适用于星地激光通信的物理层协议方法与流程

1.本发明涉及无线激光通信技术领域，特别涉及一种适用于星地激光通信的物理层协议方法。


背景技术：

2.随着遥感技术的快速发展，卫星载荷数量及载荷的分辨率大幅提高，其产生的数据量呈几何级增长，因而对高速星地数据传输的需求日益迫切。目前，基于微波的星地数传受限于频段带宽和数传终端的功耗、体积、重量、散热等限制，无论是采用ka等频率更高的微波频段还是采用高阶调制、vcm等调制技术都难以满足海量数据的高速下传需求。此外，由于国际形式的不确定因素较多和境外数据回传困难等问题，短期内也难以通过境外站的建设来满足卫星数据的数传需求。因此，卫星对数据高速传输的需求与现有系统星地数传能力的矛盾日益突出。星地激光通信可以突破微波数据传输的诸多问题，具有可用带宽大、效费比高，平台负载小、保密性好等优点，越来越多的卫星选择激光通信进行星地高速数传，可以预见，星地激光通信将是未来星地高速数传的重要方式。
3.国外星地激光通信研究的起步较早，从上世纪90年代起，欧洲、美国、日本等均在星地激光通信技术领域投入巨资进行相关技术研究和在轨试验，先后完成了高轨、低轨、深空与地面的星地激光通信试验。国内星地激光通信技术的发展起步较晚，2010年后，国内各高校和研究所陆续开始通过搭载试验终端的方式进行星地捕获建链、跟踪和星地通信试验，探索验证了星地激光通信的可行性。然而，现有的试验均集中在快速捕获、稳定建链、高精度跟踪和自适应光学校正等关键技术的攻关和演示验证，而对数据传输层次的研究和验证较少。在有限的搜索范围内，未检索到针对星地激光通信信道特性的物理层协议设计方面的相关论文和专利。
4.在星地激光通信中，近地面区域的非均匀大气层是激光通信信道的重要组成部分。激光在大气中传输会不可避免的受到大气的影响，这种影响主要包括衰减效应和湍流效应。激光在大气中传输时会与大气分子、气溶胶和水蒸气等粒子相互作用，这种相互作用会直接导致光波前畸变，接收光功率出现起伏和衰减，从而恶化通信系统性能。大气的湍流效应会引起光束漂移、光束扩展和光强闪烁等现象。由于大气层是实时动态变化的，其引起的大气折射率随机起伏变化，这种湍流效应进一步改变光束光场的随机变化，宏观上表现为光场空间相干性退化、光束漂移起伏、到达角起伏；大气信道中的气溶胶对激光传输的吸收和散射作用以及大气湍流导致信号光的强度闪烁，都将严重降低信号光功率，导致接收端信号光的光束质量变差，接收信号信噪比降低，从而降低星地激光通信系统的通信性能和通信链路的可靠性。除了雨、云、雾等极端天气条件，天气条件较好情况下的大气湍流、大气散射、大气吸收都会对星地激光光束质量造成影响，从而影响星地激光通信。
5.可见，星地激光通信的信道与传统的微波信道具有显著的差异，且激光信道对通信的影响比微波信道更为恶劣，传统的星地微波通信物理层协议已无法满足星地激光通信的需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
7.为此，本发明的一个目的在于提出一种适用于星地激光通信的物理层协议方法，以解决背景技术中所提到的问题，克服现有技术中存在的不足。
8.为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种适用于星地激光通信的物理层协议方法，包括如下步骤：步骤s1，业务数据缓存：设置业务数据缓存区，当所述业务缓存区存在数据存储空间时，对下行链路的卫星载荷数据或上行链路的站控设备业务数据进行缓存请求，以进行数据缓存；步骤s2，基带组帧：当业务数据缓存区的数据长度大于预设长度dfl时，从所述数据缓存区中取长度为dfl的数据，进行基带帧组帧，形成业务基带帧；步骤s3，帧复接：当业务数据缓存区的数据长度小于预设长度dfl时，则填充虚拟帧，通过帧复接选择业务基带帧和虚拟帧输出，当存在业务基带帧时，输出业务基带帧，否则输出虚拟帧；步骤s4，基带帧加扰：对步骤s3中帧复接输出的基带帧进行加扰；步骤s5，前向编码：对步骤s4中加扰后的基带帧进行编码，形成编码帧；步骤s6，物理帧组帧：将多个编码帧进行组帧，形成长物理帧；步骤s7，交织:对形成的长物理帧进行交织，其中交织深度为物理帧的长度；步骤s8，添加物理帧头：对交织后的物理帧添加物理帧头，其中，该物理帧头采用长帧头；步骤s9，添加导频块：对交织后后的物理帧添加导频块，包括已预设长度dbl的数据块为间隔，插入导频块；步骤s10，物理帧加扰：对插入物理帧头和导频块的物理帧进行加扰；步骤s11，电光调制：对加扰后的物理帧进行电光调制，转换为光信号，传输信息。
