CN107852280A

CN107852280A - 用于在极低信噪比下工作的方法和装置

Info

Publication number: CN107852280A
Application number: CN201680044264.4A
Authority: CN
Inventors: 多隆·拉伊尼什; 阿瓦拉罕·弗里德曼
Original assignee: Game Provided Israel Ltd Flying Cosmos
Current assignee: Game Provided Israel Ltd Flying Cosmos
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: US10200158B2; EP3317990A4; US20180212715A1; IL256386A; EP3317990B1; IL256386B; CN107852280B; WO2017017667A1; EP3317990A1

Abstract

提供了一种方法和装置，在通信网络的一个或多个链路中使用，沿着这一个或多个链路在极低的SNR条件下交换通信。所述方法包括发射扩展通信帧的步骤，该扩展通信帧包括多个基本帧，其中扩展帧中包括的多个基本帧中的每一个都包括与该多个基本帧中包括的所有其他基本帧相同的有效载荷。

Description

用于在极低信噪比下工作的方法和装置

技术领域

本公开涉及通信领域，特别涉及在卫星通信网络中交换的通信。

背景技术

自推出以来，通信卫星提供了一个平台，用于在链路上进行通信，链路在区域覆盖范围很广的远距离上延伸。卫星为诸如广播、视频传输、电话、数据中继等等应用提供了出色的解决方案。

对于其他应用，例如传感器网络或远程基础设施监测(如水，气和电力设施计量)，卫星可以为与这些应用相关的通信需求提供出色的解决方案。卫星的非常大的覆盖区域使得这种系统能够利用单个集线器，在这个集线器中可以收集来自一个大陆大小范围的数据。主要用于相对非常低速的通信的这种系统的频谱要求使得即使在非常差的SNR条件下也有可能以有限量的卫星频谱资源进行工作。另一方面，在许多情况下，设备尺寸和功率要求对于实现卫星通信终端来说是一个障碍，卫星通信终端通常在尺寸和功率方面具有相对较大的需求量。

对小型终端的要求直接意味着应该使用小型天线和小尺寸电子设备。较小的天线影响链路预算，然而，数据速率要求以及相应的带宽要求都很低的事实使得仍然有可能能够在非常低的信噪比(SNR)条件下工作。新的DVB-S2X标准的VLSNR模式能够在低至-10dB的SNR下工作。

因此，本发明试图解决的问题是如何提供一种使得能够在SNR甚至低于上述-10dB值的条件下工作的空中接口。这种极低的SNR在本说明书和权利要求书中被称为极低信噪比(“ELSNR”)。换句话说，在数据速率范围内，如何使得在信噪比例如低至-30dB的情况下能够工作。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种在卫星通信网络中在极低的SNR条件下能够通信的方法和设备。

本发明的另一个目的是提供一种能够接收来自多个用户的通信的新颖的方法和设备。

随着本发明的描述的进行，本发明的其他目的将变得显而易见。

因此，根据本发明的第一实施例，提供了一种收发器，其适用于沿着在极低SNR条件下交换通信的一个或多个通信链路交换通信，其中，在发射时，收发器配置成发射多个扩展通信帧，每一个扩展通信帧包括多个基本帧，其中，各个扩展通信帧中包括的多个基本帧中的每一个都包括与所述多个基本帧中包括的所有其他基本帧相同的有效载荷，而在接收时，收发器对接收用于多个基本帧的接收信号进行组合并从中提取发射的信息。

这里使用的“基本帧”是通过调制一些信息在介质上的传输而产生的持续时间受限的信号。该信息可以包括有效载荷数据以及通信链路的正确工作所需的信息。基本帧可以是例如符合标准的帧(即由通信协议限定)。

如本领域中已知的，基本帧是包含符号的帧。这里使用的术语“符号”用于表示根据一组有效载荷位生成波形的一段时间。例如，根据DVB-S2X标准，一组M位根据2^MAPSK调制来调制波形。在实施其他标准时，符号可能会不同地被调制，甚至可能是波形的组合。

