專利名稱：弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法
技術領域：
本發明涉及一種深空探測信道的控制方法，特別是弱太陽閃爍下深空探測信道的 自適應控制方法。
背景技術：
太陽閃爍是指由于太陽日冕或太陽風不規則引起的射電源觀測記錄或空間無線 傳輸信號的不規則幅度起伏。深空探測中，這種無線傳輸信號的不規則幅度起伏將引起信 號的衰減、信噪比的降低和傳輸誤碼的增高。特別是在行星上合期間，當太陽_地球_探測 器夾角較小時，有可能無法建立可靠的傳輸鏈路。解決這一問題，可采取提高深空探測器發 射機功率的辦法。但由于深空探測器能量受限，無限制地提高發射機功率一方面對閃爍不 嚴重時會造成發射機功率資源浪費，另一方面有可能會影響探測器其它儀器的正常工作， 進而影響探測任務的完成。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應 控制方法，從而提高深空探測器能量利用率、延長探測器的工作壽命、改善深空通信性能。為解決上述技術問題，本發明的技術方案弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應 控制方法。該方法基于連續功率控制和離散速率控制策略，定義有限個數據傳輸速率狀態， 同時劃定不同的探測信號傳輸的幅度衰減間隔對應于不同的傳輸速率狀態，并分配適當的 數據傳輸速率和調制符號長度，使在這個狀態下的傳輸誤碼率小于或等于目標誤碼率；當 預測到的探測信號傳輸的幅度衰減跨過不同狀態的邊界時，改變信號傳輸速率和調制符號 長度，進入新的數據傳輸速率狀態。上述的弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法中，在定義的有限個數據傳 輸速率狀態中，每個狀態的調制符號長度和數據傳輸速率均不同。前述的弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法中，在每一個傳輸速率狀態 內，按一定速率實現連續功率控制，補償信號傳輸衰減，使接收到的信噪比接近常數，滿足 傳輸誤碼率小于或等于目標誤碼率的需求。前述的弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法中，是采用2階AR模型預測
探測信號傳輸的幅度衰減。為驗證本發明的效果，申請人進行了大量的研究，其結果如下 一、自適應功率控制下的誤碼分析
自適應功率控制不但可以滿足傳輸誤碼率小于或等于目標誤碼率的需求，而且可使信噪 比SNR保持恒定。因此，計算誤碼率時，可以不采取接收信號衰減的對數形式。反之，如果 沒有自適應功率控制，則在分析誤碼率時，必須采取信號衰減的對數形式。沒有自適應功率 控制，傳輸平均誤碼率BER可表示為
<formula>formula see original document page 4</formula>
Λ111 足狀態1 K的乎均誤碼率，Mi 坆哀減為a吋的佶噪比， 巧(JM^d) Hfn護比為α ( 時的誤碼率， ；接收O幅沒哀減8 Ci滿足對數分 的概率密度(PDF)，^^足真空屮傳輸的INi丨丨比，i^jfflK分別足狀態卜接收 位9袞減的上、K邊界。
V !‘'而如見釆取Π適K、/:功率擰制，山于吋使SNR保持fn:定，則傳輸乎 均誤碼本"」人小為 (2)
比較式(1)和(2)吋以石到，丨‘丨適疢功率擰制/ ,不們.簡化丫誤碼率的分析，而Π.ΙΙΙ 于^(1)足又于X的非遞增函數，誤碼性能也得到了改彈。 一-、數裾傳輸速率狀態的確定
參照CCSDS Yi義規范，以未采)IJ位逍編碼的MPSK調制、人J例說明數擬傳輸速率狀態的確定
O l:il于未釆川位逍編碼的MPSK調制的扣接收個均符y Λ'詔率W」農小、J、J:
<formula>formula see original document page 4</formula>這樣，考慮人削閃爍G的探測f/ '4+11 Γ接收G的個均符4-龍錯率為<formula>formula see original document page 5</formula>
式(3)、(4)中，民是每個符號的信號功率，^太陽閃爍引起 是接收信號的幅度衰減，叫/2是接收機高斯白嗪聲的功率譜密度，
O(X)是Q函數.
