（计算机科学与技术专业论文）基于星载计算机的卫星atm网络的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章导论 1 1 课题背景 随着航天技术的不断发展，越来越多的卫星应用在通信、资源探测、遥感、 气象、对地观测等领域。而星载计算机系统作为卫星的“大脑”，除了完成大部 分星务管理功能外，还担当了大量数据、图像处理等应用服务。星载计算机在卫 星系统中发挥着越来越大的作用。 目前，单星模式工作的卫星在很多应用中已经无法满足要求，而众多卫星以 星座模式工作或者构成一个完整信息网络，成为一种必然趋势。于是，星载计算 机系统需要实现卫星与卫星、卫星与地面的可靠通信，并且对网络通信的连接安 全性、传输稳定性、数据多样性方面提出了很高的要求。而a t m 网络技术作为一 种优秀的网络传输技术在卫星通信领域体现了突出的优势。 1 1 1 星载计算机的特殊性 近年来，航天器的结构和任务需求，随着航天技术的不断发展变得日益复杂， 对其控制精度和稳定度的要求也越来越高。从1 9 5 7 年前苏联发射第一颗人造卫星 开始，第一代航天器控制系统结构和功能都很简单，只能控制航天器的姿态。控 制器一般采用模拟电路，工作寿命比较短，控制精度比较差。典型代表有美国的 第一艘载人宇宙飞船“水星”号以及前苏联的第一艘载人宇宙飞船“东方”号。 第二代航天器控制系统一般采用了星载数字计算机，同时具有姿态控制和轨道控 制功能，采用现代控制理论和方法、高精度姿态敏感器、动量交换式控制系统和 地磁姿态控制技术以满足高精度和长寿命的要求。欧洲的e u r e c a 、美国的 l a n d s a t 、法国的s p o t 、日本的j e r s 2 1 等都是典型的代表。第三代航天器导航、 制导和控制系统是应星际飞行和载人航天的需要而产生的，具有全部制导、导航 和控制功能，还具有故障诊断和系统重构的功能，比如美国的“阿波罗”载人飞 船和俄罗斯的“联盟t m ”飞船。 欧空局从七十年代开始就一直瞄准在轨无人自主控制技术来赶超美国和前苏 联。n a s a 早在1 9 8 8 年制定的“空间政策和计划”就确定了包括人工智能、智能 控制和鲁棒多变量自适应控制在内的8 项关键技术，并于1 9 9 2 年在全世界范围内 以3 0 0 0 万美元招标研究智能控制技术及其在航天器轨道和姿态控制中的应用。美 国空军的2 0 2 5 年计划、美国航天司令部的2 0 2 0 年长期规划以及n a s a 的新盛世 计划均把智能自主技术放在首位。新盛世计划的目标之一是研制自主航天器，把 自主技术列为该计划发展的一个重点，旨在使航天器自主完成导航控制、数据处 第1 页 国防科学技术大学研究生院 = 学硕士学位论文 理和部分重构维修工作，从而大大减少对地面测控、通信等支持系统的依赖。 而星载计算机系统在卫星等航天器的姿态与轨道控制、星务管理、有效载荷 数据管理与处理等领域将发挥越来越重要的作用。与此同时，信息技术的不断发 展，促使了人类对生存空间的了解也开始逐渐深入，这使得人们对星载计算机高 速处理需求也在不断的增长。当前，对于星载计算机系统的研究成为当今航天、 计算机领域的一个研究重点。 当前，适用于空间恶劣环境的星载计算机系统大多是单处理器，低主频的嵌入 式系统，难以满足大量信息处理的需求。同时，星载嵌入式系统是属于关键领域 的应用，这就为嵌入式系统的软硬件可靠性提出了更高的要求。 观察当今卫星系统的发展趋势，星座模式协同工作的卫星群系统成为一种大 的趋势：一方面多颗卫星的方式可以覆盖非常广泛的空间范围；另一方面卫星之 间通过通信功能增强彼此协调工作的能力，保证了不间断任务的完成。而且卫星 链路主要通过微波实现，与地面链路存在某些本质的区别。因此，需要根据卫星 链路的实际特点，全面考虑星载计算机网络系统的设计和实现。 1 1 2 卫星通信链路的特性对网络通信的影响 与地面链路( 光纤、双绞线、同轴电缆等) 相比，卫星链路在信道、传播时 延、信道对称性等方面具有如下的特性【4 0 】： 1 信道差错率高 卫星信道的误比特率数量级，远远高于高速有线媒质( 如光纤) 。空间信道的各 种随机因素也会使信道出现突发错误，比如雨衰。 2 传播时延长 影响卫星网络传播时延的主要因素是轨道类型。一般情况下，低轨系统单向 传播时延为2 0 - u 2 5 m s ，中轨道系统为11 0 - - 1 3 0m s ，对地静止轨道系统至少为2 5 0 m s 。 传播时延还受星问路由选择、星上处理以及缓存等因素的影响。这样的网络时延 比地面链路的情况来的严重得多。 3 信道不对称 许多卫星系统的前向和反向数据信道具有较大的带宽不对称性，因为采用速 度较慢的反向信道可使接收机设计更经济且可以节省宝贵的卫星带宽。有资料显 示，网络的吞吐量随着信道不对称性的增加而呈指数减小。此外，前向和反向信 道速率的显著不对称会由于突发错误较大而明显加重前向缓存拥塞。 以上这些不利因素在一定程度给可靠、高速、稳定的网络传输的实现带来了 巨大的挑战。立足于卫星通信链路的特点，选择一种优秀的能够适应卫星链路特 点的，并且又能够和当前广泛应用的i n t e r a c t 实现互联的网络通信技术，变得相当 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 的迫切和紧要。 