CN107888335A - 基于信道反馈的等离子鞘套下的自适应编译码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信道反馈的等离子鞘套下的自适应编译码方法，主要解决现有通信方式在动态等离子鞘套对信号有深度衰减影响下无法实现重要信息可靠传输的问题。其实现方案是：1.将飞行器发射天线驻波比作为信道反馈量，建立驻波比与信道通信质量之间对应关系；2.基于喷泉码单向链路通信的优点，按照加窗式度分布函数采用喷泉码的LT编码方式对待发送信息分级编码，并按信道通信质量实时调整信息分级数、加窗式度分布函数、编码包长度，实现对重要信息的重点保护；3.对喷泉码编码包进行伪码编码。本发明提高了编码包利用率和信道传输可靠性，可用于在临近空间高超声速飞行器、再入飞行器这些被等离子鞘套包裹下的飞行器遥测遥控通信。
Description
技术领域
本发明属于临近空间测控通信领域，涉及一种自适应编译码方法，可用于再入飞行器以及临近空间飞行器在等离子鞘套包覆下的信号可靠传输。
背景技术
再入飞行器或临近空间高速飞行器飞行过程中，机体与空气剧烈摩擦，会产生等离子鞘套，导致通信质量恶化，误码率增大，时延加大，传输严重时导致信息链路中断，形成所谓的“黑障”现象。
近年来，人们普遍认为有希望解决这一问题的主要措施如下：
1.提高载波频率。这种措施可以增加电磁波的透射，并且随着近年来宽禁带半导体技术以及Ka频段功率器件的成熟，采用Ka频段通信克服“黑障”成为可能。但是，由于等离子鞘套是动态时变的，其动态时变特性会引起寄生调制效应，进而造成通信可靠性下降。
2.通过干预机制降低等离子鞘套浓度。这种措施能够降低等离子鞘套浓度，但是实现手段非常复杂，对现有测控通信体制改变非常大。
以上两种措施都是为了减小等离子鞘套引起的深度衰落影响。事实上，应对深度衰落信道时，可以利用降低码元速率来提高前向纠错能力，保证信息传输的可靠性。但是降低码元速率是以牺牲传输速率为代价的。而临近空间飞行器或者再入飞行器飞行全程，其信道容量变化极大，如果一直采用低码元速率进行通信，其传输效率非常低。而且传统通信过程中所有信息是按顺序进行传输，低效率传输将无法保证飞行器姿态控制等关键信息的优先可靠传输。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于信道反馈的等离子鞘套下的自适应编译码方法，以提高重要信息的传输效率和可靠性。
本发明的技术关键是采用信息分级技术，对待发送信息按照重要性进行分级，利用飞行器发射天线驻波比参数作为信道衰落程度依据。根据信道衰落程度，实时调整待发送信息的优先级。当信道深度衰落时，牺牲不重要信息的传输效率，优先保证重要信息的可靠传输；当信道衰落影响程度较小时，提高全部信息传输效率，其实现方案包括如下：
(1)通过实时测量发射天线驻波比变化，实时预估出等离子鞘套对通信的影响，并以此为依据将信道通信质量分为信道优A、信道良B和信道差C三个等级；
(2)针对不同的信道等级分别将待发送信息按照重要程度分为不同数目的等级，即当信道质量为信道优A时，将待发送信息分为两级，当信道质量为信道良B时，将待发送信息分为三级，当信道质量为信道差C时，将待发送信息分为四级；并根据信道变化对等级数目进行动态调整；
(3)采用喷泉码的LT编码方式，按照“加窗式度分布函数”对待发送信息进行编码，生成码长为d的编码包：
(3a)设“加窗式度分布函数”中窗的个数等于步骤(2)中所确定的等级数目；设第一个窗的大小等于第一等级信息的数目，设第二个窗的大小等于第一等级和第二等级信息的数目之和，设第三个窗的大小等于第一等级、第二等级和第三等级信息的数目之和，设第四个窗的大小等于第一等级、第二等级、第三等级和第四等级信息的数目之和；
(3b)设信道质量为信道优A时，编码包码长为d1，设信道质量为信道良B时，编码包码长为d2，设信道质量为信道差C时，编码包码长为d3，且满足d1>d2>d3；
(3c)按照“加窗式度分布函数”采用喷泉码的LT编码方式对待发送信息进行编码；
(3d)根据信道变化对“加窗式度分布函数”中窗的个数和大小及编码包的码长进行动态调整；
