基于無速率編碼的深空通信傳輸技術及系統(tǒng)設計.pdf

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

2、究了基于無速率編碼的深空通信傳輸系統(tǒng)的設計及其在Sora平臺上的實現(xiàn)驗證，相關研究內容如下:
　　提出了一種可以改進無速率碼譯碼性能的自適應符號消除編碼算法，并設計了一種無速率碼編譯碼的高效實現(xiàn)機制。在普通的無速率編碼過程中，每次選擇編碼的輸入符號時都是隨機選擇的。但是某些輸入符號可能已經(jīng)連接了足夠多的編碼符號，可以獲得足夠的譯碼信息去成功譯碼。在后面的編碼過程中繼續(xù)選擇對這些輸入符號進行編碼對提高無速率碼整體的譯碼性能并沒有太多

3、幫助。于是我們設計了自適應符號消除編碼算法，其基本思想是在編碼的過程中及時移除那些已經(jīng)獲得足夠譯碼信息的輸入符號，從而使得譯碼信息分配的更加合理。仿真證明采用自適應符號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。我們提出的無速率的編譯碼的高效實現(xiàn)機制為，對無速率碼編碼時通過將生成矩陣直接轉成對應的異或表達式，并同時對多路比特進行并行編碼，可以極大降低編碼復雜度;譯碼時則采用復雜度最低的串行BP迭代譯碼算

4、法，再加上漸進譯碼、多線程技術、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，最大程度的降低譯碼時延。
　　設計了一種基于無速率編碼的自適應碼率調節(jié)流水線傳輸系統(tǒng)。我們首先針對無速率碼的傳輸特點提出了數(shù)據(jù)拆分和子幀封裝的機制，即發(fā)送端先將原始數(shù)據(jù)包進行無速率編碼，產(chǎn)生足夠數(shù)量的編碼包。然后將編碼包按照一定的長度均勻劃分為多段，最后將每一段編碼數(shù)據(jù)分別進行調制然后封裝為一個個子幀。同時也設計了采用子幀封裝機制時的物理層幀結構，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)包的序號和子幀的編號信息。在設計了幀結構后，然后又基于半雙工通信方式設計了基于無速率編碼的流水線傳輸機制。在該流水線傳輸機制中，發(fā)送端一邊發(fā)送當前數(shù)據(jù)包的編碼子幀，一邊對下一個數(shù)據(jù)包進行編碼調制和子幀封裝;接收端則一邊接收當前數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，一邊對之前的數(shù)據(jù)包進行譯碼。在接收端成功譯碼時，發(fā)送端發(fā)完當前數(shù)據(jù)包的編碼子幀后，即可以接收到上一個數(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超時后會再發(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聯(lián)合之前收到的編碼符號一起進行聯(lián)合譯碼。最后設計了一種基于線性加權的自適應調整算法，即根據(jù)前面數(shù)據(jù)包的譯碼情況自適應調整后面數(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)境的變化自適應將系統(tǒng)的傳輸碼率調整到最佳傳輸碼率。
　　基于Sora平臺設計并實現(xiàn)了國內第一套在物理層基于無速率編碼的實際通信系統(tǒng)。Sora平臺是微軟亞洲研究院開發(fā)的一套基于商用PC架

7、構的全編程的軟件無線電平臺，其不僅具有較好的信號處理能力，而且具有高度靈活的可編程控制性。基于Sora平臺的特點，我們設置了系統(tǒng)的相關參數(shù)，并實現(xiàn)了前面設計的無速率編碼傳輸系統(tǒng)。另外為了模擬深空通信環(huán)境特點，我們在接收端收到的信號上疊加了高斯噪聲，使得接收端的接收信噪比極低，并可以通過外界控制信噪比的變化，即模擬深空通信信道的動態(tài)變化特性。最后我們測試了在Sora平臺實現(xiàn)的無速率碼傳輸系統(tǒng)的相關性能參數(shù)。通過測試結果證明該傳輸系統(tǒng)具有極