韩建新[1]2016年在《深空通信中大围长结构化LDPC码构造方法研究》文中研究说明进入21世纪以来,随着深空探测活动范围的不断扩展,深空通信面临着更多、更严峻的挑战,需要性能良好的信道编码方案来保证信息的可靠传输。作为一种具有高编码增益的信道编码方案,低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check,LDPC)码具有逼近香农限的优异性能,在深空通信领域得到了广泛关注,具有广阔的应用前景。如何设计出适于深空通信的LDPC码,是一个值得深入研究的课题。本文的主要工作如下:本文首先介绍了深空通信的特点和信道编码的发展历程,在讨论LDPC码基本理论的基础上,对几种比较常用的LDPC码构造方法和编译码算法进行了分析与对比,然后针对影响LDPC码性能的主要因素,并以深空通信为背景,提出了两种大围长结构化LDPC码的构造方法。1.针对深空通信中功率资源受限、信噪比低的特点,提出了一种基于斐波那契数列的大围长QC-LDPC码构造方法。该方法充分利用斐波那契数列的特点,通过确定的数学表达式将指数矩阵与之关联起来,构造简单,易于编码,能够大幅度节省存储空间,有效地解决了深空中资源受限的弊端。所构造的QC-LDPC码围长为8,具有大围长特性,成功地提高了深空信道的链路增益,在低信噪比时依旧具有良好的性能。仿真结果表明,所构造的QC-LDPC码在实现有效编码的同时,在深空加性高斯白噪声信道中展现出良好的纠错能力,可有效应对深空中的复杂环境,为未来深空通信中数据的可靠传输提供了一种可行性选择。2.在保证深空通信中LDPC码纠错性能的基础上,为了有效降低编码复杂度,提出了一种可快速编码的大围长QC-LDPC码构造方法。该方法基于中国剩余定理联合算法,利用双对角结构的快速编码特性,结合独立行列映射序列算法构造出一种新的QC-LDPC码。理论分析及仿真结果表明,所得到的码字不仅满足围长至少为8的特性,而且可以利用校验矩阵直接进行编码,具有线性编码复杂度,更加适合实际的深空应用。
管延斌[2]2011年在《LDPC码在深空通信中应用研究》文中提出深空通信具有传输距离远、信号能量衰减严重等特点,需要性能良好的纠错编码技术来保证信息传输的可靠性。低密度奇偶校验码(Low-Density Parity Check Code, LDPCC)因具有极其接近香农限的误码性能,在深空通信领域备受关注。准循环(Quasi-Cyclic, QC) LDPC码具有校验矩阵构造快速、移位寄存器编码、译码简单等特点,最终成为CCSDS深空通信备选方案之一。本文采用Matlab仿真对LDPC码奇偶校验矩阵构造及编译码算法进行了较深入地研究和探讨,并针对CCSDS推荐的QC-LDPC码完成了译码器的FPGA设计与实现。本文的主要工作总结为以下几点：详细介绍了CCSDS推荐应用于深空通信的基于ARJA码构造的QC-LDPC码的构造方式和基于移位寄存器的循环编码方法；对LDPC码常用的几种译码算法进行综合性能分析,选出适合应用于深空通信的译码方法；在这个基础上,通过仿真进一步分析了不同的码长和译码迭代次数等因素对LDPC码性能的影响,通过进一步仿真选择硬件设计中采取的译码量化方案。针对CCSDS推荐的QC-LDPC码校验矩阵特点,以归一化最小和译码算法为基础,设计了一种适合多码率传输的部分并行译码器结构,详细介绍了译码器中的控制单元、存储单元、校验处理单元和变量处理单元等核心单元模块。用VHDL硬件描述语言完成了译码器的设计,并通过硬件仿真验证了硬件设计的可行性。硬件平台测试结果表明,本文设计的QC-LDPC多码率译码器满足深空通信的各个系统指标,可以应用在深空通信环境中。
