基于天基网的林业监测数据的高效传输技术研究

This project focuses on high efficient data transmission for forestry monitoring systems. In order to satisfy the demand of rapid transmission for high-resolution image data in forestry ecological monitoring and disaster monitoring, we propose the overall scheme of using satellite remote sensing and space satellite network to obtain and transmit forestry monitoring data. Since the channel state in satellite link is time-varying and existing fixed code modulation leads to low transmission efficiency, an adaptive transmission scheme based on space satellite network is proposed. The code design and transmission protocol are studied. Considering the limited power in satellite platform, a constellation mapping scheme with low peak-to-average ratio (PAPR) and high spectral efficiency is proposed. According to the different importance of monitoring data, an unequal error protection algorithm based on rateless codes is proposed, which further improves the transmission reliability of important data. Besides, since the trajectory of the low-orbit satellite is predictable and link state is changing with the variable elevation angle, an adaptive transmission strategy based on rateless codes with low feedback frequency is also explored. In the application of relay satellite forwarding data, in which the channel state is changing slowly with the slow-changing weather conditions, the truncated transmission strategy of rateless codes is studied in quasi-static channels, aiming at improving the spectral efficiency. In conclusion, these research jobs are expected to provide theoretical guidance and technical supports for efficient data transmission for high- resolution forestry monitoring systems.

本课题围绕林业监测系统的数据传输开展研究，提出了利用卫星遥感对林业数据进行采集并利用天基网进行数据传输的总体方案。针对林业生态监测与灾害监测中的高分辨率图像数据的快速传输需求，基于天基网链路信道状态动态时变特点，分析了目前固定编码调制技术传输效率低的问题，提出了基于天基网的自适应传输方案，研究了编码调制设计以及传输协议。针对卫星平台的功率受限问题，提出了低峰均比高谱效的星座映射方案。根据监测数据的重要性不同，提出了基于无速率码的不等错误保护技术，进一步提高了重要监测数据的传输可靠性。利用低轨卫星链路状态随仰角变化的特点以及轨迹的可预测性，提出了低反馈频次的无速率码自适应传输策略。在利用中继卫星转发数据的场景下，根据天气状况对信道衰减值缓慢变化的特点，研究了准静态信道下的无速率码的截断自适应传输策略，提高了通信系统的频谱效率。该研究工作为高分辨率林业监测数据的高效传输提供理论指导和技术支持。

针对基于天基网的林业监测数据传输链路动态时变特点及数据高速传输需求，设计了自适应传输体制，研究了低峰均比码率兼容编码调制算法及自适应传输策略。取得的成果包括：针对星地链路长时延特点，提出了用于Spinal长码的分段CRC辅助的滑动译码算法，发送端根据译码出错位置有选择地追加编码符号，译码复杂度下降约70%，频谱效率提升10%~40%；设计了Spinal码高速译码架构，硬件实测译码吞吐率达1Mbps；针对星地链路高动态大多普勒特点研究卫星多载波调制，提出了适用于FBMC信号的SSLM降峰均比算法，通过最优相位旋转使峰均比降低约0.3dB；提出了一种适用于OFDM信号的快速GAMP迭代恢复算法，基于非线性失真后的信号概率分布理论近似求解失真分量，极大降低了计算量，并将信号恢复至失真前水平，新的GAMP接收机获得2.8dB的误码率增益；CPM信号恒包络低峰均比高谱效，适合功率受限的卫星通信系统，但同步与解调复杂度高，研究了CPM信号低复杂度同步与解调算法，提出了基于似然比检测的PCM/FM信号MSD位同步算法，复杂度降低了50%，同步性能逼近克拉美罗界；提出了一种适用于CPM的基于状态简化的非相干MLSD算法，优于载波相位未知的MLSD，在误码率为10-4时，解调增益达1dB以上，复杂度降低了约55%。基于低轨卫星轨迹可预测与天气衰减时间相关的特点，提出了一种低反馈频次的Spinal码自适应传输策略，反馈频次由2秒1次降低为十几分钟1次，雨天频谱效率损失不超过6%，晴天损失可忽略。提出一种用于块衰落信道的基于过时CSI反馈的Spinal码截断传输策略，根据过时CSI和译码状态动态调整码率，在平均SNR<20dB时平均频谱效率提高了7%~12.6%，平均传输次数降低了0.8%~4.2%；针对清晰视频采集与林区环境监测需求，设计了多通道无线传感系统硬件平台和传输协议，实现了高同步性和高达1Mbps的无线传输速率。为降低自适应传输系统发送开销，研究了基于深度学习的调制识别，提出了HRSEnet模型和SNR分段的调制识别策略，在SNR<10dB时识别准确率明显优于现有方法，在SNR为12~30dB，比现有最佳方法提高了0.3%。搭建了软硬件仿真平台，验证了自适应传输体制在林业监测数据传输中的可行性。研究成果提高了系统的能量效率和频谱效率，可支持天地一体化的林草业监测高速数据传输。