《AOS系统中卷积码的性能研究》

1、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

2、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。

3、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1。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

4、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

5、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。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

6、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议2。AOS 空间数据链路协议与遥测数据链路协议共

7、同使用遥测同步和信道编码协议。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

8、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。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

9、示。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。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

10、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

11、，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

12、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

13、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

14、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。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

15、）中，其格式如图2.7所示。图2.7 MPDU数据单元格式（5） VCDU/CVCDU 数据单元为使同步过程简单可靠，SLS 采用长度固定的协议数据单元（虚拟信道数据单元）。为了使数据通过弱信号、强噪声的空间信道时能够简单可靠、稳健的实现同步，需要使用固定长度的 VC_PDU（虚拟信道协议数据单元），并利用同步头进行定界11。VC_PDU 的格式如图2.8所示。图2.8 VCDU/CVCDU数据单元格式2.2 高级在轨系统2.2.1 高级在轨系统的特点AOS协议是在CCSDS制定的COS分包遥测、遥控的基础上发展并完善起来的，它是CCSDS为满足复杂航天器通信的信源多样性、高可靠性、高速、大容

16、量、网络化、标准化和日益增长的国际合作需求而提出的高级在轨系统体制和标准。AOS服务于空地和空空测控、通信以及数据管理系统，可用于处理大容量、高速率数据，并支持不同需要的用户同时访问。该协议将一个物理信道划分为多个虚拟信道并建立统一的高速数据流。利用一个物理信道综合传送各种不同的信息。同时，该协议通过利用合理的合路机制，有效的纠检错措施保证信道的高利用率和高质量的数据传输，从而满足高速率、大容量、多用户的空间飞行器的数据处理和数据传输要求。从应用和设计的角度看，AOS 包括以下6个特点：1 处理新的数字化数据类型。2 在空地数据信道中对称地传送数据，且用户数据率在几比特每秒到几百兆比特每秒的范

17、围内变化。3 结构上采用分层将整个通信网分成具有不同功能且采用不同的数据结构的若层，其中各层的数据单元中均设置导头域，用于记录有用信息，以方便接收端确保正确地提取用户数据。4 采用两种多路复用机制，即包信道多路复用和虚拟信道多路复用，提高了空间数据信道的利用率；在空间链路子网（SLS）中设置虚拟信（VC），每个空间链路子的应用分享一个虚拟信道，各个虚拟信道分时占用物理信道，从而避免长数据源垄断使用其他数据源共享的信道，实现了对信道的有序管理。5 提供用于处理不同类型用户数据的8种不同服务；不同类型的用户采用不同格式的数据单元，但信道只有一条，所以这些数据需要合并为一个数据流，从而实现在一条物理

18、信道上传输。6 设置航天器标识符，为不同航天器进行统一分配，以便在目标端可获得并区分来自不同航天器的数据。涉及高级在轨系统的正式建议书（蓝皮书）目前有以下6个3，即: 1 CCSDS701. 0-B-1:高级在轨系统网络与数据链路:结构说明 2 CCSDS713 . 0-B-1:空间通信协议规范一网络协议 3 CCSDS713 . 5-B-1:空间通信协议规范一安全协议 4 CCSDS714 . 0-B-1:空间通信协议规范一传输协议 5 CCSDS717 . 0-B-1:空间通信协议规范文件协议 6 CCSDS727. 0-B-1: CCSDS文件传递协议2.2.2 服务类型AOS定义了两类

19、业务：端到端业务和空间链路子网业务，这两类业务包括八种不同业务。其具体业务的描述如下。一、端到端业务端到端业务包括路径业务和网间业务两种，不受空间链路的管理。端到端业务在整个CCSDS主网CPN内以异步方式工作。其中，路径业务和网间业务的描述如下：（1） 路径业务：该业务通过CPN端端传输长度可变的应用层业务数据单元。在相对固定的信源和信宿之间传输结构化的中等至很高速率的数据以及大容量的有界数据。通过由网络管理预先建立好的逻辑数据通道LDP（Logical Data Path），使用Path ID来标识LDP，而不需提供完整的端地址，能简捷有效地通过CPN传输数据。路径业务的传输是异步且无序的