本文将侧重两个章节的篇幅对前两个特性展开研究。第二章将研究卫星信道 纠错编码技术以解决差错率高的问题，第三章研究一种卫星链路时延模型，深入 分析影响卫星链路延迟的因素。 1 1 3a t m 技术在星载计算机的卫星通信领域中的应用优势 星载网络系统在网络通信的连接安全性、传输稳定性、数据多样性等方面有 着相当高的要求，这主要是受到上面所述的不稳定的卫星通信链路的影响。 此时，被冷落许久的a t m 网络技术突然跃入人们的眼界。a t m 网络技术在 可靠性、服务质量q o s 支持、综合数据传输能力等方面有得天独厚的优势，非常 适合用于星上通信： a 1 m 采用固定短长度的信元传送信息，信息交换协议简单、高效，可以加 快星载计算机系统网络信息交换的速率，提高其通信性能； a t m 采用面向连接的通信方式。流量控制、网络资源管理控制及各种差错 控制技术，可以使星载计算机能够在卫星信道差错率高、不稳定的情况下，将信 元丢失率降低到可以接受的程度，满足星载计算机通信的可靠性要求； 星载计算机传输的内容具有多样性，如图像、语音、视频、数据、控制指 令等。而a t m 技术与业务的特性、比特率无关，具有较强的综合数据传输的能力， 这样的高灵活性正好满足星载计算机综合业务数据传输的需要； a t m 采用统计时分复用，效率高。即使在星务繁忙、重负载的情况下，星 载计算机依然能够保证网络通信的高效性和稳定性。这使得a t m 网络在星载计算 机系统中的应用有着明显的优势。 1 1 4r t e m s 实时操作系统对网络系统开发的影响 星载计算机系统对实时操作系统的强实时、高可靠、高安全等方面有着很高 的要求。r t e m s 是源代码公开的实时多任务操作系统，最初是为美国军方开发的， 曾用于“爱国者”地空导弹系统，具有实时性强，源码公开、体积短小、支持同 异构多处理器等特点。正是这些优势使得r t e m s 在航空、航天、军队等特殊领域 得到广泛的使用，非常适合应用于星载计算机系统中。采用r t e m s 作为星载实时 操作系统，有助于保证系统的实时性和计算性能。 因此，基于r t e m s 实时操作系统研究和开发a t m 网络适配器的设备驱动程 序以及驱动之上的c i p o a ( c l a s s i c a li po v e ra t m ) 、路由协议、a t ms o c k e ta p i 等，具有深远的意义。既要充分考虑到r t e m s 平台在实时性、可裁剪性等方面的 特殊性，又要能够保证a t m 网络本身的功能特性和网络性能，这给卫星a t m 网 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 络在星载计算机上的开发提出了很大的挑战。 1 2 课题研究内容 本课题来源于某星载并行计算机系统的研究项目，该项目的目标是研制新一 代星载并行计算机系统，以满足应用领域日益增长的信息处理需求。作为该项目 的一个重要组成部分，本课题重点针对星载计算机系统中卫星a t m 网络技术的设 计以及保证传输可靠性、提高网络性能、保证系统实时性等方面进行了深入研究。 课题研究的重点在于以下若干方面的内容： 初步研究了卫星信道传输的影响因素及信道的出错特性； 研究了一种基于a t m 信元的卫星a t m 信道纠错编码方案； 分析并完善了一个卫星链路时延模型，并分析了引起延迟的种种因素； 在正确分析系统应用的基础上，简化了a t m 协议的实现； 从多个方面入手保证系统的实时性，并进行了适当的优化； 整体分析星载并行计算机系统的总体架构； 设计了满足星载背景要求的卫星a 1 m 网络适配器； 深入分析了r t e m s 中的网络模块和网络协议栈； 提出了针对星载计算机的设备驱动程序和c i p o a 的设计方案； 对完整的a r m 网络系统进行了全面的测试和分析； 本课题重点研究卫星a t m 信道纠错编码技术和卫星链路的延迟特性，同时在 星载并行计算机系统的基础上，设计出一款a t m 网络适配器，并且在保持a t m 网络性能的前提下，从r t e m s 结构、r t e m s 的网络模块结构、协议实现简化、 优化网络服务中断和系统实时性保证等多方面入手，完成对a t m 网络设备驱动和 c i p o a 等在r t e m s 上的实现。 1 3 论文的组织结构 本文内容共分六章，第一章是导论，介绍了本课题的背景。由于卫星信道的 差错率高和时延长的两大特性，论文将分两个章节分别进行研究。第二章是对基 于a t m 信元的卫星信道纠错编码技术研究，首先分析卫星信道链路及其出错特 性，然后研究一种卫星信道纠错编码方法。第三章侧重研究了卫星链路时延模型， 用各种数学方法分析卫星链路中产生各类延迟的因素。第四章讨论了卫星a t m 网 络协议实现的简化以及系统实时性的保证措施。第五章描述了卫星a t m 网络系统 的完整设计与实现，从底层硬件到高层c i p o a 的软件层面上。第六章主要完成了 对a t m 网络的设备以及软件系统的测试，并进行了一定的分析。 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章基于a t m 信元的卫星信道纠错编码技术研究 卫星信道的差错率高和延迟大的特性是影响卫星网络通信的两大关键性因 素。