基于IP的卫星通信终端设计与实现
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
A1 ， 1 2 A1 ， A2 ， A 1 2， 2 H qc = A m， A m， 1 2 … … … A1 ， n
Product Algorithm，SPA） 。相比 佳的和积算法（ Sum于 SPA 算法， 该算法的最大特点是无需信噪比估 计。译码器模块的结构框图如图 4 所示。
图4
LDPC 译码器构成框图
。 A m， n
A2 ， n
各子矩阵 A i， j 是 b × b 的循环右移置换矩阵或者 b × b 0 n 固定为 24 。 是 的 矩阵， 因 由于循环置换矩阵 A i， j 完全决定于偏移量 ， p（ i， j） ］ 此总可以用母矩阵 H b = ［ m ×n 来表征校验矩 j） ＞ 0 ， 阵 H， 如果 p（ i， 则表示 H 矩阵中对应的 A i， j j） 的置换矩阵； 若 p（ i， j） = 0 ， 是右偏移量为 p（ i， 则 ； p （ i ， j ） ＜ 0 （ 1 A 一般用 来表 表示 i， j 为单位阵 若 0 。 示） ， 则表示 A i， 为全 矩阵 j 为最大可能 地 简 化 LDPC 编 解 码 器 的 硬 件 实 现， 变码长所需的一系列 LDPC 码的产生服从以下 规则： 给定码率下， 变码长的系列 LDPC 码总是从码 长最长的码出发通过一定的简单操作构造的 。在本 标准的构造中， 构造规则满足： 给定码率， 已知码长 N = 8 064 ，bM = 336 下 的 母 矩 阵 为 H b = j） ］ ［ p M （ i， 则同样码率下其他码长（ 码长决定于 m ×n ， b） 的相应母矩阵为：
无线电通信技术
生 L 频段的中频输出信号。 解调完成中频信号向基带同步信号的转换， 是 调制的逆过程， 首先下变频器把输入的 L 频段中频 信号下变频到 390 MHz 固定频点， 经由 AD 中频采 样后送入 FPGA 进行数字中频预处理， 预处理后的 8 倍符号率 I、 Q 两路数据经过基带解调输出译码数 据， 在译码前需要进行解映射处理， 译码后的数据再 经过收接口转换把同步数据送 IP 单元处理。 1. 2. 2 IP 接入单元 IP 接入单元主要完成 IP 数据和同步数据的转 换功能， 由接入模块和交换模块组成， 结构上采用高 集成度小型化的 CPU 模块和接口扩展底板的设计 思想， 提高系统的可靠性。 IP 接入模块是以 Power PC 处理器模块为作为核 心单元， 采用嵌入式 Linux 操作系统， 运行各种协议处 理软件， 配合 FPGA 等外围电路一起完成系统功能。
2
2. 1
关键技术
中频调制解调技术 调制解调单元采用了中频调制解调技术， 与传 统的零中频调制解调技术相比， 直接实现了中频调 制和中频解调， 降低了中频单元的实现难度。
中频调制主要完成数字基带信号到中频信号的 转化， 其中包括成形滤波后数据的内插、 载波产生、 调制 和 DA 转 换 等 功 能。 设 计 的 中 心 频 点 为 800 MHz的中频信号。 中频解调电路包含中频采样后的预处理和基带 解调两部分。 中频预处理输入 390 MHz 频点的中 频信号， 输出为固定 8 倍符号率的采样数据。 基带解调位于中频预处理之后， 对输入的 8 倍采 样数据完成定时恢复和载波恢复。由于终端采用了 LDPC 编码技术， 因此还包括搜帧处理和 FFT 校频处 理， 用于辅助完成低信噪比情况下的载波环跟踪功 能。LDPC 模式基带解调信号处理流程如图 2 所示。
图3
TCP 加速原理框图
图2
LDPC 模式解调处理流程示意图
由图 3 可见 IP 处理单元发送端网关在收到数 自动发送欺骗 ACK， 相应数据发送请求， 并根 据后，
94
Radio Communications Technology
Vol. 39 No. 3 2013
据空间信道带宽， 控制产生欺骗 ACK 的速率。 由于 TCP 协议本身具有的基于窗口的流控机制， TCP 加 速网关通过控制欺骗 ACK 的发送速率来达到控制 TCP 数据传输速率， 为了使传输速率最大限度的接 。 近信道带宽 2. 3 LDPC 技术 为降低 解 调 工 作 门 限， 调制解调单元采用了 ［6 ］ LDPC 纠错码技术 。 LDPC 纠错码是一种性能优 良、 描述简单， 适合硬件实现的信道编译码方式 。 为方便 硬 件 实 现， 在设计码字时采用准循环 （ quasicyclic， QC ） LDPC 码， 其 H 矩阵为：
基于 IP 的卫星通信终端设计与实现
1 杨 Байду номын сангаас绍辉 ，
佳
2
（ 1． 中国电子科技集团公司第五十四研究所 ， 河北 石家庄 050081 ； 2． 河北远东通信系统工程有限公司， 河北 石家庄 050200 ）