20、。虽然路径业务可在CPN的任一方向上工作，但其主要用途却是将大量的高速数据实现空地传输。（2） 网间业务：该业务可认为是路径业务的补充业务。它用来在动态变化的信源和信宿端点之间间断性地传输构造好的低速率、小容量有界数据。其特点是终端的数量和位置可变，并且这种变化是难以预测的；业务信息的数据速率较低，数据量较少。该业务实际上是将商业支持的ISO8473无连接网络协议中ISO8473包封装在CPN通用的CCSDS数据包内，再经空间链路得以传送。网间业务很适合实时交互操作。二、空间链路子网业务空间链路子网业务包括6种子业务。包括：包装业务、插入业务、多路复用业务、位流业务、虚拟信道访问业务、虚拟信道

21、数据单元业务12。这六种业务可以用同步方式或者异步方式工作。它们的具体描述如下。（1） 包装业务该业务是将输入的非CCSDS格式的定界的、长度可变的、按字节排列的数据单元(ESDU)包装在版本1的CCSDS包内，以便在虚拟信道内复用传输。包装业务的传送是异步且有序的。在接收端，将数据单元从CCSDS数据包中取出，按照版本1的特定格式从而恢复出原来的定界数据单元。（2） 复用业务该业务将版本1的CCSDS数据包(包括包装在CCSDS数据包内的非CCSDS格式的定界数据单元)复用在同一个虚拟信道内。然后通过空间链路异步且有序的传输。其具体复用方法是将CCSDS数据包级连起来，直至其长度达到复用业务

22、协议数据单元（MPDU）的最大长度。当一个复用业务协议数据单元被填满后，如果仍有剩余，则将剩余部分放入下一个复用业务协议数据单元中。如果没有足够的有效数据，则需要进行填充。（3） 位流业务该业务是将非定界并且内部结构和边界对数是未知或着保密的位流数据放入位流业务协议数据单元（BPDU）的数据域内，再通过空间链路子网保持顺序的同步或异步传输。位流业务主要用于高速率实时同步数据传送。每一个BPDU仅装载一个虚拟信道的数据量。一个BPDU填满后，剩余数据流接着放入下一个BPDU，并在同一专用虚拟信道内传送。如果某个BPDU没有被有效数据完全填满，可加入填充数据并在导头内设置“位流数据指针”来指明有效

23、数据和填充数据的边界。（4） 插入业务该业务用来等时传送话音或者远程操作控制信息等按字节排列的采样数据信息，该业务适用于实时性要求较高的数据传输。通过将插入业务数据单元(INSDU)放入特定的物理信道上每个VC-PDU中保留的插入区内，从而为用户提供固定、同步的可用时隙。某个物理信道上插入区存在与否由网管设置。插入业务与VCDU业务不能在一条物理信道上同时使用。（5） 虚拟信道访问业务（VCA业务）该业务是将由用户提供的、长度固定的数据单元VCA-SDU放入虚拟信道长度固定的数据域（VCDU/CVCDU）内，通过空间链路有序的同步或者异步传输。（6） 虚拟信道数据单元业务（VCDU业务）该业务

24、是通过SLS传送由用户建立的长度固定的、按字节排齐的VCDU/CVCDU数据，这种传送是有序的且可同步或异步的，并且可以按事先指定的优先级进行传送。此业务只适用于严格按照CCSDS协议构造数据单元的用户，用此业务传输自己构造的VCDU/CVCDU数据，并与虚拟信道访问子层产生的VCDU/CVCDU数据一起多路复用物理信道3。2.3 总结本章详细介绍了 CCSDS AOS 协议。分析了 CCSDS 协议的结构及其应用方式，接着介绍了与AOS系统有关的应用AOS协议的数据格式，单元，AOS特点及其提供的服务等。3 AOS空间通信链路模型的建立AOS是由CCSDS开发用以满足测控与通信数据及其它有效

25、载荷数据进行管理和传输的系统。AOS主要服务于空空、空地、地空测控、通信以及数据管理,其定义了CCSDS主网（CPN）的模型概念,包括星上网络、空间链路子网（SLS）及地面网络三部分。SLS是提供空间站与地面站通信的空地子系统。SLS链路两端节点进行通信前，需要先确认对方已处于就绪状态，然后交换确认或者命令信息等，然后链路才能进行数据传输。所以建立高效、可靠的空间数据业务传输链路已成为世界空间通信的研究热点。 本章根据传统的空间组网方法和基本的网络模型，提出了一种AOS SLS的空间链路建立的协议框架，对链路建立协议进行仿真设计,并给出了建立链路模型的大致流程。3.1 空间信息网络 空间信息网

