一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法
专利名称：一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法
技术领域：
本发明涉及ー种信道建模方法，尤其涉及一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法。
背景技术：
在深空通信中，信号在发射机与接收机之间的传播环境非常复杂，通信具有传播距离远、链路衰减大、工作频率高，可用频带宽、链路易中断等特点。深空通信系统的设计受到了深空通信信道的约束，因此研究信道特性，依据深空通信信道特点提出适合深空环境的信道模型，是整个深空通信系统设计必不可少的一歩。
CCSDS为满足空间任务的通信要求提出了 CFDP文件传输协议，以取代传统的地面tcp/ip协议。其最大特点是在选择确认传输模式时，传输的协议数据单元(rou)使用否认确定信息(NAK)而不是确认信息(ACK)的自动重传(ARQ)机制。深空通信采用Ka频段因其可用带宽宽，大大提升了深空通信网络的通信容量，受到的干扰也相对较少。但由于其频率较高，降雨对信号产生的衰减较大。不但会使信号的功率受到衰减，还会使系统的噪声温度増加，进ー步的降低了系统信噪比，増加了误码率。另一方面，系统误码率的増加会使传输层文件的传输受到影响，增加数据包的传输次数。所以要建立一种适合Ka频段下的深空通信系统的信道模型，不但要研究Ka频段下的天气信道特性，还要结合传输层协议的文件传输特性。1982年，CCIR(国际无线电咨询委员会，后来改为国际电信联盟ITU)推荐了ー个预测雨衰减的模型，它是以Fedi所提出的模型为基础的，其核心是采用了“等效路径长度”的概念，即将降雨的非均匀性进行均匀化而引进能起等效作用的缩短因子，使得缩短了路径长度乘以单位路径衰减(衰减率)就正好是实际测量的雨衰减。在获取模型參数上，采用了对实际測量结果的最佳拟合法，称之为ITU-R降雨预测模型。ITU-R模型是国际普遍采用的降雨衰减预测模型，尤其对于某ー特定地区，在数据缺乏情况下，利用ITU-R可以建立较好的雨衰模型。但在Ka波段的深空链路中，降雨对链路传输影响较大，但降雨又不时常发生，且因为深空链路的特殊性，通常不直接采用该降雨模型，而是将该降雨模型结合到离散天气状态的马尔科夫信道模型之中。国内已有的Ka频段下离散降雨衰耗的信道模型，是建立在Ka频段下的卫星信道模型。用降雨衰减划分离散的天气状态，建模为马尔科夫链信道模型。并仿真了固定传输组长度的IP可靠组播协议在该信道模型下的性能。该模型同样利用了降雨衰减作为划分天气状态的门限，建立了离散状态的马尔科夫链模型。但其划分了天气状态，却没有提出划分天气状态的依据，因为不同状态的划分对整个模型的建立和对协议的分析都会产生不同的影响。该模型在考虑底层链路特性的时候只考虑了降雨衰减，求出了降雨的分布函数，并没有考虑到其他因素。降雨不但会使信号的功率受到衰减，还会使系统的噪声温度増加，进 一歩的降低了系统信噪比。所以不但要考虑雨衰还要考虑雨衰导致的天线噪声温度増加的一部分。
国际上已有的深空信道建模方案是在Ka频段下结合Gi Ibert-El Iiot信道模型建立起来的。在Gilbert-Elliot信道模型中有2个天气状态，一个好的天气状态和一个坏的天气状态，由门限值而划分。在好的天气状态下，大多数的数据包可以被成功接受，而在坏的天气状态下，由于接收天线较高的噪声温度大多数的文件包会传输错误。因此，好的天气状态会产生较低的误码率，而差的天气状态会产生较高的误码率。从ー个状态到另ー个状态的转换是由状态转移矩阵P決定的，状态转移矩阵确定了ー个信道的性能。Jay L.Gao等人在Gilbert-Elliot信道模型的基础之上，采用了 NASA政府的DSNs中Ka波段下的大气噪声温度采样数据，用大气的噪声温度将天气划分为2种状态，首次研究了 CFDP在2个天气状态下的性能。从研究结果可以知道CFDP协议的性能受底层链路特性(天气等因素)的影响较为严重，由此传输层协议的性能与信道特性密切相关。然而，该模型并没有在天气信道模型中结合CFDP文件传输协议的特点，也没有提出划分天气状态的依据。就深空通信得复杂度而言，将天气划分为2个状态并不足以说明天气对接收端信噪比的具体影响，比如根据文件传输协议，接收端收到的数据包分为不同的类型，当天气变化时会对这些数据包造成不同的丢包率，而这些数据包在CFDP中的重要 性也不同，这时就需要更确切的分析不同的天气对接收端造成的影响。