刘洋1,魏锋2,王文剑1
(航天信息股份有限公司航天金卡研发中心,北京1广东金融学院)1.00195;2.
摘要:本文依托物联网应用需求和地基物联网固有的技术局限,设计了一种利用低轨卫星进行物联网广域覆盖的天基物联网中天地链路指标和方法。首先分析了物联网对通信的基本需求,进而给出了可行的卫星轨道、通信速率、通信频率等预设,根据预设演算仿真了天地通信链路的参数、调制方法、信道编码、交织方法,并设计了地面上廉价物联网终端接入低轨卫星的通信步骤和流程,为物联网应用航天技术实现不受地域、地形、地基网络覆盖范围制约低成本的全球覆盖,提供了一种新的可行性设计方案。关键词:物联网;卫星通信;窄带;信道中图分类号:TN99 文献标识码:A
ASace-basedIoTSace-roundCommunicationLinkDesinppgg
:AbstractBasedonthealicationreuirementsofIoTandtheinherenttechnicallimitationsoftheground-basedIoT,theindexesandppq
(,,;)1.GoldenCardR&DCenterAisinoCororationBeiin00195,China2.GuandonniversitfFinancepjg1ggUyo
LiuYanWeiFenWaneniang,g,gWj
1
2
1
,,reuirementsofIoTforcommunicationareanalzedandthengivesthefeasiblepresuositionsofsatelliteorbitcommunicationrateandqypp
,,radiofreuenc.Itcalculatesandsimulatestheparametersmodulationmethodchannelcodinndinterleavinethodofthesace-qygagmp
,,methodsofasace-basedIoTsace-roundlinkisproosedwhichuseslow-orbitsatellitesforthewidecoveraeofIoT.Firstlthebasicppgpgy
,IoTtorealizethelow-costglobalcoveraewhichisnotrestrictedberritorterrainandground-basednetworkcoverae.gytyg
roundcommunicationlinkaccordinothepresuositionsanddesinsthecommunicationstesandflowofthecheaoTterminalggtppgppI
,connectinothelow-orbitsatelliteonthegroundwhichprovidesanewfeasibledesinschemeforthealicationofsacetechnolofgtgpppgyo:;;KeordsIoT;satellitecommunicationnarrow-bandchannelyw
引 言
现代文明、地貌复杂的环境下保障通信,并能够将物联网扩展到远海和天空;全天候、系统抗毁能力强,几乎不受气候和天气影响,全天候全天时工作,受各种灾害影响小,局部的自然灾害、突发事件等应急情况几乎不影响系统正常工作。网络接入快捷,地面终端设备部署不受地域限制,系统建设成本与通信距离无关,即时部署即时入网。
采用天基通信网络接入方法,将物联网应用到更广阔的领域,利用新技术手段能够提供全球范围内高质量的物联网接入能力,并把传统物联网行业的“垂直保障”模式升级为“综合云服务保障”模式,能够通过大数据和人工智能等新的数据处理方法来提供更多的信息增值服务。天基物联网将有机会成为标准的物联网通信组成部分,成为物联网世界中的基础设施。
目前,物联网数据传输主要通过自组专用网络、互联
网或移动通信网络等地基信息网络实现。而当今的全球人口中,还有一半以上无法使用互联网,并且公用网络通信服务还无法有效覆盖飞机、远海、偏远岛屿、广袤沙漠以及陆地偏远地区。伴随着物联网的迅猛发展势头,需求在不断演进,目前自组专用网络、互联网或移动通信网络各自存在的特有或共有劣势愈发不能被忽略。在我国信息已经高度发达的时代,中天基互联是一个重要特征和必选条件,尤其是在通信互联、远程智能操控更加高度发达的可见未来,陆上偏远地区、海远及空中、应急通信的应用和低延时通信需求广阔。因此,利用部署在太空中的卫星,建立面向物联网应用的天基空间立体物联网通信,是解决现有地基信息网络固有缺点的有效方法。