摘 要： 为 解 决 地 面 通信 网 络 与 卫星 通信的 无 缝 连 接 问 题 ， 设 计 了 一 款 基 于 IP 的 卫 星 通 信 终 端 。 该 终 端 由 调 制 解 调 单 元 和 IP 接入 单 元 组 成 ， 可 以 实现 卫星 通信的 全 IP 传 输 。 终 端 采 用 了 TCP 加 速 、 中 频 调 制 解 调 和 LDPC 纠 错 编 码等 技 术 ， 具有路 由 选 择 、 接入 控 制 、 频 率可 变 及 速 率可 变 等 功 能 ， 提高 了 IP 数 据在 卫 星 信 道 传 输 的 效 率 ， 有效地解决 了地 震 、 水 灾 等 应 急 情况 下 卫星 通信 与 地 面 通信 网 络 互 通问题 。 关键词： TCP 加速； 中频调制解调； LDPC； 路由选择 中图分类号： TN927 + ． 21 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 3114 （ 2013 ） 03 － 93 － 4
图1
终端原理框图
1. 2 内部模块设计原理 1. 2. 1 调制解调单元 调制解调单元主要完成基带信号与中频信号的 转换功能， 由调制和解调模块组成， 采用了中频调制 解调技术， 在保证技术指标的前提下， 减小了调制解 调单元体积和功耗。 调制完成基带同步数据向中频信号的转换， 首 先对同步信息进行信道编码， 然后将编码后的数据 按监控设置的调制方式进行星座映射， 映射后的 I、 Q 2 路数据首先经过根升余弦成形滤波器， 再经过 数字 重 采 样 处 理 后 直 接 经 由 DA 芯 片 调 制 到 800 MHz固定频点， 该中频信号经过变频处理后产 93
1
1. 1
终端设计方案
终端组成原理 基于 IP 的卫星通信终端可以提供 IP 数据的接
收稿日期： 2013 － 02 － 22 作者简介： 郄绍辉（ 1978 —） ， 男， 工程师。 主要研究方向： 卫星通信。 杨 佳（ 1983 —） ， 女， 工程师。主要研究方向： 卫星通信。
2013
年第 39 卷第 3 期
Design and Implementation of IPbased Satellite Multimedia Communication Terminal
QIE Shaohui1 ， YANG Jia2
（ 1． The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang Hebei 050081 ， China； 2． Hebei FarEast Communication System Engineering Co． ， Ltd ， Shijiazhuang Hebei 050200 ， China） Abstract： In order to realize the seamless connectivity between the terrestrial communications network and satellite communication wireless communication， an IPbased satellite communication terminal is designed． The terminal is composed of modem unit and IP access unit， and it can implement allIP transmission in satellite communication． The terminals use TCP acceleration， IF modulation and LDPC and some other high performance technologies． They have such functions as routing， access and control， variable demodulation， frequency， variable data rate， etc． and can improve IP data transmission efficiency in satellite communication， and effectively solve the problems occurred in the interoperability between satellite communication and terrestrial communication network in emergency cases． Key words： TCP acceleration； Intermediate Frequency （ IF） Modulation； LDPC
0
引言
入， 并通过卫星信道实现与后方地面通信网络之间 的双向通信， 其实现原理如图 1 所示。
