CN116155361B - 一种卫星网络前向数据流构建方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种卫星网络前向数据流构建方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星网络前向数据流构建方法、系统及存储介质，通过将载荷数据包经过星座图调制生成对应的数据符号集，在数据符号集中等时隙插入导频块来构建帧体，利用长度为n×90+26比特的伪随机序列形成帧起始域，再与相应物理层信令域组合构成帧头，将帧头与帧体组合封装得到前向帧，最后将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。本发明能够以增加少量系统开销的代价，实现卫星通信系统前向方向上终端的快速信道捕获，在较低信噪比条件下，仍可将终端完成信道捕获所需的时间最低压缩至一帧，可以平衡好系统开销和传输效率，适用于静止轨道和非静止轨道卫星通信系统的需求。

Description

一种卫星网络前向数据流构建方法、系统及存储介质
技术领域
本发明属于卫星网络通信技术领域，具体涉及一种卫星网络前向数据流构建方法、系统及存储介质。
背景技术
卫星网络通信的目标是为用户终端提供业务和应用，用户终端通过卫星接入卫星网络，网关系统为卫星网络提供同步、路由等服务，使得终端可以访问网络实现通信。从网络到远程终端的数据流方向称为前向方向，从远程终端到网络的方向称为反向方向。在前向方向，多个用户终端可以通过时分复用和统计复用的方式共享同一个信道。
在采用了时分复用方式的卫星通信系统中，帧是基本的时间单元，卫星通信的一个挑战是准确估计无线传输过程中的时间、频率和相位的偏差(也称为信道估计)，保障数据传输的正确性。在帧结构中加入系统信息有利于信道估计，设计帧结构时需要考虑用于信道估计的系统开销和传输数据的效率。对于静止轨道卫星通信系统而言，较小的系统开销就可以满足信道估计的需要，而高动态的非静止轨道卫星通信系统则需要较多的系统开销。
在非静止轨道卫星通信系统和用户移动场景中，终端上电之后需要先进行信道捕获，即确定前向帧的边界，准确地估计并补偿掉频率偏差。采用传统的前向帧结构，终端完成信道捕获所需的时间较长，在信噪比很低的条件下，比如Es/N0＝-2dB(Es/N0定义了符号级别上的信噪比，Es表示符号的平均能量，N0表示噪声的单边功率谱密度)，终端甚至要耗费上百帧的时间才能完成信道捕获。这不利于波束切换和卫星切换。因此，有必要引入更合理的前向帧和数据流构建方法来平衡好系统开销和传输效率，以同时满足静止和非静止轨道卫星通信系统的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种卫星网络前向数据流构建方法、系统及存储介质，用以解决现有技术中存在的上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，提供一种卫星网络前向数据流构建方法，包括：
获取载荷数据包；
将载荷数据包经星座图调制生成对应的数据符号集；
在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号；
在帧体的前端封装帧头，得到对应的前向帧，所述帧头包含帧起始域和物理层信令域，所述帧起始域承载长度为n×90+26比特的伪随机序列，n为正整数；
将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。
在一个可能的设计中，所述星座图调制的调制方式包括QPSK调制方式、8PSK调制方式、16APSK调制方式或32APSK调制方式，在进行星座图调制时，将载荷数据包等分为Npayload/MOD个比特组，每个比特组映射为一个数据符号，Npayload为载荷数据包的长度，ηMOD为星座图调制的调制阶数。
在一个可能的设计中，所述在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号，包括：在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个长度为36个数据符号的导频块，构成帧体，每个时隙包含90个数据符号。
在一个可能的设计中，所述帧起始域承载长度为206比特的伪随机序列，在数据符号集中，每隔8个或16个时隙插入一个导频块。
在一个可能的设计中，所述在帧体的前端封装帧头，包括：从预存的伪随机序列集中选取一条伪随机序列构成帧起始域，将帧起始域与预置的物理层信令域组合形成帧头，将帧头封装在帧体的前端，所述伪随机序列集中包含若干条预先生成的伪随机序列。
在一个可能的设计中，所述伪随机序列的生成过程包括：
生成长周期Gold序列；
从长周期Gold序列中截取长度为n×90比特的序列片段作为截短序列，n为正整数；
确定截短序列中比特0和比特1的个数之差；
若截短序列中比特0和比特1的个数之差小于n×90/20，则确定截短序列的自相关函数的最大归一化旁瓣；