26、络能够实现汇集和共享空域上分布的海量空间信息资源，对其进行一体化组织与处理，使其具有按需服务能力。空间信息网络按照高度可分成多个层次，每一层都互相联通形成一个子网络，各层之间又相互贯通，构成大的网络系统。空间信息网络可划分为骨干网络和接入终端两部分。骨干网络由位置相对稳定或运行轨道具有规律性且数据处理能力较强的节点组成，包括:地面站、临近空间平台、卫星。接入终端指高速运动的和作为数据端点的设备。空间信息网络不仅要实现接入终端和骨干网络的互连互通，而且要实现骨干节点间有效的互连互通。因此骨干节点间的有效互连是整个空间信息网络能够有效运行的基础。空间信息网络骨干节点有以下三个特点:节点数量变化不大

27、、节点位置相对固定、通信数据量大。空间信息网络数据源包括遥测、遥控、遥感、音视频、计算机程序与文件等，这些信息通过信道复用后，传输数据率百MbPs。空间通信环境与地面通信环境比，具有明显的不同之处。主要表现在：信号延迟大、误码率高、突发错误多。因此，空间信息网络各骨干节点或者子网之间通信前要实现短时延、最优信道选择。并且还需要某种机制来保证通信过程中的通信质量。因此，在通信前建立通信链路，选择合适的物理信道，通信中如果信号质量下降到一定范围，则更新链路。本文将链路建立和链路更新统称为链路建立。链路建立主要工作包括:（l） 结合骨干节点特点对其采用AOS链路建立协议进行总体的设计。（2） 对AO

28、S链路建立协议进行具体设计。（3） AOS链路建立协议模型仿真流程的设计。3.2 空间链路建立的总体设计3.2.1 SLS空间信道划分模式空间信道采用呼叫信道（CC）和业务信道（TC）分离模式。按照频率不同,空间信道被划分为N个CC和M个TC，并编号。CC是链路建立时使用的信道，TC是链路建立成功后专门用于业务通信的信道。一般情况下，CC旁边会跟着几个相近频率的TC，使得业务信道和呼叫信道的信道质量相近以避免业务信道质量差的问题。信道分离模式下每次链路建立成功，呼叫信道保持空闲，业务信道传输数据，从而保证链路建立的快速性和业务传输的高效性。信道分离会产生系统开销，因为要额外确定业务信道的传输特

29、性，并且业务信道进行数据传输时系统要进行扫描。3.2.2 SLS节点的工作模式全网节点采用同步工作模式并依靠全球定位系统提供全网定时，保证了各节点间时差不超过1ms。同步模式下各节点按划分的时隙同速率依次扫描各呼叫信道，扫描信道号n如式所示 n=Nmod(T/slot)+n0。 其中：T为网络时间；n0为节点起始扫描信道号。呼叫信道列表确定后，各节点则知道其他节点正扫描的呼叫信道。所以，主叫节点可以选择空闲呼叫信道，且在未接收握手信号前只需发送一次呼叫信号即可。异步模式下主叫节点在未接收到握手信号前，必须不断地发送呼叫信号。显而易见，在同步模式有效的减小了呼叫信道的数据流量，缩短了链路建立所费

30、时间。3.2.3链路建立协议数据单元设计 链路建立协议数据单元（PDU）按功能不同共分为两种格式,如图3.1所示。图3.1 链路建立协议数据单元格式各PDU长度相同，均为26 bits，均包含2 bits标识符。4 bits或8 bits比特的循环冗余检验（CRC）用来差错检测。其中，主叫节点和被叫节点地址8 bits表示256个SLS节点。链路ID为8 bits，用于主叫节点和被叫节点地址按位与，验证该握手PDU是否由所呼叫的节点发出，指令为3 bits，参数为9 bits,指令和参数代表的信息如表3.2所示。表3.2 握手数据单元格式和参考信息3.2.4 SLS节点驻留周期设计同步模式下，

31、节点在各呼叫信道上驻留(ms)，为驻留周期，又被分为多个驻留时隙。根据空地通信特性，令=150 ms。主叫节点在时隙起始时发送呼叫PDU，被叫节点收到呼叫PDU后，在下一时隙起始时刻发送握手PDU应答。主叫节点根据收到的握手PDU中的ID来判断是否为所呼叫的节点，并在找到最佳业务信道后通知呼叫节点。双方调谐到该业务信道进行数据传输，此时链路建立完成。若主叫节点未收到握手PDU，则进入下一个呼叫信道继续呼叫。的设计与链路建立时间有关。链路建立时间是指从呼叫节点收到上层命令开始,直到链路建立过程的最后一个时隙结束所用的时间。假设成功建立链路的时间为Tsucc,只与信道误码有关，则第一个时隙发送呼叫

