基于CCSDS的自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

李松+王成華 朱秋明+胡濱+張小飛++劉偉強

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： 針對深空通信中采用固定速率進行數(shù)據(jù)傳輸會影響通信質(zhì)量和系統(tǒng)吞吐量的問題， 提出了一種基于CCSDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)機自適應(yīng)傳輸方案。 該方案主要根據(jù)接收信號的質(zhì)量， 動態(tài)地改變數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a速率， 即通過實時地估計接收端信噪比， 對信號傳輸速率做出調(diào)整， 從而在保證系統(tǒng)誤碼率的前提下提高系統(tǒng)的通信質(zhì)量和吞吐量。 在此基礎(chǔ)上， 利用以Xilinx Virtex5 FPGA芯片為核心的硬件平臺對系統(tǒng)方案進行實現(xiàn)及驗證， 并分析比較了系統(tǒng)吞吐量。 實驗結(jié)果表明， 該系統(tǒng)方案實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單， 在0 dB以上的高斯白噪聲背景下， 能實現(xiàn)接收端信噪比的實時估計和整個系統(tǒng)速率的自適應(yīng)調(diào)整。

關(guān)鍵詞： 深空通信； 自適應(yīng)傳輸； 吞吐量； 信噪比估計； CCSDS

中圖分類號： TN927.3文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 1673-5048（2017）01-0083-06[SQ0]

0引言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展， 越來越多的國家開始開展空間探測任務(wù)。 為適應(yīng)多航天器任務(wù)， 20世紀(jì)80年代初， 由NASA和ESA等主要空間國家聯(lián)合組織發(fā)起成立了空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems， CCSDS）。 CCSDS針對深空通信特點， 提出了鄰近空間鏈路協(xié)議， 該協(xié)議旨在制定一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)， 以規(guī)范航天器之間以及航天器與地面設(shè)備之間的通信協(xié)議、 數(shù)據(jù)交換和處理， 以適應(yīng)日益復(fù)雜的空間任務(wù)需求， 同時也有效地促進了各國與各空間組織之間的合作與支持[1]。 隨著CCSDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)被越來越多的國家所采納， 國內(nèi)在深空通信領(lǐng)域逐漸采用其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也將成為必然[2]。

與傳統(tǒng)的地面無線信道相比， 深空通信過程中的信道狀況復(fù)雜惡劣， 存在很大的時變性和復(fù)雜性[3]， 其接收信號質(zhì)量便受到深空信道影響。 因此， 如何在保證誤碼率的前提下， 提高系統(tǒng)的吞吐量成為當(dāng)前深空通信研究的重點之一。

自適應(yīng)傳輸策略在無線移動通信系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用， 其基本思想就是通過對發(fā)射功率、 碼元速率、 調(diào)制方式、 編碼方式、 糾錯碼等參數(shù)的自適應(yīng)改變， 來降低系統(tǒng)誤碼率和提高系統(tǒng)吞吐量[4]。 本文立足于CCSDS-211鄰近空間鏈路協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， 設(shè)計了一種能根據(jù)接收信號質(zhì)量實時改變系統(tǒng)傳輸參數(shù)的方案， 并結(jié)合FPGA硬件電路的特點， 對該方案進行實現(xiàn)驗證。

1自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)方案

本文提出的滿足CCSDS-211協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)變速率傳輸系統(tǒng)方案見圖1。

首先， 本地接收機將經(jīng)過載波同步和符號同

步后的輸出信號進行信噪比估計， 再將該值與參考值進行比較， 比較結(jié)果映射出速率控制字并傳

息分為兩種： 發(fā)射機速率和接收機速率， 接收機速率信息用來對本地接收機進行速率切換， 而發(fā)射機速率信息則用來改變本地發(fā)射機速率， 同時也會加入到狀態(tài)控制幀中。 當(dāng)本地發(fā)射機檢測到準(zhǔn)備好的狀態(tài)控制幀， 將切換工作模式， 暫停正在傳送的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)而傳送狀態(tài)控制幀。 最后， 遠(yuǎn)程接收機經(jīng)過狀態(tài)字提取模塊獲取速率信息， 得到的接收速率信息用來控制接收機調(diào)整到對應(yīng)的速率。