这里在整个说明书和权利要求书中使用的术语“收发器”应当被理解为包括以下选项：仅用于发射的装置，仅用于接收的装置(例如，在单向通信的情况下使用)，以及作为用于发射以及接收的装置的选项。所有这三个选项在此都由术语“收发器”涵盖，适用的选项取决于所实现的网络配置。因此，包含N个基本帧的扩展帧将因此包括N倍的相同的数据有效载荷，而N个基本帧的帧头不一定都是相同的。通常，有些基本帧的帧头相同，而其他几个将不同。

这里使用的关于从扩展帧的基本帧中提取的数据的术语“组合”指的是收发器在接收时实现的方法和技术，以便从扩展帧中提取容纳在该扩展帧中包括的多个基本帧中的每一个基本帧中的信息。组合方法包括但不限于对从所有基本帧中提取的信号进行求和和平均，对信号的校正版本的求和和平均，其中这种校正可以根据已知的频率误差、定时误差以及接收到的信号可能经历的其他失真进行实施。

这里使用的术语“扩展帧”和“扩展通信帧”在整个说明书和权利要求中用作可互换的术语，每个术语具有与另一个相同的含义。

根据另一实施例，收发器还配置成影响代码缩短和扩展到扩展通信帧中包含的多个基本帧中的至少一个基本帧。

根据另一实施例，收发器还配置成接收多个扩展通信帧，每个扩展通信帧包括多个基本帧，其中相应扩展通信帧中包含的多个基本帧中的每一个包括与该多个基本帧中包含的所有其他基本帧相同的有效载荷，并且从其中解码在扩展通信帧中包括的多个基本帧中包含的数据有效载荷。

根据本公开的另一方面，提供了一种在通信网络(例如卫星通信网络)的一个或多个链路中使用的方法，沿着该一个或多链路在极低SNR条件下交换通信，该方法包括发射包含多个基本帧的扩展通信帧的步骤，其中，在扩展帧中包含的多个基本帧中的每一个包括与该多个基本帧中包含的所有其他基本帧相同的有效载荷。

根据本公开的这个方面的另一实施例，所提供的方法还包括对扩展通信帧中包含的多个基本帧中的至少一个实施代码缩短和扩展的步骤。

通过本公开内容的这个方面的又一实施例，所提供的方法还包括在扩展通信帧内以预定间隔合并帧头和导频信号的步骤。

根据又一实施例，该方法还包括对扩展通信帧中包含的一个或多个基本帧的帧头长度进行扩展的步骤。

根据另一实施例，该方法还包括在一组基本帧上组合帧头符号并存储与在先基本帧相关联的符号的步骤。

通过再一实施例，该方法还包括将基本帧识别为扩展帧的最后一个基本帧的步骤。

根据又一实施例，所述方法还包括在扩展帧上应用加扰序列的步骤，优选地，同时避免在扩展帧中包含的基本帧的开始处初始化加扰序列。

根据另一实施例，扩展通信帧配置成承载从多个不同用户接收的通信。优选地，对于从不同用户接收的至少两个基本帧中的每一个，在将单个扩展通信帧中的相应基本帧合并之前施加不同的加扰序列。

附图说明

从下面结合附图对本发明的实施例的详细描述中可以更全面地理解本发明，在附图中：

图1例示了根据本发明实施例解释的扩展帧；和

图2呈现了说明包括嵌入其中的“锚”帧的数据传输的示例的图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便通过示例的方式更好地理解本发明。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。

本公开提供的解决方案使得能够在通信网络(例如卫星通信网络)中极低的SNR条件下交换通信。本解决方案的主要基本原理之一是，不是向链路的另一端(其在ELSNR下工作)发射基本帧，而是发射扩展帧，而该扩展帧包含原始基本帧中包括的预定数量的重复的有效载荷。