9.由上述任一方案优选的是，在所述步骤s2中，采用以下方式进行基带帧组帧：在数据域前部插入基带帧头，其中，所述基带帧头包括：航天器标识、基带帧信息标识、基带帧计数和虚拟帧标识。
10.由上述任一方案优选的是，在所述步骤s4中，在每帧基带帧帧头复位加扰，即每帧基带帧的加扰序列相同。
11.由上述任一方案优选的是，在所述步骤s5中，所述前向编码采用低密度奇偶校验ldpc编码方式。
12.由上述任一方案优选的是，在所述步骤s7中，交织方式包括：行列交织、卷积交织。
13.由上述任一方案优选的是，在所述步骤s10中，对物理帧加扰时，所述物理帧头不参与加扰。
14.由上述任一方案优选的是，在所述步骤s10中，在每帧物理帧帧头时，复位加扰，即每帧物理帧的加扰序列相同；其中，加扰序列相同包括加扰多项式和加扰初相相同。
15.与现有技术相比，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：1、适用性强。本物理层协议可适用于上行和下行星地激光通信链路，同样适用于星间激光通信链路、无线微波通信链路。
16.2、开销小，帧效率高。相比较于传统的单帧、副帧等方式，本发明采用长物理帧形式，导频和帧头所占用的比值很小，开销低（3%），帧效率高，有效数据传输速率高。
17.3、可靠性高。本发明采用长物理帧头（物理帧头长度为数百至数千比特），同步门限低（可达-20db），极大的提高了在大气湍流影响的极低信噪比接收条件下的信号可靠稳定同步和跟踪；物理帧中插入导频；在基带帧中插入虚拟帧的方式，可有效控制实际传输的数据速率，防止业务数据读空的情形出现；采用长交织结合前向编译码的方式，可有效降低大气湍流引起的信号深衰落带来的突发误码。
18.4、适用于极低信噪比。本发明提出的物理层协议，采用长帧头（物理帧头长度为数百至数千比特），同步门限低（可达-20db），在大气湍流影响的极低信噪比接收条件下，可保证信号稳定同步和跟踪。
19.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本发明实施例适用于星地激光通信的物理层协议方法的流程图；图2为根据本发明实施例适用于星地激光通信的物理层协议方法的示意图；图3为根据本发明实施例的帧结构的示意图。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.本发明提出一种适用于星地激光通信的物理层协议方法，该方法所提出的物理层协议包括业务数据缓存、基带组帧、虚拟帧复接、基带帧加扰、前向编码、物理组帧、交织、添加物理帧头、添加导频和物理帧加扰等处理流程组成，可同时适用于星地激光上行链路和下行链路。该方法可以适应星地激光通信的传输信道环境，提高星地激光通信的工程化应用水平。该协议在设计时充分考虑了星地激光通信的信道特性，可有效提高星地激光通信的可靠性。
23.如图1和图2所示，本发明实施例的适用于星地激光通信的物理层协议方法，包括如下步骤：步骤s1，业务数据缓存：设置业务数据缓存区，当业务缓存区存在数据存储空间时，对下行链路的卫星载荷数据或上行链路的站控设备业务数据进行缓存请求，以进行数据缓存。
24.具体的，采用业务数据缓存区，用于缓存数据包，实现对卫星载荷数据或站控设备业务数据的速率匹配。当业务数据缓存区存在存储一包数据的空间时，则向卫星或站控设备请求一包数据，长度为dpl（data package length），否则不请求。
