多用户数据复接超帧帧编码调制方法技术

本发明专利技术公开的一种多用户数据复接超帧帧编码调制方法，并行度高、数据吞吐量大、易于裁减与扩展。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：多个用户的业务数据通过卫星或地面通信网业务数据收入接口，分别输入到超帧组帧编码调制器，对多个用户的数据短帧，在数字上进行复接形成超帧；数据经过缓存后，超帧处理模块根据监控参数，在超帧成帧处理控制状态机的超帧循环状态控制下，依次完成空帧插入、命令插入、LDPC编码、超帧头插入、超帧尾插入和符号加扰，在FPGA器件中依据时分复用基本原理，按照一定的速度系列依次复用在一起，将并行码相位生成信号送入正交调制器，利用调制算法对并行载波生成信号进行正交调制，生成数字中频调制信号。号。号。

【技术实现步骤摘要】
多用户数据复接超帧帧编码调制方法


[0001]本专利技术属于编码、调制器、多用户复接的物理层组帧类。涉及星地无线数字发射机超帧组帧编码调制方法，尤其是主要应用于卫星通信网络领域，为卫星通信网络提供一种多用户数据复接超帧组帧编码调制方法。
技术背景
[0002]随着国内外的天基网络(卫星间宽带组网)计划、高分辨率卫星侦察、高分辨率卫星遥感、以及5G移动通信宽带毫米波通信等技术的发展，无线宽带高速数据率传输技术成为了必需的使能技术。无线高速通信技术是卫星通信领域的核心技术之一，超帧组帧技术是卫星通信网络多用户共享卫星服务的关键技术之一。数据在网络上是以很小的称为帧 (Frame)的单位传输的，帧由几部分组成，不同的部分执行不同的功能。帧通过特定的称为网络驱动程序的软件进行成型，然后通过网卡发送到网线上，通过网线到达它们的目的机器，在目的机器的一端执行相反的过程。接收端机器的以太网卡捕获到这些帧，并告诉操作系统帧已到达，然后对其进行存储。
[0003]随着互联网技术的飞速发展,人们对通信带宽的要求逐渐增高。在宽带通信中,卫星宽带移动通信能够为互联网提供覆盖更广、无缝的通信方式。目前,卫星宽带移动通信的传输正面临着天气、用户数量剧增等因素的挑战,因此,需要将自适应编码调制技术应用到卫星宽带移动通信系统中。目前中继卫星系统传输速率达600Mbps，民用高分辨率遥感卫星速率需求已经达1.5Gbps，第三代星(TDRS
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M/N)数传速率已达1.2Gbps。日本超高速因特网卫星最高速率达1.2Gbps的双向通信。正在研究的天基网络骨干传输链路传输要求达数Gbps。对于FDD模式来说，由于下行和上行采用不同的频率，下行频率上所有的子帧都用于下行，上行频率上所有的子帧自然也都用于上行。上行导频时隙vUpPTS长度160chips，125us，下行导频时隙vDwPTS长度为96chips，占75us，v子帧总长度为6400chips，占5ms，得到码片速率为1.28Mcps。用于传送控制信息的复帧由51个基帧组成，复帧再组成超帧，可以是51X26或26X51的1 326个TDMA基帧。LTE分两种不同的双工方式，这个不同最直接的就是对于空中接口无线帧结构的影响，因为FDD采用频率来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是连续的；而TDD则采用时间来区分上、下行，其单方向的资源在时间上是不连续的，而且需要保护时间间隔，来避免两个方向之间的收发干扰，所以LTE分别为 FDD和TDD设计了各自的帧结构。为了使接收方能正确地接受并检查所传输的帧，发送方必须依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧，称为组帧。目前较常用的组帧方法是比特填充法和违规编码法。一般以太网环境中数据链路层能够传输的最大数据为1518字节，有些网卡在故障时会发送一些超长帧，但是这种帧一般都会被中间设备或捕获数据包的网卡丢弃，抓包工具一般无法正常显示。一种专门为千兆以太网而设计的超长帧格式，其长度从 9000字节～64000字节不等。超长帧一般在内部网络的存储环境中应用较多。假设服务器在很短的时间内发送了大量的超长数据包，其IP标识都很接近，在经过交换机时，交换机需要对这些超长的数据包进行转换，一个超长的数据包会被转换成多个常规的数据包，交换机在进行这个
