專利名稱：一種不等錯誤保護(hù)噴泉碼的無線傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不等錯誤保護(hù)噴泉碼的無線傳輸方法，屬于深空通信和通信信號處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著空間環(huán)境日益復(fù)雜和空間探測范圍的擴(kuò)大，點(diǎn)對點(diǎn)的深空通信場景已經(jīng)不能滿足未來深空探測的需求，基于中繼協(xié)作方式實(shí)現(xiàn)深空中衛(wèi)星、探測器及地面監(jiān)控站的通信是目前深空通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。噴泉碼從其產(chǎn)生至今十多年的時間，已逐漸實(shí)用，并且被3GPP列為多媒體多播的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)。兩種典型的實(shí)用噴泉碼LT及Raptor噴泉碼是等錯誤保護(hù)(Equal Error Protection, EEP)噴泉碼。文獻(xiàn)“Video-on-demand broadcastingprotocol using uep-rateless codes”把加權(quán)類UEP-LT碼用于視頻傳輸系統(tǒng)中，相對于等錯誤保護(hù)的噴泉碼，不等錯誤保護(hù)的噴泉碼能起到可靠性及低延時兩方面的性能改進(jìn)。文獻(xiàn) “Distributedrateless codes with UEP property” 考慮了具有 UEP 特性的分布式噴泉碼設(shè)計(jì)問題。UEP方法根據(jù)信息的優(yōu)先級順序，對信息進(jìn)行不同碼率的預(yù)編碼，然后再對預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳統(tǒng)LT編碼，從而達(dá)到UEP的目的。2007年，Sedinovic等人又提出了結(jié)合UEP及不等恢復(fù)時間(Unequal Recovery Time, URT)特性的噴泉碼，即擴(kuò)展窗噴泉碼(Expanding Window Fountain, EWF)。針對EWF碼的研究，典型的研究文獻(xiàn)有“Scalable video multicast using expanding window” 和 “Scalable data multicastusing expanding window fountain codes” ；它們將EWF碼用于實(shí)時多媒體信息的高效可靠傳輸，并進(jìn)行驗(yàn)證。因此，研究基于UEP噴泉碼用于協(xié)作的分布式系統(tǒng)中已成為噴泉碼技術(shù)發(fā)展的又一個主要趨勢。噴泉碼用于協(xié)作的典型文獻(xiàn)有(I)Castura 和 Mao 最先在文獻(xiàn)“Rateless coding for wireless relaychannels. ”中研究了在三節(jié) 點(diǎn)的無線中繼網(wǎng)絡(luò)中使用噴泉碼的問題，他們證明了在發(fā)端未知CSI情況下，在時變信道中使用噴泉碼可實(shí)現(xiàn)高效而可靠的傳輸。(2) Molisch 和 Mehta 等在文獻(xiàn) “Performance of fountain codesincollaborative relay networks”中對噴泉碼在多節(jié)點(diǎn)兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，提出了基于噴泉碼互信息累積的協(xié)作協(xié)議和異步協(xié)議。所謂協(xié)作協(xié)議也稱“準(zhǔn)同步協(xié)議”，是指在第一個工作階段信源采用噴泉碼對信息進(jìn)行編碼然后發(fā)送出去，此時所有中繼處于監(jiān)聽狀態(tài)，一旦中繼接收到足夠的信息能夠?qū)崿F(xiàn)可靠譯碼，中繼向信源反饋一個譯碼成功的確認(rèn)信號，當(dāng)信源獲得確認(rèn)信號后即停止傳輸；與此同時，中繼由接收狀態(tài)轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)。