CN113014310B - 一种基于dvb-rcs2的机载宽带卫星通信信道仿真系统及应用方法 - Google Patents

一种基于dvb-rcs2的机载宽带卫星通信信道仿真系统及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于DVB‑RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统及应用方法，属于卫星通信应用技术领域。该系统包括：人机交互模块，从界面上配置信道参数以及展示链路的实时性能；数据同步模块，在系统模块间及链路上进行数据的同步实现链路自适应调节；数据处理模块，根据所配置的信道条件计算链路信噪比，以获取当前信道条件下的调制方式与编码码率，并计算出当前信道条件下链路的性能；网络控制模块，根据当前链路的性能，对链路进行IP数据包管理与流量控制。本发明通过同步以太网，模拟机载平台至地面站的DVB‑RCS2链路，实现链路自适应调节，满足高带宽、高速率、低时延的机载卫星通信，保证了机载业务数据流的稳定传输。

Description

一种基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统及应用 方法
技术领域
本发明属于卫星通信应用技术领域，涉及一种基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统及应用方法。
背景技术
通信技术高速发展的今天，人们对高速、宽带以及实时的信息需求越来越高，在竞争激烈的航空市场上各家航空纷纷开始在飞机客舱中加装机载客舱Wi-Fi，来满足旅客在空中的工作、娱乐、通讯的需求。机载客舱Wi-Fi系统的业务数据通过机载宽带卫星通信系统发送给卫星，由卫星转发到地面附近的关口站落地，再通过地面光纤网发送给运营中心，由运营中心接入地面公共网络或航空公司。近年来，我国越来越重视卫星通信技术的研究，而当前的重点在于将卫星通信技术应用于国产大飞机如C919等机载平台。国产大飞机各项技术功能正在逐步完善中，同时也亟需成熟的应用于机载平台的宽带卫星通信技术来满足高速的数据传输业务，提升市场竞争力。
目前，在卫星通信领域中，如何实现机载平台至地面站间宽带、高速、低时延的数据通信以及确定一种适用的卫星通信技术标准已是亟待解决的问题。专利申请“一种用于航空通信信道模型仿真的训练系统”(公开号：CN110390178A)，公开了一套能够针对我国航空通信环境根据不同的通信信道、高速时变的通信位置建立对应的仿真系统，该系统采用经验统计和数学建模的方法并着重于理论上的传输信道模型来进行研发，但并未聚焦于航空通信中实际的数据通信过程。专利申请“移动平台VSAT宽带卫星通信仿真系统”(公开号：CN106533532A)，公开了一种可用于飞机、高铁列车VSAT卫星宽带通信的研发、测试和优化的仿真系统，该系统通过建立飞机或高铁列车运动的动力学模型构造虚拟卫星通信环境来控制VSAT卫星终端，以对VSAT卫星通信的质量进行评估，但并未说明如何对评估后的链路质量进行适应性校正。专利申请“个人移动终端在飞机上实现宽带通信的系统及方法”(公开号：CN110784836A)，公开了一种可以实现个人移动终端在飞机上实现宽带通信的系统，该系统阐述了一种将个人移动终端从机载平台经卫星链路接入地面网络链接到互联网的技术方案，但并未从物理层上说明如何实现机载平台到地面网关间的宽带数据通信过程。
DVB-RCS2是第二代具有卫星回传信道的数字视频广播标准，由欧洲电信标准化协会(European Telecommunication Standard Institute,ETSI)制定，是基于卫星交互式应用、结合DVB广播业务和非常小孔径终端VSAT双向交互业务的通用标准。在当前高速发展的通信技术条件下，该标准针对复杂的卫星通信链路环境在纠错编码、高阶调制技术、同步技术等信号处理技术方面进行了适应性的设计，使其能满足在卫星通信Ka、Ku频段进行高带宽、高速率、低时延的数据通信。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统及应用方法，通过同步以太网，模拟机载平台至地面站的DVB-RCS2链路，并实现链路的自适应调节，从而满足高带宽、高速率、低时延的机载卫星通信，保证机载业务数据流的稳定传输。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统，连接机载终端与地面网关，通过三端同步的以太网模拟DVB-RCS2链路，实现机载终端至地面网关间基于DVB-RCS2链路相连的网络架构；所述信道仿真系统包括人机交互模块、数据同步模块、数据处理模块和网络控制模块，其中，