天基物联网具有以下优势:通信覆盖地域广,能够全球覆盖,终端设备的布设不受地域限制,特别适用于远离
1 天基物联网系统总体设计
本设计根据使用卫星作为物联网设备的信息传输节
4 6
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点的需要,面对物联网的小数据流量、数量众多、低功耗、低成本等特点,预设了通信的基本架构,着重对链路特点、信号功率、信道编码方式、调制解调方法、交织器方法等方面进行分析,并在此基础上设计了适用于物联网应用基于天地窄带通信的方法,给出了通信链路中的关键指标设计过程和结论。本设计依照自上而下的设计理念,先勾画出面向物联网基于天地窄带通信的总体架构,然后按各个要素逐一进行设计,并得到计算或仿真结果,完成基于天地窄带通信的物联网基础设计。
地的物联网终端通过连接近地卫星实现与互联网的连接,接收各自控制平台和用户的操控。
天基窄带物联网系统如图1所示,地面广布在全球各
2.2 下行链路接收信号强度
21.61dBm=-1
依据同样的理论模型,下行链路指卫星发射信号到地面,则地面设备的接收信号功率可表示为:34.7712dBm)
物联网终端的信息链路。本设计的卫星发射功率为3W(即
Pr=Pt-LFT+Gt+Gr-LP-LFR-La-Lr
=34.7712dBm-0.5dB+4dB+0dB- 147dB-0.5dB-0.1dB-1.5dB
=-110.83dBm
3 接收灵敏度设计
为了确保接收机误码率不超过系统限定值,本文对接收灵敏度进行如下设计,已得到接收天线端口上可接受的最小接收功率值。
接收灵敏度计算公式为:
-23
/,其中,k为波尔兹曼常数(1.38×10JK)T为绝
/SkTB×NFSYS×(SN)i=O
,),对温度(K)B为噪声带宽(HzNFSYS为收信机噪声系则有:dB形式表示,
(/、数,故接收机灵敏度以SN)kT为常数,O为噪声门限,
(/S174dBm+10lB+10lSN)ggi=-O
图1 天基窄带物联网系统
/),本设计采用的可T290TB为噪声带宽,ee为噪声温度,。(/用带宽为4它和解调1.5kHzSN)O为系统噪声门限,
(其中,NFSYS为接收机噪声系数,NFSYS=10l1+g
2 通信接收信号强度计算
2.1 上行链路接收信号强度
上行链路是地面发射机到卫星的通信链路。链路预算需要的参数主要有发射机功率、发射机馈线等综合损耗,发射天线增益、卫星接收端天线增益、卫星接收端传输线等综合损耗,自由空间衰减、链路上的其他损耗(大气损耗、雨衰、极化损耗)等。根据星地链路传输模型,令Pt为,16.9897dBm)L.5dB,GFT为发射馈线损耗0t为发射天
方式共同决定了误码率的大小。
考虑调制解调方式DPSK:结合公式
(Perfcr)=2Q(2r)e=
可以求出接收机灵敏度。
(/S174dBm+10lB+10lSN)ggi=-O
发射机发射功率(本设计地面终端的功率为5即0mW,
线增益0dB,G1dB,Lr为接收天线增益1FR为接收馈线
表1 上行链路接收灵敏度和链路余量表(地面发端功率为50mW)
误码率10
-4
表2所列。
-4
综上在误码率为10时,接收灵敏度如表1和
损耗0.5dB,L.1dB,La为大气损耗0r为其他损耗包含极
化损耗1.5dB。
解调
方式DPSK
带宽
/Hz41500
间损耗:
其中,当d单位为km、f单位为GHz时,LP为自由空
8.79
噪声
门限/dB
-119.0295-121.61-2.58
接收
灵敏度/dBm上行接收
功率/dBm链路
余量/dB
(L92.45+20ld+20lfdB)47dB=1ggp=
接收信号强度Pr如下:
表2 下行链路接收灵敏度和链路余量表(卫星发端功率为3W)
误码率10
-4
Pr=Pt-LFT+Gt+Gr-LP-LFR-La-Lr
147dB-0.5dB-0.1dB-1.5dB
解调
方式
带宽/Hz噪声门限
/dB8.79
6.9897dBm-0.5dB+0dB+11dB-=1
DPSK41500-119.0295-110.83
接收
灵敏度/dBm
上行接收
功率/dBm
链路
余量/dB8.2
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4 7
4 信道编码设计
4.1 下行控制信道
、/馈信息(成功/失败)数据块传输成功与否信息(ACK
可采用1码率为0.6位扩频、2次重复、85的BCH码。总
4.3 随机接入信道
的链路余量为8.2dB+15.74dB+2dB=25.94dB。
下行控制信道用于通知上行接入用户的接入请求反
