基于無(wú)速率編碼的深空通信傳輸技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、由于深空通信環(huán)境具有傳播時(shí)延大、信噪比極低和信道動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，人們一直在探索能夠在深空通信中進(jìn)行高效可靠傳輸?shù)募夹g(shù)?，F(xiàn)有的技術(shù)都是利用具有極強(qiáng)糾錯(cuò)能力的級(jí)聯(lián)碼或者Turbo碼來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，但是這些固定碼率的糾錯(cuò)碼無(wú)法在信道動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高效傳輸，而且需要大量的反饋信令信息。無(wú)速率碼，作為一種新型的信道編碼，具有很好的自適應(yīng)信道調(diào)節(jié)碼率特性以及需要極少反饋信息的優(yōu)良特性。這些特性使得無(wú)速率碼可以很好的適應(yīng)深空通信環(huán)境。本文主要研

2、究了基于無(wú)速率編碼的深空通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在Sora平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，相關(guān)研究?jī)?nèi)容如下:
　　提出了一種可以改進(jìn)無(wú)速率碼譯碼性能的自適應(yīng)符號(hào)消除編碼算法，并設(shè)計(jì)了一種無(wú)速率碼編譯碼的高效實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在普通的無(wú)速率編碼過(guò)程中，每次選擇編碼的輸入符號(hào)時(shí)都是隨機(jī)選擇的。但是某些輸入符號(hào)可能已經(jīng)連接了足夠多的編碼符號(hào)，可以獲得足夠的譯碼信息去成功譯碼。在后面的編碼過(guò)程中繼續(xù)選擇對(duì)這些輸入符號(hào)進(jìn)行編碼對(duì)提高無(wú)速率碼整體的譯碼性能并沒(méi)有太多

3、幫助。于是我們?cè)O(shè)計(jì)了自適應(yīng)符號(hào)消除編碼算法，其基本思想是在編碼的過(guò)程中及時(shí)移除那些已經(jīng)獲得足夠譯碼信息的輸入符號(hào)，從而使得譯碼信息分配的更加合理。仿真證明采用自適應(yīng)符號(hào)消除編碼算法得到的Raptor碼比普通的Raptor碼的譯碼性能有明顯的改善。我們提出的無(wú)速率的編譯碼的高效實(shí)現(xiàn)機(jī)制為，對(duì)無(wú)速率碼編碼時(shí)通過(guò)將生成矩陣直接轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的異或表達(dá)式，并同時(shí)對(duì)多路比特進(jìn)行并行編碼，可以極大降低編碼復(fù)雜度;譯碼時(shí)則采用復(fù)雜度最低的串行BP迭代譯碼算

4、法，再加上漸進(jìn)譯碼、多線程技術(shù)、查表法以及基于單指令多數(shù)據(jù)流函數(shù)的并行處理等技術(shù)，最大程度的降低譯碼時(shí)延。
　　設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)速率編碼的自適應(yīng)碼率調(diào)節(jié)流水線傳輸系統(tǒng)。我們首先針對(duì)無(wú)速率碼的傳輸特點(diǎn)提出了數(shù)據(jù)拆分和子幀封裝的機(jī)制，即發(fā)送端先將原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行無(wú)速率編碼，產(chǎn)生足夠數(shù)量的編碼包。然后將編碼包按照一定的長(zhǎng)度均勻劃分為多段，最后將每一段編碼數(shù)據(jù)分別進(jìn)行調(diào)制然后封裝為一個(gè)個(gè)子幀。同時(shí)也設(shè)計(jì)了采用子幀封裝機(jī)制時(shí)的物理層幀結(jié)構(gòu)，即

5、幀頭除了傳統(tǒng)的幀頭需要攜帶的信息外，還攜帶數(shù)據(jù)包的序號(hào)和子幀的編號(hào)信息。在設(shè)計(jì)了幀結(jié)構(gòu)后，然后又基于半雙工通信方式設(shè)計(jì)了基于無(wú)速率編碼的流水線傳輸機(jī)制。在該流水線傳輸機(jī)制中，發(fā)送端一邊發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)包的編碼子幀，一邊對(duì)下一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼調(diào)制和子幀封裝;接收端則一邊接收當(dāng)前數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，一邊對(duì)之前的數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼。在接收端成功譯碼時(shí)，發(fā)送端發(fā)完當(dāng)前數(shù)據(jù)包的編碼子幀后，即可以接收到上一個(gè)數(shù)據(jù)包的ACK幀;如果接收端譯碼失敗，在發(fā)送端在等待A

6、CK超時(shí)后會(huì)再發(fā)送之前數(shù)據(jù)包的冗余編碼子幀，而接收端在收到冗余子幀后會(huì)聯(lián)合之前收到的編碼符號(hào)一起進(jìn)行聯(lián)合譯碼。最后設(shè)計(jì)了一種基于線性加權(quán)的自適應(yīng)調(diào)整算法，即根據(jù)前面數(shù)據(jù)包的譯碼情況自適應(yīng)調(diào)整后面數(shù)據(jù)包首次發(fā)送的子幀數(shù)，從而使得該傳輸系統(tǒng)能夠隨著信道環(huán)境的變化自適應(yīng)將系統(tǒng)的傳輸碼率調(diào)整到最佳傳輸碼率。
　　基于Sora平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)第一套在物理層基于無(wú)速率編碼的實(shí)際通信系統(tǒng)。Sora平臺(tái)是微軟亞洲研究院開(kāi)發(fā)的一套基于商用PC架

7、構(gòu)的全編程的軟件無(wú)線電平臺(tái)，其不僅具有較好的信號(hào)處理能力，而且具有高度靈活的可編程控制性?；赟ora平臺(tái)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)置了系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了前面設(shè)計(jì)的無(wú)速率編碼傳輸系統(tǒng)。另外為了模擬深空通信環(huán)境特點(diǎn)，我們?cè)诮邮斩耸盏降男盘?hào)上疊加了高斯噪聲，使得接收端的接收信噪比極低，并可以通過(guò)外界控制信噪比的變化，即模擬深空通信信道的動(dòng)態(tài)變化特性。最后我們測(cè)試了在Sora平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)速率碼傳輸系統(tǒng)的相關(guān)性能參數(shù)。通過(guò)測(cè)試結(jié)果證明該傳輸系統(tǒng)具有極