一種面向深空通信的網(wǎng)絡(luò)調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及深空通信領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種面向深空通信的網(wǎng)絡(luò)調(diào)制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1.深空通信的特點(diǎn)
[0003] 在深空探測的過程中，深空通信起著關(guān)鍵的作用，只有保證了深空通信系統(tǒng)的正 常運(yùn)行才有可能使得深空探測任務(wù)獲得成功，而深空通信面臨著地面通信和衛(wèi)星通信所不 具備的特殊困難，運(yùn)是因?yàn)樯羁招诺谰哂腥缦碌奶攸c(diǎn)：距離遠(yuǎn)、時(shí)延大、信道具有衰落特性、 工作頻率高，可用頻帶寬、鏈路易中斷、上、下行鏈路不對稱等。
[0004] 深空通信的傳播距離極遠(yuǎn)，信號(hào)能量隨著深空探測距離的平方衰減，從而導(dǎo)致接 收信號(hào)信噪比極低，從而限制了探測數(shù)據(jù)的可靠傳輸，而隨著傳輸距離的不斷增大，只能通 過將探測數(shù)據(jù)慢速傳回地面的手段來達(dá)到可靠傳輸?shù)哪康摹５\(yùn)樣會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)、圖片、視 頻、聲音等探測信息的下行傳輸速率很慢，運(yùn)勢必會(huì)增加占用存儲(chǔ)器的時(shí)間，此舉對存儲(chǔ)器 內(nèi)存的容量提出了很高的要求。若在一定時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)器內(nèi)存已滿，而其內(nèi)部的探測數(shù)據(jù)未 及時(shí)傳回地面基站，則后續(xù)采集到的探測數(shù)據(jù)將被丟棄。我們知道，深空探測所采集到的數(shù) 據(jù)都是極其珍貴的，一旦丟棄，將是極大損失。但是深空探測器受低功耗、小體積、小質(zhì)量等 工藝的限制，探測器所攜帶探測器材有限，其存儲(chǔ)器容量有限，為了避免探測數(shù)據(jù)丟棄的情 況，唯一的解決辦法就是提高傳輸速率，將珍貴的探測數(shù)據(jù)高效地傳回地面基站。因此，如 何確保在可接受的可靠性范圍內(nèi)提高深空通信的有效性成為關(guān)鍵問題。深空通信的特殊性 決定了深空通信采用的頻率范圍、調(diào)制方式與編碼技術(shù)和協(xié)議體系等與地面無線通信、衛(wèi) 星通信不同。針對上述問題早期深空探測已經(jīng)采用、W及未來一段時(shí)間的深空探測仍將采 用的主要技術(shù)手段包括：提高載波頻率，增大地面站與探測器的天線尺寸W獲得更高的發(fā) 射功率，采用功率有效和帶寬有效的調(diào)制方式W及高增益的信道編碼方式，同時(shí)降低接收 系統(tǒng)噪聲溫度。但是，目前隨著深空探測距離的不斷加大，在深空探測器的硬件條件限制 和加工精度有限的條件下，從加大天線尺寸和提高射頻的角度已經(jīng)不是未來研究的主要方 向，提高發(fā)送功率的辦法受到限制。因此，必須選取合適的調(diào)制方式，W解決深空通信大衰 減和大時(shí)延條件下可靠、高效通信的問題。
[0005] 2.已采用的星體間直接傳輸策略W及基于單中繼的兩跳鏈路傳輸策略
[0006] 在已有的星體間采用直傳鏈路調(diào)制進(jìn)行比特信息傳輸?shù)牟呗灾校桨敢惶岢隽?根據(jù)不同的信道狀況選用不同的調(diào)制類型進(jìn)行信息的傳輸，主要有恒包絡(luò)的BPSK度inary F*haseShiftKe}dng)，頻譜利用率高、抗干擾性強(qiáng)的QPSK(如a化atureF*haseShift Keying)調(diào)制，運(yùn)兩種調(diào)制類型被廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中，尤其適合于衛(wèi)星廣播通信場 景中，在有效性與可靠性的折中選擇上，運(yùn)兩種調(diào)制類型是W較低的有效性換取較高可靠 性的典型例子。
