面向深空通信的自适应混合重传方法及装置与流程

本发明是一种自适应混合重传方法，属于通信技术领域，特别涉及深空通信背景下用于邻近空间通信链路的自适应混合重传方法。

背景技术：

一直以来，在无线通信系统中信号的传输通常会受到信道噪声、衰减、干扰等各种因素的影响，增大了通信传输的不确定性，影响了通信传输的传输效率和吞吐量。因此当通信链路传输不稳定时，需要采取自适应传输技术来动态调整通信系统参数，以保证信息传输的效率与质量；同时，在通信链路相对稳定而不改变速率的前提下，数据的可靠传输也成为一个至关重要的问题，增加混合重传技术无疑可以更进一步的改善性能。

相比于传统地面无线通信，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，这将严重影响接收信号的正确解调，尤其是在信道情况变差时若仍以原先速率进行通信，则会造成较高的数据误码。因此，基于目前国际规范的系统协议下，为了尽可能地采取有效的差错控制技术降低数据传输的误码率、同时又尽可能提高系统的吞吐量，深空通信过程中需要传输系统能根据信道状态自适应调整以提高传输效率，又能依靠自动重传技术进一步保证通信数据的可靠性。

本发明主要依据国际空间数据系统咨询委员会提出的proximity-1协议标准进行设计，通信过程中有握手、数传和结束过程，协议规定的帧格式pltu帧，格式为24比特同步头+数据域+32比特crc校验位，其中数据域称为v-3帧，可分为携带用户数据的sdu帧和携带状态参数等指令的spdu帧。

本发明中深空通信的数据传输过程的自适应技术主要为改变数据速率，可以根据接收端估计的信噪比值反映当前通信链路的信号传输质量，从而提高或者降低传输速率。同时，在接收端的载波同步过程往往会引入相位模糊问题，因此需要在后级信号处理过程中，利用有效的已知信息对解调信号的相位进行判决、纠正并输出正确结果，本发明中利用了proximity-1协议中特定的同步头标志位来协同纠正相位模糊。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有深空通信过程中时变信道带来的传输效率和传输质量的问题，针对这一问题，本发明设计并提供了一种面向深空通信的自适应混合重传方法及装置。一方面，接收端通过估计信号的信噪比来自适应调整本地及远程收发机的速率，从而保证系统在时变信道下具有更低的误码率与更高的吞吐量；另一方面，收发端采用了结合回退n帧和卷积编码、crc校验码的自动重传技术，该技术依据proximiti-1协议设计，充分考虑系统设计的难易与实现的性能，在具有较低时延的基础了进一步提高了系统的传输质量。与此同时，基于proximity-1协议标准提出了一种联合帧同步的解模糊算法，该算法具有很小的时延，实时性高。

本发明采用如下技术方案：

一种面向深空通信的自适应混合重传系统，其包括数据传输链路中的发射端和接收端，所述发射端包括重传控制模块、发射控制字提取模块、基本发射参数调整模块、数据/参数组帧模块、发射缓冲模块、发射速率控制模块、编码模块和发送模块；所述接收端包括接收模块、解调模块、信噪比估计模块、门限比较模块、解码与校验模块、接收控制字提取模块、反馈ack或nack信号模块、基本接收参数调整模块、接收速率控制模块；所述发射端重传控制模块两路输出分别与发射缓冲模块、数据/参数组帧模块相连，发射缓冲模块输出与编码模块相连，发射控制字提取模块的三个输出分别与重传控制模块、基本发射参数调整模块、发射速率控制模块相连，基本发射参数调整模块的两个输出分别与数据/参数组帧模块、编码模块相连，发射速率控制模块输出与编码模块相连，编码模块输出与发送模块相连；所述接收端的接收模块输出与解调模块相连，解调模块的两个输出分别与信噪比估计模块、解码校验模块相连，信噪比估计模块输出与门限比较模块相连，门限比较模块输出与状态反馈控制字组帧模块相连，解码与校验模块的两个输出分别与反馈ack或nack信号模块、接收控制字提取模块相连，接收控制字提取模块的两个输出分别与基本接收参数调整模块、接收速率控制模块相连，接收速率控制模块输出与解调模块相连。