需要指出的是， CCSDS-211協(xié)議中帶有自動重傳請求（Auto Repeat Request， ARQ）機制、 循環(huán)冗余校驗碼和（2，1，7）卷積編碼模式， 因此可以保證在信噪比較差情況下進行一定程度的檢測和糾正誤比特， 并在出錯情況下要求數(shù)據(jù)幀和狀態(tài)控制幀重傳。 本文主要分析自適應(yīng)變速率機制， 對檢錯、 糾錯和重傳機制不作具體討論。

1.2CCSDS協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

在鄰近空間鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸時以可變長度的鄰近鏈路傳輸單元（Proximity Link Transmission Unit， PLTU）為基本單位， 其基本組成由附加同步標(biāo)志位（Attached Synchronization Marker， ASM）、 V-3傳輸幀和32位循環(huán)冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check， CRC）組成， 結(jié)構(gòu)如圖2所示。

V-3幀的數(shù)據(jù)域可以分為服務(wù)數(shù)據(jù)單元（Service Data Unit， SDU）和監(jiān)督協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Supervisory Protocol Data Unit， SPDU）， SPDU有定長和可變長之分， 其幀格式中包含物理層的控制信息， 諸如頻點、 調(diào)試方式、 數(shù)據(jù)速率等。 本文中自適應(yīng)速率變換方案用到的是可變長的SPDU， 其數(shù)據(jù)單元格式如表1所示， 其中13～15 bit用以區(qū)分發(fā)射機還是接收機， 3～6 bit設(shè)置發(fā)射機/接收機速率[5]。

1.3參數(shù)指令轉(zhuǎn)換流程

在雙方通信過程中， 如果任意一方在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中， 提出參數(shù)變更， 則本地發(fā)射機中斷SDU的傳輸， 切換至指令發(fā)送狀態(tài)， 將本地變更指令組幀成SPDU發(fā)送， 如果遠(yuǎn)程未正確接收， 本地發(fā)射機就會因超時重傳變更指令， 直至遠(yuǎn)程接收機正確收到變更指令， 當(dāng)發(fā)送成功后再切入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。 同時， 如果任意一方接收到遠(yuǎn)程變更指令后， 則需要根據(jù)從其中提取出的參數(shù)對本地發(fā)射機和接收機的參數(shù)做出變更。 在變速率過程中， 本地由于更改了接收機速率， 導(dǎo)致符號同步失鎖， 需要重置接收機參數(shù)， 等待重新同步。 圖3顯示了整個收發(fā)系統(tǒng)變速率過程中參數(shù)指令的轉(zhuǎn)換流程。

2關(guān)鍵算法設(shè)計

由于信號帶寬與碼元傳輸速率成正比， 通過降低碼元速率可降低傳輸帶寬， 接收端自適應(yīng)濾波器帶寬隨之減小， 帶內(nèi)噪聲降低， 信號功率不變時信噪比升高。 因此， 數(shù)據(jù)傳輸過程中信噪比與碼元速率存在比例關(guān)系， 可以根據(jù)估計出信號的信噪比來調(diào)整速率。

2.1經(jīng)典信噪比估計

常見信噪比估計算法有二階四階矩（M2M4）估計[6-8]、 信號方差比（SVR）估計[9]、 平方信號與噪聲方差（SNV）估計[10]和數(shù)據(jù)擬合（DF）估計[11]。 其中， M2M4估計算法利用接收到的最佳采樣信號估計出對應(yīng)的二階矩和四階矩， SVR 估計算法是基于匹配濾波器輸出的最佳采樣數(shù)據(jù)的平方的自相關(guān)性， SNV估計算法是利用高斯信道中的通用通信模型， DF估計算法則是將關(guān)于信噪比的表達式用一段時間內(nèi)的多項式近似表示， 均可計算出相應(yīng)的信噪比。