[0007] 方案二探討了建立=個(gè)相距1200地屯、角的地面站解決深空通信時(shí)間短的問題， 目前美國和俄羅斯都分別建立了=個(gè)相距1200地屯、角的地面站來解決通信時(shí)間短的問 題，借助于不同地面站的不同位置來提升通信時(shí)間。而我國由于地理環(huán)境的限制，無法做到 建立=個(gè)相距1200地屯、角的地面站來解決通信時(shí)間短的問題。
[0008] 方案=提出了利用中繼衛(wèi)星輔助通信的方法。其主要思想是針對深空通信鏈路距 離長，衰落大的特點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)引入中繼的辦法來有效縮短通信鏈路的通信距離，進(jìn)而增 大每段鏈路的信噪比，提升一定有效性的同時(shí)提升系統(tǒng)可靠性。
[0009] 已有技術(shù)應(yīng)用于深空通信所遇到的問題
[0010] 深空通信信道是典型的帶限和非線性變參信道。深空的非線性是因?yàn)樵谏羁胀ㄐ?中，為了有效地利用探測器的功率，發(fā)送信號(hào)功率放大器通常采用高功率非線性放大器，而 運(yùn)種非線性放大器具有幅相（AM/PM)效應(yīng)，也就是當(dāng)輸入信號(hào)的幅度變化時(shí)，相應(yīng)的輸出 信號(hào)的相位也發(fā)生變化，從而造成了信號(hào)的失真。其次，為了在距離如此大的通信鏈路中 可靠的傳輸信號(hào)，傳統(tǒng)的通信方式采用直傳調(diào)制，且為了使信號(hào)特性與上述所示的信道特 性相匹配，現(xiàn)存深空通信普遍采用BPSK、QPSK等低階恒包絡(luò)及包絡(luò)起伏很小的準(zhǔn)恒包絡(luò)調(diào) 制技術(shù)，運(yùn)樣可保證在地面站接收信號(hào)時(shí)能完全解調(diào)出接收信號(hào)，但是此種做法帶來的后 果是信息數(shù)據(jù)只能W很低的傳輸速率下行傳輸，從而阻礙了探測器內(nèi)存容量的利用率。由 W上深空通信的特點(diǎn)可知，W往所采用的深空通信鏈路的調(diào)制系統(tǒng)若應(yīng)用在深空通信中存 在著W下幾個(gè)問題。第一，直傳鏈路調(diào)制傳輸方式為了獲得較高可靠性而放棄了有效性，但 由于深空探測器的內(nèi)存容量有限，較低的有效性，必然導(dǎo)致傳輸速率低，運(yùn)樣會(huì)使得探測器 采集到的數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳回地球，若此時(shí)探測器容量已滿，則無法繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，或者為了 繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，只能將探測器內(nèi)的數(shù)據(jù)丟棄，但深空探測器采集到的數(shù)據(jù)都是十分珍貴的， 上述兩種方式都會(huì)丟失寶貴數(shù)據(jù)，顯然運(yùn)樣做是不科學(xué)的。第二，采用單中繼的兩跳鏈路的 傳輸方式，雖然可W縮短每跳鏈路的傳輸距離，進(jìn)而提升每段鏈路的信噪比，但是通過計(jì)算 我們可W知道，單中繼的兩跳鏈路調(diào)制的方法在保證可靠性的條件下，系統(tǒng)有效性提升能 力有限，即相比于直傳調(diào)制鏈路，系統(tǒng)吞吐量提升百分比不大。
[0011] 為了避免深空信道的AM/PM效應(yīng)、降低帶限信號(hào)產(chǎn)生的影響，要求調(diào)制后的信號(hào) 波形的包絡(luò)波動(dòng)盡量的小、且頻譜效率好，因此我們選擇低階的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)BPSK及 QPSK來構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)調(diào)制技術(shù)，運(yùn)樣可W在帶寬效率方面獲得比較大的提高，W更好的避免信 號(hào)產(chǎn)生失真。