近年来， 自然灾害事件频繁发生， 地面通信网络 难以快速回复。 卫星通信具 往往遭到毁灭性打击， 有覆盖能力强、 不受地理条件限制等特点， 成为战 ［1 ， 2 ］ 。 事、 灾难等突发事件优先选择的主要通信手段 随着 IP 技术的发展， 地面通信网络几乎所有的网络 TCP / IP 协议， 设备和终端都支持 因此实现卫星通 信与地面 IP 网络的无缝衔接成为研究的热点 。 本文设计实现了一款基于 IP 的卫星通信终端， 其 ［ 3 －6 ］ ， 内部包含调制解调和 IP 接入模块 可以实现全 IP 卫星传输， 达到了地面网络与卫星通信的无缝衔接。
TCP 加速技术 TCP 使用基于滑动窗口的流量和拥塞控制方 式， 通过确认分组流实施控制 （ 接收方窗口通知 ） ， trip Timer， RTT ） 的自 使用基于往返定时器 （ Round， 适应时钟来调谐重发超时 为避免拥塞采用了称为 “慢启动” 的策略。卫星通信系统的传输延迟、 传输 2. 2 速率和链路误码率等信道特性会对终端设备上的可 靠 TCP 流协议产生实质性影响。 在卫星网上采用 TCP 协议进行数据传输， 必须 使用 TCP 加速技术。 目前 TCP 协议加速技术主要 分为 2 类： ① 针对卫星信道的特点， 对 TCP 协议本 身进行修改或扩展， 这种方法虽然可以很好地解决 问题， 但要求更换所有用户终端设备的协议栈 ， 显然 ； TCP 不可取 ② 采用协议变换的方式将 协议在卫星 链路上转换 为 另 一 种 协 议， 从 而 增 强 TCP 传 输 性 能， 但这种方法要求收发两端必须都要配置协议变 换设备， 无法实现单端配置， 同时对于加速后面配置 路由有一定限制， 因此应用时具有一定的局限性。 ， 在本文中 采 取 TCP 分 段 来 实 现 TCP 加 速 技 ［7 、 8 ］ ， 术 即在不改变 TCP 语义的情况下（ 保证提供端 到端的 可 靠 性 ） ， 将 TCP 客 户 端 到 TCP 服 务 器 的 TCP 连接分成 2 个部分， 一段是 TCP 客户端到 TCP TCP 加速模块模拟 TCP 服务器向 TCP 客 加速模块， 户端发送应答， 另一段是 TCP 加速模块到 TCP 服务 TCP 加速模块将 TCP 客 户 发 送 的 数 据 转 发 给 器， TCP 服务器， 同时接收 TCP 服务器发送的数据并将 其转发给 TCP 客户端。通过 TCP 分段， 使得 TCP 客 户端认为自己在和地面网上一台主机进行通信 ， 这 就消除了长延时信道对发送速率的不利影响 ， 从 样， 而大大提高信道利用率。由于在传输过程中没有进 行协议变换， 因此 TCP 加速模块可以透明地接入卫 星网中， 而且可以进行单端配置， 即指在数据发送端 TCP 。 配置 加速模块 其实现原理如图 3 所示。
Product Algorithm，SPA） 。相比 佳的和积算法（ Sum于 SPA 算法， 该算法的最大特点是无需信噪比估 计。译码器模块的结构框图如图 4 所示。
图4
LDPC 译码器构成框图
。 A m， n
A2 ， n
各子矩阵 A i， j 是 b × b 的循环右移置换矩阵或者 b × b 0 n 固定为 24 。 是 的 矩阵， 因 由于循环置换矩阵 A i， j 完全决定于偏移量 ， p（ i， j） ］ 此总可以用母矩阵 H b = ［ m ×n 来表征校验矩 j） ＞ 0 ， 阵 H， 如果 p（ i， 则表示 H 矩阵中对应的 A i， j j） 的置换矩阵； 若 p（ i， j） = 0 ， 是右偏移量为 p（ i， 则 ； p （ i ， j ） ＜ 0 （ 1 A 一般用 来表 表示 i， j 为单位阵 若 0 。 示） ， 则表示 A i， 为全 矩阵 j 为最大可能 地 简 化 LDPC 编 解 码 器 的 硬 件 实 现， 变码长所需的一系列 LDPC 码的产生服从以下 规则： 给定码率下， 变码长的系列 LDPC 码总是从码 长最长的码出发通过一定的简单操作构造的 。在本 标准的构造中， 构造规则满足： 给定码率， 已知码长 N = 8 064 ，bM = 336 下 的 母 矩 阵 为 H b = j） ］ ［ p M （ i， 则同样码率下其他码长（ 码长决定于 m ×n ， b） 的相应母矩阵为：
无线电通信技术
生 L 频段的中频输出信号。 解调完成中频信号向基带同步信号的转换， 是 调制的逆过程， 首先下变频器把输入的 L 频段中频 信号下变频到 390 MHz 固定频点， 经由 AD 中频采 样后送入 FPGA 进行数字中频预处理， 预处理后的 8 倍符号率 I、 Q 两路数据经过基带解调输出译码数 据， 在译码前需要进行解映射处理， 译码后的数据再 经过收接口转换把同步数据送 IP 单元处理。 1. 2. 2 IP 接入单元 IP 接入单元主要完成 IP 数据和同步数据的转 换功能， 由接入模块和交换模块组成， 结构上采用高 集成度小型化的 CPU 模块和接口扩展底板的设计 思想， 提高系统的可靠性。 IP 接入模块是以 Power PC 处理器模块为作为核 心单元， 采用嵌入式 Linux 操作系统， 运行各种协议处 理软件， 配合 FPGA 等外围电路一起完成系统功能。