人机交互模块包括参数输入单元和性能展示单元，所述参数输入单元模拟机载平台与卫星所处地理位置、通信环境的变化，提供系统参数与环境参数的配置；所述性能展示单元用于在界面上展示当前信道条件下的链路性能，包括传输带宽、时延和丢包率；
数据同步模块包括本地同步单元和链路同步单元，所述本地同步单元用于在所述信道仿真系统各模块间同步所配置的信道参数与计算所得的链路性能参数；所述链路同步单元用于在机载终端、信道仿真系统与地面网关间同步链路属性，包括机载终端发射功率、链路实时信噪比SNRr、调制方式和编码码率；
数据处理模块包括信道质量单元、自适应调制单元和性能计算单元，所述信道质量单元基于ITU-R P.2041无线信道衰减预测标准，根据信道条件计算出链路信噪比SNRr；所述自适应调制单元基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，根据SNRr选择出此刻链路适用的调制方式与编码码率；所述性能计算单元即根据系统的信道参数以及链路属性计算出链路的性能参数；
网络控制模块包括网络控制单元，所述网络控制单元根据当前链路的性能，对链路进行IP数据包管理与流量控制，改变DVB-RCS2链路的实际传输速率，使其与链路当前的信道状态相适应，保证链路的通信效果。
另外，本发明还提供一种基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统的应用方法，包括以下步骤：
S1：界面配置环境参数及系统参数，并将数据上传至数据同步模块的本地同步单元；
S2：数据处理模块的信道质量单元从数据同步模块获取到信道参数，通过信道质量模型计算出此时链路的总衰减，得到SNRr；
S3：数据处理模块的自适应调制单元根据SNRr选择出此刻链路适用的调制方式与编码码率，并上传至数据同步模块的链路同步单元；
S4：数据处理模块的性能计算单元根据SNRr、信道参数以及所选择的调制方式与编码码率计算出链路的性能参数；
S5：网络控制模块根据DVB-RCS2链路的性能对链路进行IP数据包管理与流量控制，并将链路性能参数上传至数据同步模块的本地同步单元；
S6：人机交互模块从数据同步模块获取到链路性能参数并展示在界面上；
S7：数据同步模块定时3s进行自检，若检测到数据发生改变，执行步骤S2至S6。
进一步，所述步骤S3中，所述自适应调制单元基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，设置25种调制方式与编码码率的组合方案，并以10-5误码率条件下不同组合方案的信噪比为门限信噪比SNRt，根据S2中的SNRr来匹配到合适的SNRt，选择出此刻链路适用的调制方式与编码码率，其中，SNRt通过仿真实验确定。
进一步，所述步骤S7中，机载终端根据链路同步单元所同步的信道质量、调制方式和编码码率自适应改变信号的发射功率，所述信道仿真系统检测到数据同步模块中数据发生改变，再次执行步骤S2至S6以重新校准当前链路的性能，实现链路自适应调节，保证机载业务数据流的稳定传输。
进一步，链路信噪比SNRr的计算公式为：
Figure BDA0002949211530000031
其中，Pt是信号的发射功率，Pn是链路的噪声功率，
Figure BDA0002949211530000032
是信道的总衰减；根据ITU-R P.2041协议标准，信道总衰减基于飞行高度和降雨高度进行区分；机载平台低于降雨高度时，信道总衰减计算公式如下：
Figure BDA0002949211530000033
机载平台处于降雨高度之上时，信道总衰减计算公式如下：
Figure BDA0002949211530000041
其中，
Figure BDA0002949211530000042
是水蒸气和氧气导致的气体衰减，
Figure BDA0002949211530000043
是降雨导致的衰减，
Figure BDA0002949211530000044
