一种面向深空通信的网络调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及深空通信领域，尤其设及一种面向深空通信的网络调制方法。
【背景技术】
[0002] 1.深空通信的特点
[0003] 在深空探测的过程中，深空通信起着关键的作用，只有保证了深空通信系统的正 常运行才有可能使得深空探测任务获得成功，而深空通信面临着地面通信和卫星通信所不 具备的特殊困难，运是因为深空信道具有如下的特点：距离远、时延大、信道具有衰落特性、 工作频率高，可用频带宽、链路易中断、上、下行链路不对称等。
[0004] 深空通信的传播距离极远，信号能量随着深空探测距离的平方衰减，从而导致接 收信号信噪比极低，从而限制了探测数据的可靠传输，而随着传输距离的不断增大，只能通 过将探测数据慢速传回地面的手段来达到可靠传输的目的。但运样会导致数据、图片、视 频、声音等探测信息的下行传输速率很慢，运势必会增加占用存储器的时间，此举对存储器 内存的容量提出了很高的要求。若在一定时间内，存储器内存已满，而其内部的探测数据未 及时传回地面基站，则后续采集到的探测数据将被丢弃。我们知道，深空探测所采集到的数 据都是极其珍贵的，一旦丢弃，将是极大损失。但是深空探测器受低功耗、小体积、小质量等 工艺的限制，探测器所携带探测器材有限，其存储器容量有限，为了避免探测数据丢弃的情 况，唯一的解决办法就是提高传输速率，将珍贵的探测数据高效地传回地面基站。因此，如 何确保在可接受的可靠性范围内提高深空通信的有效性成为关键问题。深空通信的特殊性 决定了深空通信采用的频率范围、调制方式与编码技术和协议体系等与地面无线通信、卫 星通信不同。针对上述问题早期深空探测已经采用、W及未来一段时间的深空探测仍将采 用的主要技术手段包括：提高载波频率，增大地面站与探测器的天线尺寸W获得更高的发 射功率，采用功率有效和带宽有效的调制方式W及高增益的信道编码方式，同时降低接收 系统噪声溫度。但是，目前随着深空探测距离的不断加大，在深空探测器的硬件条件限制 和加工精度有限的条件下，从加大天线尺寸和提高射频的角度已经不是未来研究的主要方 向，提高发送功率的办法受到限制。因此，必须选取合适的调制方式，W解决深空通信大衰 减和大时延条件下可靠、高效通信的问题。
[0005] 2.已采用的星体间直接传输策略W及基于单中继的两跳链路传输策略
[0006] 在已有的星体间采用直传链路调制进行比特信息传输的策略中，方案一提出了 根据不同的信道状况选用不同的调制类型进行信息的传输，主要有恒包络的BPSK度inary F*haseShiftKe}dng)，频谱利用率高、抗干扰性强的QPSK(如a化atureF*haseShift Keying)调制，运两种调制类型被广泛应用于各种通信系统中，尤其适合于卫星广播通信场 景中，在有效性与可靠性的折中选择上，运两种调制类型是W较低的有效性换取较高可靠 性的典型例子。
[0007] 方案二探讨了建立=个相距1200地屯、角的地面站解决深空通信时间短的问题， 目前美国和俄罗斯都分别建立了=个相距1200地屯、角的地面站来解决通信时间短的问 题，借助于不同地面站的不同位置来提升通信时间。而我国由于地理环境的限制，无法做到 建立=个相距1200地屯、角的地面站来解决通信时间短的问题。
[0008] 方案=提出了利用中继卫星辅助通信的方法。其主要思想是针对深空通信链路距 离长，衰落大的特点，在适当地点引入中继的办法来有效缩短通信链路的通信距离，进而增 大每段链路的信噪比，提升一定有效性的同时提升系统可靠性。
[0009] 已有技术应用于深空通信所遇到的问题