考慮到e函數的上界，&|iew以及誤碼率A小于
符號出錯S,可得*
式中，<是目標誤碼率。^
求解式(5)關于一的方程，可分別確定調制符號長度 M = 2,4,8,…對應狀態/衰減< 的上限D參照OCSDS相關規范,當 E^/N^OdB, Pl = IO"5 時，可求解得M =2,4,3 時，對應的 < =9Λ , 6. 4和1. ldB 因此，可劃定信號幅度衰減間隔，并確定ΜΡΞΚ狀態如 下+J
狀態<1 IdB C16PSK)；狀態 2: LKff2 <Ci4dB C8PSK)；
狀態 3: 6 4 <9 4 dB (QPSK)i 狀態 4: 94 < CT2 <9 4+XdB (BPSK)
π:中，1山發射機功率余 確定。
-:、性能分析 1、功率擰制增益
I' 1適應功率控制和未釆JIJ I' 1適成功率擰制K，接權 ^功率和位。袞減的義系如Ι._ 小。閣4中非丨 適成控制乂考慮/發射機功率燈余Hflll水 兩種情況。閣4屮’ 1足發射機 飽和吋廠；。哀減的值。此吋，發射機不叫1訓Il愉出功率，位逬義W。f 1:1足發射機/1:處空
Ψ
中的捉供的佶。功率，此吋，吋使傳輸誤碼率小于或等于給定的I丨標誤碼率。Zi記太^M 爍條件卜，采州N適應功率檸制f發射機U仃較小的冏定功率佘I，該佘S川以補償Π適婉 擰制的預測誤芳。#足人卩丨丨閃爍條件卜，未采川丨‘丨適成功率擰制發射機禮打的同定功率佘
量。這樣，與無功率余量的非自適應控制相比，有功率余量的非自適應控制方法需增加的平 均功率為
<formula>formula see original document page 6</formula>而自適應控制需增加的平均功率則為<formula>formula see original document page 6</formula>因此，連續功率控制功率增益G可表示為<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula> (8)式(8)中的第一項為<formula>formula see original document page 6</formula> (9)式中，α呈對數分布，且滿足In α = ζ,Ε[ζ] = lnm，以及var(z) = σ 2。第二項 的上、下界為<formula>formula see original document page 6</formula> (10)式中，Pr{α彡L}是通信中斷概率，其值等于1_信道可用度。一般地，由于信道可 用度接近1，且預測誤差只有l_2dB，即功率余量l·^比較小，可忽略式(8)中的第二項。因 此，功率增益G可近似為<formula>formula see original document page 6</formula>從式(11)可見，太陽閃爍越強，即信號波動ο2越大，功率增益越大。也就是說， 太陽閃爍越強，自適應功率控制的效果越明顯。2、信道容量下面分析MPSK調制(M = 2k)下離散無記憶信道(DMC)容量C (k)為便于分析，這 里考慮硬判決下離散對稱信道容量問題，即傳輸符號誤差ε i(對ε i，i = 1，…，(M-2)/2) 對稱出現，如圖5所示。如果輸入和輸出符號均是均勻分布，則信道容量為<formula>formula see original document page 6</formula>(12)式中，ε=ε0+2∑εi,M=2k當符號誤差率較低時，除外，可忽略式(12)的其他ε”因此，式(12)可簡化為C(k) = logM-2 S1 log ε「(1-2 ε1)log (1-2 ε1)(13)而ε i可由式(14)確定<formula>formula see original document page 7</formula>從式(13)可知，如果符號誤差率不變，隨著M的增加，信道容量也增加，這與 C(k)是k的非遞減函數的結論是一致的。但從式(14)也可知，隨著M的增加，符號誤差率
