基于鏈路自適應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

王朋云+廖育榮+倪淑燕+丁丹+樓鑫

摘 要： 為提升遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩槍鹘y(tǒng)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中固定速率存在鏈路資源未充分利用的問題，研究基于鏈路自適應(yīng)的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，提升鏈路資源利用率。仿真計(jì)算結(jié)果表明，在星上發(fā)射功率和傳輸帶寬不變的情況下，與傳統(tǒng)方式相比，遙感衛(wèi)星過境期間的數(shù)據(jù)傳輸量提高了2.62倍。

關(guān)鍵詞： 遙感衛(wèi)星； 數(shù)據(jù)傳輸； 鏈路自適應(yīng)； 自適應(yīng)編碼

中圖分類號： TN915.04?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0023?04

Research on remote sensing data transmission technology based on link adaption

WANG Pengyun， LIAO Yurong， NI Shuyan， DING Dan， LOU Xin

（The Academy of Equipment， Beijing 101416， China）

Abstract： In order to improve the data transmission efficiency of remote sensing satellite， and make full use of link resource in remote sensing satellite data transmission with fixed rate， the remote sensing satellite data transmission technology based on link adaption is researched to improve the utilization rate of link resource. The simulation and calculation results show that， in comparison with the traditional technologies， the data transmission quantity during the remote sensing satellite transit is increased by 2.62 times while the transmitting power and transmission bandwidth maintain the same.

Keywords： remote sensing satellite； data transmission； link adaption； adaptive coding

0 引 言

當(dāng)前，高分辨率遙感衛(wèi)星影像在軍事測繪、情報(bào)搜集、防災(zāi)減災(zāi)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1?4]。隨著遙感影像空間、時(shí)間、光譜分辨率的提高，遙感衛(wèi)星采集的數(shù)據(jù)量迅猛增長，與此同時(shí)，頻帶資源越來越緊張，因此對遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性和智能性提出了更高的要求，在提高星上處理能力之外，還需要發(fā)展新型的傳輸機(jī)制和高效的傳輸技術(shù)。目前提高數(shù)據(jù)傳輸效率主要通過增加傳輸帶寬、在發(fā)送端采用高階的調(diào)制編碼方式以及極化復(fù)用技術(shù)等方式來提高遙感數(shù)傳效率。

根據(jù)香農(nóng)定理，增加傳輸帶寬會提升信道容量，即可以滿足更高速率的數(shù)據(jù)傳輸，已有研究結(jié)果表明，Ka頻段（當(dāng)前遙感衛(wèi)星數(shù)傳基本在X頻段）的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到X頻段的3倍，因此基于Ka頻段的遙感數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)[5]，但同時(shí)，帶寬資源的拓寬帶來了新的問題，如Ka頻段大氣損耗和雨衰的增加，易受天氣變化的影響等[6]。

在發(fā)射端采用高階的調(diào)制方式和高碼率的糾錯編碼方式，主要通過減少冗余，提高符號的信息量這種方式實(shí)現(xiàn)以最少的符號傳輸最多的信息，然而采用高階的調(diào)制和高碼率的糾錯編碼方式在提升傳輸效率的同時(shí)，對于接收信號的信噪比要求較高，且數(shù)據(jù)傳輸速率的提高對于星上發(fā)射功率以及地面接收天線的口徑要求比較苛刻，這與地面接收設(shè)備小型化和軍事領(lǐng)域高機(jī)動性的發(fā)展趨勢背道而馳。

極化復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上解決了頻帶資源匱乏的問題，它利用不同極化技術(shù)的正交特性實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，將頻帶利用率提高一倍，數(shù)據(jù)傳輸速率隨之翻倍[7]，該技術(shù)率先在國外遙感數(shù)傳中得到應(yīng)用，如美國的WordView?1；當(dāng)前國內(nèi)也開展了極化復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)研究，目前已成功應(yīng)用于我國多顆對地觀測衛(wèi)星，如資源三號衛(wèi)星等[8]。