(4)对步骤(3)生成的编码包首先进行伪码编码，然后进行调制，生成调制信号；
(5)调制信号经等离子信道传输后到达接收端，接收端先对调制信号进行解调得到解调信号，再进行伪码译码，得到有效编码包；
(6)采用BP译码算法对有效编码包进行译码。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明选用喷泉码编码方式，由于喷泉码具有无需反馈的特性，所以只需单向链路就能恢复出所有的数据；
2)本发明针对等离子信道通信质量具有时变性的特点，通过建立飞行器发射天线驻波比与信道通信质量之间联系，实现了编译码参数的自适应调整；
3)本发明由于采用信息分级编码，优先保证了重要信息的传输效率；
4)本发明由于采用伪码纠错，提高了编码包的利用率，减小了译码开销，提高了信道传输效率和可靠性。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是用本发明和传统方式传输信息的译码率对比曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图，以信道通信质量由信道优A向信道差C变化为例，对本发明的实施方案进行详细说明。
本实例中待发送信息数目为1000个，且信息重要程度依次降低，即第一个信息最重要。等离子鞘套的径向平均电子密度变化范围为4×1010cm-3～3×1011cm-3，对应的等离子体频率为1.79GHz～4.9GHz，厚度为18cm，碰撞频率约为1GHz，载波频率为2.6GHz，调制方式为BPSK调制，伪码长度为1023位。
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1：划分信道等级
1.1)测量飞行器发射天线的驻波比SWR；
1.2)根据发射天线驻波比大小，将信道通信质量划分为三个等级：
信号经过等离子信道后，会发生透射或反射，当等离子信道对通信影响较小时，大部分信号将透射出去，只有小部分信号发生反射，此时测得的天线驻波比较小；当等离子信道对通信影响较大时，大部分信号将反射回来，此时测得的天线驻波比较大，因此可以根据发射天线驻波比大小，将信道通信质量划分为信道优A、信道良B、信道差C三个等级：
当SWR<1.5时，信道通信质量为信道优A；
当1.5≤SWR<5时，信道通信质量为信道良B；
当SWR≥5时，信道通信质量为信道差C。
假定本实例中测得的发射天线驻波比SWR＝1，则此时信道通信质量为信道优A。
步骤2：对信息进行分级
信息分级是根据待发送信息的重要程度将待发送信息划分为多个等级，以便在不同的信道通信质量下分别对不同等级的信息实施不同的保护，实现在信道通信质量差时，牺牲不重要信息的传输效率，优先保证重要信息的可靠传输；在信道通信质量变好时，提高全部信息传输效率。
由于信道通信质量越差，单位时间能有效传输的信息越少，因此随着信道通信质量的变差，信息的分级应更加细化，本步骤的分级原则如下：
当信道质量为信道优A时，将待发送信息分为两级，即将待发送信息中的重要信息作为第一等级，设信息数目为n1；将待发送信息中重要信息之外的信息作为第二等级，设信息数目为n2，且n1<n2；
当信道质量为信道良B时，将待发送信息分为三级，即将待发送信息中的重要信息作为第一等级，设信息数目为n1’；将待发送信息中的次重要信息作为第二等级，设信息数目为n2’；将待发送信息中重要信息和次重要信息之外的信息作为第三等级，设信息数目为n3’，其中n1’<n2’<n3’，且该第一等级信息数目n1’小于信道优A时的第一等级信息数目n1；
当信道质量为信道差C时，将待发送信息分为四级，即将待发送信息中的重要信息作为第一等级，设信息数目为n1”；将待发送信息中的次重要信息作为第二等级，设信息数目为n2”；将待发送信息中的重要性低于第二等级的信息作为第三等级，设信息数目为n3”，将待发送信息中前三等级之外的信息作为第四等级，设信息数目为n4”，其中n1”<n2”<n3”<n4”，且该第一等级信息数目n1”小于信道良B时第一等级信息数目n1’。
所述重要信息是指对飞行器影响较大或需要地面端实时监测的信息，比如飞行器的姿态、飞行方向等信息，具体参数由通信发起者决定。
