深空通信中面向业务时效性的分级喷泉编码方法研究

With developments of deep space exploration mission, the service timeliness in deep space communications is concerned. Fountain codes transmission protocol with scalable transmission characteristics provides high timeliness transmission performance in long distance and limited feedback deep space communications. Firstly, through quantifying the redundant information in BP decoding process, the relationship between the input symbols and output symbols in decoding process can be derived. Then the relationship between fountain codes encoding scheme and scalable transmission performance can be modelized for encoding scheme design. Secondly, to satisfy the different timeliness demands of specific service, Staged LT codes will be designed to provide intermediate decoding performance . At last, Staged Growth Codes with Unequal Recovery Time characteristic will be investigated for various services. The research of this project can improve the efficienty of the deep space communication systems, and provides theoretical basis and technical support for Chinese deep space exploration.

随着深空探测任务的增加，深空通信业务的时效性差异问题受到越来越多的重视。具有分级传输特性的喷泉码传输协议可以在长延时，反馈受限的深空通信中提供面向业务时效性的高效传输能力。首先，通过对BP译码过程中产生的冗余信息进行量化，分析译码过程中输入符号与输出符号之间的关系，从而建立编码方案与分级传输性能的关系模型，为编码方案的设计奠定基础；其次，针对单一业务内时效性需求差异的问题，设计具有中间译码性能的阶段LT码编码方法；最后，对于多种业务间时效性需求差异的问题，研究具有不等恢复时间（URT）特性的阶段渐增码编码方法，保证各种业务可以按自身时效性及可靠性需求进行高效传输。通过本项目的研究，可以进一步提高深空通信系统传输效率，为提高我国深空探测的能力提供理论基础和技术支撑。

本课题研究旨在解决深空通信中数据在传输时难以满足不同时效性需求的问题。经过三年的努力，课题组圆满地完成了课题计划规定的任务内容。在立项之时，项目组把喷泉码的有限码长下性能分析方法作为重点和难点。为此，本课题研究分别从基于BP译码的喷泉编码方法时效性研究、针对业务内时效性差异的喷泉编码方法研究和针对业务间时效性差异的喷泉编码方法研究等方面开展了研究工作，取得了多项重要学术成果和关键技术突破：.(1)针对与或树分析和密度进化分析两个方法无法准确分析有限长喷泉码的性能的问题，在本项目研究过程中，我们通过对输入符号的中间译出概率及输出符号的中间释放概率进行研究，明确不同编码方法对译码性能的影响，并将专注点落在时效性和高效性方面，为设计具有中间译码性能及不等恢复时间特性的喷泉编码方法提供理论基础。.(2) 对于有中间恢复需求的数据，为了确保部分数据可以提前译出，并尽量避免过多的反馈信息对信息传输效率的影响，我们设计了具有中间译码性能的喷泉编码，通过设计不同阶段在不同的数据分段中抽取的概率，设计出的阶段编码，在有效提高中间译码性能的同时，具有较低的译码开销。.(3) 针对不同数据具有不同时效性需求的特点，为了满足其时效性需求，提出了阶段渐增编码方式。阶段渐增码可以通过设计在不同的译码中间时刻提供比渐增码更好的中间译码性能，且相比于具有传统的具有中间译码性能和不等恢复时间特性的喷泉编码，阶段渐增码的译码开销性能更好，从而可以在数据不等时效性分级传输的过程中，确保整体传输效率。.截至目前为止，在本项目的支持下，基于上述研究成果，课题组已发表论文11篇，其中SCI检索5篇，EI检索6篇。.在进行本课题研究和积累的同时，课题组对新的科学问题和研究方向进行了探索，确定了喷泉码的有限长分析，中间译码性能分析和不等恢复时间特性的研究等重要研究方向，明确了其中存在的部分关键科学问题。