若截短序列的自相关函数的最大归一化旁瓣小于1/8，则将截短序列拼接上01100011010010111010000010，生成新序列；
若新序列的自相关函数的最大归一化旁瓣小于0.15，则将新序列作为伪随机序列。
在一个可能的设计中，所述生成长周期Gold序列，包括：生成第一m序列和第二m序列，并对第一m序列和第二m序列进行逐比特异或运算处理，合成周期为225-1比特的长周期Gold序列。
第二方面，提供一种卫星网络前向数据流构建系统，包括获取单元、调制单元、插入单元、封装单元和组合单元，其中：
获取单元，用于获取载荷数据包；
调制单元，用于将载荷数据包经星座图调制生成对应的数据符号集；
插入单元，用于在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号；
封装单元，用于在帧体的前端封装帧头，得到对应的前向帧，所述帧头包含帧起始域和物理层信令域，所述帧起始域承载长度为n×90+26比特的伪随机序列，n为正整数；
组合单元，用于将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。
第三方面，提供一种卫星网络前向数据流构建系统，包括：
存储单元，用于存储指令；
处理单元，用于读取所述存储单元中存储的指令，并根据指令执行上述第一方面中任意一种所述的方法。
第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行第一方面中任意一种所述的方法。同时，还提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行第一方面中任意一种所述的方法。
有益效果：本发明通过将载荷数据包经过星座图调制生成对应的数据符号集，在数据符号集中等间隔插入导频块来构建帧体，利用长度为n×90+26比特的伪随机序列形成帧起始域，再与相应物理层信令域组合构成帧头，将帧头与帧体组合封装得到前向帧，最后将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。本发明能够以增加少量系统开销的代价，实现卫星通信系统前向方向上终端的快速信道捕获，在较低信噪比条件下，仍可将终端完成信道捕获所需的时间最低压缩至一帧，可以平衡好系统开销和传输效率，适用于静止轨道和非静止轨道卫星通信系统的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中方法的步骤示意图；
图2为本发明实施例中不同调制方式下的ηMOD；
图3为本发明实施例中n＝2，Idata＝16时的前向帧结构示意图；
图4为本发明实施例中n＝2，Idata＝8时的前向帧结构示意图；
图5为本发明实施例中截短序列拼接后形成的新序列结构示意图；
图6为本发明实施例中长周期Gold序列基于反馈移位寄存器的实现结构示意图；
图7为本发明实施例中n＝2，Idata＝8时的前向帧开销比例示意图；
图8为本发明实施例中n＝2，Idata＝8时的前向帧帧同步算法的性能；
图9为本发明实施例中n＝2，Idata＝8时的前向帧粗频偏估计算法在Es/N0＝-2dB的条件下的误差分布。
具体实施方式
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
应当理解，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在实施例中的具体含义。
在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得实施例不清楚。
实施例1：
本实施例提供一种卫星网络前向数据流构建方法，如图1所示，方法包括以下步骤：
S1.获取载荷数据包。
S2.将载荷数据包经星座图调制生成对应的数据符号集。
具体实施时，载荷数据包的长度Npayload等于64800比特或16200比特。所述星座图调制的调制方式可选的有四种，包括QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)调制方式、8PSK(8 Phase Shift Keying，8移相键控)调制方式、16APSK(16 AmplitudePhase Shift Keying，16振幅移相键控)调制方式及32APSK(32 Amplitude Phase ShiftKeying，32振幅移相键控)调制方式。在进行星座图调制时，将载荷数据包等分为Npayload/ηMOD个比特组，每个比特组映射为一个数据符号，Npayload为载荷数据包的长度，ηMOD为星座图调制的调制阶数。如图2所示，给出了不同调制方式下的ηMOD。
S3.在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号。
