CN103338092A - 分布式短波电台通信的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种分布式短波电台通信方法，包括如下步骤：根据一原始信源数据序列生成N个原始数据包，其中，N为大于一的整数；所述N个原始数据包进行喷泉编码，并形成K个喷泉编码数据包，其中，K为大于N的整数；对每个所述喷泉编码数据包进行循环冗余校验，形成信道传输分组，并将所述信道传输分组进行调制后发送给多个收信台；每一所述收信台将接收到的信道传输分组解调后，进行循环冗余校验判决，将通过判决的喷泉编码数据包发送至一电台中心；所述电台中心根据每一收信台发送的喷泉编码数据包汇集用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包，并进行喷泉译码，恢复出所述N个原始数据包。本发明还涉及一种分布式短波电台通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及短波电台通信技术，尤其涉及一种基于喷泉编码技术实现分布式短波电台通信的方法及系统。
背景技术
短波通信作为一种历史悠久的无线电通信方式，主要利用电离层反射（天波）进行远距离通信，具有设备简单、使用方便、机动灵活、成本低廉、抗毁性强等优点，长期而广泛的运用于政府、军事、外交等部门，始终是军事指挥的重要手段。由于短波通信是通过不易“摧毁”的电离层反射机理进行的，即使高空原子弹爆炸也只能在有限的电离层区域和短时间内使通信中断。当长距离数据传送的速率要求不高时，不易被敌人发现和摧毁的特性使得短波通信比卫星通信更受重视。
然而，电离层的时变性和不稳定性，导致传输中信号时断时续，时好时坏，往往会限制短波通信的应用，使得短波通信的信号接收可靠性降低。
发明内容
针对上述问题，有必要提供一种可有效提高通信可靠性的分布式短波电台通信方法及系统。
一种分布式短波电台通信方法，其特征在于，该方法包括有：
发信台执行的如下步骤：
根据一原始信源数据序列生成至少一组原始数据包，每一组原始数据包包括N个原始数据包，其中，N为大于一的整数；
根据所述N个原始数据包构建K个待发送数据包，其中，K为大于N的整数；
对每一所述待发送数据包进行喷泉编码，形成K个喷泉编码数据包；
对每一所述喷泉编码数据包进行循环冗余校验，形成信道传输分组，并将所述信道传输分组进行调制后发送给多个收信台；
每一收信台执行的步骤：
将接收到的信道传输分组解调后，进行循环冗余校验判决，将通过判决的喷泉编码数据包发送至一电台中心；
及电台中心执行的步骤：
根据每一收信台发送的喷泉编码数据包汇集用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包，并进行喷泉译码，恢复出所述N个原始数据包。
一种分布式短波电台通信系统，其运行于发信台、多个收信台及电台中心，该系统包括有：运行于发信台的如下模块：
原始分组模块，用于根据一原始信源数据序列生成至少一组原始数据包，每一组原始数据包包括N个原始数据包，其中，N为大于一的整数；
数据构造模块：用于根据所述N个原始数据包构建K个待发送数据包，其中，K为大于N的整数；
喷泉编码模块，用于对每一待发送数据包进行喷泉编码，并形成K个喷泉编码数据包；以及
循环冗余校验模块，用于对每个所述喷泉编码数据包进行循环冗余校验，形成信道传输分组，该信道传输分组经由该发信台的调制发送模块进行调制后发射；
运行于每一收信台的如下模块：
接收模块，用于通过所述收信台的解调模块对经过调制后的每一个信道传输分组进行解调，从而得到含有CRC校验信息的喷泉编码数据包；
循环冗余校验判决模块，对每一喷泉编码数据包进行循环冗余校验判决，并通过所述收信台的天线输出通过循环冗余校验判决的喷泉编码数据包；以及
运行于电台中心的如下模块：
分组收集模块，用于接收每一收信台发送的喷泉编码数据包，并汇集出用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包；
