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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： 针对深空通信中采用固定速率进行数据传输会影响通信质量和系统吞吐量的问题， 提出了一种基于CCSDS协议标准的收发机自适应传输方案。 该方案主要根据接收信号的质量， 动态地改变数据传输的码速率， 即通过实时地估计接收端信噪比， 对信号传输速率做出调整， 从而在保证系统误码率的前提下提高系统的通信质量和吞吐量。 在此基础上， 利用以Xilinx Virtex5 FPGA芯片为核心的硬件平台对系统方案进行实现及验证， 并分析比较了系统吞吐量。 实验结果表明， 该系统方案实现结构简单， 在0 dB以上的高斯白噪声背景下， 能实现接收端信噪比的实时估计和整个系统速率的自适应调整。
关键词： 深空通信； 自适应传输； 吞吐量； 信噪比估计； CCSDS
中图分类号： TN927.3文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2017）01-0083-06[SQ0]
0引言
随着空间技术的不断发展， 越来越多的国家开始开展空间探测任务。 为适应多航天器任务， 20世纪80年代初， 由NASA和ESA等主要空间国家联合组织发起成立了空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems， CCSDS）。 CCSDS针对深空通信特点， 提出了邻近空间链路协议， 该协议旨在制定一个统一的标准， 以规范航天器之间以及航天器与地面设备之间的通信协议、 数据交换和处理， 以适应日益复杂的空间任务需求， 同时也有效地促进了各国与各空间组织之间的合作与支持[1]。 随着CCSDS协议标准被越来越多的国家所采纳， 国内在深空通信领域逐渐采用其协议标准也将成为必然[2]。
与传统的地面无线信道相比， 深空通信过程中的信道状况复杂恶劣， 存在很大的时变性和复杂性[3]， 其接收信号质量便受到深空信道影响。 因此， 如何在保证误码率的前提下， 提高系统的吞吐量成为当前深空通信研究的重点之一。
自适应传输策略在无线移动通信系统中已得到广泛应用， 其基本思想就是通过对发射功率、 码元速率、 调制方式、 编码方式、 纠错码等参数的自适应改变， 来降低系统误码率和提高系统吞吐量[4]。 本文立足于CCSDS-211邻近空间链路协议标准， 设计了一种能根据接收信号质量实时改变系统传输参数的方案， 并结合FPGA硬件电路的特点， 对该方案进行实现验证。
1自适应传输系统方案
1.1系统方案
本文提出的满足CCSDS-211协议标准的自适应变速率传输系统方案见图1。
首先， 本地接收机将经过载波同步和符号同
步后的输出信号进行信噪比估计， 再将该值与参考值进行比较， 比较结果映射出速率控制字并传
息分为两种： 发射机速率和接收机速率， 接收机速率信息用来对本地接收机进行速率切换， 而发射机速率信息则用来改变本地发射机速率， 同时也会加入到状态控制帧中。 当本地发射机检测到准备好的状态控制帧， 将切换工作模式， 暂停正在传送的数据帧转而传送状态控制帧。 最后， 远程接收机经过状态字提取模块获取速率信息， 得到的接收速率信息用来控制接收机调整到对应的速率。
需要指出的是， CCSDS-211协议中带有自动重传请求（Auto Repeat Request， ARQ）机制、 循环冗余校验码和（2，1，7）卷积编码模式， 因此可以保证在信噪比较差情况下进行一定程度的检测和纠正误比特， 并在出错情况下要求数据帧和状态控制帧重传。 本文主要分析自适应变速率机制， 对检错、 纠错和重传机制不作具体讨论。
1.2CCSDS协议帧结构
在邻近空间链路进行数据传输时以可变长度的邻近链路传输单元（Proximity Link Transmission Unit， PLTU）为基本单位， 其基本组成由附加同步标志位（Attached Synchronization Marker， ASM）、 V-3傳输帧和32位循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check， CRC）组成， 结构如图2所示。