[0010] 深空通信信道是典型的带限和非线性变参信道。深空的非线性是因为在深空通信 中，为了有效地利用探测器的功率，发送信号功率放大器通常采用高功率非线性放大器，而 运种非线性放大器具有幅相（AM/PM)效应，也就是当输入信号的幅度变化时，相应的输出 信号的相位也发生变化，从而造成了信号的失真。其次，为了在距离如此大的通信链路中 可靠的传输信号，传统的通信方式采用直传调制，且为了使信号特性与上述所示的信道特 性相匹配，现存深空通信普遍采用BPSK、QPSK等低阶恒包络及包络起伏很小的准恒包络调 制技术，运样可保证在地面站接收信号时能完全解调出接收信号，但是此种做法带来的后 果是信息数据只能W很低的传输速率下行传输，从而阻碍了探测器内存容量的利用率。由 W上深空通信的特点可知，W往所采用的深空通信链路的调制系统若应用在深空通信中存 在着W下几个问题。第一，直传链路调制传输方式为了获得较高可靠性而放弃了有效性，但 由于深空探测器的内存容量有限，较低的有效性，必然导致传输速率低，运样会使得探测器 采集到的数据不能及时传回地球，若此时探测器容量已满，则无法继续采集数据，或者为了 继续采集数据，只能将探测器内的数据丢弃，但深空探测器采集到的数据都是十分珍贵的， 上述两种方式都会丢失宝贵数据，显然运样做是不科学的。第二，采用单中继的两跳链路的 传输方式，虽然可W缩短每跳链路的传输距离，进而提升每段链路的信噪比，但是通过计算 我们可W知道，单中继的两跳链路调制的方法在保证可靠性的条件下，系统有效性提升能 力有限，即相比于直传调制链路，系统吞吐量提升百分比不大。
[0011] 为了避免深空信道的AM/PM效应、降低带限信号产生的影响，要求调制后的信号 波形的包络波动尽量的小、且频谱效率好，因此我们选择低阶的恒包络调制技术BPSK及 QPSK来构成网络调制技术，运样可W在带宽效率方面获得比较大的提高，W更好的避免信 号产生失真。
[0012] 网络调制技术是近两年来提出的一种新的跨网络层的调制技术，将物理层的调制 技术与网络拓扑，功率分配等技术结合起来，在保证一定可靠性的前提下，相比于直传调制 技术及单中继的两跳链路调制技术而言，可有效提升系统吞吐量。当然，若想使得系统可靠 性提升，加入适当的编码即可。
【发明内容】
[0013] 针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种面 向深空通信的网络调制方法，基于S点式拓扑结构的网络调制技术，目的在深空通信的特 定背景下，在实现系统的有效抗衰落前提下，解决深空通信中吞吐量较低的问题。
[0014] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种面向深空通信的网络调制 方法，包括W下步骤：
[0015] 步骤1、根据=段不同链路的信道条件特性选取适合于信道传输的调制类型进行 配比并采用网络调制进行探测数据的传输；
[0016] 通过对星座图的排布特点分析可得，网络调制中=段不同链路所产生的误码率计 算公式为：
[0017]
[001引式中，2di代表BPSK调制中两个信息比特间的距离，2d2代表QPSK调制中两 个信息比特间的距离，2ds代表实际传输的8PSK调制中两个信息比特间的距离，d= [山dz，. . .，dm]，N。为噪声平均功率；
[0019] 网络调整的吞吐量公式为：
[0020]
[002。 式中为满足特定误码率条件下的系统吞吐量，mb、m。、HiK分别代表源节点所选 用的第一层调制类型、第二层调制类型及中继节点R选用的调制类型，Tk为中继节点R传输 调制信号到目的节点D所用传输时间，T为源节点S广播信号所用的传输时间；
[0022] 步骤2、通过中继节点的辅助解调信息，再W适当的调制类型发送给目的节点；
[0023] 步骤3、目的节点分别将源节点和中继节点发送的信息解调叠加，进而还原出发送 端所发送的信息比特。
[0024] 作为本发明的进一步改进，述步骤2中通过中继节点的辅助解调信息包括：
[00巧]A、在发射端，信息比特经过广播调制，在调制过程中将信息比特进行两层的叠加 调制，分别称为第一层的重要信息比特调制和第二层的增强信息比特调制；
[0026]B、用两种不同或者相同的调制方式进行叠加，将调制后的码字经探测器S的发送 天线发射出去，发射信号送入AWGN信道，通过两条链路先后到达中继点RelayW及地面基 站D;
[0027]C、中继点Relay首先解调出第一层的重要信息比特，之后借助第一层重要信息比 特的位置定位解调出第二层的增强信息比特；
[002引 D、W"适合畑信道传输的调制方式"调制Relay点解调出的第二层增强信息比特 并发送给地面基站D;
[0029]E、地面基站D分别解调出探测器S发送的第一层重要信息