32、PDU，第二个时隙成功接收握手PDU的概率如式(1)所示：PTsucc=2=(1-ber)2M （1）其中，M=26bits为PDU的长度，ber为PDU经差错控制编解码后仍然出错的概率。若呼叫节点第二个时隙未收到握手PDU，在第三个时隙继续发送呼叫PDU，则第四个时隙内成功收到握手PDU的概率为：PTsucc=4=1-(1-ber)2M(1-ber)2M （2）假设i足够大，同理可求前2k个时隙没有收到握手PDU，第2k+1个时隙继续发送呼叫PDU，第2k+2个时隙内收到握手PDU的概率为： PTsucc=(2k+2)=1-(1-ber)2Mk(1-ber)2M （3）则不同ber下成功建立

33、链路时间的均值可求得为：ETsucc=(2k+2)1-(1-ber)2Mk(1-ber)2M （4）在高斯信道下对ETsucc进行仿真，仿真框图如图3.3所示。图3.3 链路建立时间仿真流程当卷积编码效率为1/2时，ber与信噪比（SNR）的关系曲线如图3.4所示。图3.4 系统误码率曲线建立链路时间均值和成功概率仿真结果如图3.5所示。图3.5 建链时间与成功概率关系显然,，SNR3dB时，经0.9s，ETsucc1。因此,设计驻留周期如图3.6所示。图3.6 驻留周期图节点首先调谐到所要扫描的信道频率上对其进行扫描。时隙1至时隙4为呼叫握手时隙，这些时隙内发出或者接收呼叫/握手PDU。时隙

34、5内，节点只接受不进行呼叫，否则被叫节点发送的握手PDU将在下一个周期的第一个时隙传输。这时主叫节点已经改变了扫描信道，而握手PDU仍然发到了之前的扫描信道上。从而导致建立失败。3.3 AOS空间链路建立 3.3.1 PDU格式设计（1） 呼叫PDU格式呼叫PDU的基本格式由呼叫PDU标识位、呼叫结点ID号、被叫结点ID号、呼叫优先级和CRC校验位组成。标识位3 bits，呼叫/被叫节点ID号各8 bits，优先级3 bits，CRC校验位6 bits，格式如图3.7所示。图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标识位、链路ID、指令信息、链路参数信息和C

35、RC校验位组成。PDU标识位3 bits，链路ID共8 bits，指令信息位3 bits，链路参数信息位10 bits，格式如图3.8所示。 图3.8 握手PDU格式（3） 撤链PDU格式撤链PDU的基本格式由撤链PDU标识位、呼叫节点ID、被叫节点ID、撤链可能的原因和CRC校验位组成。撤链PDU标识位共3 bits，呼叫节点、被叫节点ID号各8 bits，撤链原因为3 bits，具体如图3.9所示。图3.9 撤链PDU格式（4） 更新请求PDU格式更新请求PDU基本格式由更新请求PDU标识、链路ID、更新请求指令、更新请求参数和CRC校验位组成。更新请求PDU标识位3 bits，链路ID共

36、8 bits，指令信息位3 bits，链路参数信息位10 bits，CRC校验位4 bits，其格式如图3.10所示。 图3.10 更新请求PDU格式（5） 更新应答PDU格式更新应答PDU基本格式由更新应答标识位、呼叫节点、被叫节点ID、更新确定位和CRC校验位组成。更新应答PDU标识位3 bits，呼叫节点、被叫节点ID号各8 bits，更新确定3 bits， CRC校验用6 bits。其格式如图3.11所示。图3.11 更新应答PDU格式3.3.2 AOS链路建立协议算法描述（l） 呼叫骨干节点收到上层链路的建链命令；（2） 节点根据建链命令的优先级选择一个发送呼叫PDU的时隙，若收到的