本发明应该根据需要，有针对性的细化天气状态，分析不同降雨天气对接受端误码率的影响程度。可以这样理解，好坏天气状态的划分是因为不同的误码率会产生不同的丢包率，从而影响接收端正确接收的包数目，进而影响了传输层重传文件的次数。而在CFDP的文件传输过程中的数据包分为不同的种类，各自的长度和功能也不同，所以不能简单的将数据包近似为ー种，当限定丢包率的时候，需要考虑不同种类的PDU所能承受的误码率的上限。因为Ka波段对天气因素非常敏感，所以信道产生的不同的误码率对应到物理层就是不同的天气状态。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，包括以下步骤 步骤(a)，根据rou的长度及功能划分PDU类别；步骤(b)，根据不同类别的rou的丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限值对信道状态进行划分；步骤(C)，定义降雨衰减值与误码率门限值的对应关系，根据降雨衰减值对信道状态进行划分。本发明的进ー步改进为，所述步骤(a)中，根据同的长度和功能本发明将PDU分成指令类rou、数据类PDU及应答类rou。本发明的进ー步改进为，所述步骤(b)中，根据丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限划分降雨状态为好天气状态、第一坏天气状态、第二坏天气状态、第三坏天气状态。本发明的进ー步改进为，所述步骤(C)满足以下公式Ap = 101§-! Tc~Tm-
LUUl/」P (2-P/Kb-(Q-lWf -Treceiver)/af-Tm
其中P为接收功率,K为波尔兹曼常数，Y为误码率,Ap为降雨衰减值，Tant是接收天线的等价噪声温度，T。是宇宙背景噪声温度，Tm是大气的平均辐射温度，0{是天线的耦合系数。本发明的进ー步改进为，所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法还包括以下步骤，根据ITU-R降雨衰减模型求出降雨的概率密度函数，通过对降雨概率密度函数的积分和马尔科夫链的转移特性，求出该模型下的状态转移矩阵为
权利要求
1.一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于包括以下步骤 步骤(a)，根据rou的长度及功能划分PDU类别； 步骤(b)，根据不同类别的PDU的丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限值对信道状态进行划分； 步骤(c)，定义降雨衰减值与误码率门限值的对应关系，根据降雨衰减值对信道状态进行划分。
2.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述步骤(a)中，根据不同的长度和功能将PDU分成指令类rou、数据类PDU及应答类rou。
3.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述步骤(b)中，根据丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限划分信道状态为好天气状态、第一坏天气状态、第二坏天气状态、第三坏天气状态。
4.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述步骤(C)满足以下公式
5.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法还包括以下步骤，根据ITU-R降雨衰减模型求出降雨的概率密度函数，通过对降雨概率密度函数的积分和马尔科夫链的转移特性，求出该模型下的状态转移矩阵为
全文摘要
本发明提供一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法。本发明所建立的深空信道模型是Ka波段下的离散状态的雨衰信道模型，并将之与传输层文件传输协议进行结合。本发明衡量不同类型PDU出错的可能性，以便更好的分析协议的传输性能，故有针对性的设计了多个状态来区分不同类型PDU的出错概率，这样就比原来简单的两个状态更能结合CFDP协议的特点，也更能全面、准确的评估CFDP协议在深空Ka波段下的性能。
文档编号H04L1/18GK102664693SQ201210115548
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者张钦宇, 李惠媛, 杨志华, 焦健 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院