李佳[3]2009年在《深空通信中LDPC码译码性能分析》文中指出深空通信传输距离遥远,信号能量衰减严重,需要用高增益的信道编译码等技术措施来确保信息可靠传输。低密度奇偶校验(Low-Density Parity Check, LDPC)码以其卓越的性能,正在深空通信领域得到越来越多的关注。因此,如何对LDPC码译码性能进行有效地分析,并设计出性能优越的LDPC码是本文所要研究的关键问题。本文首先在讨论了LDPC码的基本概念及编码算法基础上,重点对和积译码、最小和译码及其改进等译码算法进行了详细地分析。实验结果表明,改进的最小和译码算法的准确性逼近和积译码算法,复杂度较低,适合工程应用。其次,研究了LDPC码的几种译码性能分析方法。其中,EXIT图法是从互信息的角度分析LDPC码译码性能,较密度进化理论和高斯逼近法具有更好的准确性和鲁棒性,但是EXIT图法存在不能自动搜索译码阈值和度分布对的问题。针对这一问题,本文提出了一种新的译码性能分析方法——APSO-EXIT图法。该方法设计了衡量EXIT曲线匹配程度的全局代价函数,运用APSO算法对度分布对进行快速迭代优化,迭代过程中无需固定CND (Check Nodes Decoder校验节点译码器)曲线,可以获得EXIT曲线更加匹配的优化度分布对和更高更接近Shannon限的译码阈值。最后,将APSO-EXIT图法搜索到的度分布对和译码阈值应用于校验矩阵构造中,得到了性能优良的LDPC码。同时将LDPC-SPC联合编译码方法引入深空通信,设计出两种适合于深空通信的LDPC码编译码方案。仿真结果表明,所提出的APSO-EXIT图法译码性能分析方法有效可行,两个设计方案在信噪比大于0.7dB时,误比特率均低于10-5,可以满足深空通信的需求。
张桂华[4]2008年在《深空通信中微弱信号接收检测方法研究》文中研究指明深空测控通信系统对在遥远的空间探测器进行通信、测量和控制,包括跟踪、遥测、指令控制和数传,对深空探测器的整个飞行过程进行测控以保证其飞行轨道的准确,并获取探测过程中的回传科学信息。本文在对深空测控系统通信体制的特点分析的基础上,研究了高增益信道编码和微弱信号的接收处理等关键技术提出了一系列适用于深空探测的信道编码和微弱信号接收的新方法。针对深空探测实际需求,提出了一种易于工程实现的Turbo码编译码算法。该方法采用线性拟合Log-Map算法有效逼近Log-Map算法,大大减少了计算量;应用二次置换多项式交织器,有效地解决了并行译码的访问冲突问题,缩短了Turbo码译码时延。该算法性能优良,算法简单,解交织与交织结构相同,所需存储空间少,易于硬件实现。综合EXIT图法和自适应微粒群优化(APSO)算法的优点,提出了一种基于EXIT图和APSO算法的非正则LDPC码度分布对优化方法。该方法设计了衡量EXIT曲线匹配程度的全局代价函数,并运用APSO算法对度分布对进行快速迭代优化,迭代过程中不需要固定CND曲线,可以获得EXIT曲线更加匹配的优化度分布对,以及更高的噪声门限。仿真结果表明,该方法在码结构优化方面有着很好的性能,且优化速度较高斯逼近法有了很大的提高。在针对围长的校验矩阵构造方法中,提出了一种新的QCE-PEG算法,给出了实现具体步骤和设计实例。该算法将构造过程分解,结合准循环扩展技术和渐进边增长构造方法的优点,既能满足度分布对的需要,又保证了平均围长尽可能大的要求,提高了LDPC编码的速度和性能。用该方法设计的中短长度非正则LDPC码,其性能优于渐进边增长方法构造的PEG码,且设计简单,编码快速,便于工程实现。为进一步提高LDPC纠错性能,在基于QCE-PEG构造校验矩阵基础上,研究了以LDPC码为水平码、单奇偶校验码为垂直码的LDPC-SPC联合编码技术,有效地降低了LDPC码的译码门限与误码平层,能够在较短码长就能达到在信噪比0.7dB下误比特率为10-5,大大减少存储空间,满足深空探测要求。为解决深空测控领域中低信噪比下微弱信号的捕获、跟踪问题,实现高精度测速、测距功能,设计了微弱信号接收机方案。采用二维捕获方案,并行捕获下行信号的多普勒频率和多普勒频率变化率;利用二阶锁频环和三阶锁相环联合工作方式进行载波跟踪。系统性能满足深空探测指标要求。最后对全文进行了总结,并对后续工作进行了展望。