37、上层建链命令为slot时隙，那么其余时隙为时间系统监听业务信道，更新业务信道信息列表；（3） 首先计算被叫节点的驻留频率，在所选发送时隙的前一时隙立即监听呼叫信道的占用清况，并将监听情况回传给呼叫节点；（4） 节点根据监听的结果，如果确信发送时隙被其他类型PDU占用，那么转（2），否则转继续进行呼叫；（5） 发送呼叫PDU并设置启动时隙超时计时器；（6） 呼叫节点在发送时隙的下个时隙检测是否收到被叫节点的握手PDU。同时，被叫节点扫描驻留信道，检测有无呼叫PDU；（7） 若被叫节点正确收到呼叫PDU，转（8），否则转（6）；（8） 若该呼叫PDU中的标识位为010且被叫节点ID号和本节点先同转

38、（9）；否则，丢弃该呼叫PDU，转（6）；（9） 根据toto业务信道监听信息和呼叫PDU信息，生成握手PDU；（10）在接收到呼叫PDU的时隙的下个时隙，发送握手PDU；（11）被叫节点此次链路建立过程结束，转业务信道开始接收业务数据；同时，呼叫节点在发送呼叫PDU时隙的下个时隙检测监听信道有无握手PDU；（12） 若正确收到握手PDU，转（13），否则转（2）；（13） 呼叫节点根据计算链路ID，若正确转（14），否则转（2）；（14） 检测握手PDU中的指令信息和参数信息域，若握手PDU中指令信息为000，链路建立成功，业务信道根据参数信息开始发送业务信息，否则，丢弃该呼叫PDU；（15

39、） 呼叫节点按照指令信息进行相应的操作，此次链路建立过程结束；3.3.3 AOS链路更新协议算法描述（1） 被叫节点检测到正在使用的业务信道信号质量已经无法满足正常通信所需的标准；（2） 被叫节点立即生成更新请求PDU，同时迅速选择发送更新请求PDU的时隙；（3） 计算呼叫节点的驻留频率，并在所选择发送更新请求PDU的前一时隙监听呼叫信道的占用情况并将监听情况发给被叫节点；（4） 被叫节点根据监听的结果，如果确信发送时隙被其他类型PDU占用，那么转（2），否则转（5）；（5） 发送更新请求PDU，并设置启动时隙超时计时器；（6） 被叫节点在发送时隙的下个时隙检测是否收到呼叫节点的更新应答PDU

40、。同时，呼叫节点不停的扫描驻留信道，检测信道内有无各类PDU；（7） 若呼叫节点正确接收到更新请求PDU，转（8），否则丢弃该PDU转（6）；（8） 根据跟新请求PDU中链路ID域，计算对应的呼叫节点的ID号，查看对应的业务信道，若存在相应的业务信道且质量不满足通信所需，根据更新请求PDU中的信息更新信道，否则丢弃该更新请求PDU转（6）；（9） 生成更新应答PDU，等待下个时隙发送；（10）呼叫节点此次链路更新过程结束，业务信道更新；（11）被叫节点正确收到更新应答PDU，转（12），否则丢弃该跟新应答PDU转（2）；（12）被叫节点转向新的业务信道开始接收业务信息，被叫节点链路更新过程结束

41、；3.3.4 AOS链路建立协议差错控制本协议的差错控制方式采用的是卷积码编码，它是1955年由以利亚斯等人发明的一种非分组码，他是将编码信息分组单独进行编码，通常更适用于向前纠错，因为对于许多实际情况它的性能优于分组码，而且运算比较简单。卷积编码器如图3.12所示。图3.12 卷积编码器卷积编码步骤如下：（l） 用待编码序列信息最后6比特初始化编码器的6个存储单元，即x1到x6；（2） 将待编码序列信息的第一个比特移进单元x6；（3） 以图5.14所示的顺序输出两个编码比特b0和b1；（4） 将下一待编码序列比特位移进x6，再输出两个编码比特b0和b1；（5） 重复（4），直到所有编码比特全

42、部产生；3.3.5 细节设计空间信息网路中骨干节点具有一套特殊的用来链路建立的全双工天线，三套用来业务传输的全双工天线，说明该网络中骨干节点可同时与三个骨干节点进行通信。若呼叫节点同时下达多个呼叫命令，按照呼叫优先级的高低来选择时隙发送呼叫PDU，每个时隙只能发送一个呼叫PDU；若多个呼叫节点同时呼叫同一节点出现冲突时，采用二元指数后退算法来确定等待时间。正在通信的被叫节点收到优先级更高的呼叫PDU命令时，根据优先级类别分别执行。分8种优先级，前三种为抢占式优先级，后五种为非抢占式优先级。建链时，若为抢占式优先级，那么系统将选择所有比自己优先级低的业务信道和空闲信道中质量最好的信道通信，若为非