V-3帧的数据域可以分为服务数据单元（Service Data Unit， SDU）和监督协议数据单元（Supervisory Protocol Data Unit， SPDU）， SPDU有定长和可变长之分， 其帧格式中包含物理层的控制信息， 诸如频点、 调试方式、 数据速率等。 本文中自适应速率变换方案用到的是可变长的SPDU， 其数据单元格式如表1所示， 其中13～15 bit用以区分发射机还是接收机， 3～6 bit设置发射机/接收机速率[5]。
1.3参数指令转换流程
在双方通信过程中， 如果任意一方在发送数据的过程中， 提出参数变更， 则本地发射机中断SDU的传输， 切换至指令发送状态， 将本地变更指令组帧成SPDU发送， 如果远程未正确接收， 本地发射机就会因超时重传变更指令， 直至远程接收机正确收到变更指令， 当发送成功后再切入数据传输状态。 同时， 如果任意一方接收到远程变更指令后， 則需要根据从其中提取出的参数对本地发射机和接收机的参数做出变更。 在变速率过程中， 本地由于更改了接收机速率， 导致符号同步失锁， 需要重置接收机参数， 等待重新同步。 图3显示了整个收发系统变速率过程中参数指令的转换流程。
2关键算法设计
由于信号带宽与码元传输速率成正比， 通过降低码元速率可降低传输带宽， 接收端自适应滤波器带宽随之减小， 带内噪声降低， 信号功率不变时信噪比升高。 因此， 数据传输过程中信噪比与码元速率存在比例关系， 可以根据估计出信号的信噪比来调整速率。 2.1经典信噪比估计
常见信噪比估计算法有二阶四阶矩（M2M4）估计[6-8]、 信号方差比（SVR）估计[9]、 平方信号与噪声方差（SNV）估计[10]和数据拟合（DF）估计[11]。 其中， M2M4估计算法利用接收到的最佳采样信号估计出对应的二阶矩和四阶矩， SVR 估计算法是基于匹配滤波器输出的最佳采样数据的平方的自相关性， SNV估计算法是利用高斯信道中的通用通信模型， DF估计算法则是将关于信噪比的表达式用一段时间内的多项式近似表示， 均可计算出相应的信噪比。
假设接收信号都是各态历经的， 信号调制方式为QPSK， 噪声为高斯白噪声， 统计平均的持续长度取2 000， 信噪比估计值的个数为500， 信噪比仿真范围[-20， 25] dB。 根据计算出的样本均值分析上述四种算法的估计性能， 如图4所示。 从图中可以看出， M2M4估计与SVR估计在信噪比大于-5 dB时性能接近， 且基本与实际值吻合； SNV估计在信噪比大于5 dB时才逐渐趋于实际值； DF估计在信噪比处于[-5，15] dB时估计性能较好， 与实际值偏差较小。
2.2SNV_DF联合估计
通过对以上四种经典的信噪比估计算法的仿真， 可以看出， M2M4和SVR估计算法综合估计性能优于SNV估计和DF估计， 但是M2M4和SVR在估计表达式中存在4次方以及算术平方根的运算， 运算复杂度较大， 在工程中实现较为困难。 SNV在5 dB以上其估计性能接近M2M4， DF在[0，9] dB时可以用2次（DF-2）或3次（DF-3）多项式代替5次多项式， 不仅估计性能上能满足要求， 在算法实现中也降低了复杂度。
本文将SNV与DF两种估计算法相结合进行0 dB以上信噪比的估计， 其基本原理是： DF-2多项式估计复杂度较低， 可用于估计出前级信噪比的粗略范围， 当信噪比低于9 dB时用DF-3次多项式估计， 大于9 dB时则用SNV估计。 这种联合估计方法不仅具有较低的实现难度和资源消耗， 在信噪比估计性能方面也能同时满足系统的需求。
图6给出了SNV_DF联合估计与M2M4估计性能的对比。 从图中可以看出， 利用SNV和DF两种估计进行联合的信噪比估计范围已经接近M2M4估计， 并且与实际的信噪比值趋于一致。
2.3自适应速率门限确定
