AOS系统中卷积码的性能研究

1百手起驾 整理为您1 引 言1.1 课题研究的背景和意义随着信息技术的快速发展，同时对通信技术提出来更高的要求，当下通信技术有如下特点：高速的数据传输速率；高噪声污染和时变的信道环境；对于传输质量的要求，特别是在数据业务中要求较低的误帧率。如此高的要求，混合差错控制重传技术日益受到通信行业的重视。最近空间科学技术技术迅速发展，同时也对通信领域带去更大的挑战，为了更好的适应空间技术的发展，满足复杂航天器的数据处理要求，空间数据系统咨询委员（Consultative Committee for Space Data System，CCSDS）,于 1989 年开发了高级在轨系统 AOS。目前，AOS 在航空航天技术领域中的作用越来越突出。而 AOS 系统中卷积码的性能研究可以更好的适应通信技术巨大变化和要求。1.2 国内外研究现状AOS 空间通信具有数据传输量大、传输速率高、信道时延长、信道误码率高以及信道时变衰落等特点，而且 AOS 以标准化的方式进行数据处理与交换，能够在空间链路中双向传输音频、视频以及科学实验等多种不同类型的数据。而上述特点对常规的空间通信的传输效率和可靠性提出了新的要求。而在 AOS 系统中作为降低误码率，控制传输差错的卷积码，是提高系统传输效率和可靠性的重要方案。卷积码通过对码率的控制，当码率一定时，信道噪声越小，误码率越小；改变码率增大，则误码率增大。而约束长度 N 的变化，系统误码率也变化。由 R=K/N 可知。卷积码通过对变化因素的控制可以有效保证通信系统一定的可靠性和误码率。卷积码性能的研究是提高 AOS 系统性能的重要技术，但近年来国内外对基于 AOS 系统的卷积码性能研究相对较少，研究成果不多。本文主要研究基于 AOS 系统的卷积码的性能研究，并对其性能进行分析和仿 。真 12百手起驾 整理为您1.3 论文的结构安排本文在 CCSDS AOS 基础上，对卫星通信的协议，链路，AOS 中卷积码及其编译码进行了研究。共分为六章，具体章节结构安排如下：第一章 绪论本章首先总结了课题的研究背景和意义，接着介绍了课题相关领域的国内外研究现状，以及本论文的结构安排。第二章 AOS 通信系统协议分析与研究本章对 AOS 的协议进行分析研究，将协议分 3 部分进行分析论述。包括空间数据链路协议、遥测同步和信道编码协议和空间数据包等。然后对 AOS 系统的特点进行了介绍，并对其服务类型归类说明。第三章 AOS 空间通信链路模型的建立本章通过对大量资料的阅读参考，介绍了空间通信链路的分类，特点。对链路的建立给出了总体设计和细节描述，通过对信道划分和建立协议的研究，进行了模拟通信链路的建立并给出了大致的建立过程。第四章 卷积码的编译码性能分析本章分析了卷积码的特点和卷积码的编码和译码的特性，对其性能进行了简要的论述研究。第五章 利用 MATLAB 软件进行编程，对 AOS 系统中的卷积码性能进行仿真实验本章对卷积码的性能通过软件仿真的形式进行了实验，简要介绍了 MATLAB 软件，对卷积码的原理进行了深入浅出的论述，然后分两部分对性能进行了验证，最后对仿真结果进行分析概述。结论作为论文的最后一章，结论部分对全文进行了总结提炼，探究了论文中的不足之处，对研究结果进行了汇总并提出了建议和以后的研究方向。3百手起驾 整理为您2 AOS 通信系统协议分析与研究CCSDS 在 1989 年成功开发的适用于低、中数据率航天器的常规在轨系统（COS ）基础上，为了适应空间通信技术的快速发展，又进一步发展了以满足复杂航天器的需要为目标的高级在轨系统（AOS）制式和标准。 AOS 系统可以提供形式更加灵活多变、更加多样化的空-地双向数据传输业务。并且 AOS 系统还可以根据航天器或者应用软件的特殊要求，在地-空、空-地和空-空的数据通信信道中使用相当高的混合速率同时传输包含多种数字信息的多种业务。AOS 还可以按照用户的不同要求提供不同质量等级的服务，也能满足航天器运行期间其地面或着卫星上用户对其提出的动态调整或星上设备重新组配的要求。CCSDS-AOS 协议自提出后，先后经过三次重大的修改和更新。前两次只是单纯意义上版本的升级，第三次则进行了添加，CCSDS 为将遥测、遥控和 AOS 协议三者统一标准而进行了一次重构。重构后的 AOS 网络与数据链路协议被分成了三部分：空间包（空间包协议） 、AOS 空间数据链路协议和遥测同步和信道编码协 。AOS 空间数据链路协议与遥测数据链路协议共同使用遥测同议 2步和信道编码协议。CCSDS 协议经过重构使得其层次更加清晰,术语更加规范，涵盖范围更加详尽。本章主要分析了 AOS 协议结构及其应用方式，接着对 AOS 本身进行了分析，包括：AOS 的特点、服务类型、AOS 数据单元格式等。2.1 AOS 协议分析与研究CCSDS 自成立以来逐步建立了一套基本的空间通信标准。这些空间通信标准被广泛的应用于空间通信领域。目前，国际上已有 250 多个空间任务采用了 CCSDS 标准。CCSDS 的主要成果是一系列建议和报告。按照内容划分，CCSDS 的建议和报告主要有八类：遥测系统、遥控系统、辅助数据、射频与调制系统、跟踪与导航系统、信息获取与交换系统、高级在轨系统、交互支持业务和结构。2.1.1 CCSDS 协议层次模型与标准的 OSI 模型相似，CCSDS 协议的层次模型可分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如图 2.1 所示。