2
2. 1
关键技术
中频调制解调技术 调制解调单元采用了中频调制解调技术， 与传 统的零中频调制解调技术相比， 直接实现了中频调 制和中频解调， 降低了中频单元的实现难度。
中频调制主要完成数字基带信号到中频信号的 转化， 其中包括成形滤波后数据的内插、 载波产生、 调制 和 DA 转 换 等 功 能。 设 计 的 中 心 频 点 为 800 MHz的中频信号。 中频解调电路包含中频采样后的预处理和基带 解调两部分。 中频预处理输入 390 MHz 频点的中 频信号， 输出为固定 8 倍符号率的采样数据。 基带解调位于中频预处理之后， 对输入的 8 倍采 样数据完成定时恢复和载波恢复。由于终端采用了 LDPC 编码技术， 因此还包括搜帧处理和 FFT 校频处 理， 用于辅助完成低信噪比情况下的载波环跟踪功 能。LDPC 模式基带解调信号处理流程如图 2 所示。
图3
TCP 加速原理框图
图2
LDPC 模式解调处理流程示意图
由图 3 可见 IP 处理单元发送端网关在收到数 自动发送欺骗 ACK， 相应数据发送请求， 并根 据后，
94
Radio Communications Technology
Vol. 39 No. 3 2013
据空间信道带宽， 控制产生欺骗 ACK 的速率。 由于 TCP 协议本身具有的基于窗口的流控机制， TCP 加 速网关通过控制欺骗 ACK 的发送速率来达到控制 TCP 数据传输速率， 为了使传输速率最大限度的接 。 近信道带宽 2. 3 LDPC 技术 为降低 解 调 工 作 门 限， 调制解调单元采用了 ［6 ］ LDPC 纠错码技术 。 LDPC 纠错码是一种性能优 良、 描述简单， 适合硬件实现的信道编译码方式 。 为方便 硬 件 实 现， 在设计码字时采用准循环 （ quasicyclic， QC ） LDPC 码， 其 H 矩阵为：
基于 IP 的卫星通信终端设计与实现
1 杨 Байду номын сангаас绍辉 ，
佳
2
（ 1． 中国电子科技集团公司第五十四研究所 ， 河北 石家庄 050081 ； 2． 河北远东通信系统工程有限公司， 河北 石家庄 050200 ）
摘 要： 为 解 决 地 面 通信 网 络 与 卫星 通信的 无 缝 连 接 问 题 ， 设 计 了 一 款 基 于 IP 的 卫 星 通 信 终 端 。 该 终 端 由 调 制 解 调 单 元 和 IP 接入 单 元 组 成 ， 可 以 实现 卫星 通信的 全 IP 传 输 。 终 端 采 用 了 TCP 加 速 、 中 频 调 制 解 调 和 LDPC 纠 错 编 码等 技 术 ， 具有路 由 选 择 、 接入 控 制 、 频 率可 变 及 速 率可 变 等 功 能 ， 提高 了 IP 数 据在 卫 星 信 道 传 输 的 效 率 ， 有效地解决 了地 震 、 水 灾 等 应 急 情况 下 卫星 通信 与 地 面 通信 网 络 互 通问题 。 关键词： TCP 加速； 中频调制解调； LDPC； 路由选择 中图分类号： TN927 + ． 21 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 3114 （ 2013 ） 03 － 93 － 4
图1
终端原理框图
1. 2 内部模块设计原理 1. 2. 1 调制解调单元 调制解调单元主要完成基带信号与中频信号的 转换功能， 由调制和解调模块组成， 采用了中频调制 解调技术， 在保证技术指标的前提下， 减小了调制解 调单元体积和功耗。 调制完成基带同步数据向中频信号的转换， 首 先对同步信息进行信道编码， 然后将编码后的数据 按监控设置的调制方式进行星座映射， 映射后的 I、 Q 2 路数据首先经过根升余弦成形滤波器， 再经过 数字 重 采 样 处 理 后 直 接 经 由 DA 芯 片 调 制 到 800 MHz固定频点， 该中频信号经过变频处理后产 93
1
1. 1
终端设计方案
终端组成原理 基于 IP 的卫星通信终端可以提供 IP 数据的接
收稿日期： 2013 － 02 － 22 作者简介： 郄绍辉（ 1978 —） ， 男， 工程师。 主要研究方向： 卫星通信。 杨 佳（ 1983 —） ， 女， 工程师。主要研究方向： 卫星通信。
2013
年第 39 卷第 3 期
Design and Implementation of IPbased Satellite Multimedia Communication Terminal
QIE Shaohui1 ， YANG Jia2