进一步而言，所述发送端的编码、发送两个模块可进一步包括卷积编码模块、crc编码模块、成型滤波模块、正交调制模块和内插倍数控制模块；所述接收端的解调、解码与校验模块可进一步包括抽取模块、fft模块、载波同步模块、符号同步模块、解码与解模糊模块和crc校验模块；

所述发射端的卷积编码模块两个输入分别与发射缓冲模块、基本发射参数调整模块相连，crc编码模块两个输入分别与卷积编码模块、基本发射参数调整模块相连，crc编码模块输出与成型滤波模块相连，内插倍数控制模块输入与发射速率控制模块相连，正交调制模块两个输入分别与成型滤波模块、内插倍数控制模块相连；所述接收端的抽取模块输入与接收模块相连，抽取模块输入与fft模块相连，载波同步模块两个输入分别与接收速率控制模块、fft模块相连，载波同步模块输出与符号同步模块相连，符号同步模块两个输出分别与信噪比估计模块、解码与解模糊模块相连，解码与解模糊模块两个输出分别与crc校验模块、反馈ack/nack信号模块相连，crc校验模块输出与接收控制字提取模块相连。

进一步而言，所述的解码与解模糊模块可进一步包括相位旋转模块、第一维特比译码器、第二维特比译码器和帧同步模块；所述解码与解模糊模块中的相位旋转模块输入与符号同步模块相连，相位旋转模块的两个输出分别与第一维特比译码器、第二维特比译码器相连，帧同步模块输入分别与第一维特比译码器、第二维特比译码器相连，帧同步模块输出与crc校验模块相连。

进一步而言，所述的发射控制字提取模块用于提取发射机的各项参数；基本发射参数调整模块用于调整发射端的调制方式、编码类型、帧长和重传标志等参数；重传控制模块根据提取的重传标志控制发射端的所述发射缓冲和数据/参数组帧模块，实现正常数传过程与重传过程的模式切换；数据/参数组帧模块用于对比特数据进行符合深空通信标准的组帧；发射缓冲模块用于存储一批待发和已经发送但未被确认接收的帧；发射速率控制模块用于控制发射端的发射模块的工作时钟及其所述的成型滤波的滤波系数的自适应切换；编码和发送模块用于将组帧后的数据进行卷积编码、crc编码、成型滤波和调制；接收和解调模块用于信号的模数转换和解调；信噪比估计模块将符号同步后的信号进行信噪比估计，并送入门限比较模块，从而映射出对应的自适应速率值；解码与校验模块对数据进行卷积译码、crc校验的相位模糊处理；反馈ack/nack信号模块用于生成正确或错误接收的状态标志；接收控制字提取模块用于提取接收端所需要的各项基本参数；状态反馈控制字组帧用于将自适应速率值和反馈ack/nack信号生成用于反馈给发射端的帧；基本参数调整模块对接收端的各项基本参数进行控制；接收速率控制模块用于控制接收端的速率自适应调整。

进一步而言，其中卷积编码模块采用(2,1,7)卷积编码，它和crc控制模块用于对比特信号进行卷积编码和32位crc编码；成型滤波模块用于将比特信号变成基带信号；正交调制模块用于将基带信号乘以载波调制到中频；内插倍数控制模块用于将不同速率下的信号内插至相同的采样率；抽取模块用于将相同采样率下的信号根据不同接收速率抽取到相应采样率；fft模块用于快速估计深空通信握手阶段的单载波信号的频率，以便于载波同步模块可以设置更精确的初始同步频率；载波同步和符号同步模块用于载波的捕获、跟踪和定时，并能根据接收速率自适应解调；解码与解模糊模块用于卷积编码的译码和解模糊；crc校验模块用于对解码后的数据进行校验码的检错。

