深空通信文件可靠傳輸技術(shù)研究.pdf

1、深空探測(cè)作為空間科學(xué)技術(shù)的重要組成部分,具有十分重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義,深空通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行是深空探測(cè)任務(wù)成功的重要保證之一。深空探測(cè)范圍增大、通信傳輸距離趨近極限,最直接的影響是信號(hào)能量損耗以及傳播時(shí)延的大大增加,同時(shí)對(duì)信道糾錯(cuò)編碼、長(zhǎng)距離傳輸協(xié)議以及前向糾刪編碼技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。隨著深空探測(cè)目標(biāo)從月球轉(zhuǎn)向更遠(yuǎn)的火星以及太陽(yáng)系其他行星時(shí),巨大的通信距離導(dǎo)致信號(hào)能量衰減進(jìn)一步加劇,傳輸中的誤碼超出信道編碼的糾錯(cuò)能力且深空鏈路具有易中斷性

2、,使得逼近香農(nóng)極限的信道編碼無(wú)法保證信息的可靠傳輸,造成接收端丟包率很大。而巨大的通信傳播時(shí)延使得反饋重傳方式效率很低。因此,深空通信的文件可靠傳輸需要從解決分組丟失的長(zhǎng)傳播時(shí)延文件傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)和前向糾刪編碼技術(shù)兩方面進(jìn)行深入研究。
　　本文重點(diǎn)研究深空探測(cè)遠(yuǎn)距離通信可靠性編碼和長(zhǎng)距離傳輸協(xié)議,以保障深空弱鏈路的端到端可靠文件傳輸,具體從以下幾個(gè)方面研究:
　　第一,適合深空通信的噴泉前向糾刪編碼技術(shù)研究。數(shù)字噴泉將帶有檢錯(cuò)

3、機(jī)制的分組交換信道等效為刪除信道,將傳統(tǒng)糾刪編碼的處理對(duì)象拓展到了數(shù)據(jù)分組,形成了一種高效可靠的前向糾刪機(jī)制。但是噴泉碼是根據(jù)地面無(wú)線網(wǎng)的廣播和組播協(xié)議設(shè)計(jì)的,其原有的編譯碼算法使得接收端需要較大的碼長(zhǎng)或者增加編碼冗余以保證較穩(wěn)定的譯碼恢復(fù)概率,不適合深空探測(cè)器硬件設(shè)備受限以及功率嚴(yán)格預(yù)分配的限制。因此,首先針對(duì)編碼生成矩陣的二部圖設(shè)計(jì)了限制連接邊隨機(jī)關(guān)系的短碼長(zhǎng)DSCA算法,有效提高短碼長(zhǎng)噴泉碼的可譯碼概率,將譯碼所需的編碼冗余降低到

4、理想情況。然后針對(duì)噴泉碼原有BP譯碼算法效率不高的問題,對(duì)BP譯碼失敗的停止集剩余信息設(shè)計(jì)了SSGE譯碼算法,獲得接近 GE譯碼的性能。編譯碼優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)解決了噴泉碼原有算法應(yīng)用在深空環(huán)境中碼長(zhǎng)太大和譯碼效率不高的缺陷。
　　第二,設(shè)計(jì)了面向深空信道的級(jí)聯(lián)噴泉碼。深空信道自由空間段可視為功率受限而帶寬豐裕信道,信道頻帶資源相對(duì)充足,構(gòu)造符合深空通信特點(diǎn)、編碼增益高的前向糾刪編碼是深空通信目前的熱點(diǎn)問題。基于CCSDS提出的QC-