假設(shè)接收信號都是各態(tài)歷經(jīng)的， 信號調(diào)制方式為QPSK， 噪聲為高斯白噪聲， 統(tǒng)計平均的持續(xù)長度取2 000， 信噪比估計值的個數(shù)為500， 信噪比仿真范圍[-20， 25] dB。 根據(jù)計算出的樣本均值分析上述四種算法的估計性能， 如圖4所示。 從圖中可以看出， M2M4估計與SVR估計在信噪比大于-5 dB時性能接近， 且基本與實際值吻合； SNV估計在信噪比大于5 dB時才逐漸趨于實際值； DF估計在信噪比處于[-5，15] dB時估計性能較好， 與實際值偏差較小。

2.2SNV_DF聯(lián)合估計

通過對以上四種經(jīng)典的信噪比估計算法的仿真， 可以看出， M2M4和SVR估計算法綜合估計性能優(yōu)于SNV估計和DF估計， 但是M2M4和SVR在估計表達式中存在4次方以及算術(shù)平方根的運算， 運算復(fù)雜度較大， 在工程中實現(xiàn)較為困難。 SNV在5 dB以上其估計性能接近M2M4， DF在[0，9] dB時可以用2次（DF-2）或3次（DF-3）多項式代替5次多項式， 不僅估計性能上能滿足要求， 在算法實現(xiàn)中也降低了復(fù)雜度。

本文將SNV與DF兩種估計算法相結(jié)合進行0 dB以上信噪比的估計， 其基本原理是： DF-2多項式估計復(fù)雜度較低， 可用于估計出前級信噪比的粗略范圍， 當(dāng)信噪比低于9 dB時用DF-3次多項式估計， 大于9 dB時則用SNV估計。 這種聯(lián)合估計方法不僅具有較低的實現(xiàn)難度和資源消耗， 在信噪比估計性能方面也能同時滿足系統(tǒng)的需求。

圖6給出了SNV_DF聯(lián)合估計與M2M4估計性能的對比。 從圖中可以看出， 利用SNV和DF兩種估計進行聯(lián)合的信噪比估計范圍已經(jīng)接近M2M4估計， 并且與實際的信噪比值趨于一致。

2.3自適應(yīng)速率門限確定

本文速率切換的信噪比門限的選取思路如下： 首先確定好系統(tǒng)的誤碼率， 然后在某一檔速率下， 根據(jù)系統(tǒng)誤碼率與輸出信噪比的關(guān)系， 找出對應(yīng)誤碼率下的信噪比值， 即作為該速率下的門限值。 類似地， 可以確定不同速率下的門限值。 理論上， 當(dāng)速率相差兩倍時， 其門限值相差3 dB。 在實際傳輸過程中， 根據(jù)估計出的信噪比值與指定誤碼情況下信噪比值的差值， 確定需要切換幾檔速率。 其中輸入信噪比是指接收機自動增益模塊后的信號信噪比， 輸出信噪比是經(jīng)過正交解調(diào)從匹配濾波器輸出的信號信噪比。

CCSDS協(xié)議涉及的傳輸速率分為12檔， 1～2 048 Kb/s（1 Kb/s， 2 Kb/s， 4 Kb/s， 8 Kb/s， …， 2 048 Kb/s）[12]， 誤碼率要求達到1×10-6。 圖7給出了QPSK信號在高斯信道下系統(tǒng)誤碼率隨輸出信噪比的變化關(guān)系。 從圖中可以看出， 當(dāng)誤碼率滿足1×10-6要求時， 對應(yīng)的信噪比需達到15.5 dB。