本章的研究重点是前一个因素，主要对卫星信道传输的影响因素以及信道的 出错特性进行了深入的研究，并且在这些研究结果的基础上，进一步研究分析了 一套基于a t m 信元的卫星信道纠错编码技术。 2 1 卫星信道传输的影响因素研究 卫星通信使用的频段在3 0 0 m h p 3 0 0 g h z 之间，其电波传输的损耗取决于传 播距离和波长外，还受到大气、降雨及电离层的影响1 4 3 1 。在使用频段的低端，宇 宙射线、电离层衰减和闪烁显著地影响其电波的传输，而高于1 0 g h z 的较高频段 又受到大气气体和降雨等产生的衰减影响使噪声显著增加。 2 1 1 大气的影响 2 1 1 1 大气吸收引起的传输衰减 大气所含的气体中，氧气和水蒸气分子分别在几个波长上有电波的吸收谱线， 其频谱宽度随大气压而异，在大气底层由于气压高而展宽。因此电波载大气中传 播时要被吸收一部分。对于卫星通讯来说，当传播距离为时，总的衰减量r 。为 l = r o 上o + 凡l ( 招) 2 1 其中，厶为相对距离氧气的等效路径长度( k m ) ；而0 为相对凡距离水 蒸气的等效路径长度( k m ) 。等效路径长度一般定义为：电波在密度不变的假想 气体中传播时的距离，其衰减量与电波在实际大气中传播时的衰减量相等。 由该式可知，大气吸收所引起的传输衰减主要与电波传输的路径。等效路径 长度越长就意味着衰减量越大。 2 1 1 2 大气气体产生的噪声 大气除了会引起电波的衰减，而且还具有热噪声辐射源的作用。晴天时，天 空来的噪声用等效噪声温度来表示，称为天空噪声温度。在i g h z 以上的频率，天 空噪声温度大部分起因于大气气体的吸收作用，并且可以用公式表示为 = 【t ( r ) c e ( r ) e x p 一【a ( r ) d r 。 d r ( k ) 2 2 公式中，r ( ，) 为沿着传播路径在点r 处的大气温度( k ) ；口( ，) 为用反对数表 示的媒质吸收系数。它等于式( 2 1 ) 的( ，) + 凡( ，) 】( 岛卯。) 。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 设f 。( 口) ( d b ) 是仰角0 方向沿传播路径的总衰减量，并用平均温度乙代替 r ( ，) ，则式( 2 2 ) 可以简化为 - r a ( o ) 7 k = 已o 一1 0 ”) ( k ) 2 3 公式中，乙的近似值为1 1 2 t o - 5 0 k ( t o 为地球表面温度) 。 2 1 2 降雨的影响 电波通过雨滴时，由于雨滴的吸收和散射而引起衰减，一般把这种现象称为雨 衰。电波被雨吸收，是因为雨滴具有电介质损耗；而被雨滴散射，是因为电波在 雨滴上产生了再辐射，这辐射向四面八方，因而使原方向上的电波受到了衰减， 如图1 所示。图中，a 为被雨滴吸收的电波，b 为散射波，c 为透射波。 图1 雨滴对电磁波的吸收和散射 当电波频率给定时，只有某种大小的雨滴散射衰减最大，若雨滴为球形，则 为某特定半径的雨滴的散射最大。在降雨引起的衰减中，吸收衰减比散射衰减要 大一些。我们知道，当地球上降雨时，所涉及的范围只在地面上空数公里的高度。 因此卫星通信在地球雨区中通过的距离最多也不过数公里。但是降雨量随着地面 高度变化而变化，因此电波受雨的衰减，不能仅用理论来进行计算，还得对降雨 地区对电波的衰减量作长期的监测，然后再从测得的数据中求出电波衰减量的统 计平均值。 而降雨衰减的简便估算方法是 f 。= 靠厶( 口) ( 如) 2 4 其中，为降雨衰减系数；k ( 印为等效路径长度。这两个参数分别可以通过 查表可以得到相应的数值。一般，在l 5 0 g h z 的频率范围内，可认为降雨衰减差 不多与降雨强度成正比。因此雨衰对卫星信号的影响是相当显著的。卫星信道纠 错编码技术的设计过程中，必须充分考虑到这个因素。 2 1 3 电离层的影响 在卫星使用电波频段的低端，电离层会对其产生：法拉第旋转、电离层闪烁、 吸收、传播延迟、到达角变动等问题。但这些影响一般都随频率的增高而急剧减 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 小，只有法拉第旋转和电离层c j j 烁的影响较大。 2 1 3 1 法拉第旋转 当线极化波通过电离层时，由于法拉第效应而使其极化面发生旋转。其大小 取决于电磁波的频率、地球磁场强度、电离层的电子密度、传播路径长度等。 在使用1 0 g h z 以上频率时，法拉第旋转角度q 的数值很小，但是采用线极化 波进行正交极化复用的情况下，传播路径上如产生q 的法拉第旋转，那么除了主 极化波成分变成原来值的c o s d 倍以外，还产生与s i n f l 成比例的交叉极化成分，于 是使得交叉极化鉴别率恶化，也在很大程度上影响了接收天线对电波的接收。 2 1 3 2 电离层闪烁 当电磁波通过电离层时，其振幅、相位、到达角度、极化状态等会发生短周 期的不规则变化，称为电离层闪烁。电离层闪烁出现在离地球表面高度为 2 0 f f - 4 0 0 k m 的范围内。 闪烁强度s 受到使用电波的波长，电离层中电波传播路径的天顶角，电子密 度扰动的自相关距离以及电波进入电离层到发生电子密度扰动地点的距离等因素 的影响。