面向动态时变空间链路的高能量效率高频谱效率编码调制理论研究

The space-based information network of our country relies heavily on space link due to the limitation on overseas ground stations. The conventional fixed-rate coded modulation schemes cannot adapt to time-varying space link with long delay and high dynamic, which becomes a bottleneck for the improvement of space-based information network’s energy efficiency and spectral efficiency. In view of the facts that spacecrafts have the ability to obtain flight status without the help of external systems, it is possible to design no-feedback rate-adaptive coded modulation through projection from parameter space of instant flight status to parameter space of communication channel. The program will develop the rate-adaptive coded modulation theory based on self-perception of spacecrafts under high dynamic time-varying environments. In this program, the high dynamic time-varying space link channel will be established, the ergodic capacity and outage capacity of this channel will be analyzed, adjustable mapping methods of information bits directly to transmitting signal symbols for high energy efficiency and high spectral efficiency will be designed, low-complexity near-optimal demapping methods will be proposed. The research of high energy efficiency and high spectral efficiency coded modulation theory for physical layer of space link in this program will shed light on the theory and methodological guidance for enhancing reliability for our country’s space-based information networks, and realize high step and leap-forward development.

我国空间信息网信号传输因地面布站受限而严重依赖于空间链路，传统物理层固定的编码调制体制无法有效适应大时延高动态时变空间链路，成为提升空间网络信息传输能量效率和频谱效率的瓶颈。鉴于空间轨道飞行器拥有自主感知飞行状态信息的特点，通过飞行状态参数空间到通信信道参数空间的映射，使得大时延条件下无反馈的速率适配编码调制成为可能。本项目将开展高动态时变条件下基于飞行器自主感知的速率适配编码调制理论研究，建立动态时变空间链路的信道模型并分析其遍历容量与中断容量，设计高能量效率高频谱效率的从信息比特到传输符号的速率适配直接映射结构，建立低复杂度的近最优解映射方法。本项目对高能量效率、高频谱效率的空间链路物理层编码调制统一映射理论的研究，将为我国空间信息网发展提供具有创新性的科学理论与方法支持以实现高起点、跨越式的发展。

针对空间动态网络高速传输需求，分析了空间节点高动态、链路长延时、卫星功率受限等问题，研究了高能效高谱效率的新型编码调制理论与方法。取得成果包括：基于卫星轨迹和状态的可预测模型，设计了编码度和权重系数可灵活调整的码率兼容编码调制方法，SNR低于15dB时频谱效率提升10%~400%；在不同信道模型和受限的反馈带宽下，设计了基于非线性随机结构映射的最佳速率调整策略，较于DVB-S2中的ACM（28MCS）方法提升频谱效率5.49%和8.66%；针对极化码在空间链路中应用，设计了任意码长极化码字构造，优于传统构造方法，给出了基于路径修剪的低复杂度的译码方法，提出了基于极化码的低复杂度的SNR估计方法，算法复杂度降低1-2个数量级；针对卫星信道下脉冲噪声干扰的问题，提出了基于惩罚因子的LDPC梯度下降比特翻转译码算法，在大脉冲噪声下能使译码误比特率达到10e-5以下；提出了利用外在互信息传输图分析LDPC码在脉冲信道下译码门限的方法使性能提升0.2dB；滤波器组多载波技术(FBMC)可以提高空间链路中频谱效率，提出了针对FBMC信号的克服多普勒频偏方法，误码率提升0.4dB，提出了改进的选择性映射方法使峰均比降低0.2dB；超耐奎斯特采样技术(FTN)可以增加信道容量，设计了基于软输出维特比算法的FTN信号接收方法，计算复杂度降低50%以上。针对空间应用特点，搭建了基于GPU的软件极化码SCL译码平台，系统的吞吐率可以达到62Mbps，译码延迟15ms，搭建了基于FPGA的软件极化码SCL译码平台，译码速率可达70Mbps，相比与CCSDS标准中的编译码方案，编码增益提高0.1-0.3dB；搭建了基于高频谱效率编码调制技术的硬件仿真平台，验证了自适应编码调制技术在空间链路中应用的可行性。项目提出的新型编码调制理论提高了能量效率和频谱效率，实现高速信息传输, 可以支持空间动态网络高速传输理论研究。