等控制信息,用户控制信令为短数据包,长度为6字NCK)
),节(一条下行控制信道占用一1.2kbs×40ms=48bitsp),带宽增益为1而下行链路预算原余量为37.55.74dB;
满足链路预算余量的需求。编码方式可采用8.2dB,
),道的信息为3字节(带宽增益0.6kbs×40ms=24bitsp
随机接入信道用于用户申请信道资源,每用户申请信
为7约为15,8.75dB。
(//个信道时,带宽增益为37.531.5kHz×21.41.2kbs=p
码率为0.16位扩频、2次重复、85的BCH码。BCH码与
重复码串行级联的编译码流程如图2所示。AWGN信道下BCHRE编码与RE编码误比特率如图3所示。
4.4 下行业务信道
BCH码。总的链路余量为-2.58dB+18.75dB+2dB=
18.17dB。
编码方式可采用1码率为0.6位扩频、2次重复、85的
发射功率为5链路预算原余量为-20mW时,.58dB,
(,/约为1编码方式可采用8位扩频,37.55.74dB)1625
/码率的B其中交织CH码与13码率的卷积码串行级联,
占用一个信道,链路预算原余量为8.带宽增益为2dB,
,发射功率最大为3W,数据率为1.一个业务2kbsp
方式采用S交织。BCH与卷积码的串联级联码编译码流程如图4所示。
图2 BCH码与重复码串行级联的编译码流程
图4 BCH与卷积码的串联级联码编译码流程
BCHCC编码与CC编码误比特率的比较如图5所示。
表3 仿真参数设置表
信息位长度BCH码率卷积码码率
帧数信道
100~200bit/157511//12,13AWGNAWGN
仿真系统参数设置如表3所列。AWGN信道下
10000帧
图3 AWGN信道下BCHRE编码与RE编码误比特率
-4
由仿真结果可知,当误比特率为10时,BCH+重复
噪声
4.2 下行广播信道
dB+15.74dB+2dB=25.94dB。
码相比重复码有2dB的SNR增益。总的链路余量为8.2
2.5dB的SNR增益。总的链路余量为8.2dB+15.74dB+
。2.5dB=26.44dB
-4
当误比特率为10时,BCH+卷积码相较卷积码有
4.5 上行业务信道
(务,链路预算余量为-带宽增益为72.58dB,531.5kHz×
下行广播信道的信息包括可用于分配的子信道信息、同步信标等,不同优先等级的用户广播信道占用不同的子),控制信令的增益为340ms=48bits7.5(31.5kHz×
发射功率最大为5数据率为00mW、.6kbs的低速业p
信道,同一等级的用户广播信令长度为6字节(1.2kbs×p
//,),约为1采用721.40.6kbs=758.75dB5位随机扩频p(,可满足链路预算需求。总的链路余量为18.75dB)-2.58dB+18.75dB=16.17dB。
//),带宽增益为1编码方式21.41.2kbs=37.55.74dB,p
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泛。Q在铱PSK调制在频谱效率与抗噪性能方面较优,无需相干接收,解决了相位模糊问DPSK通过比较相位,题,但在频偏较大时性能下降严重;DDPSK通过二阶差具有很好的频偏、相位模糊鲁棒性。通过理论分析与仿真对比可知,在AWGN信道和理想的同步与信道估计条件
星、全球星等中低轨道卫星系统应用,但要求相干解调;
分,消除了相位模糊与频偏的影响,简化了接收机的设计,
下,相比DQPSK解调门限比DPSK低1~1.5dB,DPSK
/而QDDPSK性能下降在0.5dB以内,PSKDPSK性能下
-4
降显著,在误码率为1解调S0时,NR门限显著上升。因此,从降低接收机复杂度与功耗角度出发,本设计采用基于DDPSK的调制方式。
低4~4.而在频偏严重的非相干接收条件下,5dB,
图5 AWGN信道下BCHCC编码与CC编码误比特率的比较
5 交织器设计
常用的交织器有随机交织器、半随机交织器、分组交织器、卷积交织器以及D各种交织器性能以及RP交织器,使用场景不同,具体比较如表4所列。
交织类别随机交织器半随机交织器(S交织)
分组交织器卷积交织器DRP交织器
复杂度相对分组交织高
中低高低
结 语
在基于天地窄带卫星通信的物联网基础设计中,本文
介绍的卫星通信系统具备1能够为天6dB以上信道余量,基物联网系统在具体环境中应用提供更多的支持,在保证通信质量的前提下,降低了应用系统和终端实施布设时对周边环境的要求,并且降低了设备功耗,延长了电池使用时间和维护时间,降低了物联网终端的设计成本、制造成
表4 各种交织器性能比较
适合码长适合长码,时延大适合于长码适合短码,时延长适合短码,存储量较大存储数据量较低,性能高