进一步而言，其中第一维特比译码器和第二维特比译码器用于对两路信号进行维特比译码；解码与解模糊模块中的相位旋转模块将符号同步后的信号分成两路分别进行0°和90°的相位旋转；帧同步模块根据发射数据的导头进行滑动匹配，从而确定有效帧。

本发明还设计了一种面向深空通信的自适应混合重传方法，具体如下：

(1)在深空通信过程中，根据proximity-1协议要求，首先本地和远程通过固定速率发送和接收初始参数，然后接收端和发射端将提取的发送和接收参数配置给相应模块，从而正式启动数据传输过程；

(2)当数据传输正常进行时，本地数据/参数组帧模块将用户数据或者状态参数组帧后送入发射缓冲模块，当本地收到ack信号则从发射缓冲模块中接着上一批数据之后取数；本地接收端利用符号同步后的信号进行信噪比估计，将估计后的信噪比与估计门限相比较，映射出对应的自适应速率值后送入状态反馈控制字组帧模块；同时，符号同步后的信号也送入解码与校验模块，并将校验结果映射成ack或者nack信号标志；

(3)当远程crc校验模块检测到数据出错后，会生成nack信号并反馈给本地，同时远程接收端舍去该错误帧及其之后的帧，直到下一批重传数据中该帧被正确接收；本地发射端启动重传控制模块并映射出当前需要重传的帧号，在当前窗口数据发送完成后，在上一次正确确认发送的下一帧开始从发射缓冲模块中取出并发送一批窗口长度的数据帧；

(4)当本地接收机从经过crc校验模块的正确数据中提取相对应的本地发射机速率、接收机速率和重传标志；提取的本地接收机速率用于控制本地接收端的各个模块的工作时钟、滤波器系数等，从而实现自适应速率切换；另一方面提取的本地发射机速率送入本地发射控制字提取模块，用于控制本地发射端的各个模块的参数，远程收发机的工作机制同本地收发机一致；提取的重传标志为nack信号时则需要启动本地重传控制模块，重传上一批未被正确确认的用户数据帧。

(5)当本地需要传输状态参数帧时，本地发射端中断正在进行的数据传输过程，将本地反馈状态和参数组帧插入数据帧中送入发射缓冲模块，然后经过编码与发射模块将参数与反馈信号发送出去。

有益效果：

1.本发明提出了一种利用提取状态控制信息而自适应切换收发机工作时钟、成型滤波和匹配滤波器系数和插值、抽取倍数的系统方案，可实现不同速率的自适应切换。

2.本发明提出了一种基于帧同步的利用导头信息进行相位模糊纠正的电路方式，在带有卷积编码的情形下，该电路对符号同步后的信号进行相位旋转后依次经过维特比译码和帧同步处理，可以迅速准确地纠正相位模糊问题，以增加较低的额外开销换取很低的时延，这对于深空通信中需要较高的实时处理性具有很好的效果。

