[发明专利]基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法

说明书

技术领域

本发明属于星地通讯技术领域，更具体地说，属于一种基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法。

背景技术

随着航空航天、载人飞船和轨道空间站技术的发展，人类空间活动进入空间站时代；星地通信在广播、电视、气象、救援等领域发挥着越来越重要的作用。人们对于星地通信的数据需求量也在不断扩大。

而空间站数据系统是空间站的重要组成部分，为了解决空间任务中存在的数据处理问题，美国航宇局(NASA)、欧洲空间局(ESA)和许多其他国家的空间局成立了空间数据系统咨询委员会(CCSDS)。CCSDS的第一套成熟建议(COS)是针对常规任务的空间数据系统提出的，为适应许多新的系统和新的空间任务对数据系统的更高要求，CCSDS拓展了原有的常规建议，提出了拥有灵活多样的数据处理业务的高级在轨系统(AOS)建议。

传统的C、Ku频段难以满足大量、高速数据的传输，因而更高频段、更宽带宽、更窄波束的Ka频段将逐渐被采用。在星地通信系统中，常采用吞吐量(单位时间接收到的有效用户数据量)来衡量其性能，而影响系统吞吐量大小的一个主要参数是传输帧的帧长，因而进行帧长设计是非常必要的。

CCSDS在AOS协议中建议卫星通信系统传输帧的长度为定长值，优点是易于传输帧的提取，且成帧效率高；但Ka频段的星地信道受雨、水蒸汽、云雾、氧气和闪烁的影响，会造成信道误比特率的变化，若系统仍采用固定的帧长，则会造成吞吐量的大幅降低，从而影响系统性能。

空间站数据系统的数据源大体可分为两类：一类数据量较小且分布分散，例如遥控响应数据、故障数据及突发事件数据等，正常状态下的工程数据也属于此类，称为分散数据；另一类是大容量传送的数据，例如电视图像、静止图像、科学实验数据等，称为集中数据。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种基于Ka频段星地通信系统的帧长设计方法。

本发明中设传输帧的格式包括帧头、帧尾和帧数据域三部分，帧头用于说明数据帧的版本号、源地址、帧长等信息；帧尾是校验信息位，

帧长设计时，按照系统归一化吞吐量与帧长的关系来设计，其中：η_f为帧效率(传输帧中帧数据域长与帧长之比)；L_f为帧长；p_e为信道误比特率，

设信道为无记忆随机差错信道，即前后码元互不相关，具有等概无记忆特性。首先获得系统吞吐量最大时的传输帧长——最优帧长，即对归一化吞吐量表达式求极值，使得到最优帧长

Lfo=Cf+Cf2-4Cf/ln(1-pe)2,]]>

其中C_f为帧头和帧尾长度之和。

由此可见，对不同的p_e，都会找到一个L_fo使系统吞吐量最大。但是如果信道的误比特率不断变化，则要不断改变传输帧的长度，这在实现的时候很困难，同时，帧格式中应该有关于帧长的说明，误比特率为10^-7时，最优帧长为3166字节，因此需要12比特来标识帧的长度，当信道误比特率更低时，需要标识帧长的比特数也会越多。接收端解帧的时候每次都需要判断帧的长度，如果某一帧的长度标识出错，那么包括这一帧在内，后续多个帧都可能无法正确解出，因而大大影响了系统的通信质量。

所以本发明按照最小二乘法的原理，将吞吐量随帧长变化曲线相近的误比特率区间划为一段，设计一个帧长，满足该区间各种信道状况下最大吞吐量与该帧长时吞吐量的差值平方和最小。