火星邻近空间通信信道建模与无速率编码

Entry, Descend and Landing (EDL) phase of Mars proximity space is an important part for determining the success or failure of Mars exploration mission. During the phase, a lander passes through the Martian atmosphere and experiences "blackout" phenomenon. It is a very significant and meaning research topic that how to ensure the reliability of information transmission during EDL phase of Mars proximity space. At present, an accurate EDL channel model for Mars proximity space communications has not been established. Moreover, the channel codes adopted by the existing Mars explorers are fixed rate codes, which are limited by channel conditions. Consequently, this project carries out researches on the reliable communication during EDL phase of Mars proximity space. The influences of Mars atmosphere and dynamic plasma sheath characteristics on communication signals are analyzed. A channel model for Mars proximity space communications is established based on electromagnetic wave propagation theory, scattering theory and finite difference time domain method. And then rateless codes are used to Mars proximity space communications. According to the Mars EDL channel characteristics, rateless codes are designed to ensure the reliability of Mars proximity Space communications. The simulation experiment platform for Mars proximity Space communications is built based on NI-USRP. And the performance of designed rateless codes is tested and validated using the built simulation experiment platform. Preliminary work has laied a good foundation for the smooth development of the project.

火星邻近空间进入、下降、着陆（EDL）段是决定火星探测任务成败的一个重要环节，在此过程中，着陆器要穿过火星大气，经历“黑障”现象，如何确保火星邻近空间EDL段信息传输的可靠性是一项非常重要和有意义的研究课题。目前我国还没有建立精确的火星邻近空间EDL段通信信道模型，而且现有的火星探测器采用的信道编码是固定速率码，性能受信道条件所限。鉴于此，本项目针对火星邻近空间EDL段可靠通信问题开展研究。分析火星大气特性和动态等离子鞘套特性对通信信号的影响，基于电磁波传播理论、散射理论、时域有限差分方法建立火星邻近空间通信信道模型；然后将无速率码引入到火星邻近空间通信中，根据火星EDL段信道特性，设计能确保火星邻近空间通信可靠性的无速率码。利用NI-USRP搭建火星邻近空间通信仿真实验平台，对设计的无速率码的性能进行测试和验证。项目组前期的研究工作为本项目的顺利开展奠定了很好的基础。

本项目针对火星邻近空间通信问题开展研究，分析了火星大气传播特性以及动态等离子鞘套对通信信号的影响，建立了信道模型，然后对LT码、Raptor码和Spinal码的性能进行了研究。.针对LT码左节点度分布进行改进，提出一种基于动态左节点度分布的编码算法；然后对LT码基于右节点度分布的系统编码和软译码算法进行分析，改变系统码二分图中的系统连接比例，将系统LT码变成部分系统LT码；将LT码的动态左节点度分布思想与部分系统LT码的编码思想相结合，同时改变LT码的右节点分布和左节点分布，提出一种适用于火星信道环境的LT码。研究表明改进后的LT码的平均度数降低，减少了译码迭代次数，降低了译码复杂度。.针对Raptor码的编译码特性，对Raptor码的度分布进行研究，将新的截断度分布和弱鲁棒孤波分布进行归一化合并，通过调整重要度值的概率，使得译码波动集中有更多的活泼节点，从而有效降低了Raptor码的误码率和译码开销。根据正切函数的性质，将BP译码算法简化为最小和译码算法，然后进一步优化为归一化最小和（NMS）译码算法，将译码初始化时传递的消息按表进行整数量化，整数量化的NMS算法进一步提高了译码速度。.哈希函数是Spinal码的核心部分，本项目结合Logistic映射和Chebyshev映射并通过二维结构扩展密文空间设计了一种新的哈希函数，减少了哈希函数碰撞，降低了节点计算量，提高了传输效率。提出了一种咬尾Spinal码编码结构，通过对原始序列首部进行处理，提高了尾部信息受保护程度，增强了抗差错能力，改善了码率损失。针对Spinal码高译码复杂度问题，提出一种使用提前终止的自适应前向堆栈译码（AFSD-ET）算法，在AFSD算法的基础上，采用深度优先搜索策略，加快译码到达叶子节点的速度，同时结合提前终止准则，灵活地调整了译码搜索的路径，减少了搜索节点数量，从而达到了降低复杂度、提高译码效率的目的。.本项目所做工作将为无速率码用于火星探测的后续研究和推广应用奠定基础。