《AOS系統(tǒng)中卷積碼的性能研究》

1、1 引 言1.1 課題研究的背景和意義隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)對(duì)通信技術(shù)提出來(lái)更高的要求，當(dāng)下通信技術(shù)有如下特點(diǎn)：高速的數(shù)據(jù)傳輸速率；高噪聲污染和時(shí)變的信道環(huán)境；對(duì)于傳輸質(zhì)量的要求，特別是在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中要求較低的誤幀率。如此高的要求，混合差錯(cuò)控制重傳技術(shù)日益受到通信行業(yè)的重視。最近空間科學(xué)技術(shù)技術(shù)迅速發(fā)展，同時(shí)也對(duì)通信領(lǐng)域帶去更大的挑戰(zhàn)，為了更好的適應(yīng)空間技術(shù)的發(fā)展，滿(mǎn)足復(fù)雜航天器的數(shù)據(jù)處理要求，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢(xún)委員（Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）,于1989 年開(kāi)發(fā)了高級(jí)在軌系統(tǒng)AOS。目前，AOS 在航空航天技術(shù)領(lǐng)域

2、中的作用越來(lái)越突出。而AOS系統(tǒng)中卷積碼的性能研究可以更好的適應(yīng)通信技術(shù)巨大變化和要求。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀A(yù)OS 空間通信具有數(shù)據(jù)傳輸量大、傳輸速率高、信道時(shí)延長(zhǎng)、信道誤碼率高以及信道時(shí)變衰落等特點(diǎn)，而且AOS 以標(biāo)準(zhǔn)化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與交換，能夠在空間鏈路中雙向傳輸音頻、視頻以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。而上述特點(diǎn)對(duì)常規(guī)的空間通信的傳輸效率和可靠性提出了新的要求。而在AOS系統(tǒng)中作為降低誤碼率，控制傳輸差錯(cuò)的卷積碼，是提高系統(tǒng)傳輸效率和可靠性的重要方案。卷積碼通過(guò)對(duì)碼率的控制，當(dāng)碼率一定時(shí)，信道噪聲越小，誤碼率越??；改變碼率增大，則誤碼率增大。而約束長(zhǎng)度N的變化，系統(tǒng)誤碼率也變化。

3、由R=K/N可知。卷積碼通過(guò)對(duì)變化因素的控制可以有效保證通信系統(tǒng)一定的可靠性和誤碼率。卷積碼性能的研究是提高AOS系統(tǒng)性能的重要技術(shù)，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)基于AOS系統(tǒng)的卷積碼性能研究相對(duì)較少，研究成果不多。本文主要研究基于AOS系統(tǒng)的卷積碼的性能研究，并對(duì)其性能進(jìn)行分析和仿真1。1.3 論文的結(jié)構(gòu)安排本文在CCSDS AOS基礎(chǔ)上，對(duì)衛(wèi)星通信的協(xié)議，鏈路，AOS中卷積碼及其編譯碼進(jìn)行了研究。共分為六章，具體章節(jié)結(jié)構(gòu)安排如下：第一章 緒論本章首先總結(jié)了課題的研究背景和意義，接著介紹了課題相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及本論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章 AOS通信系統(tǒng)協(xié)議分析與研究本章對(duì)AOS的協(xié)議進(jìn)行分析研

4、究，將協(xié)議分3部分進(jìn)行分析論述。包括空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙測(cè)同步和信道編碼協(xié)議和空間數(shù)據(jù)包等。然后對(duì)AOS系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其服務(wù)類(lèi)型歸類(lèi)說(shuō)明。第三章 AOS空間通信鏈路模型的建立 本章通過(guò)對(duì)大量資料的閱讀參考，介紹了空間通信鏈路的分類(lèi)，特點(diǎn)。對(duì)鏈路的建立給出了總體設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)描述，通過(guò)對(duì)信道劃分和建立協(xié)議的研究，進(jìn)行了模擬通信鏈路的建立并給出了大致的建立過(guò)程。第四章 卷積碼的編譯碼性能分析 本章分析了卷積碼的特點(diǎn)和卷積碼的編碼和譯碼的特性，對(duì)其性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述研究。第五章 利用MATLAB軟件進(jìn)行編程，對(duì)AOS系統(tǒng)中的卷積碼性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn) 本章對(duì)卷積碼的性能通過(guò)軟件仿真的形式進(jìn)行了

5、實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)要介紹了MATLAB軟件，對(duì)卷積碼的原理進(jìn)行了深入淺出的論述，然后分兩部分對(duì)性能進(jìn)行了驗(yàn)證，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析概述。結(jié)論 作為論文的最后一章，結(jié)論部分對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)提煉，探究了論文中的不足之處，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了匯總并提出了建議和以后的研究方向。2 AOS通信系統(tǒng)協(xié)議分析與研究CCSDS在1989年成功開(kāi)發(fā)的適用于低、中數(shù)據(jù)率航天器的常規(guī)在軌系統(tǒng)（COS）基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)空間通信技術(shù)的快速發(fā)展，又進(jìn)一步發(fā)展了以滿(mǎn)足復(fù)雜航天器的需要為目標(biāo)的高級(jí)在軌系統(tǒng)（AOS）制式和標(biāo)準(zhǔn)。AOS系統(tǒng)可以提供形式更加靈活多變、更加多樣化的空-地雙向數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。并且AOS系統(tǒng)還可以根據(jù)航天器或者應(yīng)用軟

6、件的特殊要求，在地-空、空-地和空-空的數(shù)據(jù)通信信道中使用相當(dāng)高的混合速率同時(shí)傳輸包含多種數(shù)字信息的多種業(yè)務(wù)。AOS 還可以按照用戶(hù)的不同要求提供不同質(zhì)量等級(jí)的服務(wù)，也能滿(mǎn)足航天器運(yùn)行期間其地面或著衛(wèi)星上用戶(hù)對(duì)其提出的動(dòng)態(tài)調(diào)整或星上設(shè)備重新組配的要求。CCSDS-AOS 協(xié)議自提出后，先后經(jīng)過(guò)三次重大的修改和更新。前兩次只是單純意義上版本的升級(jí)，第三次則進(jìn)行了添加，CCSDS為將遙測(cè)、遙控和AOS協(xié)議三者統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行了一次重構(gòu)。重構(gòu)后的AOS網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議被分成了三部分：空間包（空間包協(xié)議）、AOS 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和遙測(cè)同步和信道編碼協(xié)議2。AOS 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與遙測(cè)數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議共

7、同使用遙測(cè)同步和信道編碼協(xié)議。CCSDS 協(xié)議經(jīng)過(guò)重構(gòu)使得其層次更加清晰,術(shù)語(yǔ)更加規(guī)范，涵蓋范圍更加詳盡。本章主要分析了 AOS 協(xié)議結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用方式，接著對(duì) AOS本身進(jìn)行了分析，包括：AOS 的特點(diǎn)、服務(wù)類(lèi)型、AOS 數(shù)據(jù)單元格式等。2.1 AOS協(xié)議分析與研究CCSDS自成立以來(lái)逐步建立了一套基本的空間通信標(biāo)準(zhǔn)。這些空間通信標(biāo)準(zhǔn)被廣泛的應(yīng)用于空間通信領(lǐng)域。目前，國(guó)際上已有250多個(gè)空間任務(wù)采用了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)。CCSDS 的主要成果是一系列建議和報(bào)告。按照內(nèi)容劃分，CCSDS 的建議和報(bào)告主要有八類(lèi)：遙測(cè)系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、輔助數(shù)據(jù)、射頻與調(diào)制系統(tǒng)、跟蹤與導(dǎo)航系統(tǒng)、信息獲取與交換系統(tǒng)、高級(jí)在