4百手起驾 整理为您图 2.1 协议层次结构各层可以根据不同用户的不同服务要求采用不同的传输协议。在实际应用中，整个 CCSDS 协议可以被看作是一个混合的、匹配的工具包，可以根据特定任务的处理要求，从这个工具包中选出合适的协议组合进行应用。例如，在链路层，可以采取COS 和 AOS 的混合配置，如利用一个常规的前向 TC 链路协议传输命令，而利用一个反向的 AOS 链路协议传输语音、视频、图像等多媒体业务。 CCSDS 常用的协议组合方式如图 2.2 所示。5百手起驾 整理为您图 2.2 CCSDS 协议的组合方式2.1.2 CCSDS 空间数据链路协议CCSDS 空间数据链路协议包括遥测空间数据链路协议、遥控空间数据链路协议与 AOS 空间数据链路协议，如图 2.3 所示。6百手起驾 整理为您图 2.3 重构的遥测和遥控协议结构遥测空间数据链路协议通常从航天器发送数据到地面，遥控空间数据链路协议通常从地面发送指令到航天器。如果需要在航天器和地面间进行双向在线通信，AOS 空间数据链路协议则可以只用于一条反向链路中或着用于前向和反向链路中。空间数据链路协议提供了在空间链路传输各种类型数据的能力，但其主要功能还是传输长度可变的数据单元。空间数据链路协议能运载的数据包需要具有 CCSDS 认可的包版本号，而且包版本号必须在空间链路标识符文件中进行过注册。目前下列包是 CCSDS 所认可的：空间包、空间通信协议规范-网络协议数据包、IP-4 数据包。对于其他类型数据包，可以先将其封装成空间包后，再由空间数据链路协议进行传输。空间数据链路协议的基本数据单元为传输帧。遥控空间数据链路协议使用可变长度的传输帧以保证长度较短的信息能短时延得到接收。为保证命令信息能够无间隔、无重复、按顺序的抵达接收端而不发生丢失，需要引入由通信操作程序（COP-1）提供的重传控制机制。遥测空间数据链路协议和 AOS 空间数据链路协议使用固定长度的传输帧，以便在空间链路传输时实现较可靠的帧同步，这两个协议自身均无法保证数据传输的完整性，因此在应用这两个协议时如果需要保证数据传输的完整性和可靠性，则需要由高层协议的配合以便进行重传控制。遥测同步和遥控同步的信道编码建议为我们提供了传输数据帧时的帧同步功能和信道编码功能。遥测同步和信道编码协议与 AOS 空间数据链路协议、遥测空间数据链路协议经常结合使用，而遥控同步和信道编码协议与遥控空间数据链路协议结合使用。为了在物理层能够实现准确的数据位同步，这两个协议还提供了对传输帧进行伪随机化的功能。2.1.3 遥测和信道编码协议AOS 空间数据链路协议和遥测协议共用遥测和信道编码协议。同步和信道编码层提供通过空间链路传送传输帧的三个必要功能：纠错编码/解码、传输帧定界/ 同步、比特交换/反交换。空间任务根据业务对质量的要求和信道自身的特性来决定采取何种适应的编码方案。协议指定三种纠错编码：卷积码、RS 码和 Turbo 码。若以（k, n, m）来描述卷积码，其中 k 为每次输入到卷积编码器的比特数，n 为每个 k 元组码字对应的卷积码输出码字，m 为编码的约束长度。 k 和 n 通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。卷积码和分组码的最大区别在于，卷积码不是把信7百手起驾 整理为您息序列分组后再进行单独编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列，即在卷积码中，编码器将 k 个信息比特编成 n 个码元比特时，这 n 个码元比特不仅与当前段的 k 个信息有关，而且与之前的(m-1)*k 个信息有关。由于卷积码的纠错性能较好，且处理时延小，故广泛应用于移动通信系统以及卫星通信系统。协议采用附加同步头（ASM）实现帧同步，帧和编码码块的同步对于编码的正确解码和接下来的传输帧处理十分必要，而且对伪随机发生器的同步也十分重要，ASM 还可以协助解决物理层的数据模糊问题。协议采用伪随机化器来保证数据流的随机性，确保接收端保持比特同步。在发送端，伪随机化器应用于 RS 编码后的传输帧或者码块，但是在附加同步头和卷积编码之前；在接收端，去随机化器用于卷积码解码器和码块同步后，在RS 码解码之前。2.1.4 AOS 空间包（1） CCSDS 源数据包CCSDS 源数据包是由空间站上不同数据源产生。为了能够在相同虚拟信道中传输这些数据包，则需要按照统一格式对它们进行封装，如图 2.4 所示。图 2.4 CPDU 数据单元格式（2） 包装业务数据单元（ESDU）ESDU 主要来自与网间的业务，其格式可任意组成。图是 ESDU 经过包装业务得到的包装规约数据单元 EPDU 格式，如图 2.5 所示。8百手起驾 整理为您图 2.5 EPDU 数据单元格式（3） 位流业务数据单元(BPDU)位流业务可以将用户提供的位流数据按顺序地添加到 BPDU 的数据域，图 2.6 所示为 BPDU 的格式。图 2.6 BPDU 数据单元格式（4） 复用业务数据单元（MPDU）为了更充分的利用空间信道资源提高信道的利用率，复用业务把同一虚拟信道上的 CCSDS 数据包复用，并合路到一个多路复用数据单元（MPDU）中，其格式如图 2.7所示。9百手起驾 整理为您图 2.7 MPDU 数据单元格式（5） VCDU/CVCDU 数据单元为使同步过程