技术领域：
本发明涉及ー种信道建模方法，尤其涉及一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法。
背景技术：
在深空通信中，信号在发射机与接收机之间的传播环境非常复杂，通信具有传播距离远、链路衰减大、工作频率高，可用频带宽、链路易中断等特点。深空通信系统的设计受到了深空通信信道的约束，因此研究信道特性，依据深空通信信道特点提出适合深空环境的信道模型，是整个深空通信系统设计必不可少的一歩。
CCSDS为满足空间任务的通信要求提出了 CFDP文件传输协议，以取代传统的地面tcp/ip协议。其最大特点是在选择确认传输模式时，传输的协议数据单元(rou)使用否认确定信息(NAK)而不是确认信息(ACK)的自动重传(ARQ)机制。深空通信采用Ka频段因其可用带宽宽，大大提升了深空通信网络的通信容量，受到的干扰也相对较少。但由于其频率较高，降雨对信号产生的衰减较大。不但会使信号的功率受到衰减，还会使系统的噪声温度増加，进ー步的降低了系统信噪比，増加了误码率。另一方面，系统误码率的増加会使传输层文件的传输受到影响，增加数据包的传输次数。所以要建立一种适合Ka频段下的深空通信系统的信道模型，不但要研究Ka频段下的天气信道特性，还要结合传输层协议的文件传输特性。1982年，CCIR(国际无线电咨询委员会，后来改为国际电信联盟ITU)推荐了ー个预测雨衰减的模型，它是以Fedi所提出的模型为基础的，其核心是采用了“等效路径长度”的概念，即将降雨的非均匀性进行均匀化而引进能起等效作用的缩短因子，使得缩短了路径长度乘以单位路径衰减(衰减率)就正好是实际测量的雨衰减。在获取模型參数上，采用了对实际測量结果的最佳拟合法，称之为ITU-R降雨预测模型。ITU-R模型是国际普遍采用的降雨衰减预测模型，尤其对于某ー特定地区，在数据缺乏情况下，利用ITU-R可以建立较好的雨衰模型。但在Ka波段的深空链路中，降雨对链路传输影响较大，但降雨又不时常发生，且因为深空链路的特殊性，通常不直接采用该降雨模型，而是将该降雨模型结合到离散天气状态的马尔科夫信道模型之中。国内已有的Ka频段下离散降雨衰耗的信道模型，是建立在Ka频段下的卫星信道模型。用降雨衰减划分离散的天气状态，建模为马尔科夫链信道模型。并仿真了固定传输组长度的IP可靠组播协议在该信道模型下的性能。该模型同样利用了降雨衰减作为划分天气状态的门限，建立了离散状态的马尔科夫链模型。但其划分了天气状态，却没有提出划分天气状态的依据，因为不同状态的划分对整个模型的建立和对协议的分析都会产生不同的影响。该模型在考虑底层链路特性的时候只考虑了降雨衰减，求出了降雨的分布函数，并没有考虑到其他因素。降雨不但会使信号的功率受到衰减，还会使系统的噪声温度増加，进 一歩的降低了系统信噪比。所以不但要考虑雨衰还要考虑雨衰导致的天线噪声温度増加的一部分。
国际上已有的深空信道建模方案是在Ka频段下结合Gi Ibert-El Iiot信道模型建立起来的。在Gilbert-Elliot信道模型中有2个天气状态，一个好的天气状态和一个坏的天气状态，由门限值而划分。在好的天气状态下，大多数的数据包可以被成功接受，而在坏的天气状态下，由于接收天线较高的噪声温度大多数的文件包会传输错误。因此，好的天气状态会产生较低的误码率，而差的天气状态会产生较高的误码率。从ー个状态到另ー个状态的转换是由状态转移矩阵P決定的，状态转移矩阵确定了ー个信道的性能。Jay L.Gao等人在Gilbert-Elliot信道模型的基础之上，采用了 NASA政府的DSNs中Ka波段下的大气噪声温度采样数据，用大气的噪声温度将天气划分为2种状态，首次研究了 CFDP在2个天气状态下的性能。从研究结果可以知道CFDP协议的性能受底层链路特性(天气等因素)的影响较为严重，由此传输层协议的性能与信道特性密切相关。然而，该模型并没有在天气信道模型中结合CFDP文件传输协议的特点，也没有提出划分天气状态的依据。就深空通信得复杂度而言，将天气划分为2个状态并不足以说明天气对接收端信噪比的具体影响，比如根据文件传输协议，接收端收到的数据包分为不同的类型，当天气变化时会对这些数据包造成不同的丢包率，而这些数据包在CFDP中的重要 性也不同，这时就需要更确切的分析不同的天气对接收端造成的影响。本发明应该根据需要，有针对性的细化天气状态，分析不同降雨天气对接受端误码率的影响程度。