深空通信文件传输的数字喷泉技术研究

摘要

深空探测作为空间科学技术发展的重要组成部分,具有十分显要的科学价值和经济意义,而深空通信系统的正常运行是深空探测任务成功的重要保证之一。深空探测范围增大、通信传输距离趋近极限,最直接的影响是能量损耗以及传播时延的增加。近年来,随着深空探测的目标从月球转向火星以及太阳系其他行星,通信距离导致路径损耗进一步增大,传输信道误码率超出了传统信道编码的纠错能力,使得逼近香农极限的信道编码无法保证信息的可靠传输;同时,巨大的通信传播时延和链路易中断的特点使得反馈重传方式的效率很低,严重影响了通信质量。
　　面对深空通信中保证信息传输可靠性的难题,学术界提出采用数字喷泉码作为一种前向纠删编码技术,对原始信息进行打包处理,再进行编码交织操作,利用其无码率且只要接收到的编码数据包稍微多于原始数据包就能恢复全部原始信息的特点,进行超远距离通信的无反馈传输。本文在此基础上，对于喷泉码在深空通信中的应用进行了以下两方面的具体研究:
　　第一,喷泉码是根据地面无线网的广播和组播协议设计的,其原有的编译码算法使得接收端需要较大的码长或者增加编码冗余以保证较稳定的译码恢复概率,不适合深空探测器硬件设备以及发射功率严格受限的约束。本文通过对喷泉码随机编码矩阵的分析,提出一种在编码过程中限制部分随机性的编码算法——相关列补偿编码算法,提高了二部图编码过程中编码矩阵的满秩概率。同时,通过对传统 LT码的置信传播算法和高斯消去算法进行了深入分析,决定采用渐增高斯消去译码算法对相关列补偿后的编码分组进行译码,达到译码复杂度和译码性能的折中优化,较好地解决了传统喷泉码在深空通信中的适用问题。
　　第二,在深空通信中,受到轨道周期变化的影响,深空探测航天器与地面站之间不能长期保持直接通信,造成通信链路中断;同时,随着通信距离得不断加大,大衰减和大路径损耗对信号能量的影响愈发严重,地面站的弱信号检测系统能力十分有限,文件丢失概率极高。本文考虑到未来面向深空探测的星际互联网(IPN, InterPlaNetary Internet)的发展,将中继协作技术与数字喷泉编码相结合,引入到深空通信中来。首先设计了深空中继网络模型并基于此模型提出了中继协作喷泉码传输方案。然后对传输过程中广播阶段和多址阶段的编码方式进行了理论分析,完善了编码算法。最后,基于地球-火星的通信场景,对中继卫星与地球、火星之间的最佳距离以及功率分配进行了仿真分析,同时验证与直接传输方案相比,本文提出的中继传输方案可以有效节约系统的能量损耗,提高深空通信文件传输的有效性,具有十分重要的实际应用价值。

目录

深空通信文件传输的数字喷泉技术研究

RESEARCH ON DIGITAL FOUNTAIN CODING FOR FILE DELIVERY IN DEEP SPACE COMMUNICATIONS

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状分析

1.3 课题的研究目的和意义

1.4 学位论文的主要内容和结构

第 2 章 面向深空通信的喷泉编码算法改进

2.1 引言

2.2 数字喷泉码

2.3 喷泉编码的算法改进

2.4 本章小结

第 3 章 深空环境下的喷泉译码算法及联合优化

3.1 引言

3.2 喷泉译码算法

3.3 联合优化算法的性能分析

3.4 仿真实验

3.5 本章小结

第 4 章 深空中继网络模型下的协作喷泉码设计

4.1 引言

4.2 系统模型及传输方案

4.3 各阶段协作编码的性能分析

4.4 仿真实验

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