8、軌系統(tǒng)、交互支持業(yè)務(wù)和結(jié)構(gòu)。 2.1.1 CCSDS協(xié)議層次模型與標(biāo)準(zhǔn)的 OSI 模型相似，CCSDS 協(xié)議的層次模型可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖2.1所示。圖2.1 協(xié)議層次結(jié)構(gòu)各層可以根據(jù)不同用戶(hù)的不同服務(wù)要求采用不同的傳輸協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用中，整個(gè) CCSDS協(xié)議可以被看作是一個(gè)混合的、匹配的工具包，可以根據(jù)特定任務(wù)的處理要求，從這個(gè)工具包中選出合適的協(xié)議組合進(jìn)行應(yīng)用。例如，在鏈路層，可以采取COS和AOS 的混合配置，如利用一個(gè)常規(guī)的前向TC鏈路協(xié)議傳輸命令，而利用一個(gè)反向的AOS鏈路協(xié)議傳輸語(yǔ)音、視頻、圖像等多媒體業(yè)務(wù)。CCSDS常用的協(xié)議組合方式如圖2.2所

9、示。圖2.2 CCSDS協(xié)議的組合方式2.1.2 CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議包括遙測(cè)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議與 AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，如圖2.3所示。圖2.3 重構(gòu)的遙測(cè)和遙控協(xié)議結(jié)構(gòu)遙測(cè)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議通常從航天器發(fā)送數(shù)據(jù)到地面，遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議通常從地面發(fā)送指令到航天器。如果需要在航天器和地面間進(jìn)行雙向在線通信，AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議則可以只用于一條反向鏈路中或著用于前向和反向鏈路中?？臻g數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議提供了在空間鏈路傳輸各種類(lèi)型數(shù)據(jù)的能力，但其主要功能還是傳輸長(zhǎng)度可變的數(shù)據(jù)單元?？臻g數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議能運(yùn)載的數(shù)據(jù)包需要具有CCSDS認(rèn)可的包版本號(hào)，而

10、且包版本號(hào)必須在空間鏈路標(biāo)識(shí)符文件中進(jìn)行過(guò)注冊(cè)。目前下列包是CCSDS所認(rèn)可的：空間包、空間通信協(xié)議規(guī)范-網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包、IP-4數(shù)據(jù)包。對(duì)于其他類(lèi)型數(shù)據(jù)包，可以先將其封裝成空間包后，再由空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議進(jìn)行傳輸。空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的基本數(shù)據(jù)單元為傳輸幀。遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用可變長(zhǎng)度的傳輸幀以保證長(zhǎng)度較短的信息能短時(shí)延得到接收。為保證命令信息能夠無(wú)間隔、無(wú)重復(fù)、按順序的抵達(dá)接收端而不發(fā)生丟失，需要引入由通信操作程序（COP-1）提供的重傳控制機(jī)制。遙測(cè)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用固定長(zhǎng)度的傳輸幀，以便在空間鏈路傳輸時(shí)實(shí)現(xiàn)較可靠的幀同步，這兩個(gè)協(xié)議自身均無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?/p>

11、，因此在應(yīng)用這兩個(gè)協(xié)議時(shí)如果需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?，則需要由高層協(xié)議的配合以便進(jìn)行重傳控制。遙測(cè)同步和遙控同步的信道編碼建議為我們提供了傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)的幀同步功能和信道編碼功能。遙測(cè)同步和信道編碼協(xié)議與AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙測(cè)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議經(jīng)常結(jié)合使用，而遙控同步和信道編碼協(xié)議與遙控空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議結(jié)合使用。為了在物理層能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)位同步，這兩個(gè)協(xié)議還提供了對(duì)傳輸幀進(jìn)行偽隨機(jī)化的功能。2.1.3 遙測(cè)和信道編碼協(xié)議AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和遙測(cè)協(xié)議共用遙測(cè)和信道編碼協(xié)議。同步和信道編碼層提供通過(guò)空間鏈路傳送傳輸幀的三個(gè)必要功能：糾錯(cuò)編碼/解碼、傳輸幀定界/同步、比特交換/反交

12、換?？臻g任務(wù)根據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)質(zhì)量的要求和信道自身的特性來(lái)決定采取何種適應(yīng)的編碼方案。協(xié)議指定三種糾錯(cuò)編碼：卷積碼、RS碼和Turbo碼。若以（k, n, m）來(lái)描述卷積碼，其中k為每次輸入到卷積編碼器的比特?cái)?shù)，n為每個(gè)k元組碼字對(duì)應(yīng)的卷積碼輸出碼字，m為編碼的約束長(zhǎng)度。k和n通常很小，特別適合以串行形式進(jìn)行傳輸，時(shí)延小。卷積碼和分組碼的最大區(qū)別在于，卷積碼不是把信息序列分組后再進(jìn)行單獨(dú)編碼，而是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列，即在卷積碼中，編碼器將k個(gè)信息比特編成n個(gè)碼元比特時(shí)，這n個(gè)碼元比特不僅與當(dāng)前段的k個(gè)信息有關(guān)，而且與之前的(m-1)*k個(gè)信息有關(guān)。由于卷積碼的糾錯(cuò)性能較好，且

13、處理時(shí)延小，故廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)。協(xié)議采用附加同步頭（ASM）實(shí)現(xiàn)幀同步，幀和編碼碼塊的同步對(duì)于編碼的正確解碼和接下來(lái)的傳輸幀處理十分必要，而且對(duì)偽隨機(jī)發(fā)生器的同步也十分重要，ASM還可以協(xié)助解決物理層的數(shù)據(jù)模糊問(wèn)題。協(xié)議采用偽隨機(jī)化器來(lái)保證數(shù)據(jù)流的隨機(jī)性，確保接收端保持比特同步。在發(fā)送端，偽隨機(jī)化器應(yīng)用于RS編碼后的傳輸幀或者碼塊，但是在附加同步頭和卷積編碼之前；在接收端，去隨機(jī)化器用于卷積碼解碼器和碼塊同步后，在RS碼解碼之前。2.1.4 AOS 空間包（1） CCSDS源數(shù)據(jù)包CCSDS源數(shù)據(jù)包是由空間站上不同數(shù)據(jù)源產(chǎn)生。為了能夠在相同虛擬信道中傳輸這些數(shù)據(jù)包，則需要

14、按照統(tǒng)一格式對(duì)它們進(jìn)行封裝，如圖2.4所示。圖2.4 CPDU數(shù)據(jù)單元格式（2） 包裝業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（ESDU）ESDU 主要來(lái)自與網(wǎng)間的業(yè)務(wù)，其格式可任意組成。圖是ESDU經(jīng)過(guò)包裝業(yè)務(wù)得到的包裝規(guī)約數(shù)據(jù)單元 EPDU 格式，如圖2.5所示。圖2.5 EPDU數(shù)據(jù)單元格式（3） 位流業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(BPDU)位流業(yè)務(wù)可以將用戶(hù)提供的位流數(shù)據(jù)按順序地添加到BPDU的數(shù)據(jù)域，圖2.6所示為BPDU的格式。圖2.6 BPDU數(shù)據(jù)單元格式（4） 復(fù)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（MPDU）為了更充分的利用空間信道資源提高信道的利用率，復(fù)用業(yè)務(wù)把同一虛擬信道上的 CCSDS數(shù)據(jù)包復(fù)用，并合路到一個(gè)多路復(fù)用數(shù)據(jù)單元（MPDU

15、）中，其格式如圖2.7所示。圖2.7 MPDU數(shù)據(jù)單元格式（5） VCDU/CVCDU 數(shù)據(jù)單元為使同步過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，SLS 采用長(zhǎng)度固定的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（虛擬信道數(shù)據(jù)單元）。為了使數(shù)據(jù)通過(guò)弱信號(hào)、強(qiáng)噪聲的空間信道時(shí)能夠簡(jiǎn)單可靠、穩(wěn)健的實(shí)現(xiàn)同步，需要使用固定長(zhǎng)度的 VC_PDU（虛擬信道協(xié)議數(shù)據(jù)單元），并利用同步頭進(jìn)行定界11。VC_PDU 的格式如圖2.8所示。圖2.8 VCDU/CVCDU數(shù)據(jù)單元格式2.2 高級(jí)在軌系統(tǒng)2.2.1 高級(jí)在軌系統(tǒng)的特點(diǎn)AOS協(xié)議是在CCSDS制定的COS分包遙測(cè)、遙控的基礎(chǔ)上發(fā)展并完善起來(lái)的，它是CCSDS為滿(mǎn)足復(fù)雜航天器通信的信源多樣性、高可靠性、高速、大容

