数据传输方法、星间和馈电链路的QoS保障方法及

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

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数据传输方法、星间和馈电链路的qos保障方法及系统
技术领域
1.本发明属于空天地海一体化信息网络技术领域，涉及一种数据传输方法、星间和馈电链路的qos保障方法及系统。

背景技术：

2.空天地海一体化信息网络是以地面网络为依托、天基网络为拓展，采用统一的技术架构、统一的技术体制、统一的标准规范，由天基信息网、互联网和移动通信网互联互通而成，具有多样化业务承载、异构网络互联、全域资源管理等特点。空天地海一体化信息网络作为国家重要的信息基础设施，对于国土安全、应急救灾、交通运输、经济发展等多个领域有着重大战略意义。
3.低轨卫星通信作为空天地海一体化信息网络中的重要组成部分，有着传输路径损耗少、通信时延小、覆盖范围广、接入灵活等优势。低轨卫星通信系统的馈电链路和星间链路采用ka频段实现高速信号传输，ka频段的卫星通信系统，阴影衰落和多径干扰几乎可以忽略不计，此时系统主要受降雨衰落的影响。针对功率和频带受限的低轨卫星通信系统，自适应编码调制技术具有对抗雨衰等干扰的作用，根据不同的信噪比自适应地改变编码方式和调制方式，使系统的整体传输性能达到最优，达到高效可靠传输的目的。
4.然而，低轨卫星星间和馈电链路自适应编码调制技术受传输延迟、信噪比以及调制编码方案的粒度影响，因此如何采取有效的措施避免延迟及粒度的影响成为目前仍需解决的一个问题，需要克服现有自适应方法的局限性，满足qos(quality of service，服务质量)的前提下提供最大的信息传输速率。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种数据传输方法、星间和馈电链路的qos保障方法及系统，实现降低延时，并能够有效避免延迟和信噪比的影响。
6.为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种数据传输方法，包括如下步骤：
7.接收数据帧，解调帧头第一信息结构和帧头第二信息结构中的信息，根据帧头第一信息结构中的信息获取帧头第二信息结构中的信息，得到接收数据帧的信噪比估计值或功率测量值；
8.根据接收数据帧的信噪比估计值或功率测量值，以及qos等级自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，放入发送数据帧的帧头第一信息结构中；
9.对信噪比估计值和功率测量值进行映射，得到对应的比特数放入发送数据帧的帧头第二信息结构中，根据发送数据帧的帧头第一信息结构的信息，确定传输信噪比估计值或功率测量值；
10.将待发送数据放入发送数据帧的数据部分，调整发射功率，将发送数据帧调制发送。
11.本基础方案的工作原理和有益效果在于：通过随路数据帧的帧头传输信噪比估计
值或功率测量值，不需要专门的信令开销传输，从而降低延时，提升卫星通信系统的实时性。同时映射为相应的比特数，降低传输比特数，避免延迟及信噪比的影响。且采用自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，能够保障不同业务和信道环境下，满足qos的前提下提供给ka馈电链路和星间链路最大的信息传输速率。
12.进一步，所述接收数据帧和发送数据帧的数据帧结构均包括帧头和数据部分，所述帧头包括前导码、uw控制字、帧头第一信息结构部分和帧头第二信息结构部分；
13.所述前导码用于信号的捕获及载波同步；
14.所述uw控制字用于相位模糊矫正以及上下行数据识别；
15.所述帧头第一信息结构部分用于指示调制、编码、扩频；
16.所述帧头第二信息结构部分用于传输信噪比估计值或功率测量值；
17.所述数据部分用于传输数据。
18.根据数据帧的结构，随路数据帧的帧头可传输信噪比估计值或功率测量值，以降低延时。
19.进一步，进行信噪比估计的具体步骤如下：