显然，通过遵循本发明提供的解决方案，在这样的扩展帧内包括的数据的总量远远小于(取决于相同有效载荷重复的次数)在发射扩展帧的同一时间段内可发送的数据量，后者的情况下每个基本帧只被发射一次(即，其有效载荷不会被重新发射以形成扩展帧，因为所提出的机制导致数据传输速率减小的倍数基本上等于或大于重复次数)。然而，当这样的扩展帧被另一端接收器接收时，通过应用例如适当的组合技术，与接收的数据相关联的SNR可增加(增加到该倍数)，前提是与每个重复相关联的噪声和干扰独立于这些重复。

图1例示了包括N个帧的这种扩展帧(10)的结构，其中第一基本帧(20)是携带特定数据有效载荷的基本帧，并且其后续的N-1个基本帧(30)分别包括与第一基本帧(20)相同的数据有效载荷。这N-1个连续的基本帧(30)在下文中将被称为第一基本帧(20)的重复，尽管如本领域技术人员将理解的那样，它们的其他部分，诸如其帧头和/或与之相关的导频信号不必与第一基本帧相同。

在该示例中，在第一基本帧的有效载荷(50)之前，第一基本帧(20)包括扩展帧(10)的帧头(40)(优选地，具有符合标准的帧头的长度)。

可选地，特定导频信号(60)被合并在扩展帧(10)内所包括的N-1个重复数据有效载荷中的每一个中。在第一有效载荷(50)之后，扩展帧(10)包括基本帧的N-1个重复中的第一重复(是第二基本帧)。根据本示例，该第一重复包括第一基本帧中包含的符合标准的帧头(70)以及相同的导频信号(60)。

术语“标准帧头”或“符合标准的帧头”(如帧头70)被用于表示对在DVB-S2/S2X标准下长度为90至900个符号的基本帧的剩余部分进行解码所需的控制信息。然而，如本领域技术人员将理解的，扩展帧的帧头不一定是所述长度，而且可能更长。为扩展帧实现较长帧头的一种方式是使用多个标准帧头，每个标准帧头与各自的基本帧相关联，并且这些帧头的组合实际上是扩展帧的帧头。这可以通过重复几次标准帧头来完成。

根据本公开的另一实施例，可以通过将一组已知符号添加到标准帧头来获得较长帧头，这将是所有传输帧的公共集合。

换句话说，根据该实施例的用于获得修改的帧头的方法可以包括例如以下步骤：

1.提供需要以调制形式被传输的第一数据有效载荷。

2.生成基本数据帧，其包括调制的第一数据有效载荷和与该帧关联的帧头(即，指示第一数据有效载荷如何被调制和成帧)以及已知前导码。

3.将基本数据帧重复N次，从而产生与该数据有效载荷相关联的扩展帧。

4.然后重复步骤1至步骤3以获得明显不同于第一数据有效载荷的第二数据有效载荷，帧头可以不同，但是前导码保持与在先基本帧情况相同，具有为第一数据有效载荷生成的扩展帧。

在这里被称为前导码的这个附加符号组可以有助于接收器同步和修改接收到的信号，例如在下面标题为“用于导频和帧头的固定网格及实施”的部分中所描述的。如本领域技术人员将会理解的，可以使用本领域中已知的其他可应用的替代方法，以便于接收器同步和修改所接收的信号的操作。

在该第二基本帧(包括第一帧(20)的有效载荷(30)的第一重复)之后，扩展帧(10)包括第一基本帧(20)的另外的N-2次重复，每个重复包括与第一基本帧(20)相同的有效载荷(50)，与第一基本帧(20)相同的导频信号(60)和标准帧头(70)。

第一基本帧(20)的最后一个重复(90)的帧头(80)不同于先前帧的帧头，并且在下文中将被称为最后一帧帧头。这个最后一帧帧头(80)被用来向接收端指示该基本帧(90)的结束也是扩展帧(10)的结束。