16、量、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化和日益增長(zhǎng)的國(guó)際合作需求而提出的高級(jí)在軌系統(tǒng)體制和標(biāo)準(zhǔn)。AOS服務(wù)于空地和空空測(cè)控、通信以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可用于處理大容量、高速率數(shù)據(jù)，并支持不同需要的用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)。該協(xié)議將一個(gè)物理信道劃分為多個(gè)虛擬信道并建立統(tǒng)一的高速數(shù)據(jù)流。利用一個(gè)物理信道綜合傳送各種不同的信息。同時(shí)，該協(xié)議通過(guò)利用合理的合路機(jī)制，有效的糾檢錯(cuò)措施保證信道的高利用率和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，從而滿(mǎn)足高速率、大容量、多用戶(hù)的空間飛行器的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸要求。從應(yīng)用和設(shè)計(jì)的角度看，AOS 包括以下6個(gè)特點(diǎn)：1 處理新的數(shù)字化數(shù)據(jù)類(lèi)型。2 在空地?cái)?shù)據(jù)信道中對(duì)稱(chēng)地傳送數(shù)據(jù)，且用戶(hù)數(shù)據(jù)率在幾比特每秒到幾百兆比特每秒的范

17、圍內(nèi)變化。3 結(jié)構(gòu)上采用分層將整個(gè)通信網(wǎng)分成具有不同功能且采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的若層，其中各層的數(shù)據(jù)單元中均設(shè)置導(dǎo)頭域，用于記錄有用信息，以方便接收端確保正確地提取用戶(hù)數(shù)據(jù)。4 采用兩種多路復(fù)用機(jī)制，即包信道多路復(fù)用和虛擬信道多路復(fù)用，提高了空間數(shù)據(jù)信道的利用率；在空間鏈路子網(wǎng)（SLS）中設(shè)置虛擬信（VC），每個(gè)空間鏈路子的應(yīng)用分享一個(gè)虛擬信道，各個(gè)虛擬信道分時(shí)占用物理信道，從而避免長(zhǎng)數(shù)據(jù)源壟斷使用其他數(shù)據(jù)源共享的信道，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信道的有序管理。5 提供用于處理不同類(lèi)型用戶(hù)數(shù)據(jù)的8種不同服務(wù)；不同類(lèi)型的用戶(hù)采用不同格式的數(shù)據(jù)單元，但信道只有一條，所以這些數(shù)據(jù)需要合并為一個(gè)數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)在一條物理

18、信道上傳輸。6 設(shè)置航天器標(biāo)識(shí)符，為不同航天器進(jìn)行統(tǒng)一分配，以便在目標(biāo)端可獲得并區(qū)分來(lái)自不同航天器的數(shù)據(jù)。涉及高級(jí)在軌系統(tǒng)的正式建議書(shū)（藍(lán)皮書(shū)）目前有以下6個(gè)3，即: 1 CCSDS701. 0-B-1:高級(jí)在軌系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)鏈路:結(jié)構(gòu)說(shuō)明 2 CCSDS713 . 0-B-1:空間通信協(xié)議規(guī)范一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 3 CCSDS713 . 5-B-1:空間通信協(xié)議規(guī)范一安全協(xié)議 4 CCSDS714 . 0-B-1:空間通信協(xié)議規(guī)范一傳輸協(xié)議 5 CCSDS717 . 0-B-1:空間通信協(xié)議規(guī)范文件協(xié)議 6 CCSDS727. 0-B-1: CCSDS文件傳遞協(xié)議2.2.2 服務(wù)類(lèi)型AOS定義了兩類(lèi)

19、業(yè)務(wù)：端到端業(yè)務(wù)和空間鏈路子網(wǎng)業(yè)務(wù)，這兩類(lèi)業(yè)務(wù)包括八種不同業(yè)務(wù)。其具體業(yè)務(wù)的描述如下。一、端到端業(yè)務(wù)端到端業(yè)務(wù)包括路徑業(yè)務(wù)和網(wǎng)間業(yè)務(wù)兩種，不受空間鏈路的管理。端到端業(yè)務(wù)在整個(gè)CCSDS主網(wǎng)CPN內(nèi)以異步方式工作。其中，路徑業(yè)務(wù)和網(wǎng)間業(yè)務(wù)的描述如下：（1） 路徑業(yè)務(wù)：該業(yè)務(wù)通過(guò)CPN端端傳輸長(zhǎng)度可變的應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元。在相對(duì)固定的信源和信宿之間傳輸結(jié)構(gòu)化的中等至很高速率的數(shù)據(jù)以及大容量的有界數(shù)據(jù)。通過(guò)由網(wǎng)絡(luò)管理預(yù)先建立好的邏輯數(shù)據(jù)通道LDP（Logical Data Path），使用Path ID來(lái)標(biāo)識(shí)LDP，而不需提供完整的端地址，能簡(jiǎn)捷有效地通過(guò)CPN傳輸數(shù)據(jù)。路徑業(yè)務(wù)的傳輸是異步且無(wú)序的

20、。雖然路徑業(yè)務(wù)可在CPN的任一方向上工作，但其主要用途卻是將大量的高速數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)空地傳輸。（2） 網(wǎng)間業(yè)務(wù)：該業(yè)務(wù)可認(rèn)為是路徑業(yè)務(wù)的補(bǔ)充業(yè)務(wù)。它用來(lái)在動(dòng)態(tài)變化的信源和信宿端點(diǎn)之間間斷性地傳輸構(gòu)造好的低速率、小容量有界數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)是終端的數(shù)量和位置可變，并且這種變化是難以預(yù)測(cè)的；業(yè)務(wù)信息的數(shù)據(jù)速率較低，數(shù)據(jù)量較少。該業(yè)務(wù)實(shí)際上是將商業(yè)支持的ISO8473無(wú)連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中ISO8473包封裝在CPN通用的CCSDS數(shù)據(jù)包內(nèi)，再經(jīng)空間鏈路得以傳送。網(wǎng)間業(yè)務(wù)很適合實(shí)時(shí)交互操作。二、空間鏈路子網(wǎng)業(yè)務(wù)空間鏈路子網(wǎng)業(yè)務(wù)包括6種子業(yè)務(wù)。包括：包裝業(yè)務(wù)、插入業(yè)務(wù)、多路復(fù)用業(yè)務(wù)、位流業(yè)務(wù)、虛擬信道訪問(wèn)業(yè)務(wù)、虛擬信道

21、數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)12。這六種業(yè)務(wù)可以用同步方式或者異步方式工作。它們的具體描述如下。（1） 包裝業(yè)務(wù)該業(yè)務(wù)是將輸入的非CCSDS格式的定界的、長(zhǎng)度可變的、按字節(jié)排列的數(shù)據(jù)單元(ESDU)包裝在版本1的CCSDS包內(nèi)，以便在虛擬信道內(nèi)復(fù)用傳輸。包裝業(yè)務(wù)的傳送是異步且有序的。在接收端，將數(shù)據(jù)單元從CCSDS數(shù)據(jù)包中取出，按照版本1的特定格式從而恢復(fù)出原來(lái)的定界數(shù)據(jù)單元。（2） 復(fù)用業(yè)務(wù)該業(yè)務(wù)將版本1的CCSDS數(shù)據(jù)包(包括包裝在CCSDS數(shù)據(jù)包內(nèi)的非CCSDS格式的定界數(shù)據(jù)單元)復(fù)用在同一個(gè)虛擬信道內(nèi)。然后通過(guò)空間鏈路異步且有序的傳輸。其具體復(fù)用方法是將CCSDS數(shù)據(jù)包級(jí)連起來(lái)，直至其長(zhǎng)度達(dá)到復(fù)用業(yè)務(wù)