受到極化復(fù)用技術(shù)的啟發(fā)，采用相關(guān)的技術(shù)手段，在現(xiàn)有資源條件不變的情況下提升數(shù)據(jù)傳輸效率。本文采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)，通過提高鏈路資源的利用率，盡可能使更多的鏈路資源服務(wù)于數(shù)據(jù)傳輸，以此提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 鏈路自適應(yīng)技術(shù)在遙感數(shù)傳中的應(yīng)用分析

傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星在過境期間采用固定速率傳輸，為滿足數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的要求，基本是以最差的傳輸條件作為參考，因此，在高仰角時(shí)由于空間距離的變化導(dǎo)致存在一定程度的鏈路資源余量，如圖1所示。

以軌道高度400 km為例，圖2為衛(wèi)星過境期間星地空間距離的變化引起的自由空間損耗。

同時(shí)，不同仰角下大氣損耗以及雨衰等都會有所變化，某站不同仰角大氣的損耗及雨衰變化情況如表1所示[9]。

綜上所述，隨著仰角的變化，鏈路損耗變化近20 dB，其中空間距離的變化是鏈路損耗變化的主要原因，而固定速率方式在高仰角產(chǎn)生的多余鏈路余量并沒有得到充分利用，因此如何充分利用這部分鏈路余量，將這部分閑置的鏈路資源更多地用于數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)是本文研究的重點(diǎn)。

鏈路自適應(yīng)是一種根據(jù)鏈路質(zhì)量自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸模式的一種技術(shù)，主要包括自適應(yīng)功率控制、自適應(yīng)調(diào)制以及自適應(yīng)編碼調(diào)制等技術(shù)。其中自適應(yīng)編碼調(diào)制能夠克服自適應(yīng)功率控制以及自適應(yīng)調(diào)制本身的一些缺點(diǎn)，并且具有良好的信道適應(yīng)性，因此被廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域[10?11]。endprint

本文主要討論自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)在遙感衛(wèi)星數(shù)傳中的應(yīng)用，首先通過鏈路預(yù)算，在給定參數(shù)的情況下建立一個(gè)不同的信道狀態(tài)閾值區(qū)間；其次在不同的閾值區(qū)間內(nèi)采用不同的編碼調(diào)制方案，即低仰角時(shí)選擇設(shè)計(jì)方案中低階的編碼調(diào)制方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诟哐鼋菚r(shí)，空間距離減小，鏈路損耗降低，選擇方案中高階的編碼調(diào)制方式，提高符號利用率，即在符號傳輸速率保持不變的情況下，通過這種方式提升信息的傳輸量，將傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)傳輸方式在高仰角時(shí)的鏈路余量充分利用起來，最大化下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量。

2 方案設(shè)計(jì)及性能仿真

本文仿真中采用的調(diào)制方式有BPSK，QPSK，8PSK和16QAM，編碼方式選擇Turbo碼，碼率設(shè)定為和因此調(diào)制編碼組合方式有16種，即有16種傳輸方案可以選擇。通常衛(wèi)星通信中的噪聲以加性高斯白噪聲為主，SNR是影響誤碼率（BER）的惟一因素，因此表2給出了各編碼調(diào)制方案的信噪比（Signal?Noise Ratio，SNR）解調(diào)門限。

將表2中的方案用Matlab仿真，得到圖3，縱軸表示頻譜效率。由表2和圖3可以將SNR軸劃分為11個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的最優(yōu)傳輸方式及其效率如表3所示，表3即為理論上的編碼調(diào)制方案。

遙感衛(wèi)星鏈路基本參數(shù)設(shè)定如表4所示，假設(shè)地面終端天線始終跟蹤衛(wèi)星定位（終端接收增益為固定值），7°～-7°仰角為有效數(shù)據(jù)接收區(qū)間，終端位于衛(wèi)星正下方，即最大仰角為90°。

