径的损耗，估算接收端接收信号的信噪比，在基于CPM的编码调制库中选择对应的编码调制方案，并将所选择的编码调制方案通过导频信号发送至接收机，然后输入数据经过LDPC码编码器3、随机交织器4以及CPM调制器5生成已调信号，最后将已调信号发送至AWGN信道。值得注意的是，LDPC编码器和CPM调制器采用相同阶数，无需现有星间链路中自适应编码调制方案中所使用的映射器。
接收机由编码调制方案估算器7、CPM解调器8、解交织器9、LDPC译码器10以及随机交织器4构成，其主要工作原理如下：
首先通过编码调制方案估算器7对导频信号进行分析，还原发射机所使用的编码调制具体方案，然后混有AWGN噪声的数据信号经过CPM解调器8、解交织器9、LDPC译码器10以及随机交织器4进行迭代检测，经过若干次迭代处理，最后由LDPC译码器10作硬判决输出数据。
本发明的主要特征如下：
1.体现在信号控制机制上：通过导航卫星存储的星历计算星座中任意两个卫星的距离，根据发射信号的功率和传输路径的损耗，估算接收端接收信号的信噪比，在基于CPM的编码调制库中选择对应的编码调制方案，并将所选择的编码调制方案通过导频信号发送至接收机，接收机对导频信号进行估计，还原发射机所采用的编码调制具体方案，这样接收机就不再需要对信道状态进行估计，也无需告知发射机信道状态，省去了信道状态的估计与反馈环节，将传统的自适应闭环控制机制调整为开环控制机制。
2.体现在编码调制方案库构造上：针对现有星间链路中自适应编码调制方案库中五种编码调制方案(1/2LDPC+QPSK、1/2LDPC+8QAM、1/2LDPC+16QAM、3/4LDPC+16QAM、5/6LDPC+64QAM)的性能，本发明围绕码率为3/4和5/6的LDPC码和CPM调制设计了五种不同参数的编码调制方案，即3/4LDPC+2M2REC(h＝4/5)、5/6LDPC+4M2RC(h＝1/4)、3/4LDPC+8M2RC(h＝1/8)、3/4LDPC+8M2REC(h＝1/7)以及3/4LDPC+8M2REC(h＝1/10)，其中LDPC编码器和CPM调制器采用相同阶数，构成了基于CPM调制的编码调制方案库。与现有基于QPSK或QAM的编码调制方案库相比，本发明中所提供的编码调制方案库可进一步提高GNSS星间链路数传的可靠性和有效性。
3.体现在接收机的数据检测模式上：与传统的解调译码级联式接收机不同，本发明中接收机的数据检测采用Turbo迭代检测模式，利用CPM解调器与LDPC译码器均可输出软信息的特点，将迭代检测原理引入到该系统中，设计了基于软输入软输出(SISO)算法的迭代检测接收机。
本发明的优势在于：
1.QPSK和QAM调制是目前GNSS星间链路数传中主要调制方式，但存在相位不连续的情况，会造成频谱的展宽和发射机的高压瞬变现象。引入CPM调制可以克服上述缺点，CPM是一种包络恒定、相位连续、带外衰减快且信号储备丰富的调制方式，而且CPM调制可作为数传和测距的通用调制方案，加快通信测距一体化进程，特别适用于GNSS的星间链路。
2.基于LDPC码和CPM调制设计了五种不同参数的编码调制方案，构成了基于CPM调制的编码调制方案库。与现有基于QPSK或QAM的编码调制方案库(如图7的表1所示)相比，本发明所提供的编码调制方案库可进一步提高GNSS星间链路数传的可靠性和有效性。
3.利用CPM解调器与LDPC译码器均可输出软信息的特点，将迭代检测原理引入到该系统中，设计了基于软输入软输出(SISO)算法的迭代检测接收机。与传统的解调译码级联式接收机相比，所设计的接收机能够有效改善系统的收敛性，降低地板效应出现的概率，提高系统的误比特率性能。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的实现流程图；
图3为本发明所提供各编码调制方案(MCS)在加性高斯白噪声(AWGN)信道中的误比特率(BER)曲线；
图4为本发明所提供的各MCS在AWGN信道中的吞吐量与带宽之比(Throughput/B)性能曲线；
图5为本发明所提供的基于CPM的自适应编码调制(ACM)方案、现有的ACM方案以及固定编码调制(CCM)方案的BER对比曲线；
图6为本发明所提供的基于CPM的自适应编码调制(ACM)方案、现有的ACM方案以及固定编码调制(CCM)方案的Throughput/B对比曲线；
图7表1为现有星间链路自适应编码调制方案库；
图8表2为基于CPM的自适应编码调制方案库。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
结合图1，本发明所涉及的方法由星间距离测算器1、编码调制方案选择器2、LDPC编码器3、随机交织器4、CPM调制器5、加性高斯白噪声信道6、编码调制方案估算器7、CPM解调器8、解交织器9以及LDPC译码器10构成。发射机由星间距离测算器1、编码调制方案选择器2、LDPC编码器3、随机交织器4以及CPM调制器5构成；接收机由编码调制方案估算器7、CPM解调器8、解交织器9、LDPC译码器10以及随机交织器4构成。
