中断和失真容忍的空间通信技术研究

Due to the radical dynamics of the spacecraft, the time-variant space-to-ground channel suffers frequent outage and unknown distortion, especially when massive multimedia is transmitted. A joint source-channel coding based on multiple description layered source coding (MDLC) is proposed to deal with expected channel distortion; multiple distorted independent descriptions of the source are coded by unequal error protection channel coding to achieve optimal end to end performance. Then, to overcome the outage event caused by low-altitude angle of the spacecraft, a hybrid digital-analog (HDA) transmission scheme is brought forward; HDA is able to solve the problem that below certain SNR, the digital system performance degrades drastically, by employing "gracefully degrading" feature of the analog system. Moreover, a cooperative communication based on MDLC and HDA is presented to ensure delay-constraint massive multimedia transmission. This project develops a MDLC and HDA based cross-layer cooperative transmission strategy, to break through the key technologies of multimedia transmission in time-variant space-to-ground channel and realize a corresponding software package.

针对空间通信由飞行器高动态造成的空地信道时变、中断和失真条件下的多媒体信息传输问题，提出在信道衰落失真状态下的基于信源多描述分层的联合信源信道编码，将信源压缩成多个独立的失真序列，实施不等差错保护，达到端到端的最优性能；提出在信道渐进中断状态下的混合模拟数字传输方法，利用模拟传输的"优雅降级"解决在超低信噪比下数字传输的"门限效应"问题，并兼顾数字传输的高效性；提出基于信源多描述及混合模拟数字的多空间平台协作传输，确保延时受限的高速多媒体数据通信。综上，本项目利用联合信源信道和混合模拟数字的协作传输，实现数据多媒体业务在时变空地信道下的传输，并在软件无线电平台上实现一套空间通信关键技术软件包。

本项目将协同的信号处理思想用于空间通信中，主要体现在模拟域与数字域的协同传输，即模拟编码和数字译码的结合；基于LDPC编码的信源编码与信道编码的协同；多传输平台间的协同传输，用以对抗断续空间通信，主要进展包括：..1..信道渐进中断状态下的混合模拟数字传输技术.提出了一种适用于渐进中断状态下的有效处理干扰和衰落的非同步模拟编码方案。利用非正交联合对角化的盲信号分离方法对复数域的模拟编码进行译码，实现衰落信道下信号级的信息合并和分离。理论分析和仿真表明，该模拟编译码算法同时在系统容量、分集增益和实际应用方面具有较大优势。该模拟传输方法还可推广至大规模网络，实现网络数据全网覆盖的高效传输。并进一步提出了联合模拟数字传输的协作方法。首先提出基于信道参数估计和分布式压缩传感实现联合信源信道压缩编码；然后提出在数据传输时利用模拟编码实现信号级的合并和广播，以减少信号传输次数的方式，在空间维压缩网络数据；最后提出空间维和时间维压缩重构的交替算法，充分利用了信号间和信号内的相关性，使得信号重构性能提升显著，有效解决了深度衰落导致中断条件下的空地移动通信传输问题..2..失真容忍的联合信源信道编码技术.提出了一种适用于空间通信的基于LDPC（Low Density Parity Check code）的奇偶校验信源-信道编码方法。利用分层的思想构造分布式的系统编码奇偶校验矩阵，并为联合设计建立了信源-信道编码的约束关系，所提出的编码方案采用信息论的随机编码机制，实现比特级的信息合并，同时保证编码复杂度和码长的线性关系，可以有效均衡系统传输效率（复用）和传输可靠性（分集），解决一般衰落导致失真条件下的空地移动通信传输问题。.3..空间平台基于信源多描述/分层和混合数字模拟的协作传输.通过建立网络拓扑的邻接矩阵对网络节点的连通状况和协作关系进行描述，提出基于邻接矩阵优化问题的大规模网络环境下协作节点组群方法。其优化目标为最小化系统中断概率，考虑到联合编码在网络无环的情况下译码性能良好，以逼近无环网络作为优化的约束条件，所提方法可以实现较低中断概率的多节点协作，解决大容量高速多媒体业务的空地鲁棒传输问题。.本项目所提出的方法应用于未来机场宽带通信的原型系统研制中，并通过该原型系统的实际观测数据获得验证，对算法有效性进行正确评估。