本文速率切换的信噪比门限的选取思路如下： 首先确定好系统的误码率， 然后在某一档速率下， 根据系统误码率与输出信噪比的关系， 找出对应误码率下的信噪比值， 即作为该速率下的门限值。 类似地， 可以确定不同速率下的门限值。 理论上， 当速率相差两倍时， 其门限值相差3 dB。 在实际传输过程中， 根据估计出的信噪比值与指定误码情况下信噪比值的差值， 确定需要切换几档速率。 其中输入信噪比是指接收机自动增益模块后的信号信噪比， 输出信噪比是经过正交解调从匹配滤波器输出的信号信噪比。
CCSDS协议涉及的传输速率分为12档， 1～2 048 Kb/s（1 Kb/s， 2 Kb/s， 4 Kb/s， 8 Kb/s， …， 2 048 Kb/s）[12]， 误码率要求达到1×10-6。 图7给出了QPSK信号在高斯信道下系统误码率随输出信噪比的变化关系。 从图中可以看出， 当误码率满足1×10-6要求时， 对应的信噪比需达到15.5 dB。
图8给出了QPSK信号在12种码元速率下输出信噪比与输入信噪比的关系。 从图中可以看出， 在输入信噪比一定的情况下， QPSK信号输出信噪比随着码元速率的降低而不断增大。 当速率相差2倍关系时， 输出信噪比差值接近3 dB。 因此， 在实现过程中可通过计算估计出的信噪比与15.5 dB之间的差值， 当差值大于3 dB时， 适当进行降速或提速， 将差值缩小在3 dB以内， 以保证在实际数据传输过程中误码性能始终满足系统要求。 在实际数传过程中， 尤其在信噪比较低情况下， 加入32位的CRC检错码和（2，1，7）纠错码， 可以进一步降低误比特率， 提高系统传输性能。
2.4速率切换原理
速率切换的基本方式有两种： 一种是逐级跳变， 一种是直接跳变。 逐级跳变是根据估计出的信噪比与门限值比较， 当信噪比小于门限时， 速率降一档， 反之升一档； 而直接跳变则是计算估计出的信噪比与门限的差值， 计算出需要达到系统误码性能要求的速率档位与此时对应档位的差距， 然后将速率直接跳变至对应档位。 考慮到深空通信中信道的时变性和延迟大的特性， 逐级跳变可能无法跟上信道的变化， 而且过多的跳变容易导致系统工作不稳定。 因此， 本文采用直接跳变的方式来自适应切换速率。
基于上述速率自适应的速率切换原理， 其框图如图9所示， 收发端进行速率切换的方式主要体现在整数倍改变抽取或内插倍数以及整数倍切换数据时钟两方面。 载波同步中根据接收的状态信息， 对时钟产生模块和CIC抽取模块进行控制， 产生整数倍关系的时钟和插值倍数， 使得CIC抽取后的信号采样率与码元速率的比值保持不变。
可以看出， 自适应传输系统10 s内的吞吐量性能优于固定速率下的吞吐量性能。 随着信噪比的增大， 自适应速率与固定速率之间的吞吐量差距先减小后增大， 原因是当信噪比值小于门限值时， 自适应调整速率过程中最大速率与固定速率相同， 当信噪比值逐渐趋于门限值时， 自适应过程与固定速率情况相同， 则吞吐量逐渐逼近； 信噪比值超过门限值时， 自适应调整速率过程会自动提高传输速率， 并且能够保持较低的误码性能， 保证其高效率传输。
4结论
本文针对深空通信中采用固定速率传输时系统通信質量和吞吐量不高的问题， 提出了一种基于CCSDS协议标准的自适应速率传输系统方案。 该自适应变速率机制根据接收端估计出的信噪比实时地得出自适应调整后的速率， 并通过状态字组帧反馈给远程接收机； 同时本地接收机根据提取的远程发射机发送的控制信息， 动态地调整本地接收机和发射机的速率。 实验及分析结果表明， 该自适应方案的电路结构简单， 能较好对0 dB以上的高斯白噪声进行信噪比的实时估计， 并且实时地动态调整收发系统的速率， 在满足系统要求的误码率的同时， 提高了系统的传输性能和吞吐量， 可为今后深空通信收发机的自适应传输提供有益参考。 參考文獻：
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Zhao Heping， Li Ningning. Implementation of oCCSDS Standard in Military Space Mission[J]. Spacecraft Engineering， 2007， 16（4）： 78-82.（in Chinese）
[2] 杨奕飞， 丛波， 李强. CCSDS标准在新一代航天测控系统中的应用研究[J]. 电讯技术， 2007， 47（5）： 166-168.