本实例中由步骤1得到信道质量为信道优A。将待发送信息分为两级，第一等级信息数目n1＝400、第二等级信息数目n2＝600。
步骤3：设置加窗式度分布函数
信息在信道中传输的形式是码元序列，编码时根据采用的不同的度分布函数，随机选取码元形成编码包：
当采用普通度分布函数进行编码时，是从整个码元序列中随机选取码元形成编码包，这种方式，无法对特定数据实施重点保护；
当采用加窗式度分布函数进行编码时，首选选取窗，然后从窗内的码元序列中随机选取码元形成编码包，由于选取的范围仅是窗内的码元序列，这就使窗内数据在所有编码包中出现的概率多于窗外数据，从而增加了窗内数据在整个通信过程中传输的次数，进而增加了窗内数据被成功译出的概率，实现了对窗内数据的重点保护。
本发明采用加窗式度分布函数进行编码，该加窗式度分布函数的设置原则如下：
设加窗式度分布函数中窗的个数等于待发送信息的分级数，窗的大小等于本等级信息与前面所有等级信息的数目之和。
本实例中，根据步骤2中的相关设置，加窗式度分布函数窗的个数设为2个，第一个窗的大小为400，第二个窗的大小为1000。
步骤4：设置编码包长度
由于信道通信质量越差，单位时间能有效传输的信息越少，因此为了保证每个编码包在每次传输时都能准确传输，信道通信质量越差，编码包码长应越短。
本步骤设置编码包长度原则如下：
设信道质量为信道优A时，编码包码长为d1；
设信道质量为信道良B时，编码包码长为d2；
设信道质量为信道差C时，编码包码长为d3；
d1、d2、d3之间满足d1>d2>d3的关系，本实例中，编码包码长d＝100。
步骤5：对信息进行编码与传输
5.1)按照“加窗式度分布函数”采用喷泉码的LT编码方式对待发送信息进行编码，得到编码包；
5.2)将编码包先进行伪码编码，然后进行BPSK调制，最后通过等离子信道进行传输。
步骤6：对信息进行恢复
6.1)接收端将接收到信号后先进行BPSK解调，再对解调信号进行伪码纠错，得到有效编码包；
6.2)对有效编码包进行BP译码。
步骤7：实时监测发射天线驻波比变化并调整相关参数
7.1)实时监测发射天线驻波比SWR变化，当1.5≤SWR<5时，信道通信质量由信道优A转换为信道良B，按照步骤2将待发送信息分为三级：第一等级信息数目n1＝200，第二等级信息数目n2＝300，第三等级信息数目n3＝500；
按照步骤3，将加窗式度分布函数中窗的个数设为3个，第一个窗的大小为200，第二个窗的大小为500，第三个窗的大小为1000；
按照步骤4，将编码包长度由步骤4中的100变为80；
7.2)执行上述步骤5至步骤6操作；
7.3)实时监测发射天线驻波比SWR变化，当SWR≥5时，信道通信质量由信道良B转换为信道差C，按照步骤2将待发送信息分为四级：第一等级信息数目n1＝100，第二等级信息数目n2＝200，第三等级信息数目n3＝300，第四等级信息数目n4＝400；
按照步骤3，将加窗式度分布函数中窗的个数设为4个：第一个窗的大小为100，第二个窗的大小为300，第三个窗的大小为600，第四个窗的大小为1000；
按照步骤4，将编码包长度由7.1)中的80变为60；
7.4)执行上述步骤5至步骤6操作；
步骤8：实时响应信道通信质量变化
循环执行步骤1至步骤7，根据信道质量变化，自适应调整编译码相关参数。
本发明的效果通过以下仿真进一步说明：
1.仿真条件
使用MATLAB软件；
设等离子鞘套的径向平均电子密度变化范围为4×1010cm-3～3×1011cm-3，对应的等离子体频率为1.79GHz～4.9GHz，厚度为18cm，碰撞频率约为1GHz，载波频率为2.6GHz，调制方式为BPSK调制，伪码长度为1023位。
设待发送信息数目为1000个，且信息重要程度依次降低，即第一个信息最重要。
3.仿真内容：
用普通传输方式和本发明的传输方式分别对信息1—信息100数据在不同信道通道质量下的译码率进行了仿真，仿真中1-100的信息被认为是本发明中提到的最重要信息，结果如图2。