作为一个示例，让我们考虑下面的表1，其呈现了通过使用上述帧重复机制可以获得的理想结果。在本例中，将通过在扩展帧中重复其有效载荷来发射的基本帧是具有扩频BPSK调制的标准DVB-S2X VLSNR帧，速率为1/5，所需的信噪比(Es/No)为-9.9dB，频谱效率为每符号0.075比特(对应于零滚降时的0.075bps/Hz)。

现在，让我们假设这个帧重复N次以形成扩展帧，其中N是处于表格左侧列的扩展因子。发射扩展帧的持续时间以及由此产生的比特率对应于使用10％滚降的超过1Hz信道的操作。

表1：10％滚降、lMHz信道上的SNR和期望比特率

扩展因子	要求Es/No[dB]	扩展帧长度	扩展帧持续时间[秒]	比特率[Kbps]
					1	-9.9	33282	0.037	68.61
2	-12.9	66564	0.073	34.31
					3	-14.7	99846	0.110	22.87
4	-15.9	133128	0.146	17.15
					5	-16.9	166410	0.183	13.72
6	-17.7	199692	0.220	11.44
					7	-18.4	232974	0.256	9.80
8	-18.9	266256	0.293	8.58
					9	-19.4	299538	0.329	7.62
10	-19.9	332820	0.366	6.86
					16	-21.9	532512	0.586	4.29
25	-23.9	832050	0.915	2.74
					40	-25.9	1331280	1.464	1.72
64	-28.0	2130048	2.343	1.07
					100	-29.9	3328200	3.661	0.69

在以下说明中，提供了本发明的多个实施例，其能够对上文提供的公开内容实施某些改进。

帧内的代码缩短和扩展

帧重复机制可以进一步与每个帧内的代码缩短和扩展相结合。缩短指的是一种程序，即不是在帧内传输K个信息比特，而是将K-X_s个信息比特引入由X_s个零比特引导的编码器(如DVB-S2X标准中的BCH+LDPC)。编码器然后将产生N_ldpc输出比特。

由于代码是系统的(即，也输出信息比特)，所以X_s个额外的零被省略不传送。相反，传输符号可以重复(即，扩展)以保持相同的帧大小。这样，可以实现更稳健的代码，尤其是用于支持具有不同缩短尺寸的较低传输数据块。

用于导频信号和帧头的固定网格

已知的符号(导频信号)可以被嵌入在传输帧内以实现同步、跟踪和信道估计。每个帧还附加了帧头，为该帧提供其解调和解码所需的信息。为了便于接收器的操作，可能优选的是，帧头和导频信号在预定的时间间隔内被发送，这进而使接收器有可能预测其位置，即使重复的次数在各种传输扩展帧之间有变化。

包括已知符号的前导码可以被添加到每个帧，由此促进了同步过程。由于所有基本帧具有相同的大小，所以采集过程可以基于搜索已知的前导序列的网格。

一旦接收器被同步到一扩展帧，它就可以根据编码在帧头中的扩展帧类型检测到这个扩展帧的结束，因此显然也是一个新的扩展帧开始。应该注意的是，帧头的编码设计成在扩展帧的解码结束之前很长时间内可靠地解码帧类型(以及因此的重复次数)。

当新的接收器加入通信网络时，可能无法识别扩展帧的开始。因此，优选地，在传输新的扩展帧之前，偶尔发送包含已知符号序列的一个帧长的“锚”帧。一旦新的接收器被锁定在帧头前导码网格中，它就可以开始搜索将会为新的接收器指示扩展帧开始的锚帧。

优选地，这样的锚帧的传输不是太频繁地执行，以便不减少分配用于传输有效载荷数据的时间。图2呈现了示出包括嵌入其中的“锚”帧的数据流的示例的图。在图中描绘了由连续传输的扩展帧组成的流。在这个例子中，每个扩展帧由两个基本帧组成。基本帧由包含数据有效载荷和导频的段组成(如图1中详细描述的，帧头和前导码)，如上所述。锚帧(在这个特定例子中长度为16686个符号)被插在两个扩展帧之间，具有基本帧的数据和导频信号部分的长度。