22、協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）的最大長(zhǎng)度。當(dāng)一個(gè)復(fù)用業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元被填滿(mǎn)后，如果仍有剩余，則將剩余部分放入下一個(gè)復(fù)用業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元中。如果沒(méi)有足夠的有效數(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行填充。（3） 位流業(yè)務(wù)該業(yè)務(wù)是將非定界并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邊界對(duì)數(shù)是未知或著保密的位流數(shù)據(jù)放入位流業(yè)務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（BPDU）的數(shù)據(jù)域內(nèi)，再通過(guò)空間鏈路子網(wǎng)保持順序的同步或異步傳輸。位流業(yè)務(wù)主要用于高速率實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)傳送。每一個(gè)BPDU僅裝載一個(gè)虛擬信道的數(shù)據(jù)量。一個(gè)BPDU填滿(mǎn)后，剩余數(shù)據(jù)流接著放入下一個(gè)BPDU，并在同一專(zhuān)用虛擬信道內(nèi)傳送。如果某個(gè)BPDU沒(méi)有被有效數(shù)據(jù)完全填滿(mǎn)，可加入填充數(shù)據(jù)并在導(dǎo)頭內(nèi)設(shè)置“位流數(shù)據(jù)指針”來(lái)指明有效

23、數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)的邊界。（4） 插入業(yè)務(wù)該業(yè)務(wù)用來(lái)等時(shí)傳送話音或者遠(yuǎn)程操作控制信息等按字節(jié)排列的采樣數(shù)據(jù)信息，該業(yè)務(wù)適用于實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)將插入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(INSDU)放入特定的物理信道上每個(gè)VC-PDU中保留的插入?yún)^(qū)內(nèi)，從而為用戶(hù)提供固定、同步的可用時(shí)隙。某個(gè)物理信道上插入?yún)^(qū)存在與否由網(wǎng)管設(shè)置。插入業(yè)務(wù)與VCDU業(yè)務(wù)不能在一條物理信道上同時(shí)使用。（5） 虛擬信道訪問(wèn)業(yè)務(wù)（VCA業(yè)務(wù)）該業(yè)務(wù)是將由用戶(hù)提供的、長(zhǎng)度固定的數(shù)據(jù)單元VCA-SDU放入虛擬信道長(zhǎng)度固定的數(shù)據(jù)域（VCDU/CVCDU）內(nèi)，通過(guò)空間鏈路有序的同步或者異步傳輸。（6） 虛擬信道數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)（VCDU業(yè)務(wù)）該業(yè)務(wù)

24、是通過(guò)SLS傳送由用戶(hù)建立的長(zhǎng)度固定的、按字節(jié)排齊的VCDU/CVCDU數(shù)據(jù)，這種傳送是有序的且可同步或異步的，并且可以按事先指定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行傳送。此業(yè)務(wù)只適用于嚴(yán)格按照CCSDS協(xié)議構(gòu)造數(shù)據(jù)單元的用戶(hù)，用此業(yè)務(wù)傳輸自己構(gòu)造的VCDU/CVCDU數(shù)據(jù)，并與虛擬信道訪問(wèn)子層產(chǎn)生的VCDU/CVCDU數(shù)據(jù)一起多路復(fù)用物理信道3。2.3 總結(jié)本章詳細(xì)介紹了 CCSDS AOS 協(xié)議。分析了 CCSDS 協(xié)議的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用方式，接著介紹了與AOS系統(tǒng)有關(guān)的應(yīng)用AOS協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，單元，AOS特點(diǎn)及其提供的服務(wù)等。3 AOS空間通信鏈路模型的建立AOS是由CCSDS開(kāi)發(fā)用以滿(mǎn)足測(cè)控與通信數(shù)據(jù)及其它有效

25、載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和傳輸?shù)南到y(tǒng)。AOS主要服務(wù)于空空、空地、地空測(cè)控、通信以及數(shù)據(jù)管理,其定義了CCSDS主網(wǎng)（CPN）的模型概念,包括星上網(wǎng)絡(luò)、空間鏈路子網(wǎng)（SLS）及地面網(wǎng)絡(luò)三部分。SLS是提供空間站與地面站通信的空地子系統(tǒng)。SLS鏈路兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信前，需要先確認(rèn)對(duì)方已處于就緒狀態(tài)，然后交換確認(rèn)或者命令信息等，然后鏈路才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。所以建立高效、可靠的空間數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸鏈路已成為世界空間通信的研究熱點(diǎn)。 本章根據(jù)傳統(tǒng)的空間組網(wǎng)方法和基本的網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種AOS SLS的空間鏈路建立的協(xié)議框架，對(duì)鏈路建立協(xié)議進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),并給出了建立鏈路模型的大致流程。3.1 空間信息網(wǎng)絡(luò) 空間信息網(wǎng)

26、絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)匯集和共享空域上分布的海量空間信息資源，對(duì)其進(jìn)行一體化組織與處理，使其具有按需服務(wù)能力。空間信息網(wǎng)絡(luò)按照高度可分成多個(gè)層次，每一層都互相聯(lián)通形成一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，各層之間又相互貫通，構(gòu)成大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)可劃分為骨干網(wǎng)絡(luò)和接入終端兩部分。骨干網(wǎng)絡(luò)由位置相對(duì)穩(wěn)定或運(yùn)行軌道具有規(guī)律性且數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)組成，包括:地面站、臨近空間平臺(tái)、衛(wèi)星。接入終端指高速運(yùn)動(dòng)的和作為數(shù)據(jù)端點(diǎn)的設(shè)備?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)不僅要實(shí)現(xiàn)接入終端和骨干網(wǎng)絡(luò)的互連互通，而且要實(shí)現(xiàn)骨干節(jié)點(diǎn)間有效的互連互通。因此骨干節(jié)點(diǎn)間的有效互連是整個(gè)空間信息網(wǎng)絡(luò)能夠有效運(yùn)行的基礎(chǔ)?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)有以下三個(gè)特點(diǎn):節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化不大

27、、節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定、通信數(shù)據(jù)量大?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源包括遙測(cè)、遙控、遙感、音視頻、計(jì)算機(jī)程序與文件等，這些信息通過(guò)信道復(fù)用后，傳輸數(shù)據(jù)率百M(fèi)bPs?？臻g通信環(huán)境與地面通信環(huán)境比，具有明顯的不同之處。主要表現(xiàn)在：信號(hào)延遲大、誤碼率高、突發(fā)錯(cuò)誤多。因此，空間信息網(wǎng)絡(luò)各骨干節(jié)點(diǎn)或者子網(wǎng)之間通信前要實(shí)現(xiàn)短時(shí)延、最優(yōu)信道選擇。并且還需要某種機(jī)制來(lái)保證通信過(guò)程中的通信質(zhì)量。因此，在通信前建立通信鏈路，選擇合適的物理信道，通信中如果信號(hào)質(zhì)量下降到一定范圍，則更新鏈路。本文將鏈路建立和鏈路更新統(tǒng)稱(chēng)為鏈路建立。鏈路建立主要工作包括:（l） 結(jié)合骨干節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)對(duì)其采用AOS鏈路建立協(xié)議進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)。（2） 對(duì)AO

28、S鏈路建立協(xié)議進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。（3） AOS鏈路建立協(xié)議模型仿真流程的設(shè)計(jì)。3.2 空間鏈路建立的總體設(shè)計(jì)3.2.1 SLS空間信道劃分模式空間信道采用呼叫信道（CC）和業(yè)務(wù)信道（TC）分離模式。按照頻率不同,空間信道被劃分為N個(gè)CC和M個(gè)TC，并編號(hào)。CC是鏈路建立時(shí)使用的信道，TC是鏈路建立成功后專(zhuān)門(mén)用于業(yè)務(wù)通信的信道。一般情況下，CC旁邊會(huì)跟著幾個(gè)相近頻率的TC，使得業(yè)務(wù)信道和呼叫信道的信道質(zhì)量相近以避免業(yè)務(wù)信道質(zhì)量差的問(wèn)題。信道分離模式下每次鏈路建立成功，呼叫信道保持空閑，業(yè)務(wù)信道傳輸數(shù)據(jù)，從而保證鏈路建立的快速性和業(yè)務(wù)傳輸?shù)母咝浴Ｐ诺婪蛛x會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)橐~外確定業(yè)務(wù)信道的傳輸特