周大卫[5]2013年在《基于喷泉编码的深空通信文件传输协议》文中进行了进一步梳理深空探测是人类进行的航天活动中最重要的部分之一，是一个国家科学技术水平和综合国力的集中体现。在深空任务中，通信系统承担着传输遥测遥控指令、返回探测数据等关键工作。由于深空通信环境与地面通信环境的差异极大，使得传统的文件传输协议在深空环境下受到了极大的挑战。针对深空通信的特点，本文介绍了国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS）提出的CCSDS文件传输协议（CCSDS File Delivery Protocol, CFDP）的系统结构以及通信流程，阐述了CFDP的五种传输控制模式，总结了CFDP文件传输协议的特点。并分析了CFDP协议的文件传输时延，同时根据仿真结果分析了CFDP相对传统FTP协议的性能优势并且分析了CFDP协议在深空环境中的局限性。当深空信道误码率上升，导致CFDP协议需要多次重发方能完成文件传输，交互次数的增加使得文件传输时延大大增加。近年来兴起的喷泉编码，作为一种前向纠错技术，因其具有的能够以任意概率逼近山农极限，无固定码率，且无需反馈的特性，被引入到深空通信中来。本文提出了基于喷泉编码的喷泉文件传输协议（Fountain File DeliveryProtocol, FFDP），给出了FFDP协议的系统结构与协议帧结构，描述了FFDP协议的工作流程，包括FFDP协议无确认模式以及确认模式。同时，分析了FFDP文件传输协议的开销与文件传输时延。FFDP协议通过在发送端引入额外的发送开销，来降低传输过程中的交互次数。经仿真验证分析，当单向传输时延较小时，CFDP协议的性能要优于FFDP协议。当单向传输时延增大时，FFDP协议的性能要优于CFDP协议。当单向传输时延较小时，数据发送总量决定了文件传输时延，当单向传输时延较大时，整个传输过程中的交互次数决定了文件传输时延。FFDP协议通过在发送端发送了额外的包开销，来减小整个传输过程中的协议交互次数，单向传输时延较大时，获得了较好的性能表现，适合于深空通信环境中。
吕谷[6]2013年在《深空通信中喷泉码编译码算法研究》文中研究说明深空通信具有误码率高、传输延迟大、链路容易中断等特点，喷泉码可以在未知信道状态的情况下，根据信道条件自动调整喷泉码码率，这种“无固定码率”的特点使其相对于其他纠错编码更适合应用于深空通信。本文以深空通信为研究背景，对喷泉码的编译码算法做出一定贡献：首先，对喷泉码的研究发展过程进行了相应的介绍，具体给出了LT码和Raptor码的编译码过程，针对喷泉码的特性，分析了理想孤波分布和鲁棒孤波分布的性能，分析对比了置信传播译码算法和高斯消元译码算法各自的优劣。其次，对喷泉码码的编译码算法进行了相应的研究和优化。从喷泉码的编码器的角度出发，针对传统的喷泉码码的度分布构造的编码矩阵可能存在短环的情况进行优化。提出渐进边长扩展（Progress Edge Growth, PEG）的方法，优化生成矩阵最大程度的增大矩阵围长，降低了喷泉码的译码失败概率；从译码器角度出发，针对喷泉码用于高斯白噪声信道（Additive White Gaussian NoiseChannel, AWGN）信道下出现的误码传播现象，提出改进的信息传播算法（Message Propagation, MP）译码算法。充分利用接收机收到的软信息，进行迭代译码，提高了喷泉码在AWGN信道下的译码性能，对比分析Raptor在AWGN信道下误码率更小，在深空通信中的性能更优。最后，对Raptor码在深空通信中的编译码进行研究。提出两种系统模型，分别是基于包删除和基于比特纠错的系统模型。对删除信道和AWGN信道下的Raptor码的编译码方法进行研究。构建深空通信软件仿真平台，进行编译码算法的性能仿真。在删除信道下，误码率随着译码开销的增加减小，预编码码率越大，译码失败概率越小；在AWGN信道下的Raptor码，采用局部迭代和全局迭代译码算法进行仿真，相同码率的不同预编码结构性能接近，而且，码率越高译码失败概率越低，全局迭代译码的译码性能更好，但是需要更多的存储空间，而且通过设置比特门限可以提高喷泉码性能。