43、抢占式优先级，则选择空闲信道中质量最优信道通信。多个呼叫节点同时向一个被叫节点发送呼叫PDU时首先和优先级最高的呼叫节点通信，若最高优先级的呼叫PDU有多个，那么按照“先来先通信”的原则，其他的呼叫PDU丢弃。业务信道质量信息的获取采用自适应跳频信道无源确认技术，它无需系统不间断的发送各种形式的探测信号，就可以确定判决门限，并且适应于任何频段。链路撤销条件有两个：收到撤链PDU和一个时隙没有收到任何数据，满足这两个条件的任何一个，系统将直接撤销该条链路11。3.3.6 空间链路建立协议模型流程空间链路建立协议的工作流程如图3.13所示。图3.13 空间链路建立协议工作流程图3.4 总结本章通过

44、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。4 卷积码的编译码性能分析4.1 卷积码卷积码于1955年由Elias提出。其在编码过程中将一个码组中的 r 个监督码与信息元的相关性从本码组扩展到以前若干段时刻的码组，在译码时不仅从此时刻收到的码组中提取译码信息，而且还可从与监督码相关的各码组中提取有用的译码信息。无论从理论上还是实际上均证明卷积码实现最佳和准最佳译码比较容易而且效率高，误码率低。本章采用比较通用的（2,1,7）卷积码编码。（2,1,7）卷积码是目前AOS

45、系统和其它通信系统中广泛使用的一种标准卷积码，也是国际空间数据系统协调委员会正式推荐作为遥测信道编码标准的两种编码方式之一本文研究的是应用于AOS系统的卷积码。 卷积码的译码方法有两类,一类是大数逻辑译码,又称门限译码,另一类是概率译码,概率译码又分为维特比译码和序列译码两种。门限译码的方法是以分组码理论为基础的,其译码设备简单,速度快,但其误码性能要比概率译码差，是基于码的网图基础上的一种最大似然译码算法，是一种最佳的概率译码方法。当编码约束度不太大或者误码率要求不太高时，它的设备比较简单，用硬件译码计算速度快。维特比译码是1967年由viterbi 提出,近年来有大的发展,目前在数字通信的

46、前向纠错系统中用的较多,而且在卫星深空通信中的应用很多,维特比算法的基本原理是将接受到的信号序列和所有可能的发送序列比较,选择其中汉明距离最小的序列认为是当前发送的序列。本章将通过对维特比译码的研究分析卷积码编译码的性能。4.2 卷积编码（2,1,7）卷积码的 k=1，n=2，m=7，该码的生成多项式为（171，133），自由距离d=10，其编码器结构如图4.1所示。图4.1 (2,1,7)卷积码编码结构图该卷积编码结构包括6个移位寄存器，即 m=6，所以编码器的状态数有2m=64。设状态为 S0，S1，S63，若用十进制表示，则可记为Si=i；若用二进制表示，可以写为Si=b1b2b3b4b

47、5b6，bi=0或1。因为k0=1，所以每个状态都可以通过两种不同状态在输入相同的信息元后转移而来，同时在输入不同的信息元后转移到另外两种不同的状态，状态之间的转化关系是固定不变的。假设状态 Si=b1b2b3b4b5b6 在输入信息元 b0 后转化为了状态Sj=b0b1b2b3b4b5，可以得到i与j之间固定的关系：如输入比特0，S0和S32转移为S0；如输入比特1，S0和S32转移为S1。根据这个关系，就可以很容易地确定状态的前后转移关系。4.3 Viterbi译码维特比译码就是在接收码元序列的控制下,在网格图上走编码所走的过程,寻找最大似然路径,其关键的运算就是“加比选”过程,通过对路径

48、量度相加、比较,选择出幸存路径。在不同的信道中其量度的方式不同,在二进制对称信道（BSC）中,汉明距离是最大似然准则的等效量度,求出与接收序列汉明距离最小的路径为其幸存路径,这就是通常所说的硬判决。而在离散无记忆信道中（DMC） ,软判决译码器采用的是欧氏距离,其可信度最高者为幸存路径。通常软判决译码器比硬判决译码器的性能要好2dB3dB ,并且其译码结构并不比硬判决复杂。虽然维特比译码的性能达到了最佳,但其复杂性随约束度指数增加的局限性,限制了其误码率不能达到很低。在误码率要求不高的卫星通信和其它通信系统中,这成为标准技术而广泛应用。Viterbi 算法的基本思想就是利用编码网格图，在其中搜