Yang Yifei， Cong Bo， Li Qiang. Application of CCSDS Standard in New Space TT&C Systems[J]. Telecommunication Engineering， 2007， 47（5）： 166-168.（in Chinese）
[3] 张更新， 谢智东， 沈志强. 深空通信的现状与发展[J]. 数字通信世界， 2010（4）： 82-86.
Zhang Gengxin， Xie Zhidong， Shen Zhiqiang. Current Situation and Development of Deep Space Communication[J]. Digital Communication World， 2010（4）： 82-86.（in Chinese）
[4] 韩钢. 自适应单载波、 多载波调制中信号盲检测技术研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2003.
Han Gang. Research on Blind Signal Detection Techniques in Adaptive Single and MultiCarrier Modulation[D]. Xi’an： Xidian University， 2003.（in Chinese）
[5] CCSDS. Proximity1 Space Link ProtocolData Link Layer Recommendation for Space Data System Standards[S]. CCSDS 211.0-B-5. Reston， VA： CCSDS， Blue Book， 2013.
[6] Ren Guangliang， Chang Yilin， Zhang Hui. A New SNR’s Estimator for QPSK Modulations in an AWGN Channel[J]. IEEE Transactions on Circuits and SystemsII： Express Briefs， 2005， 52（6）： 336-338.
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摘要： 针对深空通信中采用固定速率进行数据传输会影响通信质量和系统吞吐量的问题， 提出了一种基于CCSDS协议标准的收发机自适应传输方案。 该方案主要根据接收信号的质量， 动态地改变数据传输的码速率， 即通过实时地估计接收端信噪比， 对信号传输速率做出调整， 从而在保证系统误码率的前提下提高系统的通信质量和吞吐量。 在此基础上， 利用以Xilinx Virtex5 FPGA芯片为核心的硬件平台对系统方案进行实现及验证， 并分析比较了系统吞吐量。 实验结果表明， 该系统方案实现结构简单， 在0 dB以上的高斯白噪声背景下， 能实现接收端信噪比的实时估计和整个系统速率的自适应调整。
关键词： 深空通信； 自适应传输； 吞吐量； 信噪比估计； CCSDS
中图分类号： TN927.3文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2017）01-0083-06[SQ0]
0引言
随着空间技术的不断发展， 越来越多的国家开始开展空间探测任务。 为适应多航天器任务， 20世纪80年代初， 由NASA和ESA等主要空间国家联合组织发起成立了空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems， CCSDS）。 CCSDS针对深空通信特点， 提出了邻近空间链路协议， 该协议旨在制定一个统一的标准， 以规范航天器之间以及航天器与地面设备之间的通信协议、 数据交换和处理， 以适应日益复杂的空间任务需求， 同时也有效地促进了各国与各空间组织之间的合作与支持[1]。 随着CCSDS协议标准被越来越多的国家所采纳， 国内在深空通信领域逐渐采用其协议标准也将成为必然[2]。
