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摘要:衛(wèi)星通信的發(fā)展已經(jīng)涉及了國(guó)民生活的各個(gè)方面。對(duì)在有限通信帶寬條件下更高效、穩(wěn)定和快速地傳輸編碼的方法進(jìn)行了研究。編碼方法針對(duì)不同功能特點(diǎn)設(shè)計(jì)了4種優(yōu)化方案，包括優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)、編碼組合設(shè)計(jì)、時(shí)效設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)。其中，優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)采用了隊(duì)列設(shè)計(jì)方式，達(dá)到了不同類型通信信息不同處理的需求;編碼組合設(shè)計(jì)采用排序組合設(shè)計(jì)，達(dá)到了有限帶寬條件下編碼更多的通信信息;時(shí)效設(shè)計(jì)通過(guò)時(shí)標(biāo)標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)保證了通信信息的時(shí)間延遲;數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行壓縮設(shè)計(jì)達(dá)到了在發(fā)送更長(zhǎng)通信幀的需求。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)這些優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提高了通信信息的效率，并滿足了通信的穩(wěn)定性和時(shí)效性等需求。

關(guān)鍵詞:有限通信帶寬;編碼方案;衛(wèi)星通信

0引言

衛(wèi)星通信指通信設(shè)備利用衛(wèi)星作為中繼進(jìn)行通信的方式。衛(wèi)星通信具有通信范圍大、可靠性高和通信簡(jiǎn)單迅速等優(yōu)點(diǎn)［1］。但是由于衛(wèi)星設(shè)計(jì)和自身性能等原因，用于通信的帶寬不是無(wú)限大的。當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)通信設(shè)備同時(shí)通過(guò)通信衛(wèi)星進(jìn)行信息交換時(shí)，如果不合理安排通信模式，則會(huì)產(chǎn)生通信信息延遲、丟失或無(wú)法發(fā)出等問(wèn)題［2］。如何在有限通信帶寬下通過(guò)優(yōu)化通信編碼方案將通信信息進(jìn)行合理資源分配，滿足在各種特殊環(huán)境下的通信需要已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)通信編碼技術(shù)的研究已經(jīng)有了較深入的研究。例如，華為通信技術(shù)有限公司提出了采用混合編碼發(fā)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(shù)據(jù)突發(fā)通信的問(wèn)題。本文則通過(guò)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)、編碼組合設(shè)計(jì)、時(shí)效設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)等多種優(yōu)化設(shè)計(jì)組合方式對(duì)衛(wèi)星通信編碼方案進(jìn)行深入研究，為衛(wèi)星通信編碼方案技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1衛(wèi)星通信編碼技術(shù)

采用衛(wèi)星通信時(shí)，通信終端A首先將不同類型通信信息(包括語(yǔ)音、文字或者圖像等)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)編譯，形成一組通信信息［5］，再將多組通信信息按照衛(wèi)星通信協(xié)議進(jìn)行組幀編碼后，由天線發(fā)射模塊調(diào)制并發(fā)送至通信衛(wèi)星［6］，經(jīng)通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給另一通信終端B，通信終端B通過(guò)天線接收模塊接收到該信號(hào)后經(jīng)解調(diào)、譯碼和校驗(yàn)后解析出多組通信信息［7］，再按照標(biāo)準(zhǔn)編譯將每組通信信息形成相應(yīng)的語(yǔ)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(shí)會(huì)控制幀長(zhǎng)度不超過(guò)帶寬限制，防止因通信幀長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致衛(wèi)星無(wú)法接收和發(fā)送信息［9］。通信幀內(nèi)容一般包括通信幀長(zhǎng)度、信息組數(shù)、信息包類型、信息包長(zhǎng)度和信息包內(nèi)容等［10］。通信幀結(jié)構(gòu)示意如圖2所示?？梢?jiàn)在固定數(shù)據(jù)段條件下，如果每幀的數(shù)據(jù)段都填滿了通信信息，即在有限條件下提高了衛(wèi)星帶寬的利用率，通過(guò)充分利用通信帶寬可創(chuàng)造更好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

