有限通信帶寬下衛星通信編碼方案

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摘要:衛星通信的發展已經涉及了國民生活的各個方面。對在有限通信帶寬條件下更高效、穩定和快速地傳輸編碼的方法進行了研究。編碼方法針對不同功能特點設計了4種優化方案，包括優先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計。其中，優先級設計采用了隊列設計方式，達到了不同類型通信信息不同處理的需求;編碼組合設計采用排序組合設計，達到了有限帶寬條件下編碼更多的通信信息;時效設計通過時標標識的設計保證了通信信息的時間延遲;數據壓縮設計通過對數據段進行壓縮設計達到了在發送更長通信幀的需求。試驗結果表明，通過這些優化設計，有效提高了通信信息的效率，并滿足了通信的穩定性和時效性等需求。

關鍵詞:有限通信帶寬;編碼方案;衛星通信

0引言

衛星通信指通信設備利用衛星作為中繼進行通信的方式。衛星通信具有通信范圍大、可靠性高和通信簡單迅速等優點［1］。但是由于衛星設計和自身性能等原因，用于通信的帶寬不是無限大的。當出現多個通信設備同時通過通信衛星進行信息交換時，如果不合理安排通信模式，則會產生通信信息延遲、丟失或無法發出等問題［2］。如何在有限通信帶寬下通過優化通信編碼方案將通信信息進行合理資源分配，滿足在各種特殊環境下的通信需要已成為國內外研究熱點。目前，國內外有關通信編碼技術的研究已經有了較深入的研究。例如，華為通信技術有限公司提出了采用混合編碼發送的編碼方案［3］;思科公司提出了采用高壓縮式通信編碼方式［4］，解決了大數據突發通信的問題。本文則通過優先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計等多種優化設計組合方式對衛星通信編碼方案進行深入研究，為衛星通信編碼方案技術發展提供技術支持。

1衛星通信編碼技術

采用衛星通信時，通信終端A首先將不同類型通信信息(包括語音、文字或者圖像等)進行標準編譯，形成一組通信信息［5］，再將多組通信信息按照衛星通信協議進行組幀編碼后，由天線發射模塊調制并發送至通信衛星［6］，經通信衛星轉發器轉發給另一通信終端B，通信終端B通過天線接收模塊接收到該信號后經解調、譯碼和校驗后解析出多組通信信息［7］，再按照標準編譯將每組通信信息形成相應的語音、文字或者圖像。在有限通信帶寬下，在將多組通信信息組幀編碼時會控制幀長度不超過帶寬限制，防止因通信幀長度過長導致衛星無法接收和發送信息［9］。通信幀內容一般包括通信幀長度、信息組數、信息包類型、信息包長度和信息包內容等［10］。通信幀結構示意如圖2所示。可見在固定數據段條件下，如果每幀的數據段都填滿了通信信息，即在有限條件下提高了衛星帶寬的利用率，通過充分利用通信帶寬可創造更好的應用效果和經濟效益。

2數據編碼技術設計

2．1優先級設計

在發送信息時需要將優先級別高的信息優先發送，不能延遲發送［12－13］。即當優先級高的信息晚于優先級低的信息到達時，需要將優先級高的信息進行優先編碼發送［14］。優先級設計采用多隊列技術。即優先級別高的通信信息進行通信隊列A，其他級別的通信信息進入通信隊列B，如果有多種優先級需要則分別分配不同的通信隊列。在信息發送時先從通信隊列A取信息，將通信隊列A中的信息取完后再取通信隊列B中的信息。