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自适应传输策略在无线移动通信系统中已得到广泛应用， 其基本思想就是通过对发射功率、 码元速率、 调制方式、 编码方式、 纠错码等参数的自适应改变， 来降低系统误码率和提高系统吞吐量[4]。 本文立足于CCSDS-211邻近空间链路协议标准， 设计了一种能根据接收信号质量实时改变系统传输参数的方案， 并结合FPGA硬件电路的特点， 对该方案进行实现验证。
1自适应传输系统方案
1.1系统方案
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需要指出的是， CCSDS-211协议中带有自动重传请求（Auto Repeat Request， ARQ）机制、 循环冗余校验码和（2，1，7）卷积编码模式， 因此可以保证在信噪比较差情况下进行一定程度的检测和纠正误比特， 并在出错情况下要求数据帧和状态控制帧重传。 本文主要分析自适应变速率机制， 对检错、 纠错和重传机制不作具体讨论。
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V-3帧的数据域可以分为服务数据单元（Service Data Unit， SDU）和监督协议数据单元（Supervisory Protocol Data Unit， SPDU）， SPDU有定长和可变长之分， 其帧格式中包含物理层的控制信息， 诸如频点、 调试方式、 数据速率等。 本文中自适应速率变换方案用到的是可变长的SPDU， 其数据单元格式如表1所示， 其中13～15 bit用以区分发射机还是接收机， 3～6 bit设置发射机/接收机速率[5]。
1.3参数指令转换流程
在双方通信过程中， 如果任意一方在发送数据的过程中， 提出参数变更， 则本地发射机中断SDU的传输， 切换至指令发送状态， 将本地变更指令组帧成SPDU发送， 如果远程未正确接收， 本地发射机就会因超时重传变更指令， 直至远程接收机正确收到变更指令， 当发送成功后再切入数据传输状态。 同时， 如果任意一方接收到远程变更指令后， 則需要根据从其中提取出的参数对本地发射机和接收机的参数做出变更。 在变速率过程中， 本地由于更改了接收机速率， 导致符号同步失锁， 需要重置接收机参数， 等待重新同步。 图3显示了整个收发系统变速率过程中参数指令的转换流程。
2关键算法设计
由于信号带宽与码元传输速率成正比， 通过降低码元速率可降低传输带宽， 接收端自适应滤波器带宽随之减小， 带内噪声降低， 信号功率不变时信噪比升高。 因此， 数据传输过程中信噪比与码元速率存在比例关系， 可以根据估计出信号的信噪比来调整速率。 2.1经典信噪比估计
常见信噪比估计算法有二阶四阶矩（M2M4）估计[6-8]、 信号方差比（SVR）估计[9]、 平方信号与噪声方差（SNV）估计[10]和数据拟合（DF）估计[11]。 其中， M2M4估计算法利用接收到的最佳采样信号估计出对应的二阶矩和四阶矩， SVR 估计算法是基于匹配滤波器输出的最佳采样数据的平方的自相关性， SNV估计算法是利用高斯信道中的通用通信模型， DF估计算法则是将关于信噪比的表达式用一段时间内的多项式近似表示， 均可计算出相应的信噪比。
假设接收信号都是各态历经的， 信号调制方式为QPSK， 噪声为高斯白噪声， 统计平均的持续长度取2 000， 信噪比估计值的个数为500， 信噪比仿真范围[-20， 25] dB。 根据计算出的样本均值分析上述四种算法的估计性能， 如图4所示。 从图中可以看出， M2M4估计与SVR估计在信噪比大于-5 dB时性能接近， 且基本与实际值吻合； SNV估计在信噪比大于5 dB时才逐渐趋于实际值； DF估计在信噪比处于[-5，15] dB时估计性能较好， 与实际值偏差较小。
2.2SNV_DF联合估计
通过对以上四种经典的信噪比估计算法的仿真， 可以看出， M2M4和SVR估计算法综合估计性能优于SNV估计和DF估计， 但是M2M4和SVR在估计表达式中存在4次方以及算术平方根的运算， 运算复杂度较大， 在工程中实现较为困难。 SNV在5 dB以上其估计性能接近M2M4， DF在[0，9] dB时可以用2次（DF-2）或3次（DF-3）多项式代替5次多项式， 不仅估计性能上能满足要求， 在算法实现中也降低了复杂度。