接近于电离层i 临界频率较低频段的电波，在电离层内要受到吸收，最显 著的要算极光区吸收和极冠区吸收。电离层闪烁的发生和它的程度，随地区或季 节、当地时间、太阳活动程度等不同而呈现极其复杂的情况，闪烁的发生与地磁 纬度和当地时间关系最大。 除此之外，卫星信道容易受到各种各样的干扰引起突发错误，例如天电噪声 干扰，卫星线路之间的干扰，工业噪声干扰等。 2 2 卫星a t m 信道出错特性分析 a t m 技术提供了一种能够支持语音、视频和数据应用，基于服务质量保证 ( q o s ) 的综合网络服务。a t m 起初是为基于光纤的地面网络设计的，具有低延 迟和低误码率的显著特点。地面基于光纤的a t m 网络链路的信道误码率为1 0 4 0 。 这种数量级的误码率是相当低的，因此a t m 信元现有的纠错方式( c r c 校验) 完全可以满足网络通信对于可靠性的要求。 随着多媒体技术的广泛应用以及全球范围内实现网络互联的需求的不断增 长，卫星网络技术在全球网络的发展过程中扮演着必不可少的角色。与传统的地 面网络相比，卫星通信技术具有相当突出的优点：宽广的地理覆盖范围；充分发 挥卫星系统广播的优势，实现多点多点的通信；可以用于地面有线网络崩溃后的 通信恢复。 尽管如此，这样卫星网络系统有其固有的一些限制和约束：卫星网络系统相 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 当的昂贵，不管是卫星本身还是地面站；系统的可靠性相比地面网络低得多，冗 余度较小；并且卫星使用无线电波实现与用户终端的网络连接。卫星a t m 网络的 链路信道容易受到2 1 节中讨论的各种因素的影响，使得卫星链路的误码率达到 1 0 4 1 旷的严重程度。这对于地面标准a t m 网络来说，是无法忍受的，容易频繁 出现各类差错从而造成通信性能的巨大损失。这些差错主要包括随机单比特位错 误和突发错误。 2 2 1 随机单比特位错误 上面阐述卫星信道特征时，已经提到在数据传输的过程中，卫星信道很容易 受到各种各样的干扰而产生随机单比特位错误，使得b e r ( b i te r r o rr a t e ) 升高。 b e r 一方面取决于当前卫星链路的状况；另一方面也依赖于接收端的信噪比。卫 星链路状况的恶化使得传输数据出现多个随机单比特位错误。这种情况下，应用 于地面的标准a t m 协议的纠错技术已经无法满足卫星上的应用，需要有更好的保 护技术来确保通信的可靠性。此外，为了把b e r 限制在可以接受的水平上，接收 端必须要保证维持在最小的信噪比，同时对于发送端也一样。 为了解决随机单比特位错误的问题，前向纠错编码( f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ， f e c ) 技术提供了一种可行的方法，同时也满足了一定的性能需求。这种技术在发 送的数据中引入了一定的冗余信息。当接收端接收到破坏的数据，它就可以使用 这些冗余信息来判断接收到的数据是否已经破坏，并且如果数据破坏还能够进行 一定的纠错恢复为原始的正确数据。只有当提供的冗余信息根本无法进行数据恢 复的情况下，接收端才会发出进行数据重传的请求。由于运用了f e c 技术后的接 收端能够容忍一定程度水平上的随机错误，接收端所需的信噪比要求也可以降低， 从而对于发送端来说，意味着较少的能量消耗。 2 2 2 突发错误 突发错误对于a t m 层产生最大的影响就是引起信元丢失率( c e l ll o s sr a t i o ， c l r ) 的急剧升高。而删信元头部中的h e c 采用c r c 校验码，只能够纠一位 错误。在卫星信道发生突发错误的情况下，如果这样的突发错误命中了信元头， 那么将会引起头部一位以上的错误。如此的突发错误情况，h e c 的一位纠错能力 就失效了。接收端的处理方式只能是将当前的信元丢弃，并且发出重传请求。最 终导致的结果就是引起信元丢失率的急剧增加，严重降低了数据的吞吐率并且由 于重传消耗了更多的能量。 c r c 校验码的纠错方式同样被a t m 适配层中的a a l l 、a a l 3 4 和a a l 5 所 采用，因而这些适配层受到与信元头部h e c 类似的突发错误的影响。一旦突发错 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 误出现，那么就意味着数据的破坏或者协议机制的失败。例如，a a l l 的s a r 头 部包含有4 位宽的顺序号( s e q u e n tn u m b e r ，s n ) 字段。这个字段受到3 位c r c 校验码和l 位的奇偶校验位的共同保护。经过理论计算发现，头部发生突发错误 并且没有被c r c 校验码和奇偶校验位检测出的可能性为1 5 2 5 5 。类似这种无法被 检测出的突发错误往往直接导致接收端汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s ) 的 同步失败。 对于卫星信道来说，最坏的情况就是同时出现随机单比特位错误和突发错误， 而且根据2 1 节分析的影响卫星信道的种种因素可知，这种情况发生的概率是很高 的。卫星a t m 信道中传输的数据必须受到不同于地面标准a t m 协议的额外的保 护，需要有效且可靠的纠错技术来保证。 