在发射机中，利用导航星座中任一卫星存储所有卫星星历的特点，首先测算星座中任意两颗卫星之间的距离，根据发射信号的功率和传输路径的损耗，估算接收端接收信号的信噪比，在基于CPM的编码调制库中选择对应的编码调制方案，并将所选择的编码调制方案通过导频信号发送至接收机，然后输入数据经过LDPC码编码器3、随机交织器4以及CPM调制器5生成已调信号，最后将已调信号发送至AWGN信道。发射机中的主要模块的算法和参数设置如下：
LDPC编码器3采用QC-LDPC(Quasi-cyclic LDPC)码，其校验矩阵采用下三角结构，维数为m×n，则LDPC码的码长为n，信息位k＝n-m，码率r＝k/n＝1-m/n，编码采用迭代编码算法；随机交织器4采用伪随机交织图案；CPM调制器5的主要参数包括进制数M、基带脉冲波形函数g(t)、关联长度L以及调制指数h，可根据信道条件选择不同参数的CPM方案。
接收机中，首先通过编码调制方案估算器7对导频信号进行分析，估计发射机所使用的编码调制具体方案，然后叠加AWGN噪声的数据信号经过CPM解调器8、解交织器9、LDPC译码器10以及随机交织器4进行迭代检测，经过若干次迭代处理，最后由LDPC译码器10作硬判决输出数据。数据检测的机制如下：
解调与译码过程是通过CPM解调器8和LDPC译码器10之间的多次迭代(称“外迭代”)完成的。受AWGN噪声污染的数据信号送至CPM解调器8进行解调，其输出的内信息字概率序列经过解交织器9后作为LDPC译码器10的外码字输入概率序列，LDPC译码器10输出的外码字概率序列经过随机交织器4后输入到CPM解调器8作为内信息字的输入概率序列，反复迭代此过程数次，最后一次迭代结果由LDPC译码器10作硬判决输出。其中CPM解调器8采用的是Log-MAP算法，LDPC译码器10采用的是置信传播(Belief Propagation,BP)迭代译码算法，该算法中迭代称为内迭代。
星间通信的损耗主要包括自由空间传输损耗、天线指向损耗以及极化损耗，其中自由空间传输损耗是主要来源，根据自由空间传输损耗公式，星间链路传输方程如下：
Figure BDA0001409100150000061
其中，Pr是接收功率，Pt是发射功率，Gt是发射天线增益，Gr是接收天线增益，PtGt称为有效全向辐射功率(EIRP，本发明中EIRP是39dBW)，Lf为自由空间传输损耗，即
Figure BDA0001409100150000062
其中，d是星间距离，λ是载波波长，f是载波频率(本发明中频率是30GHz)，c是光速。本发明是工作在Ka波段频率(30/20GHz)。
接收机的归一化信噪比(Eb/N0)如下：
Figure BDA0001409100150000063
其中，N0接收机噪声功率谱密度，R是信息速率，K是玻尔兹曼常量，T是接收机噪声温度。如果用分贝(dB)表示等式(3)，可得
Figure BDA0001409100150000064
接收天线的增益为
Figure BDA0001409100150000065
其中，G/T是接收天线的品质因数(天线增益与系统噪音的比值,本发明中品质因数是2dB/K)，Tr是系统噪声。L0是系统余度而不是自由空间传输损耗，在本发明中取L0＝5dB。通过以上推导可以获得星间距离d与接收信噪比Eb/N0之间的关系，即
Figure BDA0001409100150000071
3.通过等式(6)可以获得星间距离d与接收信噪比Eb/N0之间的函数关系，编码调制方案根据星间距离d的大小进行选择，本发明采用两种编码调制方案的切换算法，即目标误码率算法和吞吐量与带宽之比(Throughput/B)算法。目标误码率算法在保持误码率低于某一数值(如10-5)的要求下最大化频带利用率，如果多于一个编码调制方案满足BER要求，则将选择频谱利用率高的编码调制方案。Throughput/B算法旨在选择吞吐量Throughput与带宽B比值最大的编码调制方案，而没有目标误码率的限制，吞吐量Throughput的定义如下：
Throughput＝R(1-FER) 等式(7)
其中，R为信息速率，FER为误帧率。
CPM调制不是单一调制，而是一类调制的总称，通过设置进制数M、基带脉冲波形函数g(t)、关联长度L以及调制指数h可以构成无穷多个CPM信号，这些参数对CPM调制的性能影响很大，CPM的性能通常由功率效率和频谱效率来衡量，CPM参数的变化将使功率效率和频谱效率向相反趋势运动，因此CPM参数的选择要考虑功率谱密度特性、调制解调实现的复杂度以及解调误码率性能等因素，即在保证信号占用带宽和误码率性能的要求下，使CPM信号的复杂度最低。
