基于OFDM和跨层设计的星载交换方法

摘要

本发明属于卫星星载交换技术领域，涉及基于OFDM和跨层设计的星载交换方法。该方法包括：每个星上点波束与相应地面网关采用OFDM技术进行星地上下行链路业务传输；各个地面网关确定点波束星地上行链路每个子载波的调制制式，给每个星地上行链路业务分配子载波，并把所有子载波调制成OFDM信号发送给卫星，星上对每个点波束星地上行链路OFDM信号进行子载波分离和交换，确定每个点波束星地下行链路每个子载波的调制制式和给每个星地下行链路业务分配子载波，并把所有子载波调制成OFDM信号发送给相应地面网关。本发明既能实现对频谱资源的统计复用，又不与具体通信体制相关联，具备良好的适应性，并可对传输业务提供QoS保证。

主权项

1.一种基于OFDM和跨层设计的星载交换方法，其特征在于，包括以下步骤：1)每个星上点波束与相应地面网关采用OFDM技术进行星地上下行链路业务传输；2)地面网关确定点波束星地上行链路每个子载波的调制制式：与星上点波束进行星地上下行链路业务传输的地面网关在星地上行链路发射信号总功率受限条件下，根据点波束星地上行链路信道状态信息和星地上行链路信号检测后误比特率要求确定点波束星地上行链路OFDM信号中每个子载波的调制制式，使点波束星地上行链路所有子载波承载的信息比特个数总和R_u最大；具体描述如式(1)所示：优化目标：$\max R_u=\underset{n=0}{\overset{N_u-1}{\Sigma }}{b}_n---\left(1\right)$已知条件：h_u(n)(0≤n≤N_u-1)、BER_req约束条件：b_n是第n个子载波承载比特个数$b_n\in \{\mathrm{1,2},...\}\forall n$$\underset{n=0}{\overset{N_u-1}{\Sigma }}{p}_u\left(n\right)\le P_u,$p_u(n)为第n个子载波信号功率P_u为发射信号总功率上限如果让第n个子载波承载b_n个信息比特，在满足信号检测后误比特率要求(BER_req)前提下，第n个子载波需要的发射信号功率为p_u(n)，如式(2)所示：$P_u\left(n\right)=-\frac{2}{3}\frac{\left(\ln \left(5B{\mathrm{ER}}_{\mathrm{req}}\right)\right){\sigma }_u^2}{{\left|h_u\left(n\right)\right|}^2}(2^{b_n}-1)={\lambda }_u\left(n\right)(2^{b_n}-1)---\left(2\right)$根据式(1)和式(2)确定每个子载波调制制式的流程如下：(1)、初始化： 设：b_n＝0，p_u(n)＝0   0≤n≤N_u-1$P_u^{/}=0,$R_u＝0$w=\underset{0\le n\le N_u-1}{\max }\left\{\right|h_u\left(n\right)\left|\right\}/\underset{0\le n\le N_u-1}{\min }\left\{\right|h_u\left(n\right)\left|\right\}---\left(3\right)$w是判断信道特性(高斯白噪声信道还是频率选择性衰落信道)的依据；如果：进入(2)，否则进入(3)；(2)、执行过程：$b_n^{/}=b_n+1$0≤n≤N_u-1；$\Delta p_u\left(n\right)={\lambda }_u\left(n\right)(2^{b_n^{/}}-1)-p_u\left(n\right)0\le n\le N_u-1;$$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{0\le n\le N_u-1}{\min }\left\{\Delta p_u\left(n\right)\right\};$$P_u^{//}=P_u^{/}+{\mathrm{\Delta p}}_u(n\_\mathrm{opt});$如果：$P_u^{//}\le P_u$则：$P_u^{/}=P_u^{//};$R_u＝R_u+1；b_{n_pot}＝b_{n_opt}+1；p_u(n_opt)＝p_u(n_opt)+Δp_u(n_opt)；重复以上过程；否则整个执行过程结束。(3)、执行过程：p_u(n)＝P_T/N_u    0≤n≤N_u-1；0≤n≤N_u-1；$R_u=\underset{n=0}{\overset{N_u-1}{\Sigma }}{b}_n$整个执行过程结束。