29、性，并且業(yè)務(wù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)系統(tǒng)要進(jìn)行掃描。3.2.2 SLS節(jié)點(diǎn)的工作模式全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用同步工作模式并依靠全球定位系統(tǒng)提供全網(wǎng)定時(shí)，保證了各節(jié)點(diǎn)間時(shí)差不超過(guò)1ms。同步模式下各節(jié)點(diǎn)按劃分的時(shí)隙同速率依次掃描各呼叫信道，掃描信道號(hào)n如式所示 n=Nmod(T/slot)+n0。 其中：T為網(wǎng)絡(luò)時(shí)間；n0為節(jié)點(diǎn)起始掃描信道號(hào)。呼叫信道列表確定后，各節(jié)點(diǎn)則知道其他節(jié)點(diǎn)正掃描的呼叫信道。所以，主叫節(jié)點(diǎn)可以選擇空閑呼叫信道，且在未接收握手信號(hào)前只需發(fā)送一次呼叫信號(hào)即可。異步模式下主叫節(jié)點(diǎn)在未接收到握手信號(hào)前，必須不斷地發(fā)送呼叫信號(hào)。顯而易見(jiàn)，在同步模式有效的減小了呼叫信道的數(shù)據(jù)流量，縮短了鏈路建立所費(fèi)

30、時(shí)間。3.2.3鏈路建立協(xié)議數(shù)據(jù)單元設(shè)計(jì) 鏈路建立協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）按功能不同共分為兩種格式,如圖3.1所示。圖3.1 鏈路建立協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式各PDU長(zhǎng)度相同，均為26 bits，均包含2 bits標(biāo)識(shí)符。4 bits或8 bits比特的循環(huán)冗余檢驗(yàn)（CRC）用來(lái)差錯(cuò)檢測(cè)。其中，主叫節(jié)點(diǎn)和被叫節(jié)點(diǎn)地址8 bits表示256個(gè)SLS節(jié)點(diǎn)。鏈路ID為8 bits，用于主叫節(jié)點(diǎn)和被叫節(jié)點(diǎn)地址按位與，驗(yàn)證該握手PDU是否由所呼叫的節(jié)點(diǎn)發(fā)出，指令為3 bits，參數(shù)為9 bits,指令和參數(shù)代表的信息如表3.2所示。表3.2 握手?jǐn)?shù)據(jù)單元格式和參考信息3.2.4 SLS節(jié)點(diǎn)駐留周期設(shè)計(jì)同步模式下，

31、節(jié)點(diǎn)在各呼叫信道上駐留(ms)，為駐留周期，又被分為多個(gè)駐留時(shí)隙。根據(jù)空地通信特性，令=150 ms。主叫節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙起始時(shí)發(fā)送呼叫PDU，被叫節(jié)點(diǎn)收到呼叫PDU后，在下一時(shí)隙起始時(shí)刻發(fā)送握手PDU應(yīng)答。主叫節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的握手PDU中的ID來(lái)判斷是否為所呼叫的節(jié)點(diǎn)，并在找到最佳業(yè)務(wù)信道后通知呼叫節(jié)點(diǎn)。雙方調(diào)諧到該業(yè)務(wù)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)鏈路建立完成。若主叫節(jié)點(diǎn)未收到握手PDU，則進(jìn)入下一個(gè)呼叫信道繼續(xù)呼叫。的設(shè)計(jì)與鏈路建立時(shí)間有關(guān)。鏈路建立時(shí)間是指從呼叫節(jié)點(diǎn)收到上層命令開(kāi)始,直到鏈路建立過(guò)程的最后一個(gè)時(shí)隙結(jié)束所用的時(shí)間。假設(shè)成功建立鏈路的時(shí)間為T(mén)succ,只與信道誤碼有關(guān)，則第一個(gè)時(shí)隙發(fā)送呼叫

32、PDU，第二個(gè)時(shí)隙成功接收握手PDU的概率如式(1)所示：PTsucc=2=(1-ber)2M （1）其中，M=26bits為PDU的長(zhǎng)度，ber為PDU經(jīng)差錯(cuò)控制編解碼后仍然出錯(cuò)的概率。若呼叫節(jié)點(diǎn)第二個(gè)時(shí)隙未收到握手PDU，在第三個(gè)時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送呼叫PDU，則第四個(gè)時(shí)隙內(nèi)成功收到握手PDU的概率為：PTsucc=4=1-(1-ber)2M(1-ber)2M （2）假設(shè)i足夠大，同理可求前2k個(gè)時(shí)隙沒(méi)有收到握手PDU，第2k+1個(gè)時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送呼叫PDU，第2k+2個(gè)時(shí)隙內(nèi)收到握手PDU的概率為： PTsucc=(2k+2)=1-(1-ber)2Mk(1-ber)2M （3）則不同ber下成功建立

33、鏈路時(shí)間的均值可求得為：ETsucc=(2k+2)1-(1-ber)2Mk(1-ber)2M （4）在高斯信道下對(duì)ETsucc進(jìn)行仿真，仿真框圖如圖3.3所示。圖3.3 鏈路建立時(shí)間仿真流程當(dāng)卷積編碼效率為1/2時(shí)，ber與信噪比（SNR）的關(guān)系曲線如圖3.4所示。圖3.4 系統(tǒng)誤碼率曲線建立鏈路時(shí)間均值和成功概率仿真結(jié)果如圖3.5所示。圖3.5 建鏈時(shí)間與成功概率關(guān)系顯然,，SNR3dB時(shí)，經(jīng)0.9s，ETsucc1。因此,設(shè)計(jì)駐留周期如圖3.6所示。圖3.6 駐留周期圖節(jié)點(diǎn)首先調(diào)諧到所要掃描的信道頻率上對(duì)其進(jìn)行掃描。時(shí)隙1至?xí)r隙4為呼叫握手時(shí)隙，這些時(shí)隙內(nèi)發(fā)出或者接收呼叫/握手PDU。時(shí)隙

34、5內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只接受不進(jìn)行呼叫，否則被叫節(jié)點(diǎn)發(fā)送的握手PDU將在下一個(gè)周期的第一個(gè)時(shí)隙傳輸。這時(shí)主叫節(jié)點(diǎn)已經(jīng)改變了掃描信道，而握手PDU仍然發(fā)到了之前的掃描信道上。從而導(dǎo)致建立失敗。3.3 AOS空間鏈路建立 3.3.1 PDU格式設(shè)計(jì)（1） 呼叫PDU格式呼叫PDU的基本格式由呼叫PDU標(biāo)識(shí)位、呼叫結(jié)點(diǎn)ID號(hào)、被叫結(jié)點(diǎn)ID號(hào)、呼叫優(yōu)先級(jí)和CRC校驗(yàn)位組成。標(biāo)識(shí)位3 bits，呼叫/被叫節(jié)點(diǎn)ID號(hào)各8 bits，優(yōu)先級(jí)3 bits，CRC校驗(yàn)位6 bits，格式如圖3.7所示。圖3.7 呼叫PDU格式（2） 握手PDU格式握手PDU的基本格式由握手PDU標(biāo)識(shí)位、鏈路ID、指令信息、鏈路參數(shù)信息和C