3.本发明提出了一种结合速率自适应与回退n帧且带有卷积编码的自动重传的技术方案，充分利用两者的优势，以较小的数字电路设计复杂度实现了较高的数据传输效率和吞吐量。

附图说明

图1为本发明的整体系统结构示意图；

图2为收发端关键模块的实现方案；

图3为解码与解模糊模块实现方案；

图4为速率自适应切换算法结构图；

图5为混合重传算法结构图；

图6为本发明系统误码性能和输出信噪比关系；

图7为本发明系统吞吐量与信噪比关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

参照附图1，本发明的其实施方式如下：

对于发射端，其中发射控制字提取模块提取发射机的各项参数，然后通过后级模块配置发射端的调制方式、编码类型、帧长和重传标志等参数；同时提取的速率控制字用于配置发射速率控制模块，进而自适应地调整发射模块的时钟、成型滤波系数和内插倍数值。其中重传控制模块根据提取的重传标志控制发射端的数据或者参数组帧，同时控制并实现正常数传过程与重传过程的模式切换。其中数据/参数组帧模块用于对比特数据进行符合proximity-1协议标准的组帧，然后送入发射缓冲模块并临时存储起来，当当前正在发送的帧收到接收机反馈回来的ack信号，则继续取下一批窗口长度的数据帧发送。对于接收端，其中信噪比估计模块将符号同步后的信号进行信噪比估计，并送入门限比较模块，从而映射出对应的自适应速率值。其中解码与校验模块对数据进行卷积译码、crc校验的相位模糊处理，然后反馈ack/nack信号模块用于生成正确或错误接收的状态标志及其对应帧号。其中接收控制字提取模块用于提取接收端所需要的各项基本参数，然后通过基本参数调整模块对接收端的各项基本参数进行控制，同时也会将接收速率送入接收速率控制模块，进而自适应地调整接收端的解调模块的时钟、匹配滤波系数和抽取倍数值。

参照附图1并结合附图2，具体实施方式如下：

其中发射速率控制模块主要用于控制正交调制模块中的内插倍数，从而实现在不同速率下的基带信号调制中频后可以具有相同的采样率。其中接收端的抽取模块具有将固定采样率下的信号抽取到不同符号速率对应下的采样率的作用，从而保证后级载波同步模块的中匹配滤波器可以根据速率的改变而自适应改变。其中fft模块主要工作在握手过程的单载波阶段，用于对单载波的频偏值进行快速估计，然后将其送入载波同步模块初始化载波同步的初始基准值，从而在转入数传阶段后实现载波同步模块的快速与精确捕获和同步。

参照附图3所示，符号同步后的信号送入相位旋转模块，让后分别经过0°和90°相位旋转后再同时进行维特比译码，译码结果输出至帧同步模块，帧同步模块利用proximity-1中的帧导头信息进行滑动匹配识别，最后将正确识别有效数据输出。

对于本发明技术中的解模糊原理，可作进一步说明：以qpsk调制信号为例，其同步解调后会存在四种模糊相位：(i,q)、(-q,i)、(-i,-q)，(q,-i)，分别对应0°、90°、180°和270°，根据qpsk调制原理，(i,q)与(-i,-q)、(-q,i)与(q,-i)互为补码，而对于卷积码而言，每个码字的补码也是该码的一个码字，因此如果解调后的信号存在180°相位模糊的情况时，维特比译码器也能正常译码，只不过译码后的比特数据为正确比特数据的取反，因而对于上述四种相位模糊情况，可以进一步分为两组：0°和180°为一组，90°和270°为一组。最后，帧同步后如果正确支路存在180°相位模糊，则将支路直接取反输出即可。

参照附图4所示，速率自适应切换的算法结构具体如下：

在启动“握手”过程并正常开始工作之后，本地接收机对其经过多速率解调后的信号进行信噪比估计，将估计的值与参考门限进行对比，然后判断出对应的速率档位，并以速率控制字的形式组帧传递给远程方，以实现远程发射机的速率调整。同时，本地接收机将接收数据中的状态参数提取出来——分为发射机参数和接收机参数，提取的发射机参数会切换本地发射机速率，同时也会加入“反馈状态”模块中，提取的接收机参数则直接送入本地接收机的多速率解调模块中，来切换本地接收的速率。当本地方检测到待发的状态参数帧后，立即停止当前用户数据帧的传输，将状态参数帧插入到发送队伍中发送出去。

参照附图5所示，混合重传的算法结构具体如下：

发送方除在对比特信息做相应的编码进入发送模式之后，需要处理三种类型事件：（1）当收到ack信号且帧号与上一帧连续，则推送新数据到缓存区，同时将已经确认的帧移除缓存区，相应地更新帧号等变量，发送下一帧时重启计时器。（2）当到nack信号时，则停止下一帧的发送，根据反馈判断当时帧号s，并重传s之后所有已发出且未被确认的帧，同时重启计时器。（3）如果计时器超时，则发送方重传所有已发送但还未被确认过的分组，相应地也重启计时器。而对于接收端的工作流程则相对简单：（1）当接收到的帧号为s且正确，如果上一次接收到的帧号为s-1，那么接收方需要为s帧发送一个ack信号，并更新下一个按需接受的帧序号；如果上一次帧号不为s-1，那么接收方丢弃该帧，并且发送一个最近正确按序接收的帧的ack信号。（2）当接收到的帧号为s但检测出错，则反馈一个nack信号，并且对于帧号为s之后的帧全部舍去，直到再次检测到重传的s帧且正确为止。