改进帧头检测

例如在DVB-S2/DVB-S2X标准等中定义的数据携带帧的帧头携带涉及关于其解调、解码和结构的参数的信息，这使得接收器有可能对接收到的帧进行操作。传统地，帧头的设计方式使其能够在甚至低于解码数据所需SNR的条件下进行检测。为了在ELSNR条件下提供相似的能力，可以使用以下一个或多个选项：

1.增加帧头长度；

2.将一组重复的帧的帧头组合起来，同时存储这些符号。

如果SNR不是太低，则增加的帧头长度将使得能够通过第一帧对其进行解码。但是，在SNR不够高的情况下，可以在帧上对重复的帧头进行平均。在后一种情况下，接收器将能够在接收到几个帧之后解码帧头，但是优选在聚合的SNR足以解码整个扩展帧之前进行。

图1呈现了符合DVB-S2/S2X标准的基本帧。根据标准，这样的基本帧具有90个符号长的帧头(标准帧头)，随后是与该基本帧相关联的帧的数据有效载荷和导频符号。如上所述，这个基本帧将在ELSNR条件下发射，因此它将被重复N-1次，并且具有其N-1次重复的基本帧将被包括在扩展基本帧内。基本帧的帧头首先被解码，并且将需要比数据有效载荷所需重复次数(N-1)更少的重复次数(M-l)，即M<N。因此，为了实现本发明提供的方法，有多种方法可以做到这一点。以下是用于执行所提供的方法的多种选项(不同于图1所示的选项)：

1.构造一个包含M个帧头的扩展帧，其中所有的M个帧头都连续地定位(除了第一个帧头之外，每个帧头紧接在前一个帧头之后)，然后重复N次基本帧的数据有效载荷；

2.构造一个包含整个基本帧(包括其帧头)N倍的扩展帧。在该选择中，当基本帧在扩展帧中出现M次之后(即，在具有M-1个基本帧的重复之后)，将检测到该帧头。

3.构造一个扩展帧，其包含标准帧头的X次重复(其中X<M)，从而形成新的帧头，接着是新的帧头的N-1次重复，随后是数据有效载荷。该帧头在图1中示出，将在相同的条件下比根据上述选项2构造的帧头更早地解码。

识别最后一帧

根据本公开的实施例，可以使因子N的值恒定。然而，根据本公开的另一个实施例，因子N的值是灵活的并且适应于各种SNR条件。为了获得该灵活性，优选可以修改因子N的值。实现该目标的可选方法之一是使用配置成识别扩展帧中的最后一帧的机制。

可以通过实现一个可被接收器识别的特殊帧头来执行该选项。一些能够做到这一点的可能的解决方案是：

-使用特殊的更长的帧头以使其在ELSNR条件下启用检测。

-使用相反的帧头，即，在符号与初始帧头符号相反的最后一帧发射帧头，重复(N-1)次。利用可用的先验信息，可以高概率地获得对一个帧是否具有与初始帧相同或负极性的检测。

这个帧头可以在最后一帧或最后L个帧实现，以增加其识别的可能性。

“最后一帧”发出信号，使得能够以低的开销成本在多种水平的操作条件下工作。

加扰序列的使用

根据本公开的另一实施例，可以对信号应用加扰(例如，如在DVB-S2/S2X标准中所描述的)，以便对其进行频谱整形并减少来自同信道发射器的干扰。尽管对于符合标准的帧，加扰不应用到帧头，而在每个帧的开始处被初始化，但是根据本实施例，在扩展帧内继续加扰并应用于包含在扩展帧中的每个帧的帧头。加扰抑制了帧重复产生的谐波，并且如果SNR不是太低，则能够在不同用户之间分离，假设每个用户使用不同的序列进行加扰，类似于使用CDMA(码分多址)时执行的步骤。