执行完毕后得到的R_u作为呼叫接纳控制系统的依据参数之一；子载波备选调制制式为M-QAM，M为每个子载波可能承载的信息比特个数，1≤M；3)地面网关给每个星地上行链路业务分配子载波：地面网关根据每个星地上行链路业务的业务类型和相应FIFO缓存占用长度，按照恒定比特率业务恒定比特率业务CBR、实时可变速率业务rt-VBR、非实时可变速率业务nrt-VBR、未指定速率业务UBR的顺序和同一类型业务公平传输原则给各个业务分配子载波；(1)、给所有恒定比特率业务恒定比特率业务CBR分配子载波：如果M_u，c＝0，则跳过(1)；否则继续：如果满足：$\underset{m\in Q_{n,c}}{\Sigma }{R}_{u,m}=R_{u,c}>S*R_u;$则：否则：式(4)处理体现了对所有同一类型业务进行公平传输原则，式(4)处理得到的为属于O_u，c的某个业务在一个OFDM符号中可能被传输的bit个数；用表示O_u，c中的第一个传输业务在一个OFDM符号中可能被传输的bit个数；A_{u，c，l，a}表示已分配给O_u，c中的第一个传输业务的所有子载波集合，A_{u，c，l，a}的初值为空集；用R_{u，c，l，a}表示已被分配给O_u，c中的第一个传输业务的所有子载波在一个OFDM符号中能够承载的信息比特个数总和，R_{u，c，l，a}的初值为0；对O_u，c的第一个传输业务分配子载波的具体过程如下：$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{n\in F_u}{\min }\left\{\right|R_{u,c,l}^{/}-R_{u,c,l,a}-b_n\left|\right\};$如果：$R_{u,c,l}^{/}-R_{u,c,l,a}-b_{n\_\mathrm{opt}}>0:$A_{u，c，l，a}＝A_{u，c，l，a}∪{n_opt}；F_u＝F_u-{n_opt}；返回开始步骤继续分配子载波；否则：A_{u，c，l，a}＝A_{u，c，l，a}∪{n_opt}；F_u＝F_u-{n_opt}；$b^{//}=R_{u,c,l,a}+b_{n\_\mathrm{opt}}-R_{u,c,l}^{/};$如果：b^//＝0，子载波分配过程结束。否则：继续执行；$p_u(n\_\mathrm{opt})={\lambda }_u(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}-b}-1);$$\mathrm{\Delta P}={\lambda }_u(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}}-1)-p_u(n\_\mathrm{opt});$b_{n_pot}＝b_{n_opt}-b^//；do$\begin{array}{cc}\{b_n^{/}=b_n+1& n\in F_u;\end{array}$${\mathrm{\Delta p}}_u\left(n\right)={\lambda }_u\left(n\right)(2^{b_n^{/}}-1)-p_u\left(n\right)n\in F_u;$$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{n\in F_u}{\min }\left\{{\mathrm{\Delta p}}_u\left(n\right)\right\};$如果满足：Δp_u(n_pot)＞ΔP：子载波分配过程结束。否则：继续执行；b_{n_opt}＝b_{n_pot}+1；$p_u(n\_\mathrm{opt})={\lambda }_u(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}}-1);$b^//＝b^//-1；}while(b^//＞0)；子载波分配过程结束。