是云雾导致的衰减，
Figure BDA0002949211530000045
是对流层闪烁导致的衰减。各部分衰减由系统的输入参数计算得到。
本发明的有益效果在于：本发明通过配置信道系统参数和环境参数来模拟机载宽带卫星通信系统的信道条件，根据当前信道条件下的链路信噪比，基于DVB-RCS2卫星回传链路协议选择出适用于当前信道条件的调制方式与编码码率，计算出当前链路性能，并将链路进行从物理层到网络层的映射来对链路进行IP数据包管理与流量控制；然后通过同步以太网，反馈于机载终端与地面网关，实现链路的自适应调节，从而满足高带宽、高速率、低时延的机载卫星通信，保证了机载业务数据流的稳定传输，进而实现了机载宽带卫星通信信道系统的仿真以及在机载宽带卫星通信场景下模拟DVB-RCS2链路在数据传输业务上的应用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明机载宽带卫星通信信道仿真系统的网络架构图；
图2为本发明机载宽带卫星通信信道仿真系统的模块流程示意图；
图3为本发明机载宽带卫星通信信道仿真系统应用方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图3，本发明实施例提供了一种基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统连接机载终端与地面网关，通过三端同步的以太网模拟DVB-RCS2链路，实现机载终端至地面网关间基于DVB-RCS2链路相连的网络架构，其中，
机载终端作为发射端通过信道仿真系统向地面网关传输机载业务数据流；
信道仿真系统模拟卫星通信信道质量的变化，基于DVB-RCS2卫星回传链路协议自适应选择调制方式和编码码率，并通过同步以太网反馈至机载终端和地面网关；
信道仿真系统根据信道质量、调制方式和编码码率计算出当前链路性能，并以此对链路进行从物理层到网络层的映射，实现链路的IP数据包管理与流量控制；
机载终端根据信道质量、调制方式和编码码率自适应改变信号的发射功率，使信道仿真系统重新校准当前链路的性能，保证机载业务数据流的稳定传输。
参阅图2，本发明实施例中信道仿真系统包括：人机交互模块、数据处理模块、网络控制模块和数据同步模块。
其中，人机交互模块包括参数输入单元和性能展示单元。参数输入单元用于从界面上输入配置所述仿真系统所需的参数，包括系统参数与环境参数。其中，系统参数可配置项包括DVB-RCS2链路噪声功率、DVB-RCS2链路频率、DVB-RCS2链路最大带宽、卫星轨道高度以及天线直径；环境参数可配置项包括客机飞行高度、经度、纬度、仰角、降雨量、云层浓度以及季节。性能展示单元可展示当前信道条件下的链路性能参数，包括带宽、时延和丢包率。界面所输入的参数上传至数据同步模块进行同步，界面所展示的性能数据也是从数据同步模块获取。
数据同步模块包括本地同步单元和链路同步单元。本地同步单元用于在所述信道仿真系统各模块间同步所配置的信道参数与计算所得的链路数据；链路同步单元用于在机载终端、信道仿真系统与地面网关间同步链路属性，包括机载终端发射功率、链路实时信噪比SNRr、调制方式和编码码率，使同一时刻在DVB-RCS2链路上的三端都具有相同的信噪比、调制方式与码率，以实现链路的数据传输业务及机载终端、地面网关的功能。
数据处理模块包括信道质量单元、自适应调制单元和性能计算单元。信道质量单元用于计算既定信道条件下DVB-RCS2链路的SNR，其计算公式如下：
Figure BDA0002949211530000051
其中，Pt是信号的发射功率，Pn是链路的噪声功率，
Figure BDA0002949211530000052
是信道的总衰减。根据ITU-RP.2041协议标准，信道总衰减基于飞行高度和降雨高度进行区分；机载平台低于降雨高度时，信道总衰减计算公式如下：
Figure BDA0002949211530000053
机载平台处于降雨高度之上时，信道总衰减计算公式如下：
Figure BDA0002949211530000061
其中，
Figure BDA0002949211530000062
是水蒸气和氧气导致的气体衰减，
Figure BDA0002949211530000063
是降雨导致的衰减，
Figure BDA0002949211530000064
是云雾导致的衰减，