具体实施时，星座图调制得到数据符号集后，在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，两导频块之间形成数据符号块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号。示例性地，导频块的插入规则设定为：每隔Idata个时隙插入一个长度为36个数据符号的导频块，每个时隙包含90个数据符号，除非导频块位于帧体尾部。Idata可设为8或16。
S4.在帧体的前端封装帧头，得到对应的前向帧，所述帧头包含帧起始域和物理层信令域，所述帧起始域承载长度为n×90+26比特的伪随机序列，n为正整数。
具体实施时，在较低的信噪比条件下，可以适当地减小Idata、增大n，增强终端信道捕获的能力。若信噪比条件较优，应适当地增大Idata、减小n，降低系统开销。如图3所示，给出了n＝2，Idata＝16时的前向帧结构，如图4所示，给出了n＝2，Idata＝8时的前向帧结构。物理层信令域的长度为传统的64个数据符号。
在帧体的前端封装帧头时，可从预存的伪随机序列集中选取一条伪随机序列构成帧起始域，将帧起始域与预置的物理层信令域组合形成帧头，将帧头封装在帧体的前端，所述伪随机序列集中包含若干条预先生成的伪随机序列。
所述伪随机序列的生成过程包括：
S41.生成长周期Gold序列。
S42.从长周期Gold序列中截取长度为n×90比特的序列片段作为截短序列，n为正整数。
S43.确定截短序列中比特0和比特1的个数之差。
S44.若截短序列中比特0和比特1的个数之差小于n×90/20，则确定截短序列的自相关函数的最大归一化旁瓣，否则，返回步骤S41。记截短序列为{q(i),i＝0,1,…,n·90-1}，其自相关函数定义为
其自相关函数的最大归一化旁瓣定义为
S45.若截短序列的自相关函数的最大归一化旁瓣小于1/8，则将截短序列拼接上01100011010010111010000010，生成新序列，否则，返回步骤S41；新序列如图5所示。
S46.若新序列的自相关函数的最大归一化旁瓣小于0.15，则将新序列作为伪随机序列，否则，返回步骤S41。记{qaug(i),i＝0,1,…,n·90+26-1}为新序列，其自相关函数定义为
其自相关函数的最大归一化旁瓣定义为
步骤S41中生成长周期Gold序列的具体过程包括：生成第一m序列和第二m序列，并对第一m序列和第二m序列进行逐比特异或运算处理，合成周期为225-1比特的长周期Gold序列。以n＝2，Idata＝8为例，可采用周期为225-1比特长的Gold序列生成伪随机序列，分别记{x(i)}和{y(i)}为合成长周期Gold序列的两个m序列，其生成多项式分别为x25+x3+1和y25+y3+y2+y+1，m序列{x(i)}和{y(i)}的生成方法如下：
初始化：
x(0)＝x(24)＝1,x(1)＝x(2)＝…＝x(23)＝0
y(0)＝y(1)＝…＝y(23)＝y(24)＝1
递推(表示异或运算)
对m序列{x(i)}与m序列{y(i)}进行逐比特异或运算处理，就可以合成周期为225-1比特的长周期Gold序列{z(i)}：
如图6所示，即演示了长周期Gold序列{z(i)}的一种基于反馈移位寄存器的实现结构。
示例性地，生成的伪随机序列如：
3430EF4AA5533E8165AB37E6752145CD1CEFAA47E32B458D2E82
20C2A68B6B159C1BA4086D157CAE506FBF83F03CAC6B318D2E82
13ECACD7FB98D8F0607F633A285583D75276A93E95A0918D2E82
2289BA328155AA1C6D2F5FBC3D218B863DC3692DA3551D8D2E82
24D78B2A439BE9D7C710A1F7A236987715C0B899168D558D2E82
36DB5CEA9BD43FAE03B28E7D01282DF2BF66C9549C58418D2E82
0146B2BDB5717C2FA0085B2C56E76C134ED3DF2E649CE98D2E82
2B1CB66201A0C70B2D3A8DE68E1D55EDC954F585F17B298D2E82
38D78A73FF57061289B33A27D827F7089A78F84C6CA9398D2E82
31D145E94AF0AA49C1E2B43BADD60B290BBCEFDC8E3B618D2E82
17304B4BFF92332309A6615F2B7D5FADD430C3AA8FD0058D2E82
3992056A8682F74C69CAF6EA7DB60C08E86C0530ADEB918D2E82
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24D84C3AA9BDF85F2DB4C6BD015BB7393C5990EC7D640D8D2E82
34CC85B64D6740D02FCE002E6A4F7CCC529BCEBD685C5D8D2E82
