一種面向深空通信的跨層聯(lián)合文件傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于深空通信領(lǐng)域，尤其涉及一種圖像數(shù)據(jù)傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 深空通信具有距離遠(yuǎn)、延時(shí)大、鏈路具有間歇性等特點(diǎn)，這使得深空通信的可靠性 與有效性之間的矛盾關(guān)系更為凸顯。對(duì)于這一問題，傳統(tǒng)的應(yīng)對(duì)方式有增加接收/發(fā)射天 線尺寸、提高載波頻率、增加發(fā)射功率、控制接收系統(tǒng)的噪聲水平等，但基于物理量增益的 方式終究難以為繼。高效的信道編碼與合理的傳輸機(jī)制在深空通信過程中起著重要的作 用。
[0003] 在信道編碼中，現(xiàn)有的高性能編碼技術(shù)如Turbo碼、LDPC碼等在中等信噪比條件 下表現(xiàn)良好，但在低信噪比條件下仍不盡如人意，而且這一類固定速率碼通常難以適應(yīng)具 有復(fù)雜時(shí)變特性的動(dòng)態(tài)信道。無速率編碼技術(shù)具有前向遞增冗余特性，因而可以無需反饋 即可自動(dòng)適應(yīng)于信道變化，成為動(dòng)態(tài)信道條件下充分利用信道傳輸能力的理想手段。IRA碼 及基于其的研究是無速率碼研究領(lǐng)域一類很有意義的工作，但理論上未證明其能否近容量 限傳輸，極低信噪比條件下，此類碼得性能表現(xiàn)不足。Luby提出的LT碼、以及Shokrollahi 在其基礎(chǔ)上提出的Raptor碼是第一類實(shí)用的逼近容量傳輸?shù)臒o速率編碼。但這類碼本質(zhì) 上是針對(duì)刪除信道（如BEC信道），所以應(yīng)用環(huán)節(jié)多為下層具有檢錯(cuò)機(jī)制的分組交換信道， 如傳輸層。如圖3所示，不足之處是由于需要下層檢錯(cuò)機(jī)制的配合，致使結(jié)構(gòu)冗余，實(shí)現(xiàn)較 復(fù)雜。如何尋找一種高效的信道編碼技術(shù)成為深空通信中一個(gè)重要的議題。
[0004] 在地面?zhèn)鬏敊C(jī)制中，采用TCP/IP協(xié)議，但是其在深空中還是有一定的限制。由于 地面通信距離較小，所以反饋延時(shí)和誤碼率所帶來的影響并不大。但是在深空信道延時(shí)極 大的情況下是不能考慮的。為了適應(yīng)深空通信的特點(diǎn)，CCSDS(ConsultativeCommittee forSpaceDataSystems)針對(duì)TCP/IP協(xié)議的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)，SCPS(Space CommunicationProtocolSpecification，SCPS)協(xié)議以及后來的CFDP(CCSDSFile DeliveryProtocol，CFDP)協(xié)議被相繼提出。這兩種協(xié)議均使得深空信道的通信制約得 到很好地改善，但是SCPS并沒有隨通信帶寬的增大作出相應(yīng)改變，并且存在嚴(yán)重的安全問 題。CFDP協(xié)議并沒有徹底改進(jìn)TCP/IP協(xié)議中先建立連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)等傳輸機(jī) 制，依舊以端到端的重傳機(jī)制作為基礎(chǔ)，不能很好地應(yīng)對(duì)深空通信中巨大延時(shí)這一困難，因 此在深空環(huán)境中，這兩種協(xié)議的應(yīng)用也具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種面向深空通信的跨層聯(lián)合文件傳輸方法及系統(tǒng)，旨在 解決上述的技術(shù)問題。
[0006] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種面向深空通信的跨層聯(lián)合文件傳輸方法，在跨層聯(lián)合 文件傳輸方法中包括兩個(gè)模型，分別是跨層聯(lián)合優(yōu)化模型和跨層聯(lián)合傳輸模型；所述跨層 聯(lián)合文件傳輸方法包括以下步驟：
[0007] A、預(yù)設(shè)或根據(jù)上次反饋信息獲取當(dāng)前深空信道的狀態(tài)；
[0008] B、利用優(yōu)化函數(shù)對(duì)應(yīng)用層的CS(壓縮感知）壓縮、傳輸層的CS糾刪以及數(shù)據(jù)鏈路 /物理層的Spinal編碼進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，其函數(shù)表達(dá)式 ?^spinalN⑶ ^-Spinal? 其中，nSpiml表不 Spinal各編碼塊發(fā)送符號(hào)數(shù)，Nra表示M+M。個(gè)CS壓縮值對(duì)應(yīng)的Spinal編碼塊數(shù)量，其中M為滿足解碼質(zhì)量要求的壓縮值個(gè)數(shù)，M。為糾刪冗余個(gè)數(shù)；
[0009] C、對(duì)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解得到優(yōu)化結(jié)果；
[0010] D、發(fā)送端根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)對(duì)應(yīng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)送；
[0011] E、接收端根據(jù)收到的Spinal符號(hào)順序譯碼，并對(duì)各編碼塊進(jìn)行CRC校驗(yàn)，譯碼的 過程中對(duì)譯碼成功比例進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，同時(shí)記錄譯碼出錯(cuò)的編碼塊序號(hào)；
[0012]F、接收端判斷正確接收到的CS壓縮值個(gè)數(shù)是否滿足解壓質(zhì)量要求；若滿足，交給 集束保管，用于下一跳傳遞或應(yīng)用層實(shí)施圖像解壓縮；若不是，則通過LTP反饋NAK給發(fā)送 端；
[0013] G、發(fā)送端收到NAK后，暫停發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，針對(duì)譯碼出錯(cuò)的編碼塊追加發(fā)送足夠 數(shù)量的Spinal符號(hào)，同時(shí)根據(jù)譯碼成功概率信息，判斷當(dāng)前信道狀態(tài)，調(diào)整自此之后的發(fā) 送策略；