针对现有星间链路中自适应编码调制方案库中各MCS方案的性能(如图7的表1所示)，基于CPM调制和LDPC码设计自适应编码调制方案，在实际应用中，必须考虑CPM的实现复杂度，主要取决于CPM解调器的复杂度，即匹配滤波器的总数。若调制指数h＝p/q是一个有理数，其中p和q是素数，复杂度可以表示为qML。为了降低CPM实现的复杂度，本发明中所提供的CPM方案均应满足q≤10，L≤2以及M≤8，基于上述原则设计CPM调制的实现方案，并与LDPC码结合形成多种编码调制方案，如图8的表2所示，从图3和图4可以看出，所设计五种LDPC-CPM方案，即3/4LDPC+2M2REC(h＝4/5)、5/6LDPC+4M2RC(h＝1/4)、3/4LDPC+8M2RC(h＝1/8)、3/4LDPC+8M2REC(h＝1/7)以及3/4LDPC+8M2REC(h＝1/10)，其误码率性能和频带利用率均优于相应的1/2LDPC+QPSK、1/2LDPC+16QAM、3/4LDPC+16QAM、2/3LDPC+64QAM以及5/6LDPC+64QAM方案。
本发明的工作模式如下：
1.在初始状态时，所有导航卫星都采用系统默认的最低频带利用率的编码调制方案进行通信，以确保星座空间中不同距离的两颗卫星能够进行可靠的通信。
2.建立通信后，由星间距离测算器1通过星历计算星座空间中任意两个卫星之间的距离，根据星间距离选择图8的表2中的编码调制方案，星间距离变小将选择高频带利用率的调制方案。如果星历不存在或过期，将使用默认的最低频带利用率的编码调制方案。
3.将步骤2中所选择的编码调制方案通过导频信号发送至接收机，然后数据信号经过LDPC码编码器3、随机交织器4以及CPM调制器5生成已调信号发送至AWGN信道。
4.接收机通过导频信号获得发射机所使用的编码调制方案。
5.接收机步骤4中所获得编码调制方案完成数据信号的检测，通过Turbo迭代检测机制完成解调和译码。
6.重复步骤2～5。
图3为本发明中各种调制编码方案的误码率随信噪比的变化曲线，从图3可以看出，与图7的表1中各编码调制方案相比，基于CPM调制的5种编码调制方案的误码率性能均得到不同程度的提高。
图4为本发明中各种调制编码方案的Throughput/B随信噪比的变化曲线，从图4可以看出，与图7的表1中各编码调制方案相比，基于CPM调制的5种编码调制方案的频带利用率均得到不同程度的提高。
图5为本发明所提供的基于CPM的自适应编码调制(ACM)方案、现有的ACM方案以及固定编码调制(CCM)方案的BER对比曲线，从图5可以看出，与现有自适应编码调制方案相比，基于CPM的自适应编码调制方案在可靠性方面具有一定的优势。
图6为本发明所提供的基于CPM的自适应编码调制(ACM)方案、现有的ACM方案以及固定编码调制(CCM)方案的Throughput/B对比曲线，从图6可以看出，与现有自适应编码调制方案相比，基于CPM的自适应编码调制方案在有效性方面具有一定的优势。

Claims (3)

1.一种面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法，包括星间距离测算器、编码调制方案选择器、LDPC编码器、随机交织器、CPM调制器、加性高斯白噪声信道、编码调制方案估算器、CPM解调器、解交织器以及LDPC译码器，其特征是：利用导航星座中任一卫星存储所有卫星星历，通过星间距离测算器测算星座中任意两颗卫星之间的距离，根据发射信号的功率和传输路径的损耗，估算接收端接收信号的信噪比，编码调制方案根据星间距离d的大小进行选择，并将所选方案通过导频发送到接收机，数据信号经过LDPC码编码器、随机交织器以及CPM调制器生成已调信号发送至加性高斯白噪声信道，接收机通过编码调制方案估算器对导频信号进行分析，估计发射机所使用的编码调制具体方案，然后叠加加性高斯白噪声信道噪声的数据信号经过CPM解调器、解交织器、LDPC译码器以及随机交织器进行迭代检测，经过迭代处理，最后由LDPC译码器作硬判决输出数据。
2.根据权利要求1所述的面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法，其特征是所述的编码调制方案包括：3/4LDPC+2M2REC，h＝4/5；5/6LDPC+4M2RC，h＝1/4；3/4LDPC+8M2RC，h＝1/8；3/4LDPC+8M2REC，h＝1/7以及3/4LDPC+8M2REC，h＝1/10，其中LDPC编码器和CPM调制器采用相同阶数。
3.根据权利要求1或2所述的面向卫星导航系统星间链路数传的自适应编码调制方法，其特征是所述叠加加性高斯白噪声信道噪声的数据信号经过CPM解调器、解交织器、LDPC译码器以及随机交织器进行迭代检测具体包括：受加性高斯白噪声污染的数据信号送至CPM解调器进行解调，输出的内信息字概率序列经过解交织器后作为LDPC译码器的外码字输入概率序列，LDPC译码器输出的外码字概率序列经过随机交织器后输入到CPM解调器作为内信息字的输入概率序列，反复迭代此过程，最后一次迭代结果由LDPC译码器作硬判决输出。
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