2數(shù)據(jù)編碼技術(shù)設(shè)計(jì)

2．1優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

在發(fā)送信息時(shí)需要將優(yōu)先級(jí)別高的信息優(yōu)先發(fā)送，不能延遲發(fā)送［12－13］。即當(dāng)優(yōu)先級(jí)高的信息晚于優(yōu)先級(jí)低的信息到達(dá)時(shí)，需要將優(yōu)先級(jí)高的信息進(jìn)行優(yōu)先編碼發(fā)送［14］。優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)采用多隊(duì)列技術(shù)。即優(yōu)先級(jí)別高的通信信息進(jìn)行通信隊(duì)列A，其他級(jí)別的通信信息進(jìn)入通信隊(duì)列B，如果有多種優(yōu)先級(jí)需要?jiǎng)t分別分配不同的通信隊(duì)列。在信息發(fā)送時(shí)先從通信隊(duì)列A取信息，將通信隊(duì)列A中的信息取完后再取通信隊(duì)列B中的信息。

2．2編碼組合設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星通信時(shí)，每次通信信息的長(zhǎng)度都是不固定的。所以在不同的編碼組合方式下發(fā)送通信信息的效率是不同的。例如，當(dāng)通信帶寬為1000bit時(shí)，需要發(fā)送的通信信息有通信信息包A長(zhǎng)度600bit、通信信息包B長(zhǎng)度500bit、通信信息包C長(zhǎng)度300bit和通信信息包D長(zhǎng)度400bit。如果按順序發(fā)送結(jié)果如下，在通信隊(duì)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(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)通信信息包B因?yàn)殚L(zhǎng)度超過(guò)400bit，無(wú)法再加入。第1通信幀只能發(fā)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(shù)據(jù)發(fā)完。為解決該問(wèn)題，編碼組合設(shè)計(jì)中采用將通信隊(duì)列中的通信信息進(jìn)行排序組合，即將通信隊(duì)列中的通信從大到小順序排列。然后在編碼時(shí)對(duì)隊(duì)列進(jìn)行搜索檢查，如果還含有可裝入剩余帶寬的通信信息時(shí)則將該通信信息取出裝入。當(dāng)通信信息包A長(zhǎng)度600bit、通信信息包B長(zhǎng)度500bit、通信信息包C長(zhǎng)度300bit和通信信息包D長(zhǎng)度400bit時(shí)，通過(guò)排列組合變成A長(zhǎng)度600bit、通信信息包B長(zhǎng)度500bit、通信信息包D長(zhǎng)度400bit和通信信息包C長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)通信信息包D長(zhǎng)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(fā)送提高了不少，減少了一個(gè)通信幀，并且剩余帶寬只有200bit。

2．3時(shí)效設(shè)計(jì)

在對(duì)通信信息進(jìn)行排列組合設(shè)計(jì)后會(huì)出現(xiàn)來(lái)的早的、長(zhǎng)度較小的通信信息包，因?yàn)榕判蚩亢蟀l(fā)送時(shí)間產(chǎn)生了較大的延遲。例如，通信信息包A長(zhǎng)度300bit、通信信息包B長(zhǎng)度900bit、通信信息包C長(zhǎng)度800bit、通信信息包D長(zhǎng)度850bit時(shí)，通過(guò)排列組合變成通信信息包B長(zhǎng)度900bit、通信信息包D長(zhǎng)度850bit、通信信息包C長(zhǎng)度700bit和通信信息包A長(zhǎng)度300bit。第1通信幀發(fā)送通信信息包B，第2通信幀發(fā)送通信信息包D，第3通信幀發(fā)送通信信息包C，第4通信幀才能發(fā)送通信信息包A。為解決該問(wèn)題，對(duì)每個(gè)通信信息進(jìn)行時(shí)標(biāo)標(biāo)識(shí)。將通信信息的接收時(shí)間作為該通信信息的時(shí)標(biāo)標(biāo)識(shí)。發(fā)送信息判斷通信隊(duì)列中的每個(gè)通信信息的時(shí)標(biāo)標(biāo)識(shí)，如果判斷該通信幀的時(shí)標(biāo)標(biāo)識(shí)已經(jīng)大于2s，則將該信息優(yōu)先發(fā)送。當(dāng)通過(guò)排列組合B長(zhǎng)度900bit、通信信息包D長(zhǎng)度850bit、通信信息包C長(zhǎng)度700bit和通信信息包A長(zhǎng)度300bit，第1通信幀發(fā)送通信信息包B，第2通信幀發(fā)送通信信息包D，第3通信幀通過(guò)判斷通信信息包A信息標(biāo)識(shí)已經(jīng)大于2s，則優(yōu)先發(fā)送信信息包A，第4通信幀發(fā)送通信信息包C。