依次类推，直到给所有恒定比特率业务CBR都已分配子载波；如果此时还有剩余子载波，对R_u进行更新：进入下一步(对实时可变速率业务rt-VBR业务分配子载波)；否则子载波分配过程结束；4)地面网关进行星地上行链路业务传输：地面网关把步骤3)中的星地上行链路子载波分配方式和步骤2)中的每个子载波的调制制式信息放入星地上行链路业务传输帧的控制子帧，并根据该信息对各个传输业务FIFO缓存的bit流进行排队，在各个子载波位置放置相应传输bit，对该传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，在导频信号位置插入导频信号，采用快速傅立叶逆变换IFFT把所有子载波信号调制成一个完整OFDM符号，放入星地上行链路业务传输帧的业务子帧，把整个星地上行链路业务传输帧传输给卫星；5)卫星对星地上行链路业务进行子载波分离和交换：卫星上每个点波束对接收的星地上行链路OFDM接收进行分离处理，分离出的各个子载波信号进行交换，根据卫星接纳控制系统信息生成交换的第一级交换控制参数，并根据每个星地上行链路业务传输帧的控制子帧的子载波分配信息生成交换的第二级交换控制参数；第一级交换控制参数表示来自各个点波束星地上行链路的各个子载波信号交换后属于哪一个下行链路点波束，第二级交换控制参数表示属于某一个点波束下行链路的各个子载波信号交换后属于哪一个传输业务；根据第一、二级交换控制参数把各个点波束上行链路中所有子载波信号中交换后属于同一个下行链路传输业务的子载波信号抽取出来并进行缓存；6)卫星确定点波束星地下行链路每个子载波的调制制式和给每个星地下行链路业务分配子载波：卫星上点波束在星地下行链路发射信号总功率受限条件下，根据点波束星地下行链路信道状态信息和星地下行链路的信号检测后误比特率要求确定星地下行链路OFDM信号中每个子载波的调制制式，使点波束星地下行链路所有子载波承载的信息比特个数总和R_d最大；具体描述如式(1)所示：优化目标：$\max R_d=\underset{n=0}{\overset{N_d-1}{\Sigma }}{b}_n---\left(1\right)$已知条件：h_d(n)(0≤n≤N_d-1)、BER_req约束条件：b_n是第n个子载波承载比特个数$b_n\in \{\mathrm{1,2},...\}\forall n$$\underset{n=0}{\overset{N_d-1}{\Sigma }}{p}_d\left(n\right)\le P_d,$p_d(n)为第n个子载波信号功率P_d为发射信号总功率上限如果让第n个子载波承载b_n个信息比特，在满足信号检测后误比特率要求(BER_req)前提下，第n个子载波需要的发射信号功率为p_d(n)，如式(6)所示：$P_d\left(n\right)=-\frac{2}{3}\frac{\left(\ln \left(5B{\mathrm{ER}}_{\mathrm{req}}\right)\right){\sigma }_d^2}{{\left|h_d\left(n\right)\right|}^2}(2^{b_n}-1)={\lambda }_d\left(n\right)(2^{b_n}-1)---\left(2\right)$根据式(1)和式(2)确定每个子载波调制制式的流程如下：(1)、初始化：设：b_n＝0，p_d(n)＝0   0≤n≤N_d-1$P_d^{/}=0,$R_d＝0$w=\underset{0\le n\le N_d-1}{\max }\left\{\right|h_d\left(n\right)\left|\right\}/\underset{0\le n\le N_d-1}{\min }\left\{\right|h_d\left(n\right)\left|\right\}---\left(3\right)$w是判断信道特性(高斯白噪声信道还是频率选择性衰落信道)的依据；如果：进入步骤(2)，否则进入步骤(3)；(2)、执行过程：$b_n^{/}=b_n+1$0≤n≤N_d-1；$\Delta p_d\left(n\right)={\lambda }_d\left(n\right)(2^{b_n^{/}}-1)-p_d\left(n\right)$0≤n≤N_d-1；$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{0\le n\le N_d-1}{\min }\left\{\Delta p_d\left(n\right)\right\};$$P_d^{//}=P_d^{/}+{\mathrm{\Delta p}}_d(n\_\mathrm{opt});$如果：$P_d^{//}\le P_d$则：$P_d^{/}=P_d^{//};$R_d＝R_d+1；b_{n_opt}＝b_{n_opt}+1；p_d(n_opt)＝p_d(n_opt)+Δp_d(n_opt)；重复以上过程；否则整个执行过程结束。(3)、执行过程：p_d(n)＝P_T/N_d              0≤n≤N_d-1；0≤n≤N_d-1；$R_d=\underset{n=0}{\overset{N_d-1}{\Sigma }}{b}_n$整个执行过程结束。