20.对接收的信号经过捕获，粗频偏估计及补偿，定时同步，相偏估计及补偿，以及相位跟踪后，读取数据帧的前导码序列m(n),1<n<n，n表示导频序列的总数，n为序列编号；
21.计算前导码的平均功率的估计值其计算表达式为：
[0022][0023]
计算前导码的信号加噪声的总功率估计值其计算表达式为：
[0024][0025]
其中，(*)
*
为取共轭；m
d
(n)为本地前导码序列；
[0026]
噪声的估计值计算表达式为：
[0027][0028]
信噪比估计值计算表达式为：
[0029][0030]
将信噪比估计值映射到r个区间的某个区间，并以相应的比特数表示，，所述r为正整数。
[0031]
运算简单，易于操作使用，根据设计区间映射为相应的比特数，降低传输比特数。根据系统要求的精度、以及测量值范围来确定的，例如设置128个区间。
[0032]
进一步，把信噪比估计值划分为r个区间，每个区间长度为p1 db，其中边界值映射到上一区间，即第i个区间表示为[r
i r
i 1
)，1≤i≤r。
[0033]
划分信噪比估计值的区间，根据信噪比所属区间，判断信噪比对传输的影响程度，便于后续采取解决措施。
[0034]
进一步，把功率测量值划分为r个区间，每个区间长度为p2db，其中边界值映射到上一区间，即第i个区间表示为[r
i
′ꢀ
r
′
i 1
)，1≤i≤r。
[0035]
划分功率测量值的区间，根据功率测量值所属区间，判断功率测量值是否处于适合传输的程度，便于后续采取解决措施。
[0036]
进一步，根据接收数据帧的信噪比估计值或功率测量值，以及qos等级自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，具体步骤如下：
[0037]
根据m个业务类型和k个qos等级各自开辟m*k个数据帧长的缓存；
[0038]
解析接收数据，并根据业务类型和对应要求的qos等级，按照qos等级从高到低放到相应的缓存中；
[0039]
根据解析出的信噪比估计值或功率测量值，周期轮询每个缓存,从qos等级高的一个缓存中读取数据,并根据编码调制扩频映射图案，进行编码、调制及扩频。
[0040]
qos保障机制，采用自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，能够在不同业务和信道环境下，满足qos并提供给ka馈电链路和星间链路最大的信息传输速率，实现各业务服务保障。
[0041]
进一步，自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子的具体步骤如下：
[0042]
设置r个区间的信噪比估计值或功率测量值的判决门限，以每个区间最小值为门限值；
[0043]
解析数据帧头信息，采用二进制转十进制方法，将数据帧头信息转化为信噪比估计值d或功率测量值q；
[0044]
判据比较门限，若r
i
<d<r
i 1
或r
i
′
<q<r
′
i 1
，则选择第i种编码码率、调制方式和低扩频因子；否则，i＝i 1；
[0045]
判决比较执行次数，若i≤r，则返回判据比较门限步骤；否则，自动判定链路状态不适合传输信息；
[0046]
经过若干次循环判决后，最终发射的信号序列被编码调制扩频。
[0047]
采用不同编码码率，结合不同调制因子，以及不同倍数比特重复扩频，以此动态的方式，及时调整数据传输速率，在保证系统通信可用前提下，提升系统吞吐量。
[0048]
进一步，将获取的信噪比估计值或功率测量值，根据范围进行映射为对应的比特数后，经rm编码、bpsk调制和最大扩频因子扩频形成帧头信息。
[0049]
采用rm编码，增益高，在低信噪比下仍能对测量信息及其指示信息进行保护，保证信息的可靠性。帧头信息采用最大扩频因子，有扩频增益，保障在最差环境下，帧头信息仍然能够解出传输的数据。
[0050]
本发明还提供一种用于星间和馈电链路的qos保障方法，包括如下步骤：
[0051]
s1，卫星载荷初始采用最低档工作模式发送数据；
[0052]
s2，信关站对接收的下行数据帧进行功率测量和信噪比估计，获取功率测量值和信噪比估计值；
[0053]
s3，信关站将信噪比估计值和功率测量值映射为对应的比特数，并将比特数放到发送数据帧的帧头第二信息结构中；