可以这样理解，好坏天气状态的划分是因为不同的误码率会产生不同的丢包率，从而影响接收端正确接收的包数目，进而影响了传输层重传文件的次数。而在CFDP的文件传输过程中的数据包分为不同的种类，各自的长度和功能也不同，所以不能简单的将数据包近似为ー种，当限定丢包率的时候，需要考虑不同种类的PDU所能承受的误码率的上限。因为Ka波段对天气因素非常敏感，所以信道产生的不同的误码率对应到物理层就是不同的天气状态。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，包括以下步骤 步骤(a)，根据rou的长度及功能划分PDU类别；步骤(b)，根据不同类别的rou的丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限值对信道状态进行划分；步骤(C)，定义降雨衰减值与误码率门限值的对应关系，根据降雨衰减值对信道状态进行划分。本发明的进ー步改进为，所述步骤(a)中，根据同的长度和功能本发明将PDU分成指令类rou、数据类PDU及应答类rou。本发明的进ー步改进为，所述步骤(b)中，根据丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限划分降雨状态为好天气状态、第一坏天气状态、第二坏天气状态、第三坏天气状态。本发明的进ー步改进为，所述步骤(C)满足以下公式Ap = 101§-! Tc~Tm-
LUUl/」P (2-P/Kb-(Q-lWf -Treceiver)/af-Tm
其中P为接收功率,K为波尔兹曼常数，Y为误码率,Ap为降雨衰减值，Tant是接收天线的等价噪声温度，T。是宇宙背景噪声温度，Tm是大气的平均辐射温度，0{是天线的耦合系数。本发明的进ー步改进为，所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法还包括以下步骤，根据ITU-R降雨衰减模型求出降雨的概率密度函数，通过对降雨概率密度函数的积分和马尔科夫链的转移特性，求出该模型下的状态转移矩阵为
权利要求
1.一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于包括以下步骤 步骤(a)，根据rou的长度及功能划分PDU类别； 步骤(b)，根据不同类别的PDU的丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限值对信道状态进行划分； 步骤(c)，定义降雨衰减值与误码率门限值的对应关系，根据降雨衰减值对信道状态进行划分。
2.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述步骤(a)中，根据不同的长度和功能将PDU分成指令类rou、数据类PDU及应答类rou。
3.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述步骤(b)中，根据丢包率设定误码率门限值，根据误码率门限划分信道状态为好天气状态、第一坏天气状态、第二坏天气状态、第三坏天气状态。
4.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述步骤(C)满足以下公式
5.根据权利要求I所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法，其特征在于所述面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法还包括以下步骤，根据ITU-R降雨衰减模型求出降雨的概率密度函数，通过对降雨概率密度函数的积分和马尔科夫链的转移特性，求出该模型下的状态转移矩阵为
全文摘要
本发明提供一种面向深空Ka波段文件传输的信道建模方法。本发明所建立的深空信道模型是Ka波段下的离散状态的雨衰信道模型，并将之与传输层文件传输协议进行结合。本发明衡量不同类型PDU出错的可能性，以便更好的分析协议的传输性能，故有针对性的设计了多个状态来区分不同类型PDU的出错概率，这样就比原来简单的两个状态更能结合CFDP协议的特点，也更能全面、准确的评估CFDP协议在深空Ka波段下的性能。
文档编号H04L1/18GK102664693SQ201210115548
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者张钦宇, 李惠媛, 杨志华, 焦健 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院
最新回复(0)