1A122E8C7DBD6CE25349BA3141DB5E0DFE1CB3406BDA558D2E82
1DE9B8A4D003AF67A3D6E4CFD8F96623DD8D8D65D181298D2E82
306229523094E6A1707E08D1EBD9A38A0CBFB6E770AE3D8D2E82
02BB63967D69ED4F1B02C5DC6C4030C6B2401DA4ADF6D58D2E82
上述20条伪随机序列均以16进制表示，最左侧比特为高位比特。
帧头和导频块可视为额外增加的系统开销，以n＝2，Idata＝8时的前向帧结构为例，其开销比例定义式为：
如图7所示，为不同调制方式不同载荷数据包长度下，该前向帧结构的相应开销比例，相对于传统卫星通信系统采用的前向帧结构，采用较长的载荷数据包(Npayload＝64800)时，本实施例n＝2，Idata＝8时的前向帧结构增加的开销比例不超过3.6％；采用较短的载荷数据包(Npayload＝16200)时，本实施例n＝2，Idata＝8时的前向帧结构增加的开销比例要大一些，但也不超过6.6％。
如图8所示，为采用n＝2，Idata＝8前向帧结构时，终端信道捕获算法中的帧同步算法的性能。帧同步算法的性能用不同信噪比条件下的误检率衡量，误检率定义为
可以看到，Es/N0＝-2dB时，误检率降到0，也就是说，终端可以仅凭一帧就锁定前向帧的边界。
终端信道捕获算法中频率同步算法的最后一个步骤为精频偏估计和补偿。精频偏估计根据等间隔插入的导频块估计剩余频偏，频偏估计范围不能超过EUB(Upper Bound ofErrors)倍符号率，EUB定义为
因为精频偏估计之前，终端已解出物理层信令比特，物理层信令域可视为已知的参考符号，终端可以再利用完整的帧头更新一次频偏估计(本实施例称之为粗频偏估计)。如图9所示，反映了采用n＝2，Idata＝8前向帧结构时，粗频偏估计算法在Es/N0＝-2dB的条件下的误差分布，粗频偏估计算法只用到了一个帧头。图9表明，粗频偏估计算法的最大误差在5×10-4倍符号率附近，未超过精频偏估计算法的估计能力，换言之，粗频偏估计算法仅用一帧就可以让剩余频偏减小到精频偏估计算法的估计范围之内。综合图8和图9中的结果，可以得出，如果Es/N0不低于-2dB，采用本实施例方法构建的前向帧，终端只需一帧就能完成信道捕获，而付出的代价是增加不到6.6％的系统开销比例。
S5.将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。
具体实施时，最后只需要将构建出的前向帧顺序组合到前向帧队列中，就可以形成前向数据流。通过本实施例方法能够以增加少量系统开销的代价，实现卫星通信系统前向方向上终端的快速信道捕获，在较低信噪比条件下，仍可将终端完成信道捕获所需的时间最低压缩至一帧，可以平衡好系统开销和传输效率，适用于静止轨道和非静止轨道卫星通信系统的需求。
实施例2：
本实施例提供一种卫星网络前向数据流构建系统，包括获取单元、调制单元、插入单元、封装单元和组合单元，其中：
获取单元，用于获取载荷数据包；
调制单元，用于将载荷数据包经星座图调制生成对应的数据符号集；
插入单元，用于在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号；
封装单元，用于在帧体的前端封装帧头，得到对应的前向帧，所述帧头包含帧起始域和物理层信令域，所述帧起始域承载长度为n×90+26比特的伪随机序列，n为正整数；
组合单元，用于将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。
实施例3：
本实施例提供一种卫星网络前向数据流构建系统，如图3所示，在硬件层面，包括：
数据接口，用于建立处理单元与外部终端的数据对接；
存储单元，用于存储指令；
处理单元，用于读取所述存储单元中存储的指令，并根据指令执行实施例1中的卫星网络前向数据流构建方法。
可选地，该系统还包括内部总线。处理单元与存储单元和数据接口可以通过内部总线相互连接，该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture，工业标准体系结构)总线、PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry Standard Architecture，扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
所述存储单元可以但不限于包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、闪存(Flash Memory)、先进先出存储器(FirstInput First Output，FIFO)和/或先进后出存储器(First In Last Out，FILO)等。所述处理单元可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
