一种面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法技术

本发明专利技术提供一种面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，包括以下步骤：步骤S1，建立N状态马尔可夫链的噪声模型，并对N状态马尔可夫链的噪声模型进行信道状态的预测；步骤S2，基于预测的信道状态对模拟喷泉码进行优化，获得自适应模拟喷泉码。本发明专利技术通过自回归滑动平均模型对N状态马尔可夫链的噪声模型进行信道状态的预测，使得模拟喷泉码在编译码复杂度为线性以提供高码率传输，在很大的信噪比范围内都可以达到不小于1的码率传输；本发明专利技术将预测模型与模拟喷泉码编码结合起来，提出了可以适应于Ka频段雨衰的自适应模拟喷泉码的编码实现方法，其吞吐率远远高于固定码率编码方案以及自适应LT码方案，取得了良好的链路传输性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模拟喷泉码的实现方法，尤其涉及一种面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法。
技术介绍
为进一步提升空间信息传输能力，我国在2015年9月成功发射了“通信技术试验卫星一号”，以测试验证Ka频段(28～35GHz)通信链路。Ka频段能够大幅提高通信带宽，但其信号受大气吸收、接收端附近的雨衰和多径效应等影响，链路的误码率(BER)波动较大。研究表明，Ka频段卫星通信的接收信噪比起伏达到10～25dB。当降雨强度为10mm/小时，31～35GHz的链路通信中断；当降雨强度超过15mm/小时，链路完全中断。依靠空间节点珍贵的功率资源补偿Ka频段链路余量的代价太大，不能只针对链路最差情况来设计传输体制，应该要求传输机制能够动态适应于信道变化。另一方面，空间通信环境的长传播时延，使得发送端难以即时获取信道状态信息(CSI)进行修正，现有的CFDP(CCSDSfiledeliveryprotocol)、LTP(Licklidertransportprotocol)等空间通信传输协议均提供延时反馈确认模式，发送端仅能够通过否定确认(NAK)获得延迟的CSI，甚至无法得到反馈。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是需要提供一种能够提高码率传输，并取得良好的链路传输性能的面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法。对此，本专利技术提供一种面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，包括以下步骤：步骤S1，建立N状态马尔可夫链的噪声模型，并对N状态马尔可夫链的噪声模型进行信道状态的预测；步骤S2，基于预测的信道状态对模拟喷泉码进行优化，获得自适应模拟喷泉码。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S1包括以下子步骤：步骤S101，将地面站附近的天气状态对应的接收机噪声温度划分为N个状态，基于历史雨衰噪声温度数据建立N状态马尔可夫链的噪声模型，N为自然数；步骤S102，利用自回归滑动平均模型对N状态马尔可夫链的信道噪声模型进行信道状态的预测；步骤S103，对N状态马尔可夫链的噪声模型仿真出的雨衰数据的自相关函数以及偏自相关函数，并对自相关函数以及偏自相关函数进行截尾性特征的分析，得到预测模型，并求得预测误差。即得到预测模型中的未知阶数和系数，建立预测模型方程，并可统计预测误差。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S102中，N状态马尔可夫链的噪声模型产生按时间变化的降雨衰减数据xt，通过降雨衰减数据xt构造p个自回归项和q个移动平均项的自回归滑动平均模型，用于预测未来的雨衰值。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S102中，通过公式实现对所述信道状态的预测，其中，xt-i为(t-i)时刻的信道噪声温度，该信道噪声温度xt-i从发送端接收到的延时确认信息中提取；εt是零均值、方差为σ2的加性高斯白噪声的信道噪声；p和φi分别为自回归滑动平均模型中自回归部分的阶数和系数；q和θi分别为自回归滑动平均模型中滑动平均部分的阶数和系数；εt-i是(t-i)时刻的加性高斯白噪声的信道噪声。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S103中，自相关函数为其中，xt-k是(t-k)时刻的信道噪声温度；偏自相关函数为其中，表示k阶自回归过程中第j个回归系数，j和K均为自然数。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S103中，将自相关函数以及偏自相关函数进行截尾分析，得到自回归滑动平均模型中的自回归部分的阶数p和滑动平均部分的阶数q，即可仿真出的预测点的绝对误差均值作为所述预测误差。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S2包括以下子步骤：步骤S201，发送端根据返回的延迟信道状态，利用预测模型计算当前时间窗的信道状态；步骤S202，根据预测出的当前时间窗的信道状态，计算出相应的自适应编码冗余，获得基于信道状态的自适应模拟喷泉码编码；步骤S203，计算自适应模拟喷泉码编码的吞吐率。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S201中，用N状态马尔可夫链建立噪声模型的雨衰事件中，不同的信道状态有N个；在一个时间窗T内，发送端固定发送M个编码包，接收端可以接受到Mi个编码包，可以恢复ki个原始数据包，则第i个状态的编码冗余为：其中，Oi为第i个状态的编码冗余。