从图2可见，在不同的等离子电子密度下采用本发明的传输方式得到的重要信息译码率明显高于采用传统传输方式得到的重要信息译码率，实现了重要信息的优先可靠传输，证明本发明是有效的。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理之后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于信道反馈的等离子鞘套下的自适应编译码方法，包括:
(1)通过实时测量发射天线驻波比变化，实时预估出等离子鞘套对通信的影响，并以此为依据将信道通信质量分为信道优A、信道良B和信道差C三个等级；
(2)针对不同的信道等级分别将待发送信息按照重要程度分为不同数目的等级，即当信道质量为信道优A时，将待发送信息分为两级，当信道质量为信道良B时，将待发送信息分为三级，当信道质量为信道差C时，将待发送信息分为四级；并根据信道变化对等级数目进行动态调整；
(3)采用喷泉码的LT编码方式，按照“加窗式度分布函数”对待发送信息进行编码，生成码长为d的编码包：
(3a)设“加窗式度分布函数”中窗的个数等于步骤(2)中所确定的等级数目；设第一个窗的大小等于第一等级信息的数目，设第二个窗的大小等于第一等级和第二等级信息的数目之和，设第三个窗的大小等于第一等级、第二等级和第三等级信息的数目之和，设第四个窗的大小等于第一等级、第二等级、第三等级和第四等级信息的数目之和；
(3b)设信道质量为信道优A时，编码包码长为d1，设信道质量为信道良B时，编码包码长为d2，设信道质量为信道差C时，编码包码长为d3，且满足d1>d2>d3；
(3c)按照“加窗式度分布函数”采用喷泉码的LT编码方式对待发送信息进行编码；
(3d)根据信道变化对“加窗式度分布函数”中窗的个数和大小及编码包的码长进行动态调整；
(4)对步骤(3)生成的编码包首先进行伪码编码，然后进行调制，生成调制信号；
(5)调制信号经等离子信道传输后到达接收端，接收端先对调制信号进行解调得到解调信号，再进行伪码译码，得到有效编码包；
(6)采用BP译码算法对有效编码包进行译码。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中将信道通信质量分为三个等级，按如下步骤进行：
(1a)测量飞行器发射天线的驻波比SWR；
(1b)根据飞行器发射天线驻波比SWR大小，将信道分为三个等级：
当SWR<1.5时，信道通信质量为信道优A；
当1.5≤SWR<5时，信道通信质量为信道良B；
当SWR≥5时，信道通信质量为信道差C。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中当信道质量为信道优A时，将待发送信息分为两级，是将待发送信息中的重要信息作为第一等级，信息数目为n1，将待发送信息中重要信息之外的信息作为第二等级，信息数目为n2，其中n1<n2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中当信道质量为信道良B时，将待发送信息分为三级，是将待发送信息中的重要信息作为第一等级，信息数目为n1’，将待发送信息中的次重要信息作为第二等级，信息数目为n2’，将待发送信息中重要信息和次重要信息之外的信息作为第三等级，信息数目为n3’，其中n1’<n2’<n3’，且该第一等级信息数目n1’小于信道优A时的第一等级信息数目n1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中当信道质量为信道差C时，将待发送信息分为四级，是将待发送信息中的重要信息作为第一等级，信息数目为n1”，将待发送信息中的次重要信息作为第二等级，信息数目为n2”，将待发送信息中的重要性低于第二等级的信息作为第三等级，信息数目为n3”，将待发送信息中前三等级之外的信息作为第四等级，信息数目为n4”，其中n1”<n2”<n3”<n4”，且该第一等级信息数目n1”小于信道良B时第一等级信息数目n1’。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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