[0054]
根据发送数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息，确定传输信噪比估计值或功率测量值，发送数据帧的数据结构采用最低档，经过上行链路将信噪比估计值或功率测量值传输给卫星载荷；
[0055]
s4，卫星载荷对接收的上行数据帧进行信噪比估计和功率测量，解调上行数据帧的帧头第一信息结构和帧头第二信息结构，根据接收数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息获取接收数据帧的帧头第二信息结构的信息，将接收数据帧的帧头第二信息结构的信息转化为对应的信噪比估计值或功率测量值；
[0056]
s5，卫星载荷将信噪比估计值或功率测量值，映射为对应的比特数放入发送数据帧的帧头第二信息结构中，然后根据发送数据帧的下行帧头第一信息结构中的指示信息，确定传输信噪比估计值或功率测量值；
[0057]
根据接收数据帧的上行帧头第二信息中的信噪比值或功率测量值，以及qos等级，自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，并调整发射功率，放入发送数据帧的帧头第一信息结构中，同时通过发送数据帧的下行帧头第一信息的指示信息，指示发送数据帧的数据结构所采用的编码调制扩频粒度；
[0058]
s6，信关站对接收的下行数据帧进行信噪比估计和功率测量，同时解调下行数据帧的帧头第一信息结构和帧头第二信息结构，根据接收数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息获取接收数据帧的帧头第二信息结构中的信息；
[0059]
s7，信关站将信噪比估计值和功率测量值，进行映射为对应的比特数放入发送数据帧的帧头第二信息结构中，然后根据发送数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息，确定传输信噪比估计值或功率测量值；
[0060]
根据接收数据帧的帧头第二信息结构中的信噪比值或功率测量值、以及qos等级，自适应选择编码码率、调制方式及扩频因子，并调整发射功率，放入发送数据帧的帧头第一信息结构中，再通过发送数据帧中的帧头第一信息结构的指示信息，指示发送数据帧的数据结构所采用的编码调制扩频粒度；
[0061]
s8，卫星载荷和信关站重复执行步骤s4到步骤s7。
[0062]
设计的系统在最低档下能够保证星地链路正常通信，采用不同编码方式，结合不同调制方式，以及不同比特重复扩频方式构成编码调制扩频映射图案以实现分级粒度，并通过随路数据帧的帧头传输信噪比估计值或功率测量值以降低延时。
[0063]
本发明还提供一种通信系统，所述通信系统利用上述的方法进行数据传输。
[0064]
利用通信系统，能够提升传输效果，便于使用。
[0065]
本发明还提供一种卫星系统，包括信关站和n个低轨卫星，信关站和低轨卫星之间利用上述的方法通信。
[0066]
该系统能够在满足qos的前提下，提供给馈电链路和星间链路最大的信息传输速率。
附图说明
[0067]
图1是本发明数据传输方法的流程示意图；
[0068]
图2是本发明用于星间和馈电链路的qos保障方法的流程示意图；
[0069]
图3是本发明卫星系统的结构示意图。
具体实施方式
[0070]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0071]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0072]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
[0073]
本发明公开了一种数据传输方法，包括如下步骤：
[0074]
接收数据帧，解调帧头第一信息结构和帧头第二信息结构中的信息，根据帧头第一信息结构中的信息获取帧头第二信息结构中的信息，得到接收数据帧的信噪比估计值或功率测量值(终端和载荷自带有硬件功率测量模块用于检测功率测量值)；
[0075]