（ 1． The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang Hebei 050081 ， China； 2． Hebei FarEast Communication System Engineering Co． ， Ltd ， Shijiazhuang Hebei 050200 ， China） Abstract： In order to realize the seamless connectivity between the terrestrial communications network and satellite communication wireless communication， an IPbased satellite communication terminal is designed． The terminal is composed of modem unit and IP access unit， and it can implement allIP transmission in satellite communication． The terminals use TCP acceleration， IF modulation and LDPC and some other high performance technologies． They have such functions as routing， access and control， variable demodulation， frequency， variable data rate， etc． and can improve IP data transmission efficiency in satellite communication， and effectively solve the problems occurred in the interoperability between satellite communication and terrestrial communication network in emergency cases． Key words： TCP acceleration； Intermediate Frequency （ IF） Modulation； LDPC
0
引言
入， 并通过卫星信道实现与后方地面通信网络之间 的双向通信， 其实现原理如图 1 所示。
近年来， 自然灾害事件频繁发生， 地面通信网络 难以快速回复。 卫星通信具 往往遭到毁灭性打击， 有覆盖能力强、 不受地理条件限制等特点， 成为战 ［1 ， 2 ］ 。 事、 灾难等突发事件优先选择的主要通信手段 随着 IP 技术的发展， 地面通信网络几乎所有的网络 TCP / IP 协议， 设备和终端都支持 因此实现卫星通 信与地面 IP 网络的无缝衔接成为研究的热点 。 本文设计实现了一款基于 IP 的卫星通信终端， 其 ［ 3 －6 ］ ， 内部包含调制解调和 IP 接入模块 可以实现全 IP 卫星传输， 达到了地面网络与卫星通信的无缝衔接。
TCP 加速技术 TCP 使用基于滑动窗口的流量和拥塞控制方 式， 通过确认分组流实施控制 （ 接收方窗口通知 ） ， trip Timer， RTT ） 的自 使用基于往返定时器 （ Round， 适应时钟来调谐重发超时 为避免拥塞采用了称为 “慢启动” 的策略。卫星通信系统的传输延迟、 传输 2. 2 速率和链路误码率等信道特性会对终端设备上的可 靠 TCP 流协议产生实质性影响。 在卫星网上采用 TCP 协议进行数据传输， 必须 使用 TCP 加速技术。 目前 TCP 协议加速技术主要 分为 2 类： ① 针对卫星信道的特点， 对 TCP 协议本 身进行修改或扩展， 这种方法虽然可以很好地解决 问题， 但要求更换所有用户终端设备的协议栈 ， 显然 ； TCP 不可取 ② 采用协议变换的方式将 协议在卫星 链路上转换 为 另 一 种 协 议， 从 而 增 强 TCP 传 输 性 能， 但这种方法要求收发两端必须都要配置协议变 换设备， 无法实现单端配置， 同时对于加速后面配置 路由有一定限制， 因此应用时具有一定的局限性。 ， 在本文中 采 取 TCP 分 段 来 实 现 TCP 加 速 技 ［7 、 8 ］ ， 术 即在不改变 TCP 语义的情况下（ 保证提供端 到端的 可 靠 性 ） ， 将 TCP 客 户 端 到 TCP 服 务 器 的 TCP 连接分成 2 个部分， 一段是 TCP 客户端到 TCP TCP 加速模块模拟 TCP 服务器向 TCP 客 加速模块， 户端发送应答， 另一段是 TCP 加速模块到 TCP 服务 TCP 加速模块将 TCP 客 户 发 送 的 数 据 转 发 给 器， TCP 服务器， 同时接收 TCP 服务器发送的数据并将 其转发给 TCP 客户端。通过 TCP 分段， 使得 TCP 客 户端认为自己在和地面网上一台主机进行通信 ， 这 就消除了长延时信道对发送速率的不利影响 ， 从 样， 而大大提高信道利用率。由于在传输过程中没有进 行协议变换， 因此 TCP 加速模块可以透明地接入卫 星网中， 而且可以进行单端配置， 即指在数据发送端 TCP 。 配置 加速模块 其实现原理如图 3 所示。