Figure BDA0002949211530000065
是对流层闪烁导致的衰减。各部分衰减由系统的输入参数计算得到。
自适应调制单元采用信噪比匹配法来获取适用于当前信道条件下的调制方式与码率。本发明实施例基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，选用BPSK、QPSK、8PSK和16QAM四种调制方式，与不同的码率组合成25种方案。为保证数据通信的传输质量，设定最大误码率门限阈值BERMAX为10-5，通过仿真得出在系统无干扰信道条件下BERMAX＝10-5时各方案的信噪比，并以此为门限信噪比SNRt，设定25个信噪比区间，对信道质量单元计算出的SNRr进行匹配，选择BER≤BERMAX的最高阶组合方案，其中，仿真得出的不同组合方案下的SNRt与匹配区间如表1所示。信噪比匹配方式为SNRt从小到大排列SNR1＜SNR2＜…＜SNR25，其划分的信噪比区间为[SNR1,SNR2)[SNR2,SNR3)…[SNR24,SNR25)[SNR25,∞)，当SNRr满足：SNRr∈[SNRi,SNRi+1),i＝1,2,...24，选择SNRt＝SNRi时所对应的调制方式与码率；特别的，当SNRr＜SNR1时，选择SNR1所对应的调制方式与码率，当SNRr≥SNR25时，选择SNR25所对应的调制方式与码率。
表1调制方式与码率组合方案的门限信噪比与匹配区间表
Figure BDA0002949211530000071
性能计算单元根据系统输入参数、SNRr、调制方式和码率计算出链路性能参数，本发明实施例的链路性能参数包括链路时延、带宽及丢包率。其中，根据机载平台高度和卫星轨道高度计算得到链路时延；根据配置的最大传输速率以及所选择的调制方式、码率计算得到链路的实时传输带宽；根据SNRr与当前匹配的SNRt的差值映射得到当前链路的丢包率。
网络控制模块包括网络控制单元，主要实现系统对模拟DVB-RCS2链路的IP数据包管理与流量控制。本发明实施例通过建立三端同步以太网的数据通道，模拟链路的时延、传输带宽和丢包特性，根据DVB-RCS2链路的性能在以太网卡上对从机载终端发来的IP数据包进行控制与调度，从而改变DVB-RCS2链路的实际传输速率，使其与链路当前的信道状态相适应，保证链路的通信效果。
参阅图3，基于上述所设计基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统，本发明实施例还设计了一种应用方法，包括以下步骤：
S1：界面配置环境参数及系统参数，并将数据上传至数据同步模块的本地同步单元。
S2：数据处理模块的信道质量单元从数据同步模块获取到信道参数，通过信道质量模型计算出此时链路的总衰减，得到。
S3：数据处理模块的自适应调制单元根据SNRr从表1中选择出此刻链路适用的调制方式与编码码率，并上传至数据同步模块的链路同步单元。
S31：自适应调制单元设置25种调制方式与编码码率的组合方案，并以10-5误码率条件下不同组合方案的信噪比为门限信噪比SNRt，如表1所示；
S32：根据S2中的SNRr来匹配到合适的SNRt，选择出此刻链路适用的调制方式与编码码率。
S4：数据处理模块的性能计算单元根据SNRr、信道参数以及所选择的调制方式与编码码率计算出链路的性能参数。
S5：网络控制模块根据DVB-RCS2链路的性能对链路进行IP数据包管理与流量控制，并将链路性能参数上传至数据同步模块的本地同步单元。
S6：人机交互模块从数据同步模块获取到链路性能参数并展示在界面上。
S7：数据同步模块定时3s进行自检，若检测到数据发生改变，执行步骤S2至S6。
S71：机载终端根据信道质量、调制方式和编码码率自适应改变信号的发射功率；
S72：数据同步模块定时3s进行自检，检测到数据发生改变，再次执行步骤S2至S6重新校准当前链路的性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于DVB-RCS2的机载宽带卫星通信信道仿真系统，其特征在于，该信道仿真系统包括：数据同步模块、数据处理模块和网络控制模块；
所述数据同步模块包括：本地同步单元和链路同步单元；所述本地同步单元用于在所述信道仿真系统各模块间同步所配置的信道参数与计算所得的链路性能参数；所述链路同步单元用于在机载终端、信道仿真系统与地面网关间同步链路属性；