[0014] H、接收端收到發(fā)送端追加的Spinal符號(hào)后，與之前收到的nSpinal個(gè)符號(hào)一起實(shí)現(xiàn) 對(duì)原譯碼出錯(cuò)編碼塊的譯碼。
[0015] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟A中將深空信道的狀態(tài)建模為Markov過 程。
[0016] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：在Markov預(yù)測(cè)過程中，將信道根據(jù)信噪比分為若干 個(gè)信道狀態(tài)，根據(jù)初始狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0017] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟C中對(duì)優(yōu)化函數(shù)中求解的變量為CS冗余壓 縮值個(gè)數(shù)M。與每一個(gè)編碼塊所需的編碼符號(hào)數(shù)。
[0018] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述步驟C中求解的約束條件由Spinal碼⑶F函數(shù) 與Markov預(yù)測(cè)兩部分組成；Spinal碼的⑶F函數(shù)用來判斷對(duì)當(dāng)前編碼塊發(fā)送多少符號(hào)數(shù) 后停止，繼而轉(zhuǎn)向下一編碼塊的發(fā)送;Markov預(yù)測(cè)用來判斷下一時(shí)刻需要發(fā)送的編碼符號(hào) 數(shù)。
[0019] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種面向深空通信的跨層聯(lián)合文件傳輸系統(tǒng)，在跨層 聯(lián)合文件傳輸系統(tǒng)中包括兩個(gè)模型，分別是跨層聯(lián)合優(yōu)化模型和跨層聯(lián)合傳輸模型；所述 跨層聯(lián)合文件傳輸系統(tǒng)包括：
[0020] 信道狀態(tài)獲取模塊，用于預(yù)設(shè)或根據(jù)上次反饋信息獲取當(dāng)前深空信道的狀態(tài)；
[0021] 聯(lián)合優(yōu)化模塊，用于利用優(yōu)化函數(shù)對(duì)應(yīng)用層的CS壓縮、傳輸層的CS糾刪以及數(shù)據(jù) 鏈路/物理層的Spinal編碼進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，其函數(shù)表達(dá)式 ?^spinalNcb^-Spinal? 其中，nSpinal 表示Spinal各編碼塊發(fā)送符號(hào)數(shù)，NeB表示M+M。個(gè)CS壓縮值對(duì)應(yīng)的Spinal編碼塊數(shù)量，其 中M為滿足解碼質(zhì)量要求的壓縮值個(gè)數(shù)，M。為糾刪冗余個(gè)數(shù)；
[0022] 優(yōu)化求解模塊，用于對(duì)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解得到優(yōu)化結(jié)果；
[0023] 數(shù)據(jù)編碼模塊，用于發(fā)送端根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)對(duì)應(yīng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)送；
[0024] 接收校驗(yàn)?zāi)K，用于接收端根據(jù)收到的Spinal符號(hào)順序譯碼，并對(duì)各編碼塊進(jìn)行 CRC校驗(yàn)，譯碼的過程中對(duì)譯碼成功比例進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，同時(shí)記錄譯碼出錯(cuò)的編碼塊序號(hào)；
[0025] 解封判斷模塊，接收端判斷正確接收到的CS壓縮值個(gè)數(shù)是否滿足解壓質(zhì)量要求； 若滿足，交給集束保管，用于下一跳傳遞或應(yīng)用層實(shí)施圖像解壓縮；若不是，則通過LTP反 饋NAK給發(fā)送端；
[0026] 追加調(diào)整模塊，用于發(fā)送端收到NAK后，暫停發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，針對(duì)譯碼出錯(cuò)的編碼 塊追加發(fā)送足夠數(shù)量的Spinal符號(hào)，同時(shí)根據(jù)譯碼成功概率信息，判斷當(dāng)前信道狀態(tài)，調(diào) 整自此之后的發(fā)送策略；
[0027] 譯碼模塊，用于接收端收到發(fā)送端追加的Spinal符號(hào)后，與之前收到的nspinal個(gè) 符號(hào)一起實(shí)現(xiàn)對(duì)原譯碼出錯(cuò)編碼塊的譯碼。
[0028] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述信道狀態(tài)獲取模塊中將深空信道的狀態(tài)建模為 Markov過程。
[0029] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：在Markov預(yù)測(cè)過程中，將信道根據(jù)信噪比分為若干 個(gè)信道狀態(tài)，根據(jù)初始狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣進(jìn)行預(yù)測(cè)。
[0030] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述優(yōu)化求解模塊中對(duì)優(yōu)化函數(shù)中求解的變量為 CS冗余壓縮值個(gè)數(shù)M。與每一個(gè)編碼塊所需的編碼符號(hào)數(shù)。
[0031] 本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是：所述優(yōu)化求解模塊中求解的約束條件由Spinal碼 ⑶F函數(shù)與Markov預(yù)測(cè)兩部分組成；Spinal碼的⑶F函數(shù)用來判斷對(duì)當(dāng)前編碼塊發(fā)送多少 符號(hào)數(shù)后停止，繼而轉(zhuǎn)向下一編碼塊的發(fā)送；Markov預(yù)測(cè)用來判斷下一時(shí)刻需要發(fā)送的編 碼符號(hào)數(shù)。
[0032] 本發(fā)明的有益效果是：發(fā)明提高