[0012] 網(wǎng)絡(luò)調(diào)制技術(shù)是近兩年來提出的一種新的跨網(wǎng)絡(luò)層的調(diào)制技術(shù)，將物理層的調(diào)制 技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，功率分配等技術(shù)結(jié)合起來，在保證一定可靠性的前提下，相比于直傳調(diào)制 技術(shù)及單中繼的兩跳鏈路調(diào)制技術(shù)而言，可有效提升系統(tǒng)吞吐量。當(dāng)然，若想使得系統(tǒng)可靠 性提升，加入適當(dāng)?shù)木幋a即可。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種面 向深空通信的網(wǎng)絡(luò)調(diào)制方法，基于S點(diǎn)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)制技術(shù)，目的在深空通信的特 定背景下，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效抗衰落前提下，解決深空通信中吞吐量較低的問題。
[0014] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種面向深空通信的網(wǎng)絡(luò)調(diào)制 方法，包括W下步驟：
[0015] 步驟1、根據(jù)=段不同鏈路的信道條件特性選取適合于信道傳輸?shù)恼{(diào)制類型進(jìn)行 配比并采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)制進(jìn)行探測數(shù)據(jù)的傳輸；
[0016] 通過對星座圖的排布特點(diǎn)分析可得，網(wǎng)絡(luò)調(diào)制中=段不同鏈路所產(chǎn)生的誤碼率計(jì) 算公式為：
[0017]
[001引式中，2di代表BPSK調(diào)制中兩個(gè)信息比特間的距離，2d2代表QPSK調(diào)制中兩 個(gè)信息比特間的距離，2ds代表實(shí)際傳輸?shù)?PSK調(diào)制中兩個(gè)信息比特間的距離，d= [山dz，. . .，dm]，N。為噪聲平均功率；
[0019] 網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的吞吐量公式為：
[0020]
[002。 式中為滿足特定誤碼率條件下的系統(tǒng)吞吐量，mb、m。、HiK分別代表源節(jié)點(diǎn)所選 用的第一層調(diào)制類型、第二層調(diào)制類型及中繼節(jié)點(diǎn)R選用的調(diào)制類型，Tk為中繼節(jié)點(diǎn)R傳輸 調(diào)制信號(hào)到目的節(jié)點(diǎn)D所用傳輸時(shí)間，T為源節(jié)點(diǎn)S廣播信號(hào)所用的傳輸時(shí)間；
[0022] 步驟2、通過中繼節(jié)點(diǎn)的輔助解調(diào)信息，再W適當(dāng)?shù)恼{(diào)制類型發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)；
[0023] 步驟3、目的節(jié)點(diǎn)分別將源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息解調(diào)疊加，進(jìn)而還原出發(fā)送 端所發(fā)送的信息比特。
[0024] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，述步驟2中通過中繼節(jié)點(diǎn)的輔助解調(diào)信息包括：
[00巧]A、在發(fā)射端，信息比特經(jīng)過廣播調(diào)制，在調(diào)制過程中將信息比特進(jìn)行兩層的疊加 調(diào)制，分別稱為第一層的重要信息比特調(diào)制和第二層的增強(qiáng)信息比特調(diào)制；
[0026]B、用兩種不同或者相同的調(diào)制方式進(jìn)行疊加，將調(diào)制后的碼字經(jīng)探測器S的發(fā)送 天線發(fā)射出去，發(fā)射信號(hào)送入AWGN信道，通過兩條鏈路先后到達(dá)中繼點(diǎn)RelayW及地面基 站D;
[0027]C、中繼點(diǎn)Relay首先解調(diào)出第一層的重要信息比特，之后借助第一層重要信息比 特的位置定位解調(diào)出第二層的增強(qiáng)信息比特；
[002引 D、W"適合畑信道傳輸?shù)恼{(diào)制方式"調(diào)制Relay點(diǎn)解調(diào)出的第二層增強(qiáng)信息比特 并發(fā)送給地面基站D;
[0029]E、地面基站D分別解調(diào)出探測器S發(fā)送的第一層重要信息