所述数据处理模块包括：信道质量单元、自适应调制单元和性能计算单元；所述信道质量单元根据信道条件计算出链路信噪比SNRr；所述自适应调制单元根据SNRr选择出当前时刻链路适用的调制方式与编码码率；所述性能计算单元根据系统的信道参数及链路属性计算出链路的性能参数；
网络控制模块包括：网络控制单元，根据当前链路的性能，对链路进行IP数据包管理与流量控制，改变DVB-RCS2链路的实际传输速率，使其与链路当前的信道状态相适应，保证链路的通信效果；
所述信道仿真系统连接机载终端与地面网关，通过三端同步的以太网模拟DVB-RCS2链路，实现机载终端至地面网关间基于DVB-RCS2链路相连的网络架构。
2.根据权利要求1所述的机载宽带卫星通信信道仿真系统，其特征在于，信道仿真系统还包括人机交互模块；所述人机交互模块包括：参数输入单元和性能展示单元；所述参数输入单元模拟机载平台与卫星所处地理位置和通信环境的变化，提供系统参数与环境参数的配置；所述性能展示单元用于在界面上展示当前信道条件下的链路性能，包括传输带宽、时延和丢包率。
3.根据权利要求1或2所述的机载宽带卫星通信信道仿真系统，其特征在于，所述信道质量单元基于ITU-R P.2041无线信道衰减预测标准，根据信道条件计算出链路信噪比SNRr；所述自适应调制单元基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，根据SNRr选择出当前时刻链路适用的调制方式与编码码率。
4.根据权利要求1或2所述的机载宽带卫星通信信道仿真系统，其特征在于，该仿真系统的应用方法具体包括以下步骤：
S1：界面配置环境参数及系统参数，并将数据上传至数据同步模块的本地同步单元；
S2：数据处理模块的信道质量单元从数据同步模块获取到信道参数，通过信道质量模型计算出此时链路的总衰减，得到链路信噪比SNRr；
S3：数据处理模块的自适应调制单元根据SNRr选择出此刻链路适用的调制方式与编码码率，并上传至数据同步模块的链路同步单元；
S4：数据处理模块的性能计算单元根据SNRr、信道参数以及所选择的调制方式与编码码率计算出链路的性能参数；
S5：网络控制模块根据DVB-RCS2链路的性能对链路进行IP数据包管理与流量控制，并将链路性能参数上传至数据同步模块的本地同步单元；
S6：人机交互模块从数据同步模块获取到链路性能参数并展示在界面上；
S7：数据同步模块定时进行自检，若检测到数据发生改变，执行步骤S2至S6。
5.根据权利要求4所述的机载宽带卫星通信信道仿真系统，其特征在于，链路信噪比SNRr的计算公式为：
Figure FDA0003815213460000021
其中，Pt是信号的发射功率，Pn是链路的噪声功率，
Figure FDA0003815213460000022
是信道的总衰减；机载平台低于降雨高度时，信道总衰减计算公式如下：
Figure FDA0003815213460000023
机载平台处于降雨高度之上时，信道总衰减计算公式如下：
Figure FDA0003815213460000024
其中，
Figure FDA0003815213460000025
是水蒸气和氧气导致的气体衰减，
Figure FDA0003815213460000026
是降雨导致的衰减，
Figure FDA0003815213460000027
是云雾导致的衰减，
Figure FDA0003815213460000028
是对流层闪烁导致的衰减。
6.根据权利要求4所述的机载宽带卫星通信信道仿真系统，其特征在于，步骤S3中，自适应调制单元基于DVB-RCS2卫星回传链路协议，设置25种调制方式与编码码率的组合方案，并以10-5误码率条件下不同组合方案的信噪比为门限信噪比SNRt，根据步骤S2中的SNRr来匹配到合适的SNRt，选择出当前时刻链路适用的调制方式与编码码率；其中，SNRt通过仿真实验确定。
7.根据权利要求4所述的机载宽带卫星通信信道仿真系统，其特征在于，步骤S7中，机载终端根据链路同步单元所同步的信道质量、调制方式和编码码率自适应改变信号的发射功率，所述信道仿真系统检测到数据同步模块中数据发生改变，再次执行步骤S2至S6以重新校准当前链路的性能。
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