喷泉译码模块，用于对分组收集模块汇集的各个喷泉编码数据包进行喷泉译码，获得原始数据包；
恢复分组模块，用于接收各个喷泉编码数据包恢复的原始数据包，合并相同的原始数据包，最终恢复出原始信源数据。
所述的分布式短波电台通信方法及系统通过喷泉编码技术实现分布式接收，即可完成信源数据的准确接收，而无需使用多天线分集接收，简化了系统结构。
附图说明
图1为本发明较佳实施方式的分布式短波电台通信系统的功能模块图。
图2为图1所示分布式短波电台通信系统的发信台的功能模块图。
图3至图5为本发明较佳实施方式的分布式短波电台通信方法的流程图。
主要元件符号说明
| 分布式短波电台通信系统 | 100 |
| 发信台 | 10 |
| 信源 | 11 |
| 原始分组模块 | 12 |
| 数据构造模块 | 13 |
| 喷泉编码模块 | 14 |
| CRC模块 | 15 |
| 调制发射模块 | 16 |
| 收信台 | 20 |
| 接收模块 | 21 |
| CRC判决模块 | 22 |
| 电台中心 | 30 |
| 分组收集模块 | 31 |
| 喷泉译码模块 | 32 |
| 解异或模块 | 33 |
| 恢复分组模块 | 34 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，本发明较佳实施方式的分布式短波电台通信系统100运行于包括发信台10、多个收信台20以及电台中心30。发信台10、收信台20以及电台中心30的工作波长均为短波。例如，分布式短波电台通信系统100可以包括10个短波电台及一个短波电台中心30。其中一个短波电台为发信台10，另外9个短波电台为多个收信台20。多个收信台20构成分布式收信台。
请一并参阅图2，分布式短波电台通信系统100包括信源11、原始分组模块12、数据构造模块13、喷泉编码模块14、循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)模块15、调制发射模块16、接收模块21、CRC判决模块22、分组收集模块31、喷泉译码模块32以及恢复分组模块33。其中，信源11、原始分组模块12、数据构造模块13、喷泉编码模块14、循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)模块15以及调制发射模块16运行于发信台10；接收模块21、CRC判决模块22运行于每一收信台20；分组收集模块31、喷泉译码模块32以及恢复分组模块33运行于电台中心30。
信源11用于输出一原始信源数据序列。
原始分组模块12用于根据所述原始信源数据序列生成至少一组原始数据包，每组原始数据包包括N个原始数据包，每一原始数据包包括L个信源数据。其中，N与L均为大于1的整数。每一信源数据包括1个二进制符号，则有N个包含有L比特信息的原始数据包。N个原始数据包表示为： 
，其中，上标j=1,2,…,N表示为原始数据包的编号，下标i=1,2,…L表示每个原始数据包中的信源数据的编号。每一个原始数据包包含信源数据，还包含以包头信息的方式保存的各个原始数据包的编号j、信源数据编号i和信源数据总数L。例如，当取N=100，L=60时，则N个原始数据包可以表示为：
。需要说明的是，每组原始数据包所包括的原始数据包数量N可以是不同，例如第一组原始数据包包括100个（N=100）原始数据包，而在生成最后一组原始数据包只剩下80个原始数据包，那么最后一组原始数据包可以只包括80个（此时N=80）原始数据包。
数据构造模块13用于将每组原始数据包构建多个待发送数据包，每组原始数据包构建成的待发送数据包数量K大于每组原始数据包所包括的原始数据包数量N。喷泉编码模块14用于对所述每一个待发送数据包进行喷泉编码，生成一个喷泉编码数据包。喷泉码可以是LT(Luby Transform)码，Raptor码，Reed-Solomon码，或者给予有限域GF（q）的多进制随机喷泉码等。在本实施方式中，采用LT码为例对本发明进行说明。其中，LT码的度数分布为Robust Solition分布，分布参数为c=0.03，译码失败概率为δ=0.0001。