35、RC校驗(yàn)位組成。PDU標(biāo)識(shí)位3 bits，鏈路ID共8 bits，指令信息位3 bits，鏈路參數(shù)信息位10 bits，格式如圖3.8所示。 圖3.8 握手PDU格式（3） 撤鏈PDU格式撤鏈PDU的基本格式由撤鏈PDU標(biāo)識(shí)位、呼叫節(jié)點(diǎn)ID、被叫節(jié)點(diǎn)ID、撤鏈可能的原因和CRC校驗(yàn)位組成。撤鏈PDU標(biāo)識(shí)位共3 bits，呼叫節(jié)點(diǎn)、被叫節(jié)點(diǎn)ID號(hào)各8 bits，撤鏈原因?yàn)? bits，具體如圖3.9所示。圖3.9 撤鏈PDU格式（4） 更新請(qǐng)求PDU格式更新請(qǐng)求PDU基本格式由更新請(qǐng)求PDU標(biāo)識(shí)、鏈路ID、更新請(qǐng)求指令、更新請(qǐng)求參數(shù)和CRC校驗(yàn)位組成。更新請(qǐng)求PDU標(biāo)識(shí)位3 bits，鏈路ID共

36、8 bits，指令信息位3 bits，鏈路參數(shù)信息位10 bits，CRC校驗(yàn)位4 bits，其格式如圖3.10所示。 圖3.10 更新請(qǐng)求PDU格式（5） 更新應(yīng)答PDU格式更新應(yīng)答PDU基本格式由更新應(yīng)答標(biāo)識(shí)位、呼叫節(jié)點(diǎn)、被叫節(jié)點(diǎn)ID、更新確定位和CRC校驗(yàn)位組成。更新應(yīng)答PDU標(biāo)識(shí)位3 bits，呼叫節(jié)點(diǎn)、被叫節(jié)點(diǎn)ID號(hào)各8 bits，更新確定3 bits， CRC校驗(yàn)用6 bits。其格式如圖3.11所示。圖3.11 更新應(yīng)答PDU格式3.3.2 AOS鏈路建立協(xié)議算法描述（l） 呼叫骨干節(jié)點(diǎn)收到上層鏈路的建鏈命令；（2） 節(jié)點(diǎn)根據(jù)建鏈命令的優(yōu)先級(jí)選擇一個(gè)發(fā)送呼叫PDU的時(shí)隙，若收到的

37、上層建鏈命令為slot時(shí)隙，那么其余時(shí)隙為時(shí)間系統(tǒng)監(jiān)聽(tīng)業(yè)務(wù)信道，更新業(yè)務(wù)信道信息列表；（3） 首先計(jì)算被叫節(jié)點(diǎn)的駐留頻率，在所選發(fā)送時(shí)隙的前一時(shí)隙立即監(jiān)聽(tīng)呼叫信道的占用清況，并將監(jiān)聽(tīng)情況回傳給呼叫節(jié)點(diǎn)；（4） 節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)聽(tīng)的結(jié)果，如果確信發(fā)送時(shí)隙被其他類(lèi)型PDU占用，那么轉(zhuǎn)（2），否則轉(zhuǎn)繼續(xù)進(jìn)行呼叫；（5） 發(fā)送呼叫PDU并設(shè)置啟動(dòng)時(shí)隙超時(shí)計(jì)時(shí)器；（6） 呼叫節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)隙的下個(gè)時(shí)隙檢測(cè)是否收到被叫節(jié)點(diǎn)的握手PDU。同時(shí)，被叫節(jié)點(diǎn)掃描駐留信道，檢測(cè)有無(wú)呼叫PDU；（7） 若被叫節(jié)點(diǎn)正確收到呼叫PDU，轉(zhuǎn)（8），否則轉(zhuǎn)（6）；（8） 若該呼叫PDU中的標(biāo)識(shí)位為010且被叫節(jié)點(diǎn)ID號(hào)和本節(jié)點(diǎn)先同轉(zhuǎn)

38、（9）；否則，丟棄該呼叫PDU，轉(zhuǎn)（6）；（9） 根據(jù)toto業(yè)務(wù)信道監(jiān)聽(tīng)信息和呼叫PDU信息，生成握手PDU；（10）在接收到呼叫PDU的時(shí)隙的下個(gè)時(shí)隙，發(fā)送握手PDU；（11）被叫節(jié)點(diǎn)此次鏈路建立過(guò)程結(jié)束，轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)信道開(kāi)始接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；同時(shí)，呼叫節(jié)點(diǎn)在發(fā)送呼叫PDU時(shí)隙的下個(gè)時(shí)隙檢測(cè)監(jiān)聽(tīng)信道有無(wú)握手PDU；（12） 若正確收到握手PDU，轉(zhuǎn)（13），否則轉(zhuǎn)（2）；（13） 呼叫節(jié)點(diǎn)根據(jù)計(jì)算鏈路ID，若正確轉(zhuǎn)（14），否則轉(zhuǎn)（2）；（14） 檢測(cè)握手PDU中的指令信息和參數(shù)信息域，若握手PDU中指令信息為000，鏈路建立成功，業(yè)務(wù)信道根據(jù)參數(shù)信息開(kāi)始發(fā)送業(yè)務(wù)信息，否則，丟棄該呼叫PDU；（15

39、） 呼叫節(jié)點(diǎn)按照指令信息進(jìn)行相應(yīng)的操作，此次鏈路建立過(guò)程結(jié)束；3.3.3 AOS鏈路更新協(xié)議算法描述（1） 被叫節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到正在使用的業(yè)務(wù)信道信號(hào)質(zhì)量已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足正常通信所需的標(biāo)準(zhǔn)；（2） 被叫節(jié)點(diǎn)立即生成更新請(qǐng)求PDU，同時(shí)迅速選擇發(fā)送更新請(qǐng)求PDU的時(shí)隙；（3） 計(jì)算呼叫節(jié)點(diǎn)的駐留頻率，并在所選擇發(fā)送更新請(qǐng)求PDU的前一時(shí)隙監(jiān)聽(tīng)呼叫信道的占用情況并將監(jiān)聽(tīng)情況發(fā)給被叫節(jié)點(diǎn)；（4） 被叫節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)聽(tīng)的結(jié)果，如果確信發(fā)送時(shí)隙被其他類(lèi)型PDU占用，那么轉(zhuǎn)（2），否則轉(zhuǎn)（5）；（5） 發(fā)送更新請(qǐng)求PDU，并設(shè)置啟動(dòng)時(shí)隙超時(shí)計(jì)時(shí)器；（6） 被叫節(jié)點(diǎn)在發(fā)送時(shí)隙的下個(gè)時(shí)隙檢測(cè)是否收到呼叫節(jié)點(diǎn)的更新應(yīng)答PDU

40、。同時(shí)，呼叫節(jié)點(diǎn)不停的掃描駐留信道，檢測(cè)信道內(nèi)有無(wú)各類(lèi)PDU；（7） 若呼叫節(jié)點(diǎn)正確接收到更新請(qǐng)求PDU，轉(zhuǎn)（8），否則丟棄該P(yáng)DU轉(zhuǎn)（6）；（8） 根據(jù)跟新請(qǐng)求PDU中鏈路ID域，計(jì)算對(duì)應(yīng)的呼叫節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)，查看對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)信道，若存在相應(yīng)的業(yè)務(wù)信道且質(zhì)量不滿(mǎn)足通信所需，根據(jù)更新請(qǐng)求PDU中的信息更新信道，否則丟棄該更新請(qǐng)求PDU轉(zhuǎn)（6）；（9） 生成更新應(yīng)答PDU，等待下個(gè)時(shí)隙發(fā)送；（10）呼叫節(jié)點(diǎn)此次鏈路更新過(guò)程結(jié)束，業(yè)務(wù)信道更新；（11）被叫節(jié)點(diǎn)正確收到更新應(yīng)答PDU，轉(zhuǎn)（12），否則丟棄該跟新應(yīng)答PDU轉(zhuǎn)（2）；（12）被叫節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)向新的業(yè)務(wù)信道開(kāi)始接收業(yè)務(wù)信息，被叫節(jié)點(diǎn)鏈路更新過(guò)程結(jié)束