由本公开提供的解决方案适合于在这种ELSNR条件下的任何低数据速率通信链路的操作，并且不应被认为限于上文提到的传感器网络或远程监测。

已经使用本发明实施例的详细说明对本发明进行了描述，本发明的实施例作为示例提供并且不意在以任何方式限制本发明的范围。所述实施例包括不同的特征，并不是在本发明的所有实施例中都需要这些特征。本发明的一些实施例仅利用所述特征中的一些特征或可能的组合。

本领域技术人员将会想到所述本发明实施例的变型以及包括所述实施例中提到的特征的不同组合的本发明实施方式。本发明的范围仅由所附权利要求限定。

Claims

1.一种用于通信网络的一个或多个链路的方法，沿着所述一个或多个链路在极低的SNR条件下交换通信，所述方法包括发射扩展通信帧的步骤，该扩展通信帧包括多个基本帧，其中，扩展帧中包括的多个基本帧中的每一个都包括与所述多个基本帧中包括的所有其他基本帧相同的有效载荷。

2.如权利要求1所述的方法，还包括对所述扩展通信帧中包括的多个基本帧中的至少一个实施代码缩短和扩展的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，还包括在所述扩展通信帧内以预定间隔合并帧头和导频信号的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，还包括扩展所述扩展通信帧中包括的一个或多个基本帧的帧头长度的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，还包括在多个基本帧上组合帧头符号并存储与在先基本帧相关联的符号的步骤。

6.如权利要求1所述的方法，还包括将基本帧识别为所述扩展通信帧的最后一个基本帧的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，还包括在所述扩展通信帧上应用加扰序列的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其中，通过在所述扩展通信帧中包括的基本帧的开始处避免初始化加扰序列，来执行在所述扩展通信帧上应用加扰序列的步骤。

9.如权利要求7所述的方法，其中，扩展通信帧配置成承载从多个不同用户接收的通信。

10.如权利要求9所述的方法，其中，对于从不同用户接收的至少两个基本帧中的每一个基本帧，在将各基本帧并入单个扩展通信帧内之前应用不同的加扰序列。

11.如权利要求1所述的方法，包括将包括预定符号序列的前导码与每个基本帧合并。

12.如权利要求1所述的方法，还包括偶尔发射锚帧的步骤，其中，所述锚帧具有一个基本帧的长度并且包括已知的符号序列，并且其中，所述步骤还包括在发射所述锚帧之后发射扩展通信帧。

13.一种收发器，适用于沿着在极低SNR条件下交换通信的一个或多个通信链路交换通信，其中，所述收发器配置成发射多个扩展通信帧，每个扩展通信帧包括多个基本帧，其中，相应扩展通信帧中包括的多个基本帧中的每一个包括与该多个基本帧中包括的所有其他基本帧相同的有效载荷。

14.如权利要求13所述的收发器，还配置成影响代码缩短和扩展到所述扩展通信帧中包括的多个基础帧中的至少一个基础帧。

15.如权利要求13所述的收发器，配置成接收多个扩展通信帧，每个扩展通信帧包括多个基本帧，其中，相应扩展通信帧中包括的多个基本帧中的每一个包括与该多个基本帧中包括的所有其他基本帧相同的有效载荷，并且从其中解码所述扩展通信帧中包括的多个基本帧所包括的数据有效载荷。

16.如权利要求13所述的收发器，配置成将包括预定符号序列的前导码与在由此正发射的扩展通信帧中包括的每个基础帧合并。

17.如权利要求13所述的收发器，还配置成偶尔发射锚帧，其中，所述锚帧具有一个基本帧的长度并且包括已知的符号序列，并且其中，所述收发器配置成在发射所述锚帧之后发射扩展通信帧。