具体地，数据构造模块13根据一已设的LT度分布
随机选取一度d；再从N个原始数据包中随机选取d个原始数据包（选取规则与度分布
对应），将d个不同原始数据包进行异或运算，构造成一个待发送数据包。其中k=1,2,…,K, 且K>N；即
，其中
表示度数为d的异或。也就是说，数据构造模块13在完成一个待发送数据包的构造后，重新随机选取一度d，再从N个原始数据包中重新随机选取d个原始数据包，直至生成K个待发送数据包。
喷泉编码模块14用于根据数据构造模块13构造的每一个待发送数据包生成一个喷泉编码数据包
，其中
=()，
表示编码数据。喷泉编码模块14还用于在生成的喷泉编码数据包的包头加上喷泉编码数据包编号、编码数据编号以及编码种子在内的信息，并依次输出生成的喷泉编码包
至CRC模块15。
CRC模块15用于对每个喷泉编码数据包
的包头和包内数据分别进行循环冗余校验，形成信道传输分组
，再将所述信道传输分组
传送至调制发射模块16。
调制发送模块16用于通过收信台10的调制模块（图未示）将信道传输分组
进行常规调制后，通过短波/超短波无线信道发送至多个收信台20。
请复参阅图1，接收模块21用于通过所述收信台20的解调模块对经过调制后的每一个信道传输分组
进行解调，从而得到含有CRC校验信息的喷泉编码数据包。CRC判决模块22用于对接收到的每一个喷泉编码数据包进行CRC判决，将不能通过CRC判决的喷泉编码数据包舍弃，并将通过校验的喷泉编码数据包发送至电台中心30。
分组收集模块31用于通过电台中心30的天线接收每一收信台20发送的喷泉编码数据包，并汇集出用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包。例如，分组收集模块31可以根据接收到的多个喷泉编码数据包的包头所包括的喷泉编码数据包编号，汇集出用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包。喷泉译码模块32用于对分组收集模块31汇集的各个喷泉编码数据包进行喷泉译码，获得原始数据包。具体地，喷泉译码模块32提取每一喷泉编码数据包的包头信息，用该包头信息进行解异或，从而恢复该喷泉编码数据包包含的若干个原始数据包。此时，每一喷泉编码数据包恢复的原始数据包的个数小于或等于N个。恢复分组模块33用于接收各个喷泉编码数据包恢复的原始数据包，合并相同的原始数据包，并根据各个原始数据包的包头携带的该原始数据包的编号调整各个原始数据包的顺序，从而最终恢复出原始信源数据。
由喷泉译码的原理可知，若正确接收的喷泉编码数据包数目等于或大于原始数据包，即可恢复出原始数据包的信源数据。在本实施方式中，由于使用LT码编码算法，当分布参数为c=0.03，译码失败概率为δ=0.0001时，可算出当至少接收到
=107个喷泉编码数据包时，至少能以1-δ的概率成功恢复出N个原始数据包。而在本实施方式中，为了进一步提高信号接收可靠性，取
>
，例如，取K=110。由于分布式收信台20数量很大，不同位置的收信台10在不同时刻接收性能不一，电台中心30总能从各收信台20处汇集出107个正确的喷泉码数据包，并进行喷泉码译码，恢复出发信台10发送的信息。因此，所述分布式短波电台通信系统100利用喷泉编码技术实现分布式接收，即可完成信源信号的准确接收，而无需使用多天线分集接收，简化了系统结构。
可以理解，发信台10的原始分组模块12、数据构造模块13、喷泉编码模块14以及CRC模块15可以由软件实现。也就是说，原始分组模块12、数据构造模块13、喷泉编码模块14以及CRC模块15可以以软件插件的形式安装运行于发信台10，而无需改变发信台10的硬件系统。同样地，接收模块21、CRC判决模块22可以以软件插件的形式安装运行于每一收信台20，而无需改变每一收信台20的硬件系统；分组收集模块31、喷泉译码模块32以及恢复分组模块33可以以软件插件的形式安装运行于电台中心30，而无需改变电台中心30的硬件系统。