执行完毕后得到的R_d作为呼叫接纳控制系统的依据参数之一；根据每个点波束星地下行链路业务的业务类型和相应FIFO缓存占用长度，按照恒定比特率业务CBR、实时可变速率业务rt-VBR、非实时可变速率业务rt-VBR、未指定速率业务UBR业务的顺序和同一类型业务公平传输原则给各个星地下行链路业务分配子载波；给所有恒定比特率业务CBR分配子载波：如果M_d，c＝0，则跳过步骤(1)；否则继续：如果满足：$\underset{m\in Q_{d,c}}{\Sigma }{R}_{d,m}=R_{d,c}>S*R_d;$则：否则：式(8)处理体现了对所有同一类型业务进行公平传输原则，式(8)处理得到的为属于O_d，c的某个业务在一个OFDM符号中可能被传输的bit个数；用表示O_d，c中的第一个传输业务在一个OFDM符号中可能被传输的bit个数；A_{d，c，l，a}表示已分配给O_d，c中的第一个传输业务的所有子载波集合，A_{d，c，l，a}的初值为空集；用R_{d，c，l，a}表示已被分配给O_d，c中的第一个传输业务的所有子载波在一个OFDM符号中能够承载的信息比特个数总和，R_{d，c，l，a}的初值为0；对O_d，c的第一个传输业务分配子载波的具体过程如下：$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{n\in F_d}{\min }\left\{\right|R_{d,c,l}^{/}-R_{d,c,l,a}-b_n\left|\right\};$如果：$R_{d,c,l}^{/}-R_{d,c,l,a}-b_{n\_\mathrm{opt}}>0:$A_{d，c，l，a}＝A_{d，c，l，a}∪{n_opt}；F_d＝F_d-{n_opt}；返回开始步骤继续分配子载波；否则：A_{d，c，l，a}＝A_{d，c，l，a}∪{n_opt}；F_d＝F_d-{n_opt}；$b^{//}=R_{d,c,l,a}+b_{n\_\mathrm{opt}}-R_{d,c,l}^{/};$如果：b^//＝0，子载波分配过程结束。否则：继续执行；$p_d(n\_\mathrm{opt})={\lambda }_d(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}-b^{//}}-1);$$\mathrm{\Delta P}={\lambda }_d(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}}-1)-p_d(n\_\mathrm{opt});$b_{n_opt}＝b_{n_opt}-b^//；do$\begin{array}{cc}\{b_n^{/}=b_n+1& n\in F_d;\end{array}$${\mathrm{\Delta p}}_d\left(n\right)={\lambda }_d\left(n\right)(2^{b_n^{/}}-1)-p_d\left(n\right)n\in F_d;$$n\_\mathrm{opt}=\arg \underset{n\in F_d}{\min }\left\{{\mathrm{\Delta p}}_d\left(n\right)\right\};$如果满足：Δp_d(n_opt)＞ΔP：子载波分配过程结束。否则：继续执行；b_{n_opt}＝b_{n_opt}+1；$p_d(n\_\mathrm{opt})={\lambda }_d(n\_\mathrm{opt})(2^{b_{n\_\mathrm{opt}}}-1);$b^//＝b^//-1；}while(b^//＞0)；子载波分配过程结束。依次类推，直到给所有恒定比特率业务CBR都已分配子载波；如果此时还有剩余子载波，对R_d进行更新：进入下一步(对实时可变速率业务rt-VBR业务分配子载波)；否则子载波分配过程结束；7)卫星进行星地下行链路业务传输：该卫星上点波束把步骤6)中的星地下行链路子载波分配方式和每个子载波的调制制式信息放入星地下行链路业务传输帧的控制子帧，并根据该信息对各个传输业务FIFO缓存的bit流进行排队，在各个子载波位置放置相应的传输bit，对该传输bit进行符号映射、生成各个子载波信号，在导频信号位置插入导频信号，采用IFFT把所有子载波信号调制成一个完整OFDM符号，放入星地下行链路业务传输帧的业务子帧，把星地下行链路业务传输帧传输给相应地面网关；地面网关根据此星地下行链路业务传输帧的控制子帧信息和业务子帧信号恢复出点波束星地下行链路的每个传输业务。