2．2編碼組合設計

在衛星通信時，每次通信信息的長度都是不固定的。所以在不同的編碼組合方式下發送通信信息的效率是不同的。例如，當通信帶寬為1000bit時，需要發送的通信信息有通信信息包A長度600bit、通信信息包B長度500bit、通信信息包C長度300bit和通信信息包D長度400bit。如果按順序發送結果如下，在通信隊列中取出通信信息包A，則通信帶寬剩余400bit;取出通信信息包B時，會發現通信信息包B因為長度超過400bit，無法再加入。第1通信幀只能發送含有通信信息包A的信息幀，并且還剩余400bit帶寬。第2通信幀則裝入通信信息包B和通信信息包C，剩余200bit帶寬。第3通信幀裝入剩余的通信信息包D。共需要3幀才能將數據發完。為解決該問題，編碼組合設計中采用將通信隊列中的通信信息進行排序組合，即將通信隊列中的通信從大到小順序排列。然后在編碼時對隊列進行搜索檢查，如果還含有可裝入剩余帶寬的通信信息時則將該通信信息取出裝入。當通信信息包A長度600bit、通信信息包B長度500bit、通信信息包C長度300bit和通信信息包D長度400bit時，通過排列組合變成A長度600bit、通信信息包B長度500bit、通信信息包D長度400bit和通信信息包C長度300bit。第1通信幀裝入通信信息包A的信息幀，并且還剩余400bit帶寬。搜索剩余通信幀，發現通信信息包D長度可裝入。則第1通信幀含有通信信息包A和通信信息包D。帶寬剩余0bit。第2通信幀裝入剩余通信信息包B和通信信息包C，剩余帶寬200bit。效率較直接順序組合發送提高了不少，減少了一個通信幀，并且剩余帶寬只有200bit。

2．3時效設計

在對通信信息進行排列組合設計后會出現來的早的、長度較小的通信信息包，因為排序靠后發送時間產生了較大的延遲。例如，通信信息包A長度300bit、通信信息包B長度900bit、通信信息包C長度800bit、通信信息包D長度850bit時，通過排列組合變成通信信息包B長度900bit、通信信息包D長度850bit、通信信息包C長度700bit和通信信息包A長度300bit。第1通信幀發送通信信息包B，第2通信幀發送通信信息包D，第3通信幀發送通信信息包C，第4通信幀才能發送通信信息包A。為解決該問題，對每個通信信息進行時標標識。將通信信息的接收時間作為該通信信息的時標標識。發送信息判斷通信隊列中的每個通信信息的時標標識，如果判斷該通信幀的時標標識已經大于2s，則將該信息優先發送。當通過排列組合B長度900bit、通信信息包D長度850bit、通信信息包C長度700bit和通信信息包A長度300bit，第1通信幀發送通信信息包B，第2通信幀發送通信信息包D，第3通信幀通過判斷通信信息包A信息標識已經大于2s，則優先發送信信息包A，第4通信幀發送通信信息包C。

2．4數據壓縮設計

實時數據壓縮技術在通信信息組合完后進行信息壓縮，使發送通信信息幀長度比實際通信信息幀長度更短，達到在有限帶寬的情況下，發送更長的通信信息幀［16］。數據壓縮技術采用數據壓縮幀緩存壓縮(FrameBufferCompression)技術，該技術是ARM公司開發的專門為幀間解碼階段節省帶寬而設計的一種無損壓縮算法［17］。經測試壓縮比約80%，則假定原有帶寬1000bit，那么現在可以發送1200bit的通信信息。

3整體設計

通過上述論述，數據編碼技術總共包括了優先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計。當收到通信信息時首先進行優先級判斷，將不同類型通信信息插入不同優先級隊列;再對數據進行編碼組合設計，將隊列中的通信信息合理分配編碼位置，最大利用通信帶寬;在編碼組合前要對發送信息進行時效判斷，先編碼時效到期的通信信息;最后對編碼結束的數據段進行壓縮處理，形成一個完整的通信幀［18］。通過這些設計最終實現將通信信息高效、穩定和快速地進行編碼組合傳輸。優先級設計保證了通信信息的級別分類;編碼組合設計保證了帶寬的利用率;時效設計保證了通信信息的時間穩定;數據壓縮設計保證了有限帶寬基礎上更多數據的傳輸。

4結束語

針對有限帶寬的衛星通信編碼技術進行了深入研究，提出了分別采用優先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計的組合編碼方案。優先級設計采用多隊列的方式對通信信息進行分類組合，滿足了不同優先級通信信息的發送時效性。編碼組合設計采用了排序法將通信信息在編碼時進行重新組合;提高了在有限帶寬的條件下更高效地利用帶寬;時效設計通過對通信信息進行時標標識判斷，滿足了通信信息的時延需求;數據壓縮設計將通信信息進行信息壓縮，達到在有限帶寬的情況下，發送更長的通信信息幀。通過這些編碼改進設計，提高了帶寬的利用效率，并且保證了數據的時效性。本文的結論可為衛星通信編碼設計應用提供良好的理論支撐。

作者:陳亮 王迪 展昕 趙勝 單位:衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室 中國電子科技集團公司第五十四研究所 北京衛星導航中心 中國船舶重工集團公司第七二二研究所