用戶接收信噪比（單位：dB）由鏈路預(yù)算公式得到：

（1）

式中表示空間傳輸損耗，可由下式計(jì)算：

（2）

式中表示用戶到衛(wèi)星的距離。

在仰角區(qū)間7°～-7°內(nèi)，以1°為間隔，根據(jù)式（1）計(jì)算信噪比，結(jié)果如圖4所示。

由表3和圖4可以得出不同仰角區(qū)間的傳輸方案，如表5所示。

表5即為衛(wèi)星過境期間的傳輸方案，根據(jù)已有參數(shù)條件進(jìn)一步計(jì)算求得自適應(yīng)編碼調(diào)制傳輸?shù)男畔⒘繛?4.47 Mb；而傳統(tǒng)的固定編碼調(diào)制方案，為保證整個(gè)過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕且宰畈畹臈l件作為設(shè)計(jì)依據(jù)，即接收信噪比在[-0.56～1.8]之間，因此一次過境傳輸?shù)男畔⒖偭繛?.335 Mb，根據(jù)仿真和計(jì)算結(jié)果得出，單次過境可變編碼調(diào)制是固定編碼調(diào)制傳輸信息量的2.62倍。

3 結(jié) 語

高分辨遙感衛(wèi)星的快速發(fā)展對遙感數(shù)據(jù)傳輸提出了更高的要求，本文針對傳統(tǒng)方法在高仰角時(shí)存在的鏈路資源浪費(fèi)問題，采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)中較為成熟的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，在符號速率保持不變的同時(shí)，在高仰角區(qū)間段通過改變調(diào)制編碼的方式提升符號效率，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)傳輸量。從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)在遙感數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用讓衛(wèi)星過境期間由空間距離變化產(chǎn)生的鏈路余量更多的服務(wù)于數(shù)據(jù)傳輸，在不增加帶寬和發(fā)射功率的前提下，將數(shù)據(jù)吞吐量提高了2.62倍，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

參考文獻(xiàn)

[1] TRALLI D M， BLOM R G， ZLOTNICKI V， et al. Satellite remote sensing of earthquake， volcano， flood， landslide and coastal inundation hazards [J]. ISPRS journal of photogrammetry & remote sensing， 2005， 59（4）： 185?198.

[2] ZHANG Liang， ZHANG Bin. The application of hyperspectral remote sensing to coast environment investigation [J]. Acta Oceanologica Sinica， 2009， 28（2）： 1?13.

[3] BREKKE C， SOLBERG A H S. Oil spill detection by satellite remote sensing [J]. Remote sensing of environment， 2005， 95（1）： 1?13.

[4] CROUT R L， KENT C. Current navy applications of satellite remotely sensed data [C]// Proceedings of 2003 IEEE International Symposium on Geoscience and Remote Sensing. Toulouse： IEEE， 2003： 1026?1028.

[5] 高衛(wèi)斌，冉承其.遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)展分析[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2005（6）：30?36.

[6] 王中果，洪大寶.低軌遙感衛(wèi)星Ka頻段星地?cái)?shù)據(jù)傳輸效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72?77.

[7] 趙寧.極化復(fù)用技術(shù)在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].航天器工程，2010，19（4）：55?62.

[8] 王萬玉，李娟妮，張保全，等.寬頻帶低軸比雙極化頻率復(fù)用天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2012，52（6）：423?428.

[9] COSS M， L′ABBATE M. Ka?band architecture and performance for EO satellites [C]// Proceedings of 2010 5th ESA workshop on Tracking， Telemetry and Command Systems for Space Applications. Noordwijk： IEEE， 2010： 216?223.

[10] 湯敏，蔡潤，周蓓磊，等.第三代移動通信中的自適應(yīng)調(diào)制和編碼方法[J].復(fù)旦大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，43（1）：83?85.

[11] 周沅寧.衛(wèi)星通信中的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[12] 邵彧，師曉利.基于遙感數(shù)據(jù)挖掘的智能地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（10）：54?57.endprint