5、LDPC信道編碼方案,通過編碼冗余開銷與譯碼復(fù)雜度的折衷,設(shè)計(jì)了一種適合深空通信的級(jí)聯(lián)噴泉糾刪編碼方案。將DSCA與SSGE編譯碼算法聯(lián)合優(yōu)化使得噴泉級(jí)聯(lián)碼的譯碼性能接近最大似然譯碼,通過增加少量冗余噴泉分組,使譯碼端在深空信道 LDPC編碼分組出錯(cuò)時(shí),能利用正確接收到比原文件稍多的數(shù)據(jù)包恢復(fù)出原始文件。級(jí)聯(lián)碼具有的能夠以任意概率逼近香農(nóng)極限的特點(diǎn),有利于降低接收系統(tǒng)對(duì)于信噪比的要求,提高通信資源的利用率,為深空探測(cè)的下行珍貴科學(xué)數(shù)據(jù)提

6、供可靠的前向糾刪能力。
　　第三,丟包重傳的文件傳輸協(xié)議研究。傳統(tǒng)的地面通信TCP/IP協(xié)議不適合通信距離遠(yuǎn)而導(dǎo)致的傳播時(shí)延巨大而且變化范圍很大的深空探測(cè)環(huán)境。深空通信和空間任務(wù)相關(guān)協(xié)議的研究目前主要是圍 CCSDS提出的標(biāo)準(zhǔn)化建議展開。首先分析了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)化建議提出的CFDP協(xié)議,根據(jù)空間任務(wù)需要和傳輸文件類型的不同,對(duì)CFDP四種確認(rèn)傳輸模式的性能進(jìn)行了分析比較。對(duì)CFDP的觸發(fā)NAK型和異步NAK型傳輸模型進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模

7、分析,考慮深空通信功率預(yù)分配和設(shè)備受限的情況,并根據(jù)CFDP協(xié)議的指標(biāo),提出了新的重傳觸發(fā)策略,并設(shè)定 ARQ計(jì)時(shí)器的最優(yōu)等待時(shí)間。在嚴(yán)格保證深空通信吞吐量有效性的條件下,推算了延時(shí)提示觸發(fā) NAK型和延時(shí)異步 NAK型傳輸模型在空間通信的文件傳輸時(shí)延期望,仿真驗(yàn)證了本文算法能夠降低文件傳輸時(shí)延,分析了影響深空通信中利用CFDP協(xié)議傳輸文件數(shù)據(jù)延時(shí)的因素,包括誤碼率、傳輸速率、協(xié)議數(shù)據(jù)單元的大小和數(shù)量,外部觸發(fā)事件的個(gè)數(shù),為CFDP協(xié)議

8、在深空通信中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了參考。
　　第四,深空通信的分組交織文件傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)。深空信道的誤碼率通常在10-7至10-4之間,誤碼率大引起頻繁丟包,而超遠(yuǎn)距離通信亟需文件傳輸協(xié)議提供前向糾刪技術(shù)以盡量減少重傳從而降低傳播時(shí)延在文件傳輸過程中的開銷。引入噴泉編碼技術(shù)在CCSDS文件傳輸協(xié)議非確認(rèn)傳輸模式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種針對(duì)深空環(huán)境長(zhǎng)時(shí)延、丟包率大和鏈路易中斷等特點(diǎn)的數(shù)據(jù)包交織文件傳輸協(xié)議,并根據(jù)深空通信文件傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需要設(shè)計(jì)了兩

9、種不同的度分布,對(duì)于原文件 PDU分組為103數(shù)量級(jí)時(shí),引入一個(gè)與信道丟包率和文件PDU數(shù)量相關(guān)的優(yōu)化初始值以保證解交織算法的開始速度,然后迭代計(jì)算一個(gè)能使譯碼持續(xù)進(jìn)行的常量,通過增加交織的深度設(shè)計(jì) CISD分布,重點(diǎn)保證譯碼的平穩(wěn)持續(xù)進(jìn)行;對(duì)于原文件 PDU數(shù)量級(jí)達(dá)到104時(shí),設(shè)計(jì)了與信道丟包率和文件PDU數(shù)量相關(guān)的優(yōu)化參數(shù),并對(duì)RSD的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,設(shè)計(jì)了WRSD分布,使交織運(yùn)算具有線性復(fù)雜度,在降低復(fù)雜度的同時(shí)保證盡可能快的恢