在第二個工作階段，成功譯碼的中繼開始和目的端進(jìn)行通信，此時中繼可以采用兩種傳輸策略，一種是所有傳輸?shù)闹欣^都使用相同的噴泉碼，使得目的端在接收時實(shí)現(xiàn)能量累積，另一種是每一個中繼使用一個噴泉碼，從而使得目的端在接收時實(shí)現(xiàn)互信息累積，采用互信息累積的方法優(yōu)于能量累積的方法，但實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜，當(dāng)目的端接收到足夠的信息能夠成功譯碼后，向中繼發(fā)送一個確認(rèn)信號，終止傳輸。在準(zhǔn)同步協(xié)議中，中繼只能從信源獲得信息，但是，通過使用噴泉碼中繼網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)中繼之間相互傳遞信息，加速整個信息傳輸過程。所謂異步協(xié)議，是指在信息傳輸過程中，信源和每個中繼使用不同的噴泉碼，信源采用噴泉編碼傳輸信息，當(dāng)中繼接收到足夠信息成功譯碼后，立即轉(zhuǎn)入傳輸狀態(tài)，同時向目的端和未譯碼成功的中繼節(jié)點(diǎn)傳輸信息，整個過程直到目的端譯碼成功為止。在實(shí)際無線通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時，當(dāng)信道狀態(tài)很好時，低碼率會導(dǎo)致傳輸效率下降；信道狀態(tài)很差時，高碼率又會導(dǎo)致傳輸失敗，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中碼率必須在可靠性和有效性之間折中。此問題的一個解決辦法是在發(fā)送方與接收方之間建立反饋信道，當(dāng)接收端感知到信道狀態(tài)變化時，通過反饋信道告知發(fā)送方，使發(fā)送方改變碼率，從而實(shí)現(xiàn)高效而可靠的通信，深空通信中CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的文件傳輸也采用此種設(shè)計(jì)思路。在深空通信傳輸協(xié)議方面,2008年，Scott C. Burleigh在SpaceOps會議上“Dynamic Routing for Delay-Tolerant Networking in Space Flight Operations，，文中，提出一種關(guān)聯(lián)圖路由(Contact Graph Routing)的動態(tài)路由方法計(jì)算深空通信環(huán)境下的時變網(wǎng)絡(luò)并基于調(diào)度與束通信關(guān)聯(lián)，在不需要知道當(dāng)前束協(xié)議節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及不耗費(fèi)任意束路由的處理資源前提下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高傳輸容量通信?！盎谥欣^存儲-轉(zhuǎn)發(fā)的深空文件傳輸方法”(申請?zhí)枮?01210184667. 2)基于延時否定確認(rèn)型CFDP并改進(jìn)其延時性能，但沒有涉及可靠性分析與對比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為改善傳統(tǒng)空間傳輸協(xié)議的鏈路資源消耗性能，提高基于噴泉碼空間協(xié)議傳輸效率，基于空間通信協(xié)議的集束層提出了一種噴泉碼無線傳輸方法，具體為一種基于不同錯誤等級保護(hù)噴泉碼的無線空間或深空通信傳輸方法，通過增加協(xié)議前期處理過程，有效提高空間通信的抗干擾與可靠傳輸性能，大大降低了空間通信的反饋時延。本發(fā)明具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、發(fā)送端將空間通信協(xié)議的集束層傳輸來的K個待發(fā)送數(shù)據(jù)包按重要性大小依次分為r組數(shù)據(jù)包，各組包含的數(shù)據(jù)包的數(shù)量依次為k1;k2，…，kp且Ii1Sk2S...