41、；3.3.4 AOS鏈路建立協(xié)議差錯(cuò)控制本協(xié)議的差錯(cuò)控制方式采用的是卷積碼編碼，它是1955年由以利亞斯等人發(fā)明的一種非分組碼，他是將編碼信息分組單獨(dú)進(jìn)行編碼，通常更適用于向前糾錯(cuò)，因?yàn)閷?duì)于許多實(shí)際情況它的性能優(yōu)于分組碼，而且運(yùn)算比較簡(jiǎn)單。卷積編碼器如圖3.12所示。圖3.12 卷積編碼器卷積編碼步驟如下：（l） 用待編碼序列信息最后6比特初始化編碼器的6個(gè)存儲(chǔ)單元，即x1到x6；（2） 將待編碼序列信息的第一個(gè)比特移進(jìn)單元x6；（3） 以圖5.14所示的順序輸出兩個(gè)編碼比特b0和b1；（4） 將下一待編碼序列比特位移進(jìn)x6，再輸出兩個(gè)編碼比特b0和b1；（5） 重復(fù)（4），直到所有編碼比特全

42、部產(chǎn)生；3.3.5 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)空間信息網(wǎng)路中骨干節(jié)點(diǎn)具有一套特殊的用來(lái)鏈路建立的全雙工天線，三套用來(lái)業(yè)務(wù)傳輸?shù)娜p工天線，說(shuō)明該網(wǎng)絡(luò)中骨干節(jié)點(diǎn)可同時(shí)與三個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。若呼叫節(jié)點(diǎn)同時(shí)下達(dá)多個(gè)呼叫命令，按照呼叫優(yōu)先級(jí)的高低來(lái)選擇時(shí)隙發(fā)送呼叫PDU，每個(gè)時(shí)隙只能發(fā)送一個(gè)呼叫PDU；若多個(gè)呼叫節(jié)點(diǎn)同時(shí)呼叫同一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)沖突時(shí)，采用二元指數(shù)后退算法來(lái)確定等待時(shí)間。正在通信的被叫節(jié)點(diǎn)收到優(yōu)先級(jí)更高的呼叫PDU命令時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)類(lèi)別分別執(zhí)行。分8種優(yōu)先級(jí)，前三種為搶占式優(yōu)先級(jí)，后五種為非搶占式優(yōu)先級(jí)。建鏈時(shí)，若為搶占式優(yōu)先級(jí)，那么系統(tǒng)將選擇所有比自己優(yōu)先級(jí)低的業(yè)務(wù)信道和空閑信道中質(zhì)量最好的信道通信，若為非

43、搶占式優(yōu)先級(jí)，則選擇空閑信道中質(zhì)量最優(yōu)信道通信。多個(gè)呼叫節(jié)點(diǎn)同時(shí)向一個(gè)被叫節(jié)點(diǎn)發(fā)送呼叫PDU時(shí)首先和優(yōu)先級(jí)最高的呼叫節(jié)點(diǎn)通信，若最高優(yōu)先級(jí)的呼叫PDU有多個(gè)，那么按照“先來(lái)先通信”的原則，其他的呼叫PDU丟棄。業(yè)務(wù)信道質(zhì)量信息的獲取采用自適應(yīng)跳頻信道無(wú)源確認(rèn)技術(shù)，它無(wú)需系統(tǒng)不間斷的發(fā)送各種形式的探測(cè)信號(hào)，就可以確定判決門(mén)限，并且適應(yīng)于任何頻段。鏈路撤銷(xiāo)條件有兩個(gè)：收到撤鏈PDU和一個(gè)時(shí)隙沒(méi)有收到任何數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足這兩個(gè)條件的任何一個(gè)，系統(tǒng)將直接撤銷(xiāo)該條鏈路11。3.3.6 空間鏈路建立協(xié)議模型流程空間鏈路建立協(xié)議的工作流程如圖3.13所示。圖3.13 空間鏈路建立協(xié)議工作流程圖3.4 總結(jié)本章通過(guò)

44、對(duì)大量資料的閱讀參考，介紹了空間通信鏈路的分類(lèi)，特點(diǎn)。對(duì)鏈路的建立給出了總體設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)描述，通過(guò)對(duì)信道劃分和建立協(xié)議的研究，進(jìn)行了模擬通信鏈路的建立并給出了大致的建立過(guò)程。4 卷積碼的編譯碼性能分析4.1 卷積碼卷積碼于1955年由Elias提出。其在編碼過(guò)程中將一個(gè)碼組中的 r 個(gè)監(jiān)督碼與信息元的相關(guān)性從本碼組擴(kuò)展到以前若干段時(shí)刻的碼組，在譯碼時(shí)不僅從此時(shí)刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還可從與監(jiān)督碼相關(guān)的各碼組中提取有用的譯碼信息。無(wú)論從理論上還是實(shí)際上均證明卷積碼實(shí)現(xiàn)最佳和準(zhǔn)最佳譯碼比較容易而且效率高，誤碼率低。本章采用比較通用的（2,1,7）卷積碼編碼。（2,1,7）卷積碼是目前AOS

45、系統(tǒng)和其它通信系統(tǒng)中廣泛使用的一種標(biāo)準(zhǔn)卷積碼，也是國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)委員會(huì)正式推薦作為遙測(cè)信道編碼標(biāo)準(zhǔn)的兩種編碼方式之一本文研究的是應(yīng)用于AOS系統(tǒng)的卷積碼。 卷積碼的譯碼方法有兩類(lèi),一類(lèi)是大數(shù)邏輯譯碼,又稱(chēng)門(mén)限譯碼,另一類(lèi)是概率譯碼,概率譯碼又分為維特比譯碼和序列譯碼兩種。門(mén)限譯碼的方法是以分組碼理論為基礎(chǔ)的,其譯碼設(shè)備簡(jiǎn)單,速度快,但其誤碼性能要比概率譯碼差，是基于碼的網(wǎng)圖基礎(chǔ)上的一種最大似然譯碼算法，是一種最佳的概率譯碼方法。當(dāng)編碼約束度不太大或者誤碼率要求不太高時(shí)，它的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，用硬件譯碼計(jì)算速度快。維特比譯碼是1967年由viterbi 提出,近年來(lái)有大的發(fā)展,目前在數(shù)字通信的

46、前向糾錯(cuò)系統(tǒng)中用的較多,而且在衛(wèi)星深空通信中的應(yīng)用很多,維特比算法的基本原理是將接受到的信號(hào)序列和所有可能的發(fā)送序列比較,選擇其中漢明距離最小的序列認(rèn)為是當(dāng)前發(fā)送的序列。本章將通過(guò)對(duì)維特比譯碼的研究分析卷積碼編譯碼的性能。4.2 卷積編碼（2,1,7）卷積碼的 k=1，n=2，m=7，該碼的生成多項(xiàng)式為（171，133），自由距離d=10，其編碼器結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1 (2,1,7)卷積碼編碼結(jié)構(gòu)圖該卷積編碼結(jié)構(gòu)包括6個(gè)移位寄存器，即 m=6，所以編碼器的狀態(tài)數(shù)有2m=64。設(shè)狀態(tài)為 S0，S1，S63，若用十進(jìn)制表示，則可記為Si=i；若用二進(jìn)制表示，可以寫(xiě)為Si=b1b2b3b4b

47、5b6，bi=0或1。因?yàn)閗0=1，所以每個(gè)狀態(tài)都可以通過(guò)兩種不同狀態(tài)在輸入相同的信息元后轉(zhuǎn)移而來(lái)，同時(shí)在輸入不同的信息元后轉(zhuǎn)移到另外兩種不同的狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系是固定不變的。假設(shè)狀態(tài) Si=b1b2b3b4b5b6 在輸入信息元 b0 后轉(zhuǎn)化為了狀態(tài)Sj=b0b1b2b3b4b5，可以得到i與j之間固定的關(guān)系：如輸入比特0，S0和S32轉(zhuǎn)移為S0；如輸入比特1，S0和S32轉(zhuǎn)移為S1。根據(jù)這個(gè)關(guān)系，就可以很容易地確定狀態(tài)的前后轉(zhuǎn)移關(guān)系。4.3 Viterbi譯碼維特比譯碼就是在接收碼元序列的控制下,在網(wǎng)格圖上走編碼所走的過(guò)程,尋找最大似然路徑,其關(guān)鍵的運(yùn)算就是“加比選”過(guò)程,通過(guò)對(duì)路徑