请参阅图3至图5，所示为本发明较佳实施方式的分布式短波电台通信方法的流程图，其中，图3所示为由发信台10执行的步骤，具体包括：
步骤S1：输出一原始信源数据序列。
步骤S2：对原始信源数据序列进行数据分组，即，根据所述原始信源数据序列生成N个原始数据包。每一个原始数据包包含L个信源数据，还包含以头信息的方式保存的各个原始数据包的编号j、信源数据编号i和信源数据总数L。
步骤S3：根据N个原始数据包构建待发送数据包。具体地，根据一已设的LT度分布
随机选取一度d；再从N个原始数据包中随机选取d个原始数据包（选取规则与度分布对应），将d个不同原始数据包进行异或运算，构造成一个待发送数据包
。同时执行步骤S4及步骤S5。
步骤S4：对所述待发送数据包
进行喷泉编码，生成一个喷泉编码数据包
。此外，还对生成的喷泉编码包
的包头加上原始数据包编号、喷泉编码数据包编号、编码数据编号以及编码种子在内的信息。同时执行步骤S8。
步骤S5：判断构造的待发送数据包的数量K是否大于一预设值。若是，则执行步骤S6；否则返回步骤S3。值得说明的是，在步骤S3中，每一次随机选取的度d以及每一次随机选取的d个原始数据包都是不同的。此外，在本实施方式中，当构造的待发送数据包的数量K大于或等于N时，即，当生成的喷泉编码数据包的数量K大于或等于N时，则可恢复出原始数据包的信源数据，因此，该预设值大于或等于N。此外，当生成的喷泉编码数据包的数量K大于一预设值时，N个原始数据包的总编码输出码率相应地大于一预设的输出码率。因此，本步骤可以替换为：判断N个原始数据包的总编码输出码率是否大于一预设的输出码率。
步骤S6：判断原始信源数据序列的所有数据是否全部完成分组。若是，则流程结束，否则执行步骤S7。
步骤S7：根据原始信源数据序列剩下的数据生成新的N个原始数据包。返回步骤S3。
步骤S8：对每个喷泉编码数据包的包头和包内数据分别进行循环冗余校验，形成信道传输分组
。执行步骤S9。
步骤S9：对信道传输分组进行调制并发送至多个收信台20。
图4所示为由每一收信台20执行的步骤，具体为：
步骤S10：对经过调制后的每一个信道传输分组进行解调，从而得到含有CRC校验信息的喷泉编码数据包。
步骤S11：对接收到的每一个喷泉编码数据包进行CRC判决，将不能通过CRC判决的喷泉编码数据包舍弃，输出通过校验的喷泉编码数据包。
图5为由电台中心30执行的步骤，具体为：
步骤S12：接收每一收信台20发送的喷泉编码数据包，并汇集出用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包。
步骤S13：对汇集的各个喷泉编码数据包进行喷泉译码，获得原始数据包。
步骤S14：接收各个喷泉编码数据包恢复的原始数据包，合并相同的原始数据包，并根据各个原始数据包的包头携带的该原始数据包的编号调整各个原始数据包的顺序，从而最终恢复出原始信源数据。
所述的分布式短波电台通信方法及系统通过喷泉编码技术实现分布式接收，即可完成信源数据的准确接收，而无需使用多天线分集接收，简化了系统结构。
Claims (10)
1.一种分布式短波电台通信方法，其特征在于，该方法包括有：
发信台执行的如下步骤：
(a)根据一原始信源数据序列生成至少一组原始数据包，每一组原始数据包包括N个原始数据包，其中，N为大于一的整数；
(b)将每一组原始数据包构建成K个待发送数据包，其中，K为大于N的整数；
(c)对每一所述待发送数据包进行喷泉编码，形成K个喷泉编码数据包；
(d)对每一所述喷泉编码数据包进行循环冗余校验，形成信道传输分组，并将所述信道传输分组进行调制后发送给多个收信台；
每一收信台执行的步骤：
(e)将接收到的信道传输分组解调后，进行循环冗余校验判决，将通过判决的喷泉编码数据包发送至一电台中心；