本文将SNV与DF两种估计算法相结合进行0 dB以上信噪比的估计， 其基本原理是： DF-2多项式估计复杂度较低， 可用于估计出前级信噪比的粗略范围， 当信噪比低于9 dB时用DF-3次多项式估计， 大于9 dB时则用SNV估计。 这种联合估计方法不仅具有较低的实现难度和资源消耗， 在信噪比估计性能方面也能同时满足系统的需求。
图6给出了SNV_DF联合估计与M2M4估计性能的对比。 从图中可以看出， 利用SNV和DF两种估计进行联合的信噪比估计范围已经接近M2M4估计， 并且与实际的信噪比值趋于一致。
2.3自适应速率门限确定
本文速率切换的信噪比门限的选取思路如下： 首先确定好系统的误码率， 然后在某一档速率下， 根据系统误码率与输出信噪比的关系， 找出对应误码率下的信噪比值， 即作为该速率下的门限值。 类似地， 可以确定不同速率下的门限值。 理论上， 当速率相差两倍时， 其门限值相差3 dB。 在实际传输过程中， 根据估计出的信噪比值与指定误码情况下信噪比值的差值， 确定需要切换几档速率。 其中输入信噪比是指接收机自动增益模块后的信号信噪比， 输出信噪比是经过正交解调从匹配滤波器输出的信号信噪比。
CCSDS协议涉及的传输速率分为12档， 1～2 048 Kb/s（1 Kb/s， 2 Kb/s， 4 Kb/s， 8 Kb/s， …， 2 048 Kb/s）[12]， 误码率要求达到1×10-6。 图7给出了QPSK信号在高斯信道下系统误码率随输出信噪比的变化关系。 从图中可以看出， 当误码率满足1×10-6要求时， 对应的信噪比需达到15.5 dB。
图8给出了QPSK信号在12种码元速率下输出信噪比与输入信噪比的关系。 从图中可以看出， 在输入信噪比一定的情况下， QPSK信号输出信噪比随着码元速率的降低而不断增大。 当速率相差2倍关系时， 输出信噪比差值接近3 dB。 因此， 在实现过程中可通过计算估计出的信噪比与15.5 dB之间的差值， 当差值大于3 dB时， 适当进行降速或提速， 将差值缩小在3 dB以内， 以保证在实际数据传输过程中误码性能始终满足系统要求。 在实际数传过程中， 尤其在信噪比较低情况下， 加入32位的CRC检错码和（2，1，7）纠错码， 可以进一步降低误比特率， 提高系统传输性能。
2.4速率切换原理
速率切换的基本方式有两种： 一种是逐级跳变， 一种是直接跳变。 逐级跳变是根据估计出的信噪比与门限值比较， 当信噪比小于门限时， 速率降一档， 反之升一档； 而直接跳变则是计算估计出的信噪比与门限的差值， 计算出需要达到系统误码性能要求的速率档位与此时对应档位的差距， 然后将速率直接跳变至对应档位。 考慮到深空通信中信道的时变性和延迟大的特性， 逐级跳变可能无法跟上信道的变化， 而且过多的跳变容易导致系统工作不稳定。 因此， 本文采用直接跳变的方式来自适应切换速率。
基于上述速率自适应的速率切换原理， 其框图如图9所示， 收发端进行速率切换的方式主要体现在整数倍改变抽取或内插倍数以及整数倍切换数据时钟两方面。 载波同步中根据接收的状态信息， 对时钟产生模块和CIC抽取模块进行控制， 产生整数倍关系的时钟和插值倍数， 使得CIC抽取后的信号采样率与码元速率的比值保持不变。
可以看出， 自适应传输系统10 s内的吞吐量性能优于固定速率下的吞吐量性能。 随着信噪比的增大， 自适应速率与固定速率之间的吞吐量差距先减小后增大， 原因是当信噪比值小于门限值时， 自适应调整速率过程中最大速率与固定速率相同， 当信噪比值逐渐趋于门限值时， 自适应过程与固定速率情况相同， 则吞吐量逐渐逼近； 信噪比值超过门限值时， 自适应调整速率过程会自动提高传输速率， 并且能够保持较低的误码性能， 保证其高效率传输。
4结论
本文针对深空通信中采用固定速率传输时系统通信質量和吞吐量不高的问题， 提出了一种基于CCSDS协议标准的自适应速率传输系统方案。 该自适应变速率机制根据接收端估计出的信噪比实时地得出自适应调整后的速率， 并通过状态字组帧反馈给远程接收机； 同时本地接收机根据提取的远程发射机发送的控制信息， 动态地调整本地接收机和发射机的速率。 实验及分析结果表明， 该自适应方案的电路结构简单， 能较好对0 dB以上的高斯白噪声进行信噪比的实时估计， 并且实时地动态调整收发系统的速率， 在满足系统要求的误码率的同时， 提高了系统的传输性能和吞吐量， 可为今后深空通信收发机的自适应传输提供有益参考。 參考文獻：
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