增加。這樣，隨著M的增加，信道容量將會趨近一個飽和值。因此，無止境的增加M， 有可能并不能增加信道容量，反倒會增加系統實現的難度。分析信道容量時，必須考慮香農 信道容量極限。由香農定理可知，帶限高斯信道的信道容量極限為
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中W是信道帶寬，N0/2是加性高斯白噪聲信道的功率譜密度，P是信號功率。T 是符號寬度，Es = PT是每個符號的信號能量。圖6給出了式(13)和式(15)的信道容量比較結果。其中，相關參數設置為WT = 1，SNR = 20dB, BER = 0. 01。從圖 6 可看出，隨 M 單調增加，MPSK調制信道容量也增加，但低于香農容量極限D同時還 可看到，隨著M的增加，由于MPSK信號的誤碼性能下降很快，當M=25 時，信道容量逐漸逼近飽和D圖7給出了 MPSK自適應控制、非自適 應控制和香農信道容量極限的比較D從圖7可看出，當太陽閃爍引起 的信號衰減不大，小于9.4dB時，MPSK自適應控制信道容量高于非 自適應控制信道容量，說明自適應控制信道容量得到了改善D同時，
MPSK自適應控制和非自適應控制信道容量都低于香農信道容量D 一
木發明的Yi益效見5現Yi技術扣比，木發明根椐深空探測位近特性，捉出廣 種深空 探測f識的I' 1適疢擰制贓，實現/探測器的I' 1適疢位近擰制,即實現動態調整發射DL功率 、調制方式、碼速率等，幻化π深空探測器的能足利川率、延長探測器的丨作壽命、棚測 器和地球間迮立⑷力的佔輸漣路，改淖深空通 性能^Uii丨分中吱的,β義。木發明適川于 異構通位環境，如無線仏感M絡、丨‘丨組織網絡、移動通 腦人、航空、平唞及社會經 濟K他領域j Wi很好的轉化疢川前試。
圖ι足木發明的丨'ι適疢丨, 擰制策略描述zj ；β ra ； 圖2足木發明的Yi限個數丨κ速率狀態^,ara ； 圖3足閃爍功率譜/Kfi圖4足接收位兮功率和丨；^袞減之間的義系^sra; 圖5 足 MPSK^iii 模型'j、,ara; 圖6足MPSKd容足和_制符4之間的義系小jra; 圖7記丨'丨適疢擰制位近容足和非丨'丨適疢擰制位近容足比較圖。 卜 π結合附圖和K體實施方式對木發明作進 步的說明。 K體實施方式
實施例。要實現丨‘丨適疢位近擰制，竹先要預測位近。- 般地，人PlI閃爍對深空探測位Iii 的影響吋川合適的隨機模型描述。木發明iiX川2階AR模型來預測探測位兮傳輸的幅度袞減
O
(.)位近預側
人ΡΠ閃爍…川閃爍指數111描述。根丨K閃爍指數人小吋以K分弱閃爍和強閃爍。.般
認為，閃爍指數m< 1屬于弱閃爍。其中，閃爍指數m從0.3增加到飽和前屬于閃爍過度。閃爍指數m為1，即達到飽和后，屬于強閃爍。弱太陽閃爍下，Born線性近似成立，探測信道可用高斯模型描述。因此，可用AR模型實現弱太陽閃爍下的信道預測。采用AR模型估計方法，需要首先確定AR模型階數。根據航天器觀測結果，太陽 閃爍功率譜膝點頻率(3dB拐點頻率)約為0. 4Hz,膝點頻率后則迅諫衰減，衰減諫率可汰 23dB 37dB/十倍頻，即衰落斜率為Γ2 3 Γ3 7，如圖3所示。根據此功率譜特性，本發明 的申請人采用2階AR模型比較好的描述了閃爍功率譜，并實現了弱太陽閃爍下的信道預 測，地預測了弱太陽閃爍下探測信號傳輸的幅度衰減α。