本以及维护成本。本设计能够为我国物联网开拓天基星座的通信链路,使物联网的建设和覆盖能迅速普及到全国乃至全球的各个角落。
参考文献
[]1JoeH,AnH,Wanetal.InbandcellularIoTforsmartgW,
),以及接收端(用户终端)可承受的算法复杂度低、存bits
储空间小以及信道编码技术的设计等,本设计采用S随机交织器与DRP交织器两种类型。本方案采用的编码和交织方式如表5所列。
信号类型下行业务信道下行控制信道下行广播信道上行数据信道
考虑天基窄带物联网中传输码长较短(100~1000
[]Y2uC,YuL,WuY,etal.UlinkSchedulinndLinkAda-pgap
IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2017:336337.
[//,homealicationsC]ConsumerElectronics(ICCE)2017pp
[]tationforNarrowbandInternetofThinsSstemsJ.IEEEgy
[]李鹏飞.]:窄带物联网技术要点研究[通讯世界,3J.2017(5)
,():Access2017517241734.
表5 本方案采用的编码和交织方式
编码/交织BCH+卷积/S
交织
BCH+重复编码
BCH+卷积/S交织
TPC编码/S交织
译码
卷积译码+BCH译码
重复译码+BCH译码
卷积译码+BCH译码Turbo译码
信道交织DRP交织DRP交织DRP交织DRP交织
[]张更新,张杭.卫星移动通信系统[北京:人民邮电出版4M].
6061.
[]W,5anhienPTMathiooulos.AnoveltrafficdeendentgZpgpp
社,2001.
dnamicchannelallocationandreservationtechniueforyq
//LEOmobilesatellitesstems[C]ProceedinsIEEE56thyg
[,,6]ZHANGLiweiZHULidonWUShii.Acalladmissiongq
VehicularTechnoloonferenceIEEE,2002.gyC
[]controlalorithmforLEOsstemsJ.JournalofChoningygqg184187.
,:UniversitfPostsandTelecommunications2005,17(2)yo
6 调制解调
低阶相位调制技术简单可靠,在卫星通信中应用广
[]7DhaouR,BelotA,BeckerM.ATCR:anadativetimebasedchan-yp
,,4 IEEE58thVehicularTechnoloonference2003. 5gyC
[]//nelreservationmechanismforLEOsatellitefixedcellsstemsCy
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,增加了0如果不采用线性累计数据0x1ffffffx1000000,
突变的防避方法,就会产生线性数据突变,线性累计数据
突变的防避方法可以避免此类突变的发生,并能及时将三级存储区同步到正确状态。
表2 上电次数测试验证结果
序号
状态初始状态
1
重新上电刚写完主首字节掉电
重新上电初始状态
2
重新上电刚写完备1首字节掉电
重新上电初始状态
3
重新上电刚写完备1首字节掉电
重新上电
实际上电次数0xffffff
主值0xffffff
备1值0xffffff0x10000010x1ffffff0xffffff0xffffff0xffffff
备2值0xffffff0x10000010xffffff0xffffff0xffffff0xffffff
防避方法获取
的上电次数0xffffff
0x10000000x10000010x10000000x10000010x10000000x10000010xffffff0xffffff
0x10000010x10000000x10000010x10000000x10000010xffffff0xffffff
0x1ffffff0x10000000x10000010x10000000x10000010x10000000x10000010xffffff0xffffff
0x10000010x10000000x1000001
0x10000010x1ffffff
0x1000001
结 语
[]翟士勇.基于C济4AN总线的客车互联系统设计与实现[D].