根据接收数据帧的信噪比估计值或功率测量值，以及qos等级自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，放入发送数据帧的帧头第一信息结构中；
[0076]
对信噪比估计值和功率测量值进行映射，得到对应的比特数放入发送数据帧的帧头第二信息结构中，根据发送数据帧的帧头第一信息结构的信息，确定传输信噪比估计值或功率测量值；
[0077]
将待发送数据放入发送数据帧的数据部分，调整发射功率，将发送数据帧调制发送。
[0078]
数据传输方法中，将获取的信噪比估计值或功率测量值，根据范围进行映射为对应的比特数后，经rm(reed
‑
muller，是差错控制编码技术的一种)编码、bpsk(binary phase shift keying，进制相移键控，是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一)调制和最大扩频因子扩频(如4倍扩频)形成帧头信息。数据帧结构包括帧头和数据，数据帧用于传输数据，所述帧头包括前导码、uw控制字和帧头信息。前导码，用于信号的捕获及载波同步；uw控制字，用于相位模糊矫正以及上下行数据识别；帧头信息，用于指示调制、编码、扩频等信息。帧头信息包括帧头第一信息结构部分和帧头第二信息结构部分，帧头第一信息结构部分用于指示调制、编码、扩频；帧头第二信息结构部分用于传输信噪比估计值或功率测量值。
[0079]
本方案的一种优选方式中，进行信噪比估计的具体步骤如下：
[0080]
对接收的信号经过捕获，粗频偏估计及补偿，定时同步，相偏估计及补偿，以及相位跟踪后，读取数据帧的前导码序列m(n),1<n<n，n表示导频序列的总数，n为序列编号；
[0081]
计算前导码的平均功率的估计值其计算表达式为：
[0082][0083]
计算前导码的信号加噪声的总功率估计值其计算表达式为：
[0084][0085]
其中，(*)
*
为取共轭；m
d
(n)为本地前导码序列；
[0086]
噪声的估计值计算表达式为：
[0087][0088]
信噪比估计值计算表达式为：
[0089][0090]
将信噪比估计值映射到r个区间的某个区间，并以相应的比特数表示，r为正整数。优选根据系统要求的精度、以及测量值范围，例如确定128个区间。
[0091]
如图1所示，本方案的一种优选方式至，把信噪比估计值划分为r个区间，每个区间长度为p1(如0.25)db，其中边界值映射到上一区间，即第i个区间表示为[r
i r
i 1
)，1≤i≤r。把功率测量值划分为r个区间，每个区间长度为p2(如0.5)db，其中边界值映射到上一区间，即第i个区间表示为[r
i
′ꢀ
r
′
i 1
)，1≤i≤r。自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子的具体步骤如下：
[0092]
设置r个区间的信噪比估计值或功率测量值的判决门限，以每个区间最小值为门限值；
[0093]
解析数据帧头信息，采用二进制转十进制方法，将数据帧头信息转化为信噪比估计值d或功率测量值q；
[0094]
判据比较门限，若r
i
<d<r
i 1
或r
i
′
<q<r
′
i 1
，则选择第i种编码码率、调制方式和低扩频因子；否则，i＝i 1；
[0095]
判决比较执行次数，若i≤r，则返回判据比较门限步骤；否则，卫星载荷或信关站系统自动判定链路状态不适合传输信息；
[0096]
经过若干次循环判决后，最终卫星载荷或信关站发射的信号序列被编码调制扩频。
[0097]
本发明的一种优选方案中，根据接收数据帧的信噪比估计值或功率测量值，以及qos等级自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，具体步骤如下：
[0098]
卫星载荷和信关站根据m个业务类型和k个qos等级各自开辟m*k个数据帧长的缓存；
[0099]
卫星载荷或信关站解析接收数据，并根据业务类型和对应要求的qos等级，按照qos等级从高到低放到相应的缓存中；
[0100]