2 3 卫星a t m 通信的纠错技术研究和设计 2 3 1 标准a t m 信元纠错原理及信元定界规则 2 3 1 1 标准a t m 信元纠错方法 ( 1 ) 标准a 1 m 信元结构 地面a t m 网络中的标准a t m 信元结构，如图2 所示， 。蘑，。罄 l ! = l ：l = = e k 蝌i a t h m 元i u x - n q 意 图2 标准a t m 信元结构 g f c g e n e r i cf l o wc o n t r o l 一般流量控制，提供一种任意链路访问的手段 v p i ：v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r 虚通道标识符 v c i ：v i r t u a lc h a n n e li d e n t i f i e r 虚信道标识符，v p i 和v c i 结合在一起被 认作是一个虚连接的2 4 位标识符 p t ：p a y l o a d t y p e 净荷类型，确定信元属于控制管理信元还是用户数据信 元 c l p ：c e l ll o s sp n o d t y 信元丢失优先级，用户或网络单元可以设置这一 位来指示信元在超载时是否应被优先丢弃 h e c ；h e a d e re r r o rc o n t r o l 信元头部差错控制，采用8 位c r c 校验码来 实现 p a y l o a d 净荷，存放用户数据或者有关控制管理信息 a 1 m 信元是一种具有固定长度的数据分组。它由5 3 个字节长度构成，其中5 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 个字节是信元头，4 8 个字节是净荷。就是说a t m 将数据信息，全部分割为长度为 4 8 字节。分组交换时组块长度可以不一样，在每一组块上再加上5 字节是信元头 地址信息，这样便形成了5 3 字节的信息单元。单元长度足够短，避免数据传输排 队的等待时间过长，使线路出现空闲的机会降到最少，充分发挥了线路传输能力。 ( 2 ) h e c 的c r c 校验原理 信元头部的差错控制是采用8 位c r c 校验码来实现的。循环冗余校验码 ( c r c ) 是一种系统的缩短循环码。a t m 信元中的c r c 8 的生成多项式为 g ( x ) = x 。+ x 2 + x + l ，c r c 码的结构下图所示，图中m ( x ) 的k 个系数对应k 位信息， r ( x ) 的珂一k 个系数对应n k 个校验位。习惯上称疗一k 校验位部分为c r c 码。 c ( x ) ：n 位 e 至三ii竺竺兰l 竺! ：丝i 图3 c r c 结构图 对于系统循环码，在发送端 c ( x ) = r 4 肌( 工) + ，( z ) ，其中r ( x ) 等于r 。r e ( x ) 除以g ( x ) 后的余式。接收端收 到的码流如果没有误码，应有接收码e ( x ) = c ( x ) = ，。脚( x ) + ，( x ) = g ( x ) g ( 力，这时 接收码能够被生成多项式g ( x ) 整除。反之，如果不能整除，必是传输中产生了误 码。 如图4 所示，在没有检测到信头内有错误的时候，接收器保持在纠错模式， 在纠错模式下，如果检测到了单比特错误，这个错误被纠正并且接收转换到检错 模式；如果检测到多个比特错误，信元被丢弃并且接受器也转换到检错模式。当 接收器工作在检错模式下时，所有检测到有错误的信头将被接收机丢弃，如果信 头没有被检测出错误，信元被接收，同时接收器转移到纠错模式下。 附氍 竞丢弃， h 1 甄旧口t i a 【 图4 h e c 工作状态转换图 2 3 1 2 标准a t m 信元定界规则 ( 1 ) a t m 的传输协议 如图5 所示，从l 层主要功能是将高层的业务信息适配成不同的业务类型 a a l 层p d u ，a t m 层主要完成a t m 信元头的生成，执行交换、路由选择和多路 复用功能，物理层主要完成a t m 信元的h e c 校验及a t m 信元到物理层传输帧的 适配。a t m 的物理层较一般的物理层功能多，在常规网络中，物理层只是通过物 第l o 页 国防科学技术大学研究生院1 二学硕士学位论文 理媒质传输比特流；但是在a t m 网络中，a t m 物理层传递的是信元，这就要求 物理层还要有确定的信元定界功能。在传输方向，a t m 层把a t m 信元传递到物 理层：在接收方向，a t m 层从物理层接收5 3 个字节信元。 目h 哺 图5 a t m 传输协议图 ( 2 ) 信元定界 在卫星通信中，传输链路上传输的是比特序列，物理层接收比特流，并且要 在把它传向a t m 层之前，将其还原为a t m 信元。信元定界的功能就是在接收比 特流中，确定信元的边界( 信元的起始和结束) 。i t u t 建议1 4 3 2 定义了用信元 首标h e c 域，进行信元定界的处理，处理过程如下图所示。 图6 a t m 信元定界示意图 接收器在任意给定时间可能处于下列3 种状态之一，即捕捉、预同步、同步。 在捕捉状态，输入比特流被监测，并且使用c r c 法检测出5 字节数据字。