權(quán)利要求
1.一種用于深空通信的噴泉碼無線傳輸方法，其特征在于包括如下步驟 步驟一、發(fā)送端將空間通信協(xié)議的集束層傳輸來的K個待發(fā)送數(shù)據(jù)包按重要性大小依次分為r組數(shù)據(jù)包,各組包含的數(shù)據(jù)包的數(shù)量依次為k1；k2,彡k2彡·· · ( kr=K,下一級數(shù)據(jù)包組包含上一等級數(shù)據(jù)包組中的所有數(shù)據(jù)包；且！+ Σ(Α —k1-) = I， K ^ K1-2,…，r ; 步驟二、分別給K個重要性級別的數(shù)據(jù)包組添加冗余，更新待發(fā)送數(shù)據(jù)包；并確定各數(shù)據(jù)包組噴泉編碼的選擇概率和度分布； 步驟三、采用可靠傳輸模式或者不可靠傳輸模式在發(fā)送端和接收端之間傳輸數(shù)據(jù)包； 所述不可靠傳輸模式的發(fā)送端傳輸步驟為 步驟3. al，建立“開始信息文件數(shù)據(jù)包”，其中包含源地址、目的地址、可傳輸?shù)穆窂綌?shù)量及每條路徑中的中繼節(jié)點(diǎn)地址、當(dāng)前噴泉數(shù)據(jù)編碼包的度及當(dāng)前已編碼的噴泉數(shù)據(jù)包大小; 步驟3. a2，發(fā)送“不可靠傳輸文件請求”； 步驟3. a3，發(fā)送“開始信息文件數(shù)據(jù)包”； 步驟3. a4，依據(jù)步驟二輸出的數(shù)據(jù)包以及步驟三得到的各個級別數(shù)據(jù)包組的選擇概率和度分布進(jìn)行不等錯誤保護(hù)噴泉編碼，生成噴泉編碼后的數(shù)據(jù)包； 步驟3. a5，發(fā)送噴泉編碼后的數(shù)據(jù)包； 步驟3. a6，重復(fù)步驟3. a4和步驟3. a5，直到發(fā)送完[G*(l+ ε trans)]個數(shù)據(jù)包； 其中，ε trans ^ (O.1 5),且滿足[G* (1+ε trans) ] (l_pf) >K, pf是當(dāng)如空間系統(tǒng)的丟包率,G為步驟二添加冗余后的待發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)量； 步驟3. a7，發(fā)送端建立并發(fā)送“結(jié)束信息文件數(shù)據(jù)包”，其中包含源地址、目的地址、當(dāng)前噴泉數(shù)據(jù)編碼包的度、當(dāng)前已編碼的噴泉數(shù)據(jù)包大小、噴泉數(shù)據(jù)編碼包的總數(shù)K; 不可靠傳輸模式下，接收端傳輸步驟為 步驟3. bl，接收端接收“開始信息文件數(shù)據(jù)包”，并初始化“接收數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器” R_Count=O ； 步驟3. b2，接收端分解接收到的“開始信息文件數(shù)據(jù)包”，得出當(dāng)前噴泉數(shù)據(jù)編碼包的度及當(dāng)前已編碼的噴泉數(shù)據(jù)包大??； 步驟3. b3，接收端接收發(fā)送端異步傳輸來的一個數(shù)據(jù)包，將“接收數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器” R_count = R_count+l ； 步驟3. b4,重復(fù)“步驟3. b3”K次,當(dāng)R_count=K時,啟動噴泉譯碼過程； 步驟3. b5，重復(fù)“步驟3. b3” R-K次，繼續(xù)接收R-K個噴泉數(shù)據(jù)包；其中，R= [(1-Pf) [G*(l+etraJ]； 步驟3. b6，接收端接收“結(jié)束信息文件數(shù)據(jù)包”，釋放內(nèi)存，結(jié)束文件傳輸過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信的噴泉碼無線傳輸方法，其特征在于所述可靠傳輸模式下，發(fā)送端傳輸步驟為 步驟3. Cl，建立“開始信息文件數(shù)據(jù)包”，其中包含源地址、目的地址、可傳輸?shù)母髀窂綌?shù)量及每個路徑的中繼節(jié)點(diǎn)地址、當(dāng)前噴泉數(shù)據(jù)編碼包的度及當(dāng)前已編碼的噴泉數(shù)據(jù)包大小;步驟3. c2，發(fā)送端發(fā)送“可靠傳輸文件請求”； 步驟3. c3，發(fā)送端等待接收端反饋的“可靠傳輸文件請求”，一旦收到“可靠傳輸文件請求”，執(zhí)行步驟3. c4 ； 步驟3. c4，發(fā)送端發(fā)送“開始信息文件數(shù)據(jù)包”； 步驟3. c5，發(fā)送端依據(jù)步驟二輸出的數(shù)據(jù)包以及步驟三的選擇概率和度分布進(jìn)行不等錯誤保護(hù)噴泉編碼，生成噴泉編碼后的數(shù)據(jù)包； 步驟3. c6，發(fā)送端發(fā)送步驟3. c5輸出的噴泉編碼后的數(shù)據(jù)包； 步驟3. c7,重復(fù)步驟3. c5和步驟3. c6,并檢查是否收到接收端發(fā)送來的譯碼成功信息，若接收到譯碼成功信息，則進(jìn)入步驟3. c8 ； 步驟3. c8，發(fā)送端發(fā)送文件傳輸結(jié)束信息給接收端； 可靠傳輸模式下接收端傳輸步驟如下 步驟3. dl，接收端判斷等待發(fā)送端發(fā)送的“可靠傳輸文件請求”，一旦收到則進(jìn)入步驟3.d2 ； 步驟3. d2，接收端反饋“可靠傳輸文件請求”給發(fā)送端； 步驟3. d3，接收端接收“開始信息文件數(shù)據(jù)包”，并初始化“接收數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器”R_Count=O ； 步驟3. d4，接收端分解接收到的“開始信息文件數(shù)據(jù)包”，得出當(dāng)前噴泉數(shù)據(jù)編碼包的度及當(dāng)前已編碼的噴泉數(shù)據(jù)包大??； 步驟3. d5，接收端接收發(fā)送端異步傳輸來的一個數(shù)據(jù)包，將“接收數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器” R_count = R_count+l ； 步驟3. d6,重復(fù)“步驟3. d5”K次，當(dāng)R_count=K時,啟動噴泉譯碼過程； 步驟3. d7，重復(fù)“步驟3. d5”接收噴泉數(shù)據(jù)包，直到譯碼成功后進(jìn)入步驟3. d8 ； 步驟3. d8，接收端發(fā)送譯碼成功信息給發(fā)送端； 步驟3. d9，接收端接收到發(fā)送文件傳輸結(jié)束信息后，釋放內(nèi)存，結(jié)束文件傳輸過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信的噴泉碼無線傳輸方法，其特征在于步驟二所述添加冗余的具體方法為 從第i組數(shù)據(jù)包中隨機(jī)抽取個數(shù)據(jù)包添加到該數(shù)據(jù)包組之后； 更新后的待發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)量為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信的噴泉碼無線傳輸方法，其特征在于步驟二所述噴泉編碼的各數(shù)據(jù)包組選擇概率的確定方法為第i級數(shù)據(jù)包組的選擇概率為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信的噴泉碼無線傳輸方法，其特征在于噴泉編碼選用商用LT或Raptor編碼。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于深空通信的噴泉碼無線傳輸方法，其特征在于各級冗余量參數(shù)相同或者不同；第i級數(shù)據(jù)包的噴泉編碼度分布為Qi相同或者不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不等錯誤保護(hù)噴泉碼的無線傳輸方法，屬于深空通信和通信信號處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用基于不等錯誤保護(hù)噴泉碼改進(jìn)現(xiàn)有深空通信的文件傳輸過程，在充分考慮體現(xiàn)鏈路狀況的鏈路參數(shù)Eb/N0及丟包率的基礎(chǔ)上，發(fā)送端添加冗余以及譯碼接收冗余，增強(qiáng)了深空通信中不可靠文件傳輸服務(wù)的可靠性性能，在等級r=1時可簡化為基于等錯誤保護(hù)噴泉碼的無線傳輸。
文檔編號H04L1/00GK103051424SQ201310004239
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者盧繼華, 安建平, 楊雷, 卜祥元, 李祥明 申請人:北京理工大學(xué)