梁开勇[7]2010年在《FQPSK调制与多元LDPC码的联合编码调制研究》文中进行了进一步梳理深空探测是人类在新世纪的三大航天活动之一,深空探测集中显示了一个国家的科技发展水平和综合国力。深空通常是距离地球几十万至数千万公里以外的空间,通信具有距离远、信噪比极低、传输时延很长,环境复杂以及功耗要求严格等特点,从而对深空通信系统的信道纠错编码、调制等关键技术提出了更高的要求。为了适应未来深空通信技术低发送功率、高增益、更高数据速率、低实现复杂度为主要特征的发展需求,本文采用了适用于深空通信的编码调制方式——LDPC码联合FQPSK调制,并分析其性能和实用性。本论文首先介绍了当前深空通信的编码调制技术的现状与发展,阐述了以往的深空通信中的编码和调制技术的方案和局限性,提出LDPC码和FQPSK调制的优越性和发展前景。第二章描绘了LDPC码的奇偶校验矩阵的图形表示、生成方式和译码方法,并比较二元LDPC码和多元LDPC码的优越性和实现问题。第三章在介绍FQPSK调制的方案的由来、改进和发展的基础上,对其进行了功率谱分析,介绍了一些常规的解调方案。第四章主要研究了FQPSK的MAP解调方案,FQPSK的调制方案采用了卷积编码的结构,并根据编码输出选择波形,根据波形的差异性和发送端的映射方案,在接收端,采用近似匹配滤波器进行相关运算,根据联合概率的分析,得出FQPSK的MAP解调方案,并仿真其性能,在10~(-5) ,比Viterbi解调有1.5dB的增益,同时,MAP解调方案和LDPC码的联立,软信息的提取,得到了保证。为了较大的提高系统的增益,在发送端,发送重复码元,在接收端采用级联方案的迭代解调,可以明显的提高通信系统的性能。第五章提出了LDPC码和FQPSK调制的联合编码调制方案,并其中比较了二元LDPC码和多元LDPC码分别和FQPSK调制联立的性能,结果分析,多元LDPC码有更优异的性能,这里使用了四元LDPC码,采用码长和码率不同的多元LDPC码和FQPSK调制的联立,系统有很强的稳定性,适于深空通信中的性能需要。
张颂[8]2011年在《协作通信应用于无线通信中的相关技术研究》文中研究指明当今无线通信快速发展,对“移动通信宽带化”和“宽带接入移动化”等技术都提出了很高的要求,MIMO技术的提出解决了无线通信的很多难题,但是MIMO技术的应用有很多限制条件,为此引入了协同通信技术,它没有物理条件的限制,采用虚拟的多天线来达到系统所需要的性能。本文分为两方面,分别将协同通信技术应用于深空通信和LTE系统中,对其涉及到的编码和信道估计技术进行了研究和分析。深空通信是一种特殊的传输环境,传输距离远,造成了传输的错误率比较大、需要的功耗很大、传输时延巨大等问题,信道编码技术是对其改善性能的有效方法,而喷泉码具有无速率特性,并且不需要重传机制就可以实现信息可靠高效的传输,非常适合应用在深空这样的环境中。本文对基于喷泉码的协作通信技术在深空中的适用性进行了分析,介绍了喷泉码的编译码过程及深空环境下基于节点协作的分布式喷泉编码传输模型,对喷泉码的编译码性能和在两个信源一个中继的协作通信模型下进行了仿真,得出喷泉码对于传统的纠错编码更适合在深空环境中使用。在LTE系统中,提出了解决小区边缘用户干扰的问题,采取的主要技术是小区间干扰抑制技术。LTE-Advanced中为了提高小区边缘用户的性能,提出了多点协作传输(CoMP)技术,采用协同通信的思想,是协同通信技术在移动通信中应用的特例,通过各个基站之间的协作可以提高数据的覆盖范围,进而提高小区边缘以及整个系统的吞吐量。CoMP中信道的状态信息表现的尤其重要,本文主要讨论CoMP下行参考信号的设计。分别对调制参考信号(DM-RS)和信道状态信息参考信号(CSI-RS)的导频图案设计进行了讨论,提出了几种设计模式,通过性能仿真对设计模式进行对比分析,同时对传统的导频模式进行了改进,提出自适应导频模式,在不同的信道环境下进一步提高系统的性能。