及电台中心执行的步骤：
(f)根据每一收信台发送的喷泉编码数据包汇集用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包，并进行喷泉译码，恢复出所述N个原始数据包。
2.如权利要求1所述的分布式短波电台通信方法，其特征在于，步骤(b)包括：
(g)根据LT码的度分布随机选取一个度d，并从N个原始数据包中随机选取d个原始数据包；
(h)将d个数据包进行异或运算，构成一个所述待发送数据包；
(i)重复步骤(g)和(h)，直至生成K个待发送数据包。
3.如权利要求1所述的分布式短波电台通信方法，其特征在于：步骤(a)还包括在每一所述原始数据包的包头加上该原始数据包的编号。
4.如权利要求3所述的分布式短波电台通信方法，其特征在于，步骤(c)还包括：在所述喷泉编码数据包的包头加上喷泉编码数据包编号、编码数据编号以及编码种子信息。
5.如权利要求4所述的分布式短波电台通信方法，其特征在于，步骤(f)具体包括：
(j)接收每一收信台发送的喷泉编码数据包，并根据接收到的多个喷泉编码数据包的包头所包括的喷泉编码数据包编号，汇集出用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包；
(k)提取每一喷泉编码数据包的包头信息，用该包头信息进行解异或，恢复该喷泉编码数据包包含的若干个原始数据包；
(l)接收各个喷泉编码数据包恢复的原始数据包，合并相同的原始数据包，并根据各个原始数据包的包头携带的该原始数据包的编号调整各个原始数据包的顺序，从而最终恢复出原始信源数据。
6.一种分布式短波电台通信系统，其运行于发信台、多个收信台及电台中心，其特征在于，该系统包括有：运行于发信台的如下模块：
原始分组模块，用于根据一原始信源数据序列生成至少一组原始数据包，每一组原始数据包包括N个原始数据包，其中，N为大于一的整数；
数据构造模块：用于将每一组原始数据包构建成K个待发送数据包，其中，K为大于N的整数；
喷泉编码模块，用于对每一待发送数据包进行喷泉编码，并形成K个喷泉编码数据包；以及
循环冗余校验模块，用于对每个所述喷泉编码数据包进行循环冗余校验，形成信道传输分组，该信道传输分组经由该发信台的调制发送模块进行调制后发射；
运行于每一收信台的如下模块：
接收模块，用于通过所述收信台的解调模块对经过调制后的每一个信道传输分组进行解调，从而得到含有CRC校验信息的喷泉编码数据包；
循环冗余校验判决模块，对每一喷泉编码数据包进行循环冗余校验判决，并通过所述收信台的天线输出通过循环冗余校验判决的喷泉编码数据包；以及
运行于电台中心的如下模块：
分组收集模块，用于接收每一收信台发送的喷泉编码数据包，并汇集出用于实施正确译码所需的喷泉编码数据包；
喷泉译码模块，用于对分组收集模块汇集的各个喷泉编码数据包进行喷泉译码，获得原始数据包；
恢复分组模块，用于接收各个喷泉编码数据包恢复的原始数据包，合并相同的原始数据包，最终恢复出原始信源数据。
7.如权利要求6所述的分布式短波电台通信系统，其特征在于：所述数据构造模块根据LT码的一个度分布随机选取一个度d，并从N个原始数据包中随机选取d个原始数据包，并将d个数据包进行异或运算，构成一个待发送数据包。
8.如权利要求6所述的分布式短波电台通信系统，其特征在于：每一所述原始数据包包括多个信源数据，每一所述原始数据包还包括以头信息的方式保存的该原始数据包的编号、信源数据编号以及信源数据总数。
9.如权利要求8所述的分布式短波电台通信系统，其特征在于：在所述喷泉编码数据包的包头包括原始数据包编号、喷泉编码数据包编号、编码数据编号以及编码种子信息。
10.如权利要求9所述的分布式短波电台通信系统，其特征在于：所述喷泉译码模块提取每一喷泉编码数据包的包头信息，用该包头信息进行解异或，从而恢复该喷泉编码数据包包含的若干个原始数据包。
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