]()探讨[电子产品可靠性与环境试验,J.2017,352.南:山东大学,2008.
本文提出了一种基于三级存储区划分法、数据更新存
储流程、数据读取判定原则和三个存储区的数据不一致时的数据同步的非易失性存储器意外掉电线性累计数据突变的防避方法,在不增加额外硬件的情况下,防止意外掉电引起的线性累计数据突变,降低了硬件成本和复杂度。这种非易失性存储器意外掉电线性累计数据突变的防避方法已在航空电子系统上得到应用,实践证明,该方法是一种简单可靠的线性累计数据突变的防避方法。
参考文献
[]程志,]李兴生,帅高山.水雷引信的可靠性鉴定试验方案[1J.
[]程鹏.基于半侵入式侵入式攻击的非易失性存储器内容提取5
[]蒋欣.]基于硬件和固件相结合的掉电保护策略的应用[微6J.
研究[北京:清华大学,D].2015.()型机与应用,2015,3411.()系统应用,20076.
[]江健琦.]法拉电容在掉电保护中的应用[单片机与嵌入式7J.
[]王朝辉.]一种高可靠性的单片机掉电保护设计[武汉科技8J.
[]王兵,]陈军东.嵌入式系统掉电保护的一种设计方法[单9J.
()大学学报:自然科学版,2006,294.()片机与嵌入式系统应用,200511.
[]丁源.]舰艇试验试航的网络可靠性监测方法[舰船电子工2J.
()水雷战与舰船防护,20062.()程,2018,3810.
,邵龙(高级工程师)主要研究方向为信号处理。
()责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-06-14
[]张仕念,颜诗源,徐军,等.导弹弹上仪器工作寿命考核方法3
,,49 [8]StehanOlariuRaendraShirhattiAlbertY,etal.pj
OSCAR–AnOortunisticCallAdmissionProtocolforpp
[]K,9iDoneeVariableTaretadmissionControlforNonsta-gLg
]tionarandoverTrafficinLEOSatelliteNetworks[J.IEEEyH
[//LEOSatelliteNetworksC]Proceedinsofthe2004Inter-g
,nationalConferenceonParallelProcessinICPP’04)g(
IEEE,2004.
[][:,12FMGardner.PhaselocktechniuesM].NewYorkWile1979.qy
[]AK13aiwara.MobileSatelliteCDMASstemRobusttojy
[,14]KellJHoleHenrikHolm,GeirEien.Adativemultidim-jp
entionalcodedmodulationoverflatfadinhannels[J].gc
[],DolerShiftJ.IEEETransonVehicularTech1995,44pp():3480486.
,,():transactiononvehiculartechnolo2005541127135.gy
[],10JChenAJamaliour.AdativeChannelManaemnetforppg
,:ferenceonCommunications.HelsinkiFinlandIEEE,2001:
RoutiondHandoffinBroadbandWATMMobileSatellitega
[//NetworksC]ProceedinsoftheIEEEInternationalCon-g
[]卓永宁,朱立东,吴诗其.低轨卫星信道自适应模糊估计算15
]():法[通信学报,J.2006,2783134.
IEEEJOURNALONSELECTEDAREASINCOMMU-()NICAT10NS,2000,l87.
29282932.
[]张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[西安:西安电子科11M].
技大学出版社,2018:5961.
[]康惠平.16Turbo码中基于混沌映射的DRP交织器设计及相
关性能分析[郑州:郑州大学,D].2011.
[]杨宏.铱星卫星移动通信系统的关键技术研究[重庆:重17D].庆大学,2013.
()责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-06-04
5 4
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