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    基于CCSDS的自适应传输系统设计及实现

    时间:2020-12-10 08:02:00 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站

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      2017年第1期
      2017年2月航空兵器AERO WEAPONRY2017No.1Feb.2017
      DOI:10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2017.01.014
      摘要: 针对深空通信中采用固定速率进行数据传输会影响通信质量和系统吞吐量的问题, 提出了一种基于CCSDS协议标准的收发机自适应传输方案。 该方案主要根据接收信号的质量, 动态地改变数据传输的码速率, 即通过实时地估计接收端信噪比, 对信号传输速率做出调整, 从而在保证系统误码率的前提下提高系统的通信质量和吞吐量。 在此基础上, 利用以Xilinx Virtex5 FPGA芯片为核心的硬件平台对系统方案进行实现及验证, 并分析比较了系统吞吐量。 实验结果表明, 该系统方案实现结构简单, 在0 dB以上的高斯白噪声背景下, 能实现接收端信噪比的实时估计和整个系统速率的自适应调整。
      关键词: 深空通信; 自适应传输; 吞吐量; 信噪比估计; CCSDS
      中图分类号: TN927.3文献标识码: A文章编号: 1673-5048(2017)01-0083-06[SQ0]
      0引言
      随着空间技术的不断发展, 越来越多的国家开始开展空间探测任务。 为适应多航天器任务, 20世纪80年代初, 由NASA和ESA等主要空间国家联合组织发起成立了空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)。 CCSDS针对深空通信特点, 提出了邻近空间链路协议, 该协议旨在制定一个统一的标准, 以规范航天器之间以及航天器与地面设备之间的通信协议、 数据交换和处理, 以适应日益复杂的空间任务需求, 同时也有效地促进了各国与各空间组织之间的合作与支持[1]。 随着CCSDS协议标准被越来越多的国家所采纳, 国内在深空通信领域逐渐采用其协议标准也将成为必然[2]。
      与传统的地面无线信道相比, 深空通信过程中的信道状况复杂恶劣, 存在很大的时变性和复杂性[3], 其接收信号质量便受到深空信道影响。 因此, 如何在保证误码率的前提下, 提高系统的吞吐量成为当前深空通信研究的重点之一。
      自适应传输策略在无线移动通信系统中已得到广泛应用, 其基本思想就是通过对发射功率、 码元速率、 调制方式、 编码方式、 纠错码等参数的自适应改变, 来降低系统误码率和提高系统吞吐量[4]。 本文立足于CCSDS-211邻近空间链路协议标准, 设计了一种能根据接收信号质量实时改变系统传输参数的方案, 并结合FPGA硬件电路的特点, 对该方案进行实现验证。
      1自适应传输系统方案
      1.1系统方案
      本文提出的满足CCSDS-211协议标准的自适应变速率传输系统方案见图1。
      首先, 本地接收机将经过载波同步和符号同
      步后的输出信号进行信噪比估计, 再将该值与参考值进行比较, 比较结果映射出速率控制字并传
      息分为两种: 发射机速率和接收机速率, 接收机速率信息用来对本地接收机进行速率切换, 而发射机速率信息则用来改变本地发射机速率, 同时也会加入到状态控制帧中。 当本地发射机检测到准备好的状态控制帧, 将切换工作模式, 暂停正在传送的数据帧转而传送状态控制帧。 最后, 远程接收机经过状态字提取模块获取速率信息, 得到的接收速率信息用来控制接收机调整到对应的速率。
      需要指出的是, CCSDS-211协议中带有自动重传请求(Auto Repeat Request, ARQ)机制、 循环冗余校验码和(2,1,7)卷积编码模式, 因此可以保证在信噪比较差情况下进行一定程度的检测和纠正误比特, 并在出错情况下要求数据帧和状态控制帧重传。 本文主要分析自适应变速率机制, 对检错、 纠错和重传机制不作具体讨论。
      1.2CCSDS协议帧结构
      在邻近空间链路进行数据传输时以可变长度的邻近链路传输单元(Proximity Link Transmission Unit, PLTU)为基本单位, 其基本组成由附加同步标志位(Attached Synchronization Marker, ASM)、 V-3传输帧和32位循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check, CRC)组成, 结构如图2所示。
      V-3帧的数据域可以分为服务数据单元(Service Data Unit, SDU)和监督协议数据单元(Supervisory Protocol Data Unit, SPDU), SPDU有定长和可变长之分, 其帧格式中包含物理层的控制信息, 诸如频点、 调试方式、 数据速率等。 本文中自适应速率变换方案用到的是可变长的SPDU, 其数据单元格式如表1所示, 其中13~15 bit用以区分发射机还是接收机, 3~6 bit设置发射机/接收机速率[5]。
      1.3参数指令转换流程
      在双方通信过程中, 如果任意一方在发送数据的过程中, 提出参数变更, 则本地发射机中断SDU的传输, 切换至指令发送状态, 将本地变更指令组帧成SPDU发送, 如果远程未正确接收, 本地发射机就会因超时重传变更指令, 直至远程接收机正确收到变更指令, 当发送成功后再切入数据传输状态。 同时, 如果任意一方接收到远程变更指令后, 則需要根据从其中提取出的参数对本地发射机和接收机的参数做出变更。 在变速率过程中, 本地由于更改了接收机速率, 导致符号同步失锁, 需要重置接收机参数, 等待重新同步。 图3显示了整个收发系统变速率过程中参数指令的转换流程。
      2关键算法设计
      由于信号带宽与码元传输速率成正比, 通过降低码元速率可降低传输带宽, 接收端自适应滤波器带宽随之减小, 带内噪声降低, 信号功率不变时信噪比升高。 因此, 数据传输过程中信噪比与码元速率存在比例关系, 可以根据估计出信号的信噪比来调整速率。
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