用c r c 8 除以5 字节字，就能确定h e c 域值。当余数为零，就可断定5 字节数据字是a t m 的首表，这也是确定了信元边界。定界正确，接收器移到预同步状态，在此状态， 如果连续定界正确b 次，接收器移到同步状态。如果在同步状态发现定界不正确 ( 余数不为零) ，这说明系统不同步，接收器将被强制到捕捉状态。在同步状态下， h e c 域用于检测和纠正信元头部的单比特差错，或者在多比特差错信元丢弃条件 下，丢弃信元头部单比特差错的信元。 2 3 2 卫星a t m 通信的纠错编码设计 宽带卫星系统要求在较差的信道误码率情况下传输高速率业务，以满足各类 多媒体业务q o s 的要求。由于卫星a t m 通信易受降雨衰减、大气吸收衰减和电离 层的影响，加上链路中译码器工作和卷积码的可能使用将引起突发错误，卫星信 道本身存在的各种干扰噪声又会造成随机错误，这样就使得卫星信道的误码率较 高，在1 旷到1 0 4 左右。由于a t m 协议最初定义在比较可靠的光纤传输系统之上 ( 信道误码率为lo - 1 0 ) ，传输过程中不对信元的信息域进行差错校验，只对信头进行 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 h e c 校验，只能纠正单比特的错误，所以它的纠错能力非常的有限，根本无法解 决卫星信道中由于随机错误和突发错误所造成的差错率增加的问题。 所以在卫星的无线信道中传输a t m 信元，对信元头和数据都要采取保护措施， 我们必须采用差错控制和纠错编码。根据卫星信道长延时的特点在卫星通信中主 要使用前向纠错编码已经成为人们普遍的共识“”。 2 3 2 1 卫星a t m 纠错方法 目圈曰 图7a t m 信元结构及保护方法 卫星a t m 纠错方法一般有两种，分别是信元头和数据分开保护方法和合并保 护方法，a t m 信元结构、信元头和数据分开保护方法和合并保护方法的结构如图 7 所示。 ( 1 ) 分开保护 分开保护的方法主要是考虑到了a t m 信元中的信元头部在a 1 m 交换中的重 要作用，为了减少信元丢失率和信元误插率，而使用纠错能力更强的f e c 编码代 替标准a t m 信元头部中的c r c 校验，来提高对信元头部的保护程度，同时在净 荷末端加上f e c i ，来对净荷进行前向纠错。 ( 2 ) 合并保护 合并保护是将a t m 信元看成一个整体，对整个信元进行前向纠错，使用这种 方法，不改变标准a t m 信元的结构，在译码后信头部分仍然采用c r c 校验，可 以考虑选择级联编码来增强纠错能力，获得较大的编码增益。 2 3 2 2 纠错编码技术研究 2 3 22 1 r s 码 里德索洛门码( r e e d s o l o m a n ) ，简称r s 码，被看成是一般b c h 码( 一种 纠随机错误的循环码) 的一个分支【，是一种最小距离的可分码，也是目前极其 有效的纠错码。一般涉及到的b c h 码都是二进制码。如果b c h 码的每一个码元 不是取l 和0 ，而是取多进制中的一个元素，如b c h 码的每个码元是用2 “进制中 的一个m 位的二进制码组表示，则称这种多进制b c h 码为r s 码。 符号取自伽罗华域g f ( q ) 上的纠正t 个错误的里德索洛门码有如下参数：码 长为阼= q - i ；一致校验位数目为n - k = 2 t ；最小汉明距离为“= 2 t + l 。 码长比码符号的数目少一，而最小距离比校验位数目多一。下面我们着重讨 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 论符号取自伽罗华域g f ( 2 “) ( 即q = 2 “) 上的里德索洛门码。令口是g f ( 2 ”) 中的 本原元。那么长为2 ”一1 的，纠正t 个错误的本原里德索洛门码的生成多项式是 g ( x ) = ( x + 口) ( x + 盯2 ) - ( x + a 2 ) = g o + 蜀石十9 2 彳2 + 一+ 9 2 h x 2 h + x 甜。 显然，g ( x ) 以o r ，口2 ，口2 作为它的全部根，且系数取自g f ( 2 ”) 域中。 g c x ) 生成的码是( 门，r l 一2 t ) 循环码，它由次数小于或等于 一1 次，系数取自g f ( 2 ”) 域中的且为g ( x ) 倍式的多项式组成。 那么，经过里德一索洛门码编码后的传输信息为( 口0 q 吼一。b o b , - 一。) ，其中前 k 位为信息位，而后面的2 t 位为校验位。因为这里定义的里德索洛门码的最小距 离为力+ l ，所以根据附录a 中的定理1 可知这样的里德索洛门码可以纠正t 个错 误。 在实际应用中，一个符号由8 比特组成，这样恰好是一个字节。此时， 口= 2 。= 2 5 6 ，而n = q l = 2 5 5 。对于t = 8 的情况，标准的r s 码是( 2 5 5 ，2 3 9 ) 。 然而一些截短r s 码同样应用广泛，其参数是n = n 一，k = k f ，并被表示为 ( 。，芷，。例如数字视频广播( d v b ) 采用，= 5 1 的截短r s 码【1 6 l 。这种r s 码同样 具有纠正t = 8 个符号的能力。类似的截短r s 码同样被我们的方案所采用。