深空通信分布式喷泉码的研究

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在深空探测任务中,由于通信距离极远,使得地面站接收到的信号极其微弱,传输时延大大增加。尤其是对于未来更远探测距离的深空任务,已经无法使用点对点链路的传输方式。为了确保深空探测的可靠通信,深空通信技术已从点到点链路转向中继星组网的方式。中继轨道器采用异步存储转发机制,为探测目标星表面的多个探测节点提供分布式中继传输方案。同时,随着理论研究的日渐完善,基于数字喷泉的分布式纠删编码技术越来越受到关注。它根据预先设计出的概率分布进行随机编码,即把原始包根据概率分布随机分散在所有喷泉编码包中。基于此,本文重点研究被测星体的表面探测器通过中继轨道器向地面站传输信息的场景,尤其是被测星体表面探测节点多于中继轨道器节点条件下的分布式前向喷泉纠删机制,以保证信息传输的可靠性并提高传输效率,主要研究工作分为以下三个方面:首先,通过对分布式LT(Luby Transform)码的初步研究发现,现有分布式LT码方案中,信源使用的是反卷积分解的鲁棒孤波分布,而在中继通过简单的异或操作形成经典的鲁棒孤波分布,以保证中继合成的分布式编码信息发送到地面站后,能以较高的概率恢复原始信息。但鲁棒孤波分布需要较多的译码冗余才能以较高的概率恢复全部原始信息,不适应发送功率受限的深空通信环境;同时,由于深空链路易中断,远距离深空数据传输的首要目标是恢复尽可能多的数据而不是恢复全部的原始信息;最后,鲁棒孤波分布具有对数增长的编译码复杂度。因此,需要针对已有的设计进行改进,以降低编译码的复杂度并使得分布式纠删编码方案符合深空通信的特殊需求。第二,为保证地面站能尽可能多的恢复大部分原始信息数据,需要改进分布式信源的编码度分布。因此,从源节点的度分布设计出发,针对未来的多个探测器同时通过一个中继轨道器返回科学数据的空间网络场景,设计了两信源、单中继和单目的节点的场景下,一种通过反卷积分解弱鲁棒孤波分布获得的度分布,源节点使用新的度分布进行编码然后发送到中继节点,中继点仍然通过对接收到的数据进行异或再发送到目的端,目的端即可获得符合弱鲁棒分布的中继—目的端的分布式纠删编码流,并以较高的概率恢复出大部分原始信息。在恢复一定比例原始信息的条件下,新的分布式LT码比现有的分布式LT码有更好的译码性能。第三,进一步考虑深空探测节点的周期性频繁加入和退出的特性,设计了一种中继的分布式编码方案。在两信源单中继的网络模型中,两个源节点使用弱鲁棒孤波分布进行编码,中继进行存储、转发、异或和丢弃操作。中继节点的存储转发与编码相结合构造了一个随机决策方案,与已有的方案相比,新方案能更有效的应对深空通信节点的频繁加入和退出。仿真验证了提出的基于中继随机决策方案的分布式LT码,与近些年的其他分布式喷泉码相比,在相同的文件恢复概率下,译码所需的冗余编码包更少,等价于降低了编码开销。
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