实施例4：
本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行实施例1中的卫星网络前向数据流构建方法。其中，所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(Memory Stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程系统。
本实施例还提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行实施例1中的卫星网络前向数据流构建方法。其中，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程系统。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星网络前向数据流构建方法，其特征在于，包括：
获取载荷数据包；
将载荷数据包经星座图调制生成对应的数据符号集；
在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号；
在帧体的前端封装帧头，得到对应的前向帧，所述帧头包含帧起始域和物理层信令域，所述帧起始域承载长度为n×90+26比特的伪随机序列，n为正整数；
将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。
2.根据权利要求1所述的一种卫星网络前向数据流构建方法，其特征在于，所述星座图调制的调制方式包括QPSK调制方式、8PSK调制方式、16APSK调制方式或32APSK调制方式，在进行星座图调制时，将载荷数据包等分为Npayload/ηMOD个比特组，每个比特组映射为一个数据符号，Npayload为载荷数据包的长度，ηMOD为星座图调制的调制阶数。
3.根据权利要求1所述的一种卫星网络前向数据流构建方法，其特征在于，所述在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号，包括：在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个长度为36个数据符号的导频块，构成帧体，每个时隙包含90个数据符号。
4.根据权利要求3所述的一种卫星网络前向数据流构建方法，其特征在于，所述帧起始域承载长度为206比特的伪随机序列，在数据符号集中，每隔8个或16个时隙插入一个导频块。
5.根据权利要求1所述的一种卫星网络前向数据流构建方法，其特征在于，所述在帧体的前端封装帧头，包括：从预存的伪随机序列集中选取一条伪随机序列构成帧起始域，将帧起始域与预置的物理层信令域组合形成帧头，将帧头封装在帧体的前端，所述伪随机序列集中包含若干条预先生成的伪随机序列。
6.根据权利要求5所述的一种卫星网络前向数据流构建方法，其特征在于，所述伪随机序列的生成过程包括：
生成长周期Gold序列；
从长周期Gold序列中截取长度为n×90比特的序列片段作为截短序列，n为正整数；
确定截短序列中比特0和比特1的个数之差；
若截短序列中比特0和比特1的个数之差小于n×90/20，则确定截短序列的自相关函数的最大归一化旁瓣；
若截短序列的自相关函数的最大归一化旁瓣小于1/8，则将截短序列拼接上01100011010010111010000010，生成新序列；
若新序列的自相关函数的最大归一化旁瓣小于0.15，则将新序列作为伪随机序列。
7.根据权利要求6所述的一种卫星网络前向数据流构建方法，其特征在于，所述生成长周期Gold序列，包括：生成第一m序列和第二m序列，并对第一m序列和第二m序列进行逐比特异或运算处理，合成周期为225-1比特的长周期Gold序列。
8.一种卫星网络前向数据流构建系统，其特征在于，包括获取单元、调制单元、插入单元、封装单元和组合单元，其中：
获取单元，用于获取载荷数据包；
调制单元，用于将载荷数据包经星座图调制生成对应的数据符号集；
插入单元，用于在数据符号集中，每隔设定个时隙插入一个导频块，构成帧体，每个时隙包含若干个数据符号；
封装单元，用于在帧体的前端封装帧头，得到对应的前向帧，所述帧头包含帧起始域和物理层信令域，所述帧起始域承载长度为n×90+26比特的伪随机序列，n为正整数；
组合单元，用于将前向帧顺序组合到前向帧队列中，形成前向数据流。
9.一种卫星网络前向数据流构建系统，其特征在于，包括：
存储单元，用于存储指令；
处理单元，用于读取所述存储单元中存储的指令，并根据指令执行权利要求1-7任意一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求1-7任意一项所述的方法。
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