转换的时候，需要给那些转换后常规数据包重新分配IP标识(转换后的第一个数据包的IP标识为转换前的超长数据包的IP标识，后续的数据包的IP标识逐一增加)。通过比较这些数据包的IP标识，可以发现服务器在发生这些超长数据包时，将其相应的IP标识设置为转换后不会存在冲突的值。在近代数字通信中，数字化的视频等信息传输量较大，因此往往以每秒千比特或每秒兆比特为单位于以计量，分别写作kbit/sec或kbps和Mbit/sec 或Mbps。单位时间内通过信道传输的信息量称为比特传输速率，单位是比特/秒(b/s)，简称比特率(bitrate)。比特率经常在通信领域用作连接速度、传输速度、信道容量、最大吞吐量和数字带宽容量的同义词。比特率越高，传送的数据越大。在子帧之下，还要细分为时隙。时隙和子载波间隔强相关：子载波间隔越小，时隙就越长，反之，子载波间隔越大，时隙就越短。在最主流的30KHz子载波下，一个子帧内包含2个时隙，每个时隙的时长是0.5毫秒。在每个时隙内，都含有14个OFDM符号。符号是时域的最小单位，每个符号根据调制方式的不同，可以携带不同数量的比特。调制的作用就是把经过编码的数据(一串0和1的随机组合)映射到前面所说帧结构的最小单元：OFDM符号上。经过调制的信号才能最终发射出去。编码是在调制的上一道工序，就是在要传输的原始数据的基础之上，增加一些冗余，用来进行检错，纠错等功能。经过编码之后，要发送的数据增加了，为了表征编码增加的冗余数据的多少，引入了码率的概念。码率＝编码前的比特数/编码后的比特数。
[0004]卫星通信有两种，一种是卫星电视的那种，比如DVB标准，用的是混合多层编码 BICM，QAM/PSK和正交频分复用OFDM，编码用的是长LDPC码。另一种是深空卫星通信，用的是PPM，BICM
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ID和LDPC码，或者串行的卷积turbo码。基于LDPC码的混合多层编码(MLC)和比特交织编码调制(BICM)方案，环的周长为该环所包含的边数，周长较短的环影响译码的性能，短环的存在会使得译码重复迭代，影响译码效率，使译码收敛速度变慢，与传统的BICM方案相比，所提方案能达到更好的误码率性能与更低的复杂度。在B5G/6G支持的高移动场景下，例如高速列车、V2V、无人机、卫星通信等，高速移动会产生大的多普勒频移，此时OFDM的子载波之间的正交性会遭到严重破坏，导致性能急剧恶化。并且传统编码算法存在计算量大,实时编码速度跟不上的问题。
[0005]无线网络要提升网速，主要靠下面4个武器：频率带宽、帧结构、调制编码、多入多出MIMO。MIMO主要靠在空中同时传输多路不同的数据来成倍地提升网速。下行 MIMO取决于基站的发射天线数和手机的接收天线数。LDPC码是一种线性分组码，由N
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K 行N列的校验矩阵H定义，其中N为码字长度(简称码长)，K为信息位长度，M＝N
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K
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般称为校验位长度，对应码率R＝K/N。H矩阵由元素0或1组成，它的每一行表示一个校验方程。在Tanner图中称为校验节点，共N
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K个；每一列代表一个信息比特，在Tanner 图中称为变量节点，共N个；H矩阵中的非零元素表示其所在行的校验节点和所在列的变量节点之间的连接关系，在Tanner图中称为边。一般而言，每一秒视频至少需要使用1个关键帧。增加关键帧个数可改善质量，但是同时增加带宽和网络负载。需要说明的是，通过提高GOP值来提高图像质量是有限度的，在遇到场景切换的情况时，H.264编码器会自动强制插入一个I帧，此时实际的GOP值被缩短了。