48、量度相加、比較,選擇出幸存路徑。在不同的信道中其量度的方式不同,在二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道（BSC）中,漢明距離是最大似然準(zhǔn)則的等效量度,求出與接收序列漢明距離最小的路徑為其幸存路徑,這就是通常所說(shuō)的硬判決。而在離散無(wú)記憶信道中（DMC） ,軟判決譯碼器采用的是歐氏距離,其可信度最高者為幸存路徑。通常軟判決譯碼器比硬判決譯碼器的性能要好2dB3dB ,并且其譯碼結(jié)構(gòu)并不比硬判決復(fù)雜。雖然維特比譯碼的性能達(dá)到了最佳,但其復(fù)雜性隨約束度指數(shù)增加的局限性,限制了其誤碼率不能達(dá)到很低。在誤碼率要求不高的衛(wèi)星通信和其它通信系統(tǒng)中,這成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)而廣泛應(yīng)用。Viterbi 算法的基本思想就是利用編碼網(wǎng)格圖，在其中搜

49、索一條路徑，使其最接近實(shí)際路徑，搜索到的這條路徑稱(chēng)為幸存路徑。因此Vitebi譯碼算法實(shí)質(zhì)上就是最大似然譯碼，它是逐步去除網(wǎng)格圖上不可能成為最大似然路徑者來(lái)搜索幸存路徑。對(duì)于（2,1,7）卷積碼，若采用 Viterbi 算法，則共有64種狀態(tài)，在每一個(gè)譯碼時(shí)刻都有2條路徑到達(dá)同一狀態(tài)。在這2條路徑中，將累積度量最小的一條保留下來(lái)，而將另一條路徑淘汰。因此，在每個(gè)譯碼周期只保留64條幸存路徑，任意一條幸存路徑代表一個(gè)確定的信息序列（即編碼器輸入序列）。一個(gè)完整的 Viterbi 譯碼器一般必須包括以下7個(gè)部分：狀態(tài)發(fā)生器、累加器、比較器、度量值寄存器、信息序列寄存器、判決器、其它控制電路等，如圖

50、4.2所示。圖4.2 維特比譯碼器結(jié)構(gòu)對(duì)于（2,1,7）卷積碼，在一個(gè)譯碼周期內(nèi)，累加器組完成128條支路度量的計(jì)算，比較器組完成同一狀態(tài)的路徑距離值比較，將較小者存入64個(gè)度量值寄存器。判決器選出64個(gè)信息序列寄存器中的最小者，并將相應(yīng)信息序列寄存器的譯碼結(jié)果輸出。4.4 卷積碼編譯碼性能分析4.4.1 碼率對(duì)誤碼性能的影響卷積碼的碼率R=k/n，他是卷積碼的一個(gè)重要參數(shù)當(dāng)改變卷積碼的碼率時(shí)，系統(tǒng)的誤碼性能也將隨之發(fā)生變化。當(dāng)碼率一定時(shí)隨著信道噪聲的逐漸減小，系統(tǒng)的誤比特率也逐漸減小。當(dāng)改變系統(tǒng)碼率時(shí)，隨著卷積碼碼率的逐漸提高，系統(tǒng)的誤比特率也呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，也就是說(shuō)碼率越低，系統(tǒng)的誤比特

51、率就越小，誤碼性能就越好。然而，信道帶寬和譯碼器的復(fù)雜性也將相應(yīng)地增加。因此，對(duì)于二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)信道，當(dāng)采用BPSK 調(diào)制方式時(shí)，通常選取的碼率為1/2。4.4.2 約束長(zhǎng)度對(duì)誤碼性能的影響對(duì)于碼率一定的卷積碼，當(dāng)約束長(zhǎng)度N發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的誤碼性能也會(huì)隨之發(fā)生變化，隨著約束長(zhǎng)度的逐漸增加，系統(tǒng)的誤比特率明顯降低，所以說(shuō)當(dāng)碼率一定時(shí)，增加約束長(zhǎng)度可以降低系統(tǒng)的誤比特率，但是隨著約束長(zhǎng)度的增加，譯碼設(shè)備的復(fù)雜性也會(huì)隨之增加，所以對(duì)于碼率為1/2的卷積碼，我們?cè)谶x取約束長(zhǎng)度時(shí)一般為39。4.4.3 回溯長(zhǎng)度對(duì)卷積碼性能的影響回溯長(zhǎng)度是在 Viterbi 譯碼過(guò)程中一個(gè)很重要的參數(shù)，他決定了譯碼延遲，隨

52、著他的不斷變化，誤碼性能也隨之而變化。當(dāng)回溯長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著信道噪聲的逐漸減小，系統(tǒng)的誤比特率逐漸降低；當(dāng)回溯長(zhǎng)度逐漸增加，系統(tǒng)的誤比特率隨之逐漸降低，但是當(dāng)回溯程度 S 增加到 S5N 時(shí)（N 為編碼的約束長(zhǎng)度），誤比特率數(shù)值趨于穩(wěn)定，因此，在確定回溯長(zhǎng)度時(shí)既要考慮到隨著 S 的增加誤比特率隨之降低的趨勢(shì)，也要考慮到譯碼延遲會(huì)變大，在選取回溯長(zhǎng)度時(shí)，通常取 S=5N13。4.5 總結(jié)本章對(duì)AOS高級(jí)在軌系統(tǒng)中的卷積碼和卷積碼的編譯碼的做了簡(jiǎn)單的介紹，通過(guò)對(duì)卷積碼的編碼和譯碼其結(jié)構(gòu)，方法，特征研讀，進(jìn)而對(duì)其自身的性能進(jìn)行了一定程度的分析，卷積碼在衛(wèi)星通信中有著重要的應(yīng)用，其糾錯(cuò)能力使得它在信息

53、傳輸過(guò)程中得到了充分的應(yīng)用，但其自身也存在一定的不足之處。5 AOS系統(tǒng)卷積碼仿真 AOS系統(tǒng)中信道編碼時(shí)多采用卷積編碼。之所以卷積碼能得到在AOS高級(jí)在軌系統(tǒng)中如此的重視和應(yīng)用得益于其不錯(cuò)的糾錯(cuò)能力性能，即對(duì)信道傳輸數(shù)據(jù)的誤碼糾錯(cuò)能力。第四章對(duì)其糾錯(cuò)性能進(jìn)行了論述分析。因此，本章將利用MATLAB軟件編輯程序，對(duì)卷積碼的糾錯(cuò)性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。5.1 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是MATrix LABoratory的縮寫(xiě)，是一款由美國(guó)The MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。除

54、了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶(hù)界面及與調(diào)用其它語(yǔ)言（包括C，C+和FORTRAN）編寫(xiě)的程序。20世紀(jì)70年代，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任Cleve Moler為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用FORTRAN編寫(xiě)了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場(chǎng)。到20世紀(jì)90年代，MATLAB已成為國(guó)際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。MATLAB和Mathematica、Maple并稱(chēng)為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)

55、行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域18。5.1.1 軟件特點(diǎn)1 高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶(hù)從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；2 具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化;3 友好的用戶(hù)界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；4 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶(hù)提供了大量方便實(shí)用的處理工具。5.1.2 編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶(hù)使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具

56、采用的是圖形用戶(hù)界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶(hù)瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶(hù)界面也越來(lái)越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢(xún)、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶(hù)的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。5.1.3 軟件優(yōu)勢(shì)Matlab是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶(hù)可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C+語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C+語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。鑒于mablab的應(yīng)用范圍和其自身的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，本文采用MATLAB來(lái)作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)用軟