本发明面向深空通信的自适应混合重传方法，包括了如下步骤：

(1)在深空通信过程中，根据邻近空间链路协议proximity-1要求，初始过程启动“握手”过程，握手成功后，接收端和发射端将提取的发送和接收参数配置给相应模块，从而正式启动数据传输过程；

(2)在正常数据传输过程中，本地数据/参数组帧模块将用户数据或者状态参数组帧后送入发射缓冲模块，当本地收到ack信号则从发射缓冲模块中接着上一批数据之后取数；本地接收端利用符号同步后的信号进行信噪比估计，将估计后的信噪比与估计门限相比较，映射出对应的自适应速率值后送入状态反馈控制字组帧模块；同时，符号同步后的信号也送入解码与校验模块，并将校验结果映射成ack或者nack信号标志；

(3)在出错重传过程中，远程crc校验模块检测到数据出错后，会生成nack信号并反馈给本地，同时远程接收端舍去该错误帧及其之后的帧，直到下一批重传数据中该帧被正确接收；本地发射端启动重传控制模块并映射出当前需要重传的帧号，在当前窗口数据发送完成后，在上一次正确确认发送的下一帧开始从发射缓冲模块中取出并发送一批窗口长度的数据帧；

(4)在参数提取过程中，本地从经过crc校验模块的正确数据中提取相对应的本地发射机速率、接收机速率和重传标志；提取的本地接收机速率用于控制本地接收端的各个模块的工作时钟、滤波器系数等，从而实现自适应速率切换；另一方面提取的本地发射机速率送入本地发射控制字提取模块，用于控制本地发射端的各个模块的参数，远程收发机的工作机制同本地收发机一致；提取的重传标志为nack信号时则需要启动本地重传控制模块，重传上一批未被正确确认的用户数据帧。

(5)在传输状态参数帧过程中，本地发射端中断正在进行的数据传输过程，将本地反馈状态和参数组帧插入数据帧中送入发射缓冲模块，然后经过编码与发射模块将参数与反馈信号发送出去。

图6给出了本发明在所设计的系统下满足1×10^-6的系统误码性能的情况时信噪比仿真曲线(不考虑混合重传)，调制方式为qpsk，其中输出信噪比指符号同步后输出信号的信噪比。由图可以确定信噪比估计模块的对比门限为15.5db，根据这一门限从而可以结合估计的信噪比值映射出对应的速率自适应值，具体映射方法为将接收端估计的信噪比与门限值做差值计算，相差多少个3db，就相应地提升或降低几档速率。

图7给出了自适应速率与固定速率两种情况下系统吞吐量与信噪比值的关系曲线，调制方式为qpsk,符号速率的初始值取为512bps。从图中可以看到，在一段时间内，基于速率自适应的系统吞吐量性能要高于基于固定速率的系统吞吐量。对于速率自适应系统，当信号的信噪比估计值低于15.5db时，则自动降低传输速率以保证传输质量；而当信号的信噪比估计值大于15.5db时，则自动提升传输速率以实现更多的数据传输，并且保证了较低的误码率。而采用固定速率传输的系统不能根据信道情况实时改变传输速率，会因低信噪比下的高速率传输而影响传输质量，或者因高信噪比下的低速率传输影响传输效率。

综上，本发明适用于具有同步导头的含有握手过程的通信协议和方案中，尤其如深空通信协议的proximity-1协议中。需要指出的是，以上所述仅是本发明的优选方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也该视为本发明的保护范围。