(二)自適應信道控制受太陽閃爍的影響，深空探測信道是一個時變的隨機信道，為提高深空探測器能 量利用率、延長探測器的工作壽命、改善深空通信性能，需實現探測器的自適應信道控制， 即實現動態調整發射機功率、調制方式、碼速率等。為實現探測器的自適應信道控制，本發明借鑒連續功率控制和離散速率控制的策 略。根據CCSDS有關規范，定義有限個數據傳輸速率狀態，每個狀態的調制符號長度和數據 傳輸速率均不同，如圖2所示。同時，劃定不同的探測信號傳輸的幅度衰減間隔[α ρ α i+1]， 對應于不同的傳輸速率狀態i，并分配適當的數據傳輸速率和調制符號長度，并記傳輸速率 狀態i為(Mi, &)，以使在這個狀態下的傳輸誤碼率小于或等于目標誤碼率￡廣。當預測到 的探測信號傳輸的幅度衰減跨過不同狀態的邊界時，需要改變信號傳輸速率和調制符號長 度，即進入新的數據傳輸速率狀態。而在每一個傳輸速率狀態內，可按一定速率實現連續功 率控制，補償信號傳輸衰減，以使接收到的信噪比接近常數，滿足傳輸誤碼率小于或等于目 標誤碼率的需求，如圖1所示。在實際應用中，一般地，要實現自適應信道控制，由發射機自身攜帶的接收系統通 過開環或閉環的方式，監測接收到的信號電平，進而自適應地調整發射機功率。但由于深空 探測信號往返時間很長，要實現快速自適應功率控制，閉環功率控制方式并不適合。因此， 盡管本發明提出的方法適用于閉環控制方式，但深空探測自適應功率控制宜采用開環控制 方式。另外，按照CCSDS深空探測有關規范，深空探測收、發頻率相隔較近，因此，也可采用 信道互易的方式實現自適應功率控制。同時由于深空通信的特點，調制方式或碼速率配置 數據應預先嵌入在探測器收發系統中，以克服信號傳輸時延長、誤碼高的不利影響。
權利要求
一種弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法，其特征在于定義有限個數據傳輸速率狀態，同時劃定不同的探測信號傳輸的幅度衰減間隔對應于不同的傳輸速率狀態，并分配適當的數據傳輸速率和調制符號長度，使在這個狀態下的傳輸誤碼率小于或等于目標誤碼率；當預測到的探測信號傳輸的幅度衰減跨過不同狀態的邊界時，改變信號傳輸速率和調制符號長度，進入新的數據傳輸速率狀態。
2.根據權利要求1所述的弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法，其特征在 于在定義的有限個數據傳輸速率狀態中每個狀態的調制符號長度和數據傳輸速率均不 同。
3.根據權利要求1所述的弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法，其特征在 于在每一個傳輸速率狀態內，按一定速率實現連續功率控制，補償信號傳輸衰減，使接收 到的信噪比接近常數，滿足傳輸誤碼率小于或等于目標誤碼率的需求。
4.根據權利要求1所述的弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法，其特征在 于采用2階AR模型預測探測信號傳輸的幅度衰減。
全文摘要
本發明公開了一種弱太陽閃爍下深空探測信道的自適應控制方法，該方法基于連續功率控制和離散速率控制策略，定義有限個數據傳輸速率狀態，同時劃定不同的探測信號傳輸的幅度衰減間隔，對應于不同的傳輸速率狀態，并分配適當的數據傳輸速率和調制符號長度，使在這個狀態下的傳輸誤碼率小于或等于目標誤碼率；當預測到的探測信號傳輸的幅度衰減跨過不同狀態的邊界時，改變信號傳輸速率和調制符號長度，進入新的數據傳輸速率狀態。本發明實現了探測器的自適應信道控制，對提高深空探測器的能量利用率、延長探測器的工作壽命、在探測器和地球間建立可靠的傳輸鏈路，改善深空通信性能等具有十分重要的意義。
文檔編號H04W52/26GK101808395SQ200910312618
公開日2010年8月18日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者胡圣波, 舒恒, 鄭志平 申請人:貴州師范大學