下表给 出几种r s 截短码的纠错能力及相关参数。 表lr s 码的纠错能力及相关参数 符号长度m = 8 ( 比特) 参数r s ( n ，k ) 截短码 编码长度( 符号)n = 2 4 一l 5 75 92 4 4 信息元长度( 符号)k = 2 “一l 一2 f 5 35 32 1 2 纠错能力( 比特) t231 6 纠突发错误能力( 比特)( ，一1 ) 所+ 1 91 7 1 2 1 码率 刚o 9 3o 9 00 8 7 那么r s 码将不能有效地纠错。也就是说，r s 码无法有效地为随机错误进行纠错。 为了解决这种情况，最好采用级联码或联合编码。其中一种编码纠正随机错，而 另外一种编码纠正突发错i l ”。这也就是在编码方案中我们采用级联码的根本原因。 2 3 2 2 2 增信删余卷积码 所谓增信删余卷积码，就是将码率为1 2 的卷积码作为原始码，在编译码器上 加一些附加的电路，发射时通过删除图样删除一定的比特位，接收端在译码器前 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 将带有标志的伪比特重新插入比特流，再进行1 2 码率的维特比( v i t e r b i ) 译码， 从而实现可变速率的卷积码。该码提供了一种在宽范围内进行码率选择来实现可 变速率的方法，而实现起来并不比1 2 码率维特比译码器的结构复杂很多。 维特比译码是目前用得比较多的一种概率译码。当译码约束长度不太长，或 误码率要求不太高时，它的设备简单，计算速度快，可以做到几十兆比特，秒甚至 几百兆比特，秒。所以这种编码特别适用于微波、卫星等近似白高斯噪声信道中纠 正随机错误。其译码性能不但和编码有关，而且译码的约束长度越长，则越能充 分发挥码的抗干扰性能。 v i t e r b i 译码算法在实际应用上的主要限制就是译码的复杂性正比于编码器的 状态数2 协( 针对( ，m ) 码) 。同时，译码器存储正比于2 枷，且由于每时间单 元内必须进行2 枷次比较，译码时间也正比于2 枷。 为了克服这个限制，一般采用k o = l 的( 2 ，1 ，m ) 码，码率较低。为了提高码率， 并且又不致于使译码器的复杂性增加，因此常常把( 2 ，1 ，m ) 码进行增信删余。增信 删余的基本原理与分组码大致相同，对( 2 ，l ，埘) 码的码字中某些特定位置的码元予 以删除，在接收端译码时，再用特定的码元在这些位置上填充，然后输入( 2 ，1 ，册) 码 的v i t e r b i 译码器译码。由于这个过程中码率提高了，码的自由距离和纠错能力比 ( 2 ，l ，埘) 码要低。并且在编码的过程中，如果应用几个不同码率的删除比特布局图 交替工作，则得到的删余卷积码的码率和纠错能力交替变化，从而得到一类有不 等保护能力的卷积码。 2 3 2 2 3 交错码 交错码是一种实用而且常用的构造码的方法，它能够把比较长的突发错误或 多个突发错误离散成随机错误【4 l l 。用交错方法构造出的码就称为交错码。 假设把由g ( x ) 生成的，纠t 个随机错误或纠正b 突发错误的( 打，七) 线性分组码， 排成如图8 所示的矩阵，每行是( 以，七) 码的一个码字共i 行、n 列，则该码阵就定 义为( n f ，舫) 交错码的一个码字。一般称i 为交错度；而每一行为交错码的行码。在 进行传输的时候，以列的次序自左至右传输： ( q , n - ia 2 n - i 蚋，4 l 尹l ，a i d s _ 2s ，q 扩2 ，卅，q o ，口2 一，q 一) 。 a 1 1 - a 岛。 !l ； a a - 1 口i j d - 4 u _ _ i - a na t , a a , , - 4 t - 1 - a r l t l 口u ： 口l h - q j4 u b 囊魁桎验正 图8 交错码阵 从图中可以得到这样的结论，交错码其实就是把( 玎，k ) 分组码的i 个码字，使 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 每个码字相邻码元之问相隔i 位。因此，当接收端收到交错码的码字后，仍然恢复 成图8 的交错码阵，并以行为单位，按( 胛，_ | ) 子码的方式译码。这样的处理方式， 就把信道中的突发错误分散到每个行码中去了。如果行码能够纠正t 个随机错误或 b 长的突发错误，则( n i ，娜交错码就能够纠正所有长度i t 或i b 的突发错误，正 如图8 中阴影部分表示的。 从某种意义上来讲，交错码是一种时间扩散技术，它把信道错误的相关性减小， 当交错度足够大时，就可以把突发错误离散为随机错误，从而可以用纠随机错误 或纠较短的突发错误的码作为行码，构成交错码以纠正较长的突发错误或突发和 随机错误的组合。并且，交错度足够大的交错码，对信道干扰的统计特性并不敏 感，且由于应用的行码一般都能用较简单的方法译码。这些优点，使得交错技术 在实际信道的前向纠错系统中，得到了极为广泛的应用。在方案设计的过程中， 我们充分考虑了以上的优点，并将交错码应用到卫星信道的纠错技术中。 2 3 2 2 4 级联码 附录a 的信道编码定理指出，随着码长i i 的增加，译码错误概率按指数接近 于零。因此，可以尽可能地用长码。但是，随着码长的增加，一个码组中要求纠 错的数目相应增加，译码器的复杂性也相应增加以致于难以实现。 