另一方面，在一个GOP中，P、B帧是由I帧预测得到的，当I帧的图像质量比较差时，会影响到一个GOP中后续P、B帧的图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多用户数据复接超帧帧编码调制方法，具有如下技术特征：多个用户共享一条传输线路资源，多个用户的业务数据通过卫星或地面通信网业务数据收入接口，分别输入到卫星无线数字发射机或者信关站无线数字发射机的超帧组帧编码调制器，根据Qos、实时性、传输速率、误码性能等不同要求，对多个用户的数据短帧，在数字上进行复接形成超帧，并将多用户超长帧成帧复接数据流信息送入超帧数据缓存器中进行缓存；数据经过缓存后，超帧处理模块根据监控参数，在超帧成帧处理控制状态机的超帧循环状态控制下，依次完成空帧插入、命令插入、LDPC编码、超帧头插入、超帧尾插入和符号加扰，在FPGA器件中实现全数字并行流水结构超帧成帧编码，超帧组帧编码调制器根据不同的调制方式要求，依据时分复用基本原理，按照一定的速度系列依次复用在一起，通过调制符号映射、符号内插与成形滤波、数字中频正交调制和超帧处理完成以后，送到高速数模转换器DA完成数模转换合并成为高速数码流；将超帧被放在超帧数据缓存中进行存储，其后数据位宽变换模块，依次进行：8PSK或QPSK或BPSK调制方式符号映射，通过符号内插与成形滤波模块，将并行码相位生成信号送入正交调制器，利用调制算法对并行载波生成信号进行正交调制，生成数字中频调制信号，正交调试以后数据输出并行低压差分信号LVDS的调制信号送高速模数转换器DA，输出中频调制信号。2.如权利要求1所述的多用户数据复接超帧帧编码调制方法，其特征在于：超帧处理模块采用BPSK、QPSK、8PSK三种调制方式加扰，用PN码分别以8bit并行生成加扰，对每个星座点的基带bit数据分解成并行1、2、3路，然后对并行支路分别采用相同的PN进行加扰，并行加扰后支路再合路成一路输出。3.如权利要求1所述的多用户数据复接超帧帧编码调制方法，其特征在于：FPGA器件采用全数字并行流水结构编码和调制算法、实现超帧成帧，通过多种不同位宽的双口RAM实现不同位宽的数据接口，对整个数据处理过程进行流控管理；数据超帧成帧部分采用复杂的命令生成状态机和命令响应状态机，以LDPC码块为单位，按协议要求在LDPC码块前后添加帧头和帧尾，由8个LDPC码块加填充形成274个数据子帧结构，最终形成长度达到17958400个符号的超帧；在编码算法部分实现1/2、3/4、7/8三种不同码率LDPC编码和BPSK、QPSK、8PSK三种不同调试方式的符号加扰，调制算法部分数据位宽采用8bit，基于参数化的并行符号内插和并行载波，采用数据位宽12bit的40路并行符号内插，载波生成数据位宽12位的40路并行正交调制信号。4.如权利要求1所述的多用户数据复接超帧帧编码调制方法，其特征在于：在FPGA器件中，超帧成帧处理控制状态机基于FPGA生成状态机命令和响应状态机命令，按协议要求，以LDPC码块为单位的数据作为基本的信号处理粒度，在码块前后添加帧头帧尾，由8个低密度奇偶检验LDPC码块加填充形成数据子帧结构，产生一个n维向量m的码字，形成长度达到相移键控PSK、QPSK、BPSK分别为24bit、16bit和8bit的输出位宽符号的超帧，然后按8bit的位宽，从被存储在超帧数据缓存器中缓存中读出32bit位宽输入的业务数据，进行超帧组帧处理；LDPC码块将待编码的信息矢量 m 乘以稀疏矩阵H，得到中间结果S，然后将中间结果S进行重复累加，得到校验比特，最后将信息比特和校验比特合并起来就得到最终的码字。5.如权利要求1所述的多用户数据复接超帧帧编码调制方法，其特征在于：超帧处理模块以命令生成与响应状态机，作为超帧生成的控制调度中心和复杂数据流控管理器；控制超帧组成的每个LDPC码块前后需要的插入超帧数据，按LDPC码块进行超帧发送，根据超帧
的要求，控制LDPC码块前面或者后面添加超帧的插入内容；对超帧数据缓存进行管理，以保证前面的超帧成帧和后面的调制器两者的数据流无差错的流入和流出。6.如权利要求1所述的多用户数据复接超帧帧编码调制方法，其特征在于：数据位宽变换模块根据调制方式的不同，分别以24bit、16bit、8bit的位宽读出超帧数据缓存器中的缓存数据，送到符号映射模块进行调制星座映射，符号映射模块以8路并行的8*8bit位宽数据送到符号内插与成形滤波模块，根据输入的并行码钟相位生成，进行符号内插上...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇舟，刘景元，罗宁，王旌，刘进军，杜瑜，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：