圖8給出了QPSK信號在12種碼元速率下輸出信噪比與輸入信噪比的關(guān)系。 從圖中可以看出， 在輸入信噪比一定的情況下， QPSK信號輸出信噪比隨著碼元速率的降低而不斷增大。 當(dāng)速率相差2倍關(guān)系時， 輸出信噪比差值接近3 dB。 因此， 在實現(xiàn)過程中可通過計算估計出的信噪比與15.5 dB之間的差值， 當(dāng)差值大于3 dB時， 適當(dāng)進行降速或提速， 將差值縮小在3 dB以內(nèi)， 以保證在實際數(shù)據(jù)傳輸過程中誤碼性能始終滿足系統(tǒng)要求。 在實際數(shù)傳過程中， 尤其在信噪比較低情況下， 加入32位的CRC檢錯碼和（2，1，7）糾錯碼， 可以進一步降低誤比特率， 提高系統(tǒng)傳輸性能。

2.4速率切換原理

速率切換的基本方式有兩種： 一種是逐級跳變， 一種是直接跳變。 逐級跳變是根據(jù)估計出的信噪比與門限值比較， 當(dāng)信噪比小于門限時， 速率降一檔， 反之升一檔； 而直接跳變則是計算估計出的信噪比與門限的差值， 計算出需要達到系統(tǒng)誤碼性能要求的速率檔位與此時對應(yīng)檔位的差距， 然后將速率直接跳變至對應(yīng)檔位。 考慮到深空通信中信道的時變性和延遲大的特性， 逐級跳變可能無法跟上信道的變化， 而且過多的跳變?nèi)菀讓?dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。 因此， 本文采用直接跳變的方式來自適應(yīng)切換速率。

基于上述速率自適應(yīng)的速率切換原理， 其框圖如圖9所示， 收發(fā)端進行速率切換的方式主要體現(xiàn)在整數(shù)倍改變抽取或內(nèi)插倍數(shù)以及整數(shù)倍切換數(shù)據(jù)時鐘兩方面。 載波同步中根據(jù)接收的狀態(tài)信息， 對時鐘產(chǎn)生模塊和CIC抽取模塊進行控制， 產(chǎn)生整數(shù)倍關(guān)系的時鐘和插值倍數(shù)， 使得CIC抽取后的信號采樣率與碼元速率的比值保持不變。

可以看出， 自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)10 s內(nèi)的吞吐量性能優(yōu)于固定速率下的吞吐量性能。 隨著信噪比的增大， 自適應(yīng)速率與固定速率之間的吞吐量差距先減小后增大， 原因是當(dāng)信噪比值小于門限值時， 自適應(yīng)調(diào)整速率過程中最大速率與固定速率相同， 當(dāng)信噪比值逐漸趨于門限值時， 自適應(yīng)過程與固定速率情況相同， 則吞吐量逐漸逼近； 信噪比值超過門限值時， 自適應(yīng)調(diào)整速率過程會自動提高傳輸速率， 并且能夠保持較低的誤碼性能， 保證其高效率傳輸。

4結(jié)論

本文針對深空通信中采用固定速率傳輸時系統(tǒng)通信質(zhì)量和吞吐量不高的問題， 提出了一種基于CCSDS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)速率傳輸系統(tǒng)方案。 該自適應(yīng)變速率機制根據(jù)接收端估計出的信噪比實時地得出自適應(yīng)調(diào)整后的速率， 并通過狀態(tài)字組幀反饋給遠(yuǎn)程接收機； 同時本地接收機根據(jù)提取的遠(yuǎn)程發(fā)射機發(fā)送的控制信息， 動態(tài)地調(diào)整本地接收機和發(fā)射機的速率。 實驗及分析結(jié)果表明， 該自適應(yīng)方案的電路結(jié)構(gòu)簡單， 能較好對0 dB以上的高斯白噪聲進行信噪比的實時估計， 并且實時地動態(tài)調(diào)整收發(fā)系統(tǒng)的速率， 在滿足系統(tǒng)要求的誤碼率的同時， 提高了系統(tǒng)的傳輸性能和吞吐量， 可為今后深空通信收發(fā)機的自適應(yīng)傳輸提供有益參考。

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