25.本发明同时适用于星地激光上行链路和下行链路：在下行链路中，向卫星请求载
荷数据；在上行链路中，向站控设备请求业务数据。
26.步骤s2，基带组帧：当业务数据缓存区的数据长度大于预设长度dfl（data field length）时，从数据缓存区中取长度为dfl的数据，进行基带帧组帧，形成业务基带帧。
27.在本步骤中，采用以下方式进行基带帧组帧：基带帧组帧时，在数据域前部插入长度为bbhl（baseband header length）的基带帧头。基带帧头中填充多项信息，包括：航天器标识、基带帧信息标识、基带帧计数和虚拟帧标识等信息。基带帧头的长度bbhl设计为数十比特，根据需要填充的信息长度确定。
28.需要说明的是，基带帧头填充的信息不限于上述举例，还可以根据需要进行设置。
29.步骤s3，帧复接：当业务数据缓存区的数据长度小于预设长度dfl（data field length）时，则填充虚拟帧，通过帧复接选择业务基带帧和虚拟帧输出，当存在业务基带帧时，输出业务基带帧，否则输出虚拟帧。
30.在本发明的实施例中，填充虚拟帧的长度为kbbframe。kbbframe=bbhl dfl。本发明中，虚拟帧帧长kbbframe可以设计为编码前的数据长度，例如1/2 ldpc（4096,8192），则kbbframe=4096；7/8 ldpc（7136,8160），则kbbframe=7136。
31.步骤s4，基带帧加扰：对步骤s3中帧复接输出的基带帧进行加扰。
32.在本步骤中，对帧复接输出的基带帧进行加扰，加扰多项式和加扰初相可设置。
33.需要说明的是，基带帧帧头可选择参与或不参与加扰。例如，测试过程中，可以对基带帧帧头进行加扰。在每帧基带帧帧头时，复位加扰，即每帧基带帧的加扰序列相同。
34.步骤s5，前向编码：对步骤s4中加扰后的基带帧进行编码，形成编码帧。
35.在本发明的实施例中，前向编码采用低密度奇偶校验ldpc编码方式。即，加扰后的基带帧进行ldpc编码，形成编码帧。编码帧长度为，校验长度。
36.需要说明的是，考虑到编码性能，本发明采用ldpc码进行前向编码，但是编码方式不限于上述，还可以采用其他编码方式，均属于本技术的保护范围，在此不再赘述。
37.步骤s6，物理帧组帧：将多个编码帧进行组帧，形成长物理帧。
38.具体的，将l个ldpc编码帧进行组帧，形成长度为的物理帧。考虑到星地激光通信的链路特性，本发明采用长物理帧形式，即l远远大于1（l》》1）。本发明建议物理帧长度为数万至数百万比特。
39.步骤s7，交织:对形成的长物理帧进行交织，其中交织深度为物理帧的长度。
40.在本发明的实施例中，交织方式包括：行列交织、卷积交织等。
41.需要说明的是，本发明采用的交织方式不限于上述举例，还可以采用其他方式进行交织，均属于本技术的保护范围，在此不再赘述。
42.步骤s8，添加物理帧头：对交织后的物理帧添加长度为plhl（phsical layer header length）物理帧头，其中，该物理帧头采用长帧头，帧头长度plhl为数百至数千比特。
43.步骤s9，添加导频块：对交织后后的物理帧添加导频块，包括已预设长度dbl的数据块为间隔，插入导频块。
44.具体的，交织后的物理帧以长度为dbl（data block length）的数据块为间隔，插入长度为pbl（pilot block length）导频块。
45.在本发明的实施例中，数据块长度dbl可以设置为帧头长度，导频块长度pbl可以设置为16、32、48或64比特。
46.需要说明的是，数据块长度dbl和导频块长度pbl的取值不限于上述举例，还可以设置为其他值，根据需要进行设置，在此不再赘述。
47.插入导频块和物理帧头后的物理帧总长度pll（phsical layer length）为，其中ceil表示向上取整。
48.步骤s10，物理帧加扰：对插入物理帧头和导频块的物理帧进行加扰。
49.具体的，对物理帧加扰时，物理帧头不参与加扰。在每帧物理帧帧头时，复位加扰，即每帧物理帧的加扰序列相同；其中，加扰序列相同包括加扰多项式和加扰初相相同。
