基于AOS的空间通信系统跨层资源优化技术研究

摘要

随着航天飞机、载人飞船和轨道空间站技术的发展，空间通信系统的研究已经成为热点。为了解决空间任务中所存在的数据处理问题，适应新的系统（包括载人空间站、无人空间平台、自由飞行器等）和新的空间任务的发展，空间数据咨询委员会(CCSDS)拓展了原有的常规建议，提出了拥有灵活多样的数据处理业务的高级在轨系统(AOS)建议。
　　本文在分析了CCSDS AOS建议的基础之上，以研究AOS空间通信系统跨层资源优化技术为主线，分别对该系统应用层的遥感图像传输方法、数据链路层中的虚拟信道复用算法和跨层资源优化技术进行了研究。
　　首先，在AOS空间通信系统应用层中，针对遥感图像数据在星地信道传输中产生误码扩散的问题，通过对信源编码和数据链路层的同步、位流业务封装、最优的数据块长度设计等技术的研究，提出了基于小波系数的分层算法和分块算法遥感图像传输方法，提高了遥感图像传输系统的吞吐量性能和重构图像的质量。基于小波系数的分层算法在满足一定误码率（ber＜10-4）条件下，通过设计最优的数据块长度可以使遥感图像传输系统达到较高的吞吐量性能，并能提高重构图像的质量。基于小波系数的分块算法根据小波系数的特性和SPIHT编码的原理对变换后的小波系数进行合理分块并分别编码，同时加入同步码和序号。在相同信道误码率(ber＜10-3)下，该方法比传统的基于SPIHT算法的图像传输方法具有更高的抗误码特性，可以将重构图像的峰值信噪比提高约4dB。
　　其次，在AOS空间通信系统数据链路层中，为了适应空间多样化数据的传输和提高AOS系统传输性能，提出了一种新的基于虚拟信道/帧分离估算的调度算法。该算法根据信源的数据类型将传输时隙分成同步时隙和异步时隙，在同步时隙时采用轮询算法进行调度，在异步时隙时则首先分别估算虚拟信道的紧迫度与数据帧的紧迫度，再将二者结合起来构造新的虚拟信道传输紧迫度函数，以满足各信源数据传输的时延要求。与动态优先级调度算法相比，提出的算法在各虚拟信道丢帧率和系统信道利用率保持不变的情况下，降低了重要性较高的虚拟信道的平均调度时延、最大调度时延和缓存剩余量。
　　最后，将应用层、数据链路层和物理层联合建立一种QoS保证的跨层资源优化模型，并在此模型基础上提出了一种QoS保证的带宽自适应跨层优化算法，解决了应用层、数据链路层和物理层之间的信息交互问题，降低了数据帧的传输总时延，提高了系统的整体性能。针对数据链路层和物理层之间的传输效率和可靠性的问题，提出了一种基于虚拟调制编码方式的链路自适应优化方法，该方法以时间归一化的频谱效率为准则，对链路自适应和混合自动重传进行联合优化。理论分析与仿真结果表明，相比于传统的链路自适应和混合自动重传机制，该优化方法能够提升无线传输的性能。
　　综上所述，采用跨层资源优化技术将AOS空间通信系统中应用层和数据链路层的相关技术相结合，降低了数据帧的传输总时延，提高了系统的传输效率，对提高AOS空间通信系统的总体性能研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文主要工作及内容安排

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要贡献

1．3．3 内容安排

第二章 CCSDS AOS结构分析

2．1 CCSDS建议结构分析

2．1．1 CCSDS建议层次模型

2．1．2 CCSDS空间数据链路协议

2．2 AOS提供的服务类型与数据单元格式

2．2．1 AOS提供的业务类型

2．2．2 AOS提供的数据单元格式

2．3 AOS星地数据传输框图设计

2．3．1 发送端数据流程框图

2．3．2 接收端数据流程框图

2．4 本章小结

第三章 AOS应用层中的遥感图像传输方法

3．1 小波变换原理

3．2 CCSDS标准中的9／7小波变换

3．3 AOS中遥感图像编码方法选择

3．4 AOS中遥感图像传输的业务类型选择

3．5 基于小波系数的分层算法遥感图像传输

3．5．1 基于小波系数的分层算法遥感图像传输系统框图

3．5．2 基于小波系数的分层算法设计与研究

3．5．3 基于小波系数的分层算法遥感图像传输仿真与分析

3．6 基于小波系数的分块算法遥感图像传输

3．6．1 基于小波系数分块算法的遥感图像传输系统框图

3．6．2 基于小波系数的分块算法设计与研究

3．6．3 基于小波系数的分块算法遥感图像传输仿真与分析

3．7 本章小结

第四章 AOS数据链路层中的虚拟信道复用算法

4．1 AOS空间通信系统中的虚拟信道

4．2 虚拟信道复用的基本原理

4．2．1 虚拟信道复用原理

4．2．2 评价虚拟信道调度算法的性能参数

4．2．3 现有的虚拟信道调度策略及算法分析

4．3 改进的动态优先级的虚拟信道调度算法

4．3．1 改进的动态优先级调度算法

4．3．2 改进的动态优先级算法仿真与分析

4．4 一种新的虚拟信道／帧分离估算的调度算法

4．4．1 动态优先级算法存在的局限性

4．4．2 虚拟信道／帧分离估算的调度算法原理

4．4．3 信源模型及虚拟信道的划分

4．4．4 虚拟信道／帧分离估算的调度算法仿真与分析

4．5 本章小结

第五章 AOS中的跨层资源优化技术研究

5．1 跨层设计基本原理

5．1．1 跨层设计机制

5．1．2 现有的无线通信跨层设计模型

5．2 一种新的基于QoS保证的跨层资源优化算法

5．2．1 基于QoS保证的跨层资源优化模型设计

5．2．2 基于QoS保证的跨层资源优化算法

5．2．3 基于QoS保证的跨层算法仿真与分析

5．3 基于虚拟调制编码方式的链路自适应跨层资源优化方法

5．3．1 LA与HARQ联合优化目标函数

5．3．2 基于VMCS的LA优化

5．3．3 基于VMCS的LA优化仿真与分析

5．4 本章小结

第六章 总结

6．1 论文工作总结

6．2 下一步研究的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论著和获奖情况

作者从事科学研究和学习经历的简历