汪雪琴[9]2014年在《深空通信中SPINAL码的应用研究》文中提出深空通信传输距离远,空间节点间隔跨度大,导致传输链路损耗大、信号衰减严重,信道传输能力有限。为了保证深空通信系统的传输能力,必须采用高增益的信道编码技术,因而,性能优良的信道编译码技术一直是深空通信的重点研究方向之一。目前广泛应用于深空通信的信道编码是以Turbo码和LDPC码为代表的系列先进编码技术,但这些固定速率码通常难以适应具有复杂时变和大损耗特性的深空信道。Spinal码是2012年新提出的一种在BSC、AWGN上均能实现近容量限传输的无速率码。在地面移动通信场景中,Spinal码相比传统的高增益固定速率编码(如LDPC码)、以及无速率编码中改进的Raptor码、Strider码等编码算法,在极宽的信噪比范围内均能获得更好的性能。Spinal码的高增益、低复杂度、无固定码率等特点显示出其应用于深空通信的巨大潜力,而深空场景相对地面移动通信场景的独有特性致使Spinal码在深空中的应用仍有诸多方面需要进行深入研究。本文针对Spinal码在深空通信系统中的应用,深入地研究了适合深空信道的Spinal码的编译码参数组合、星座映射调制方式以及不同信道工作模式的选择等问题。本文首先简要地介绍和分析了深空中传统编译码技术与无速率编码的研究现状与特点,阐述了Spinal码的编译码原理、通过与传统的深空信道编码LDPC码进行性能对比,分析了Spinal码应用于深空通信系统的优势。在此基础上,深入考察了Spinal码采用不同的编解码参数对时间复杂度和性能的影响,并据此给出了适合深空场景的Spinal码参数优化建议。然后,结合深空通信对频谱效率的高要求和深空信道的非线性特点,研究了与Spinal码相匹配的调制方式,重点对比研究了Spinal码采用16-APSK、16-QAM、16-PSK三种调制的性能,给出了与Spinal码相匹配的调制方式建议。最后,由于Spinal码既可应用于模拟信道,也可应用于数字信道,对比研究了Spinal码在模拟信道和数字信道下硬解调与软解调的性能,并给出了工作模式建议。对于数字信道工作模式下Spinal码对软信息的应用,本文提出了适用于Spinal码译码时高效运用软解调生成的软信息的具体设计步骤。研究结果表明,Spinal码显示出极大的深空通信应用前景:采用256、512 bits的短码长设计,配合以16-APSK调制的Spinal码,在模拟信道工作模式下,译码性能远优于传统所采用的复杂度极高的LDPC码,在不同的信噪比条件下均能获得逼近Shannon限的性能,以信噪比为4 d B时为例,Spinal码所能达到的码率比LDPC码高了0.446 bits/symbol。
许拔[10]2004年在《深空通信中RS码的编译码算法研究》文中认为本文主要对应用于深空信道编码的RS码进行了研究。首先从信道编码的基本定理入手论述了在有干扰存在的信道上进行无差错传输的可能性,这是纠错编码研究的理论依据与努力方向。然后介绍了与纠错编码相关的代数基本知识,简单介绍几种常见的纠错编码码型,重点研究了RS码的时域编译码算法,并对具体参数的RS码的编译码实现过程进行了分析,在建立恰当的信道模型的基础上对RS码性能进行仿真分析,进一步提出了RS码频域编译码方法;在文章第三部分中对卷积码与Turbo码做了简单地介绍,文章最后简单论述了深空通信的信道特点,对国外现有的编译码系统进行了介绍与比较,并在此基础上针对我国具体国情与现实需要提出了这个课题即将采用的方案。
参考文献：
[1]. 深空通信中大围长结构化LDPC码构造方法研究[D]. 韩建新. 重庆邮电大学. 2016
[2]. LDPC码在深空通信中应用研究[D]. 管延斌. 西南交通大学. 2011
[3]. 深空通信中LDPC码译码性能分析[D]. 李佳. 西安电子科技大学. 2009
[4]. 深空通信中微弱信号接收检测方法研究[D]. 张桂华. 西安电子科技大学. 2008
[5]. 基于喷泉编码的深空通信文件传输协议[D]. 周大卫. 哈尔滨工业大学. 2013
[6]. 深空通信中喷泉码编译码算法研究[D]. 吕谷. 哈尔滨工业大学. 2013
[7]. FQPSK调制与多元LDPC码的联合编码调制研究[D]. 梁开勇. 电子科技大学. 2010
[8]. 协作通信应用于无线通信中的相关技术研究[D]. 张颂. 电子科技大学. 2011
[9]. 深空通信中SPINAL码的应用研究[D]. 汪雪琴. 哈尔滨工业大学. 2014
[10]. 深空通信中RS码的编译码算法研究[D]. 许拔. 国防科学技术大学. 2004
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