50.最后对物理帧进行加扰，加扰多项式和加扰初相可设置。其中，加扰多项式定义多长时间来加扰，这和物理帧长度有关，让整个周期大于帧长度。加扰初相与加扰多项式相关联，设置完加扰多项式后，设置加扰初相。在每帧物理帧帧头时，复位加扰，即每帧物理帧的加扰序列（多项式和初相）相同。由于物理帧较长，需要选择较长的加扰多项式，如pn31。
51.需要说明的是，对于上行链路、下行链路，以及不同的应用场景（地轨卫星、中高轨卫星等），协议中的参数dpl、dfl、bbhl、nldpc、l、plhl、dbl、pbl可根据实际情况进行取值设计。不同取值形成的不同物理帧结构，均属于本技术的保护范围之内。
52.步骤s11，电光调制：对加扰后的物理帧进行电光调制，转换为光信号，以传输信息。
53.本发明实施例的适用于星地激光通信的物理层协议方法，具有以下技术特点：1、提出一种新的整个物理层信号处理流程，包括业务数据缓存、基带组帧、虚拟帧复接、基带帧加扰、前向编码、物理组帧、交织、添加物理帧头、添加导频和物理帧加扰等处理流程。
54.2、长、短帧组帧方式的保护。传统星地通信的组帧方式为单次组帧，帧长一般为64~4096比特。本发明采用了两级组帧，包括基带组帧和物理组帧，其中基带帧帧长较短，设计为数千比特，提高了帧的颗粒度，适合进行数据源速率匹配和虚拟帧插入；物理帧较长，设计为数万到数百万比特，以增加交织深度，提高抗大气湍流的能力。
55.3、长物理帧头的保护。传统星地通信的帧头长度一般为8~32比特，在星地激光通信中难以对抗大气湍流的影响。本发明采用长物理帧头（设计为数百至数千比特），可以有效降低信号同步门限，增加系统可靠性。在帧头开销方面，由于物理帧帧长设计为数万到数百万比特，因此即使采用长帧头，仍具有非常低的帧头开销，帧头开销远远小于传统方案。
56.4、长交织的保护。传统的交织深度一般为64~4096比特。由于星地激光通信大气湍流引起的深衰落时间较长（数十毫秒），传统的短交织方案无法满足星地激光通信的交织需求。本发明采用长交织方案，交织深度设计为数万到数百万比特，结合编译码技术，可有效降低大气湍流深深衰落引起的突发误码。
57.5、导频块的保护。本发明在物理帧中插入导频块，可利用导频进行相位估计，有效抑制激光通信中激光器线宽引起的相位噪声。
58.与现有技术相比，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：1、适用性强。本物理层协议可适用于上行和下行星地激光通信链路，同样适用于星间激光通信链路、无线微波通信链路。
59.2、开销小，帧效率高。相比较于传统的单帧、副帧等方式，本发明采用长物理帧形式，导频和帧头所占用的比值很小，开销低（3%），帧效率高，有效数据传输速率高。
60.3、可靠性高。本发明采用长物理帧头（物理帧头长度为数百至数千比特），同步门限低（可达-20db），极大的提高了在大气湍流影响的极低信噪比接收条件下的信号可靠稳定同步和跟踪；物理帧中插入导频；在基带帧中插入虚拟帧的方式，可有效控制实际传输的数据速率，防止业务数据读空的情形出现；采用长交织结合前向编译码的方式，可有效降低大气湍流引起的信号深衰落带来的突发误码。
61.4、适用于极低信噪比。本发明提出的物理层协议，采用长帧头（物理帧头长度为数百至数千比特），同步门限低（可达-20db），在大气湍流影响的极低信噪比接收条件下，可保证信号稳定同步和跟踪。
62.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
ꢀ“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
63.本领域技术人员不难理解，本发明包括上述说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
64.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。