49、索一条路径，使其最接近实际路径，搜索到的这条路径称为幸存路径。因此Vitebi译码算法实质上就是最大似然译码，它是逐步去除网格图上不可能成为最大似然路径者来搜索幸存路径。对于（2,1,7）卷积码，若采用 Viterbi 算法，则共有64种状态，在每一个译码时刻都有2条路径到达同一状态。在这2条路径中，将累积度量最小的一条保留下来，而将另一条路径淘汰。因此，在每个译码周期只保留64条幸存路径，任意一条幸存路径代表一个确定的信息序列（即编码器输入序列）。一个完整的 Viterbi 译码器一般必须包括以下7个部分：状态发生器、累加器、比较器、度量值寄存器、信息序列寄存器、判决器、其它控制电路等，如图

50、4.2所示。图4.2 维特比译码器结构对于（2,1,7）卷积码，在一个译码周期内，累加器组完成128条支路度量的计算，比较器组完成同一状态的路径距离值比较，将较小者存入64个度量值寄存器。判决器选出64个信息序列寄存器中的最小者，并将相应信息序列寄存器的译码结果输出。4.4 卷积码编译码性能分析4.4.1 码率对误码性能的影响卷积码的码率R=k/n，他是卷积码的一个重要参数当改变卷积码的码率时，系统的误码性能也将随之发生变化。当码率一定时随着信道噪声的逐渐减小，系统的误比特率也逐渐减小。当改变系统码率时，随着卷积码码率的逐渐提高，系统的误比特率也呈现出增大的趋势，也就是说码率越低，系统的误比特

51、率就越小，误码性能就越好。然而，信道带宽和译码器的复杂性也将相应地增加。因此，对于二进制对称信道，当采用BPSK 调制方式时，通常选取的码率为1/2。4.4.2 约束长度对误码性能的影响对于码率一定的卷积码，当约束长度N发生变化时，系统的误码性能也会随之发生变化，随着约束长度的逐渐增加，系统的误比特率明显降低，所以说当码率一定时，增加约束长度可以降低系统的误比特率，但是随着约束长度的增加，译码设备的复杂性也会随之增加，所以对于码率为1/2的卷积码，我们在选取约束长度时一般为39。4.4.3 回溯长度对卷积码性能的影响回溯长度是在 Viterbi 译码过程中一个很重要的参数，他决定了译码延迟，随

52、着他的不断变化，误码性能也随之而变化。当回溯长度一定时，随着信道噪声的逐渐减小，系统的误比特率逐渐降低；当回溯长度逐渐增加，系统的误比特率随之逐渐降低，但是当回溯程度 S 增加到 S5N 时（N 为编码的约束长度），误比特率数值趋于稳定，因此，在确定回溯长度时既要考虑到随着 S 的增加误比特率随之降低的趋势，也要考虑到译码延迟会变大，在选取回溯长度时，通常取 S=5N13。4.5 总结本章对AOS高级在轨系统中的卷积码和卷积码的编译码的做了简单的介绍，通过对卷积码的编码和译码其结构，方法，特征研读，进而对其自身的性能进行了一定程度的分析，卷积码在卫星通信中有着重要的应用，其纠错能力使得它在信息

53、传输过程中得到了充分的应用，但其自身也存在一定的不足之处。5 AOS系统卷积码仿真 AOS系统中信道编码时多采用卷积编码。之所以卷积码能得到在AOS高级在轨系统中如此的重视和应用得益于其不错的纠错能力性能，即对信道传输数据的误码纠错能力。第四章对其纠错性能进行了论述分析。因此，本章将利用MATLAB软件编辑程序，对卷积码的纠错性能进行仿真实验。5.1 MATLAB简介MATLAB（矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除

54、了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C+和FORTRAN）编写的程序。20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进

55、行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域18。5.1.1 软件特点1 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;3 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。5.1.2 编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具

56、采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。5.1.3 软件优势Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C+语言基础上的，因此语法特征与C+语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。鉴于mablab的应用范围和其自身的特点及优势，本文采用MATLAB来作为毕业设计的实用软