2．4數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在通信信息組合完后進(jìn)行信息壓縮，使發(fā)送通信信息幀長(zhǎng)度比實(shí)際通信信息幀長(zhǎng)度更短，達(dá)到在有限帶寬的情況下，發(fā)送更長(zhǎng)的通信信息幀［16］。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)采用數(shù)據(jù)壓縮幀緩存壓縮(FrameBufferCompression)技術(shù)，該技術(shù)是ARM公司開(kāi)發(fā)的專門(mén)為幀間解碼階段節(jié)省帶寬而設(shè)計(jì)的一種無(wú)損壓縮算法［17］。經(jīng)測(cè)試壓縮比約80%，則假定原有帶寬1000bit，那么現(xiàn)在可以發(fā)送1200bit的通信信息。

3整體設(shè)計(jì)

通過(guò)上述論述，數(shù)據(jù)編碼技術(shù)總共包括了優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)、編碼組合設(shè)計(jì)、時(shí)效設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)。當(dāng)收到通信信息時(shí)首先進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷，將不同類型通信信息插入不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列;再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼組合設(shè)計(jì)，將隊(duì)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(duì)發(fā)送信息進(jìn)行時(shí)效判斷，先編碼時(shí)效到期的通信信息;最后對(duì)編碼結(jié)束的數(shù)據(jù)段進(jìn)行壓縮處理，形成一個(gè)完整的通信幀［18］。通過(guò)這些設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)將通信信息高效、穩(wěn)定和快速地進(jìn)行編碼組合傳輸。優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)保證了通信信息的級(jí)別分類;編碼組合設(shè)計(jì)保證了帶寬的利用率;時(shí)效設(shè)計(jì)保證了通信信息的時(shí)間穩(wěn)定;數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)保證了有限帶寬基礎(chǔ)上更多數(shù)據(jù)的傳輸。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)有限帶寬的衛(wèi)星通信編碼技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了分別采用優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)、編碼組合設(shè)計(jì)、時(shí)效設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)的組合編碼方案。優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)采用多隊(duì)列的方式對(duì)通信信息進(jìn)行分類組合，滿足了不同優(yōu)先級(jí)通信信息的發(fā)送時(shí)效性。編碼組合設(shè)計(jì)采用了排序法將通信信息在編碼時(shí)進(jìn)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(shí)效設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)通信信息進(jìn)行時(shí)標(biāo)標(biāo)識(shí)判斷，滿足了通信信息的時(shí)延需求;數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)將通信信息進(jìn)行信息壓縮，達(dá)到在有限帶寬的情況下，發(fā)送更長(zhǎng)的通信信息幀。通過(guò)這些編碼改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了帶寬的利用效率，并且保證了數(shù)據(jù)的時(shí)效性。本文的結(jié)論可為衛(wèi)星通信編碼設(shè)計(jì)應(yīng)用提供良好的理論支撐。

作者:陳亮 王迪 展昕 趙勝 單位:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所