有限通信帶寬下衛(wèi)星通信編碼方案研究

陳 亮，王 迪，展 昕，趙 勝

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；4.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

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限大的。當(dāng)出現(xiàn)多個通信設(shè)備同時通過通信衛(wèi)星進(jìn)行信息交換時，如果不合理安排通信模式，則會產(chǎn)生通信信息延遲、丟失或無法發(fā)出等問題[2]。如何在有限通信帶寬下通過優(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內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

目前，國內(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)通信的問題。

本文則通過優(yōu)先級設(shè)計(jì)、編碼組合設(shè)計(jì)、時效設(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，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(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通過天線接收模塊接收到該信號后經(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)的語音、文字或者圖像[8]。衛(wèi)星通信示意如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信示意Fig.1 Schematic diagram of satellite communication

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(dǎo)致衛(wèi)星無法接收和發(fā)送信息[9]。通信幀內(nèi)容一般包括通信幀長度、信息組數(shù)、信息包類型、信息包長度和信息包內(nèi)容等[10]。通信幀結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。可見在固定數(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[11]。

圖2 通信幀結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Communication frame structure

2 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)先級設(shè)計(jì)

在發(fā)送信息時需要將優(yōu)先級別高的信息優(yōu)先發(fā)送，不能延遲發(fā)送[12-13]。即當(dāng)優(yōu)先級高的信息晚于優(yōu)先級低的信息到達(dá)時，需要將優(yōu)先級高的信息進(jìn)行優(yōu)先編碼發(fā)送[14]。

優(yōu)先級設(shè)計(jì)采用多隊(duì)列技術(shù)。即優(yōu)先級別高的通信信息進(jìn)行通信隊(duì)列A，其他級別的通信信息進(jìn)入通信隊(duì)列B，如果有多種優(yōu)先級需要則分別分配不同的通信隊(duì)列。在信息發(fā)送時先從通信隊(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。優(yōu)先級設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 優(yōu)先級設(shè)計(jì)流程Fig.3 Priority design flowchart

2.2 編碼組合設(shè)計(jì)

在衛(wèi)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(fā)送通信信息的效率是不同的[15]。

例如，當(dāng)通信帶寬為1 000 bit時，需要發(fā)送的通信信息有通信信息包A長度600 bit、通信信息包B長度500 bit、通信信息包C長度300 bit和通信信息包D長度400 bit。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400 bit；取出通信信息包B時，會發(fā)現(xiàn)通信信息包B因?yàn)殚L度超過400 bit，無法再加入。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400 bit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200 bit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。然后在編碼時對隊(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則將該通信信息取出裝入。編碼組合設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 編碼組合設(shè)計(jì)流程Fig.4 Coding combination design flowchart

當(dāng)通信信息包A長度600 bit、通信信息包B長度500 bit、通信信息包C長度300 bit和通信信息包D長度400 bit時，通過排列組合變成A長度600 bit、通信信息包B長度500 bit、通信信息包D長度400 bit和通信信息包C長度300 bit。第1通信幀裝入通信信息包A的信息幀，并且還剩余400 bit帶寬。搜索剩余通信幀，發(fā)現(xiàn)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0 bit。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200 bit。效率較直接順序組合發(fā)送提高了不少，減少了一個通信幀，并且剩余帶寬只有200 bit。

2.3 時效設(shè)計(jì)

在對通信信息進(jìn)行排列組合設(shè)計(jì)后會出現(xiàn)來的早的、長度較小的通信信息包，因?yàn)榕判蚩亢蟀l(fā)送時間產(chǎn)生了較大的延遲。

例如，通信信息包A長度300 bit、通信信息包B長度900 bit、通信信息包C長度800 bit、通信信息包D長度850 bit時，通過排列組合變成通信信息包B長度900 bit、通信信息包D長度850 bit、通信信息包C長度700 bit和通信信息包A長度300 bit。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。

為解決該問題，對每個通信信息進(jìn)行時標(biāo)標(biāo)識。將通信信息的接收時間作為該通信信息的時標(biāo)標(biāo)識。發(fā)送信息判斷通信隊(duì)列中的每個通信信息的時標(biāo)標(biāo)識，如果判斷該通信幀的時標(biāo)標(biāo)識已經(jīng)大于2 s，則將該信息優(yōu)先發(fā)送。

當(dāng)通過排列組合B長度900 bit、通信信息包D長度850 bit、通信信息包C長度700 bit和通信信息包A長度300 bit，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通信幀通過判斷通信信息包A信息標(biāo)識已經(jīng)大于2 s，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。時效設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 時效設(shè)計(jì)流程Fig.5 Aging design flowchart

2.4 數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)

實(shí)時數(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)送通信信息幀長度比實(shí)際通信信息幀長度更短，達(dá)到在有限帶寬的情況下，發(fā)送更長的通信信息幀[16]。

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)采用數(shù)據(jù)壓縮幀緩存壓縮(Frame Buffer Compression)技術(shù)，該技術(shù)是ARM公司開發(fā)的專門為幀間解碼階段節(jié)省帶寬而設(shè)計(jì)的一種無損壓縮算法[17]。經(jīng)測試壓縮比約80%，則假定原有帶寬1 000 bit，那么現(xiàn)在可以發(fā)送1 200 bit的通信信息。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)Fig.6 Data compression design diagram

3 整體設(shè)計(jì)

通過上述論述，數(shù)據(jù)編碼技術(shù)總共包括了優(yōu)先級設(shè)計(jì)、編碼組合設(shè)計(jì)、時效設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)。當(dāng)收到通信信息時首先進(jìn)行優(yōu)先級判斷，將不同類型通信信息插入不同優(yōu)先級隊(duì)列；再對數(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；在編碼組合前要對發(fā)送信息進(jìn)行時效判斷，先編碼時效到期的通信信息；最后對編碼結(jié)束的數(shù)據(jù)段進(jìn)行壓縮處理，形成一個完整的通信幀[18]。通過這些設(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)先級設(shè)計(jì)保證了通信信息的級別分類；編碼組合設(shè)計(jì)保證了帶寬的利用率；時效設(shè)計(jì)保證了通信信息的時間穩(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。數(shù)據(jù)編碼技術(shù)整體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)整體設(shè)計(jì)流程Fig.7 Overalldesign flowchart

4 結(jié)束語

針對有限帶寬的衛(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)先級設(shè)計(jì)、編碼組合設(shè)計(jì)、時效設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計(jì)的組合編碼方案。

優(yōu)先級設(shè)計(jì)采用多隊(duì)列的方式對通信信息進(jìn)行分類組合，滿足了不同優(yōu)先級通信信息的發(fā)送時效性。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；時效設(shè)計(jì)通過對通信信息進(jìn)行時標(biāo)標(biāo)識判斷，滿足了通信信息的時延需求；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)送更長的通信信息幀。通過這些編碼改進(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。