于是提出了级联码的概念，就是把编制长码的过程分几级完成，通常分为两级。 级联码不仅有很强的纠突发和纠随机错误的能力，更重要的是利用级联码的构造 方法，能达到信道编码定理所给出的码限。 一般级联码有内码和外码组成。内码是e 和外码c 0 组成。内码q 是g f ( 2 ) 上 的一个【以，k 】码，外码c o 是g f ( 2 ) 上的 ，k 】码。当信道产生少量的随机错误时， 通过内码c 就可纠正。当产生较长的突发错误或随机错误很多，以至超过e 码的 纠错能力，则内译码器产生错译，输出的码字有几个错误。但是这对于外码c n 而 言，仅相当于几个符号错误，外译码器能够较容易地纠正。 一般情况下，级联码用在干扰比较严重的组合信道中，内码中的某些码字内错 误很多，往往超过内码的纠错能力。所以，通常内码仅用来纠正少量的错误，而 大部分能力用来检错，指出错误位置，纠错任务则由外码译码器完成。这样两级 译码的结果，使得内、外译码器均较简单。这种译码方法使得译码器的复杂性和 计算量，大大低于有相同参数的其他分组码。 而卫星信道就是属于这种频繁受到干扰( 信道间相互干扰、其他各种电磁波干 扰) 并且衰减相当剧烈的组合信道。因此卫星a t m 通信信道的纠错编码就采用级 联码的方式。 2 3 2 3 合并保护的级联码纠错编码方案 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 2 , 3 231 卫星信道的性能要求 在设计纠错编码方案之前，我们必须首先设定一下纠错编码的前提：就是纠 错编解码的过程不能够损失卫星信道的各个方面的性能。否则，即使纠错编码改 善了不稳定信道带来的影响，那也是以卫星通信其他方面的损失为代价的。因此， 在研究设计之前，需要满足一些基本的条件，以保证能够达到预期的结果。 对于卫星信道而言，一般需要满足以下三点性能需求，我们在进行纠错方案 的设计过程中必须注意： 低消耗：为了降低地面站的消耗，在维持接收端必需的信噪比的前提下， 尽可能地减小传送数据所需要的能量消耗 低延迟：数据传输应该降低延迟，以获得较高的传输效率，同时降低由于 延迟对上层协议造成影响，比如t c p 协议 高吞吐率：需要通过减小数据的重传，以获得尽可能高的吞吐率 除此之外，还有一些其他的性能方面的要求。在纠错编码设计的过程中，要综 合评估和衡量性能与可靠性之间的关系，希望从中取得一定的折中和平衡，从而 达到既满足的卫星信道一定的性能要求，又得到了对于传输数据的可靠性要求。 2 3 232 信元保护方法的选择 在2 3 2 1 节中已经提到卫星a t m 纠错方法有分开保护和合并保护两种。这两 种方式都各有优缺点，并不能说哪一种一定比另一种好。方法的选择应该要根据 实际的应用而来，关键要视其是否符合应用的需要。 由上文可知，h e c 可以实现a t m 物理层的信元定界，如果采用更改信头中5 个字节结构的纠错方法，信元定界需要重新进行考虑和设计，这将增加设计的复 杂性，而且这也不符合一般对于设计和实现简单化，满足一定兼容性需求的原则。 为了提高信头和净荷的纠错能力，而又希望到达星载计算机系统a t m 网络适配器 处的a t m 信元流与地面标准a t m 网络中的相同，我们可以采用下面的合并保护 的纠错方式： 卫星a t m 信元的信头部分与净荷部分，与地面光纤网络中的a t m 信元结构 相同，在星上进行纠错译码后，得到仍将是5 3 字节结构，h e c 可以继续充当信元 定界的作用，进入星上a t m 网络适配器的a t m 信元将和标准的a ：n 信元完全相 同，星载a t m 网络系统无需由于信元结构的改变而重新设计，大大简化了星上 a t m 网络适配器以及相应软件系统的设计难度。 信元合并保护方法的选择，是基于维持对a t m 协议的兼容性的角度上考虑， 同时也是充分考虑了简化响应的设计和实现。 2 3 2 3 3 级联码方案的选择 在卫星信道中，随机错误和突发错误同时存在。而目前任何一种单一的纠错编 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 码还无法同时解决这两类错误，比如上文中描述的r s 码一般用于纠突发错误，而 卷积码倾向于纠随机错误。然而级联码在干扰比较严重的组合信道中应用以及同 时纠两类错误的特性，从一定程度上说，决定了其比较适合应用于卫星信道的纠 错编码实现。于是考虑采用级联码的方案，将两种纠错编码结合，达到最终优势 互补的目的【1 4 1 。 已经了解到，级联码的构造方法，能够达到信道编码定理所给出的码限，就是 意味着能够构造出渐近好码【4 1 】( s h a n n o n 码) 。就有那么一类级联码属于这样的渐 近好码- j u s t e s e n 码( 简称j 码) ，当疗斗o 。时，其性能就能够达到信道编码定 理所指出的限。j 码就是外码采用g f ( 2 ”) 上的【n = 2 ”一i ，k ，d = n k + l 】的r s 码，它的码字a = ( 口- i ，a n - 2 一，a o ) ，q g f ( 2 ) 。又设o f 是g f ( 2 ”) 中的一个本原 元，就有向量表示c = ( a n i 盯“a n _ i ，a n 一2 口肛2 a n 一2 一，q 口a t ，一，a o a o ) 。