卫星载荷或信关站根据解析出的信噪比估计值或功率测量值，周期轮询每个缓存,信噪比估计值或功率测量值在同一个qos等级时，从qos等级高的一个缓存中读取数据,信噪比估计值或功率测量值不在同一个qos等级时，选取两者中对应的更高qos等级的缓存中读取数据；并根据编码调制扩频映射图案，进行编码、调制及扩频。以信噪比估计值或功率测量值为依据，自适应选取对应编码调制扩频映射图案，信噪比估计值或功率测量值的高低，对应编码码率、调制方式、低扩频因子及传输数据速率的高低。若信噪比估计值或功率测量值较高时，切换至高编码码率、高阶调制方式和低扩频因子，以较高速率传输数据；若信噪比估计值与功率测量值较低时，选取低编码码率与低阶调制方式和较低扩频因子，以较低速率传输数据。不同比特重复扩频方式构成编码调制扩频映射图案以实现分级粒度，保证频谱效率分级粒度的合理性，避免影响数据传输。
[0101]
如图2所示，本发明还提供一种用于星间和馈电链路的qos保障方法，包括如下步骤：
[0102]
s1，卫星载荷初始采用最低档工作模式发送数据；
[0103]
s2，信关站对接收的下行数据帧进行功率测量和信噪比估计，获取功率测量值和信噪比估计值；
[0104]
s3，信关站将信噪比估计值和功率测量值根据范围映射为对应的比特数，并将比特数放到发送数据帧的帧头第二信息结构中；
[0105]
根据发送数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息(如2bit，指示信息中00代表是信噪比估计值；01代表功率测量值)，确定传输信噪比估计值或功率测量值，发送数据帧的数据结构采用最低档，经过上行链路将信噪比估计值或功率测量值传输给卫星载荷；
[0106]
s4，卫星载荷对接收的上行数据帧进行信噪比估计和功率测量，解调上行数据帧的帧头第一信息结构和帧头第二信息结构，根据接收数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息获取接收数据帧的帧头第二信息结构的信息，将接收数据帧的帧头第二信息结构的信息转化为对应的信噪比估计值或功率测量值；
[0107]
s5，卫星载荷将信噪比估计值或功率测量值，根据范围映射为对应的比特数放入发送数据帧的帧头第二信息结构中，然后根据发送数据帧的下行帧头第一信息结构中的指示信息，确定传输信噪比估计值或功率测量值；
[0108]
根据接收数据帧的上行帧头第二信息中的信噪比值或功率测量值，以及qos等级，自适应选择编码码率、调制方式和扩频因子，并调整发射功率，放入发送数据帧的帧头第一信息结构中，同时通过发送数据帧的下行帧头第一信息的指示信息，指示发送数据帧的数据结构所采用的编码调制扩频粒度；
[0109]
s6，信关站对接收的下行数据帧进行信噪比估计和功率测量，同时解调下行数据帧的帧头第一信息结构和帧头第二信息结构，根据接收数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息获取接收数据帧的帧头第二信息结构中的信息；
[0110]
s7，信关站将信噪比估计值和功率测量值，根据范围进行映射为对应的比特数放入发送数据帧的帧头第二信息结构中，然后根据发送数据帧的帧头第一信息结构中的指示信息，确定传输信噪比估计值或功率测量值；
[0111]
根据接收数据帧的帧头第二信息结构中的信噪比值或功率测量值、以及qos等级，自适应选择编码码率、调制方式及扩频因子，并调整发射功率，放入发送数据帧的帧头第一信息结构中，再通过发送数据帧中的帧头第一信息结构的指示信息，指示发送数据帧的数据结构所采用的编码调制扩频粒度；
[0112]
s8，卫星载荷和信关站重复执行步骤s4到步骤s7。
[0113]
本发明还提供一种通信系统，通信系统利用本发明的数据传输方法进行数据传输，具体可以是卫星，也可以是信关站，或者其他进行信息通信的结构。该通信系统，能够提升传输效果，便于使用。
[0114]
如图3所示，本发明还提供一种卫星系统，包括信关站和n个低轨卫星，信关站和低轨卫星之间利用本发明的星间和馈电链路的qos保障方法通信，优化通信效果。
[0115]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0116]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。