低轨卫星通讯的物理层帧结构、通讯方法及通讯装置与流程

1.本技术属于卫星通讯领域，特别涉及一种低轨卫星通讯的物理层帧结构、通讯方法及通讯装置。


背景技术：

2.卫星通信按照轨道来分，主要包括：地球静止轨道（geo）、中地球轨道（meo）、低地球轨道（leo）和倾斜地球同步轨道（igso）等，其中leo轨道小于2000km，可以通过几十到上百颗卫星组网实现全天时全球无缝覆盖，铱星、全球性、星链（starlink）等卫星均采用leo轨道。国外已经公布的低轨卫星通信方案中，主要频段主要集中在ka、ku和v频段。在应急救援领域，主要使用国内外通信设备作为应急设备，无法做到小型化、低功耗的需求。
3.现有技术中最常见的通信体制是semtech公司提出的lora体制，在lora物理层采用汉明编码、格雷编码，交织等多种技术，大大提高了信号的接收灵敏度。lora体制的帧格式包括前导(preamble),数据包头（header），有效载荷（payload）和循环冗余校验（crc）四部分。但是payload内容的长度，占了8个bit，因此一包lora数据中，后续payload内容最大为255byte，使一帧中传输数据量最大为255byte，数据量太少；对于高动态场景，由于没有频偏跟踪方法，容易产生误码；采用简单汉明编码，无法降低信号的eb/n0（通信系统传输一比特信息所需要的能量和噪声功率谱密度的比值，是衡量整个通信系统性能归一化的一个系统指标）。
4.因此，需要一种针对低轨卫星的通讯方案，能够解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了解决所述现有技术的不足，本技术提供了一种针对低轨卫星通讯的新的物理层帧结构，适用于低轨卫星通信系统中，解决高动态、低灵敏度的通信需求；在信号帧结构中插入导频段，可定期进行时偏、频偏的校准。通过上述方法，在远距离、高动态窄带传输环境下，可以连续接收信号，并且在低轨卫星动态变化比较大的时候仍能正常工作，同时，可支持连续65536字节的连续接收，从而大幅度通信的成功率，保证了窄带突发模式下的信号传输。
6.本技术所要达到的技术效果通过以下方案实现：根据本发明的第一方面，提供了一种低轨卫星通讯的物理层帧结构，物理层帧包括同步字、帧头以及若干信息净负荷，根据应用环境不同在信息净负荷之后选择性插入导频；其中，所述帧头的数据长度设置为16bit；所述信息净负荷采用维特比编码或者bch编码。
7.优选地，在低轨卫星通信时，在每个信息净负荷之后均设置有一个所述导频。
8.优选地，所述同步字由固定的200个upchirp信号和2个downchirp信号组成。
9.优选地，帧头由数据长度、插入导频间隔、playload编码方式和bch编码组成。
10.优选地，所述数据长度设置为16bit，所述插入导频间隔设置为8bit，所述
playload编码方式设置为3bit。
11.优选地，所述导频由1个upchirp信号和1个downchirp信号组成。
12.根据本发明的第二方面，提供了一种低轨卫星通讯方法，通信设备与低轨卫星之间使用上述任一项所述的低轨卫星通讯的物理层帧结构。
13.根据本发明的第三方面，提供一种低轨卫星通讯装置，包括信号发生器，所述信号发生器用于生成符合上述任一项所述的物理层帧结构的信号。
14.本发明的一个技术效果在于，在不增加信号的带宽下，使用线性调频方式使信噪比-20db的时候仍能正常接收，大幅提高了传输距离；另外采用插入up/down导频的方式实现信号的跟踪，可对抗多普勒变化率300hz/s；能使地面终端使用更低发射功率实现和低轨卫星的通信服务。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本技术一实施例中一种低轨卫星通讯的物理层帧结构示意图。
具体实施方式
17.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
18.如图1所示，在本技术一实施例中的低轨卫星通讯的物理层帧结构，物理层帧包括同步字、帧头以及若干信息净负荷（playload），根据应用环境不同在信息净负荷之后选择性插入导频（pilot）；其中，所述帧头的数据长度设置为16bit；所述信息净负荷采用维特比编码或者bch编码。
19.相较于传统的应用于短字节突发通信的lora体制，本实施例中在帧头位置将数据长度设置为16bit，这样可以传输65535个byte数据；在帧结构中加入pilot字段，可以用于高动态环境下频偏的跟踪，保证长时间传输时多普勒的有效补偿；相较于lora体制使用汉明编码，本实施例中增加playload数据的编码方式，不使用汉明编码，采用性能更好的维特比编码或者bch编码，提高信号的eb/n0。eb/n0 是指通信系统传输一比特信息所需要的能量和噪声功率谱密度的比值，其中eb：单位比特的能量，单位是焦耳（joules）；n0：噪声的功率谱密度，单位是瓦特/赫兹（watts/hz）；在本实施例中，优选维特比编码，在不增加信号带宽的情况下，提高eb/n0，有利于提高通信灵敏度，增加传输距离。
20.在本技术一实施例中，在地面低动态环境下，可以选择不插入pilot，实现信号的连续接收，又可以节省带宽，在低轨卫星通信的时候，可以根据需要间隔插入pilot数据，大幅度提高了通信的稳定性。
21.在本技术一实施例中的同步字由固定的200个upchirp信号和2个downchirp信号组成。200个upchirp用于前期信号的捕获和频偏计算和跟踪，其中200个upchirp一方面可以降低信号的误检概率，同时可以估计出多普勒变化率。2个downchirp信号配合200个upchirp用来计算频偏和定时偏差。
22.在本技术一实施例中，帧头由数据长度、插入导频间隔、playload编码方式和bch编码组成。其中数据长度设置为16bit，可以传输65535 字节数据；插入导频间隔设置为8bit，表示在0～255个symbol内可以自由插入导频，对于频率变化率大的应用场景，可以配置小间隔，这样频率跟踪的频率增加，通过每次频率跟踪，可以校准高动态带来的频率偏差；playload编码方式设置为3bit，可以有8种编码方式，可以根据信号灵敏度的不同，选择不同的编码方式。
23.在本技术一实施例中，导频由1个upchirp信号和1个downchirp信号组成。
24.根据本发明的第二方面，提供了一种低轨卫星通讯方法，通信设备与低轨卫星之间使用上述任一项所述的低轨卫星通讯的物理层帧结构。
25.根据本发明的第三方面，提供一种低轨卫星通讯装置，包括信号发生器，所述信号发生器用于生成符合上述任一项所述的物理层帧结构的信号。
26.本发明的一个技术效果在于，在不增加信号的带宽下，使用线性调频方式使信噪比-20db的时候仍能正常接收，大幅提高了传输距离；另外采用插入up/down导频的方式实现信号的跟踪；能使地面终端使用更低发射功率实现和低轨卫星的通信服务。
27.应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本技术所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
30.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
32.在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。
33.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。