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S202中，自适应地调整发送端的编码冗余为其中，Oa为适应地调整发送端的编码冗余，所述Pi为各个信道状态的平稳概率。本专利技术的进一步改进在于，所述步骤S203中，通过公式计算自适应模拟喷泉码编码的吞吐率，其中，Fe为自回归滑动平均模型的预测误差。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：通过自回归滑动平均模型对N状态马尔可夫链的噪声模型进行信道状态的预测，建立自回归预测雨衰时间序列的预测模型，使得模拟喷泉码在编译码复杂度为线性以提供高码率传输，在很大的信噪比范围内都可以达到不小于1的码率传输；本例将预测模型与模拟喷泉码编码结合起来，提出了可以适应于Ka频段雨衰的自适应模拟喷泉码的编码实现方法，其吞吐率远远高于固定码率编码方案以及自适应LT码方案，取得了良好的链路传输性能。附图说明图1是本专利技术一种实施例的工作流程示意图；图2是本专利技术一种实施例中降雨衰减数据序列的自相关函数和偏自相关函数的曲线仿真示意图；图3是本专利技术一种实施例中降雨衰减数据序列的预测数据与原始数据的比较仿真示意图；图4是本专利技术一种实施例中模拟喷泉码的编码原理示意图；图5是本专利技术一种实施例中无噪声信道下模拟喷泉码的译码性能示意图；图6是本专利技术一种实施例中模拟喷泉码在噪声信道下的性能仿真示意图；图7是本专利技术一种实施例对不同编码方法进行吞吐率比较的仿真示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明：如图1所示，本例提供一种面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，包括以下步骤：步骤S1，建立N状态马尔可夫链的噪声模型，并对N状态马尔可夫链的噪声模型进行信道状态的预测；步骤S2，基于预测的信道状态对模拟喷泉码进行优化，获得自适应模拟喷泉码。本例所述步骤S1中，将地面站附近的天气状态对应的接收机噪声温度划分为N个状态，建立N状态马尔可夫链的噪声模型，利用自回归滑动平均模型(AutoaggressiveMoving-Average,ARMA)建立信道状态的预测算法，所述自回归滑动平均模型也称ARMA模型；所述步骤S2基于预测的信道状态对模拟喷泉码进行优化，所述模拟喷泉码为AnalogFountainCodes，即所述模拟喷泉码简称AFC，进而获得自适应模拟喷泉码，所述自适应模拟喷泉码为AdaptiveAFC。所述步骤S2中的获得自适应模拟喷泉码，即实现自适应模拟喷泉码的编码，其吞吐率仿真如图7所示的自适应编码。本例将空间通信Ka频段星地链路噪声温度建模为N状态马尔可夫链的噪声模型，即N状态Markov信道，由于下行发送端只能获得延迟的信道状态信息(CSI)，基于自回归滑动平均模型建立雨衰影响下的Ka频段链路的信道预测模型(ARMAN-Markov)，设计了基于延迟CSI预测信道状态的最大化吞吐量传输策略。本例提出了利用无速率模拟喷泉码的自适应纠删传输机制，理论分析推导了自适应模拟喷泉编码方案的性能参数，并与现有自适应无速率纠删方案进行地球-火星通信场景下的仿真比较，验证了该方案能有效提高吞吐量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，建立N状态马尔可夫链的噪声模型，并对N状态马尔可夫链的噪声模型进行信道状态的预测；步骤S2，基于预测的信道状态对模拟喷泉码进行优化，获得自适应模拟喷泉码。

【技术特征摘要】
1.一种面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，建立N状态马尔可夫链的噪声模型，并对N状态马尔可夫链的噪声模型进行信道状态的预测；步骤S2，基于预测的信道状态对模拟喷泉码进行优化，获得自适应模拟喷泉码。2.根据权利要求1所述的面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：步骤S101，将地面站附近的天气状态对应的接收机噪声温度划分为N个状态，基于历史雨衰噪声温度数据建立N状态马尔可夫链的噪声模型，N为自然数；步骤S102，利用自回归滑动平均模型对N状态马尔可夫链的信道噪声模型进行信道状态的预测；步骤S103，对N状态马尔可夫链的噪声模型仿真出的雨衰数据的自相关函数以及偏自相关函数，并对自相关函数以及偏自相关函数进行截尾性特征的分析，得到预测模型，并求得预测误差。3.根据权利要求2所述的面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，其特征在于，所述步骤S102中，N状态马尔可夫链的噪声模型产生按时间变化的降雨衰减数据xt，通过降雨衰减数据xt构造p个自回归项和q个移动平均项的自回归滑动平均模型，用于预测未来的雨衰值。4.根据权利要求3所述的面向Ka频段通信的自适应模拟喷泉码的实现方法，其特征在于，所述步骤S102中，通过公式实现对所述信道状态的预测，其中，xt-i为(t-i)时刻的信道噪声温度，该信道噪声温度xt-i从发送端接收到的延时确认信息中提取；εt是零均值、方差为σ2的加性高斯白噪声的信道噪声；p和φi分别为自回归滑动平均模型中自回归部分的阶数和系数；q和θi分别为自回归滑动平均模型中滑动平均部分的阶数和系数；εt-i是(t-i)时刻的加性高斯白噪声的信道噪声。5.根据权利要求4所述的面向Ka频段通信的自适应模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦健，陈晨，冯博文，姚朋飞，吴绍华，张钦宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44