深空通信中喷泉码技术研究及协议仿真

论文摘要

深空探测是指对月球和比月球更远的天体和空间进行的探测,对实施深空探测的航天器进行测控通信的系统称为深空测控通信系统。深空通信的基本特点是距离远、时延大、链路易中断、丢包率大、上下行链路带宽不对称、工作频率高和频带资源丰富等。这些特点决定了深空通信是深空探测的一个难点问题。本文根据这些特点,对深空通信中关键技术之一——信道编译码技术进行了初步的探讨,提出了LDPC-Fountain码,并进行了分析和性能仿真以及对深空通信中采用的通信协议进行了仿真平台的设计。本文首先介绍了喷泉码的基本概念和特点,然后对喷泉码的的关键问题进行了理论分析和仿真,其中包括全选问题、阶的分布问题和编译码算法;以及介绍了LDPC码的特性、结构、校验矩阵的构造方法和编译码算法,并对LDPC码的译码算法和码长对LDPC码性能的影响进行了仿真研究。在此基础上提出了在深空通信中基于喷泉码的编译码方案——采用内码为LDPC码,外码为喷泉码的LDPC-Fountain码,并分析了LDPC- Fountain码的性能和译码复杂度。本文结合STK和Socket编程实现了Deferred NAK CFDP协议仿真平台的设计。本文详细介绍了深空通信中的协议、Deferred NAK CFDP协议、Socket编程和STK相关内容,并在此基础上对仿真平台的设计进行了比较详细的介绍,设计了仿真平台的结构,并详细设计了涉及到的三个对象。仿真结果表明本文提出的LDPC-Fountain码具有较好的性能以及与码长成线性关系的译码复杂度,能够满足深空通信对于信息传输可靠性的要求,满足通信质量,在深空通信中有很大的应用潜力。本文设计的Deferred NAK CFDP协议的仿真平台以及基于STK的仿真场景演示平台,为协议的理论研究提供了直观的参考和验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外相关技术发展历史和现状
• 1.2.1 深空通信中编译码技术的研究现状
• 1.2.2 喷泉码的研究现状
• 1.2.3 LDPC码的研究现状
• 1.3 本课题研究目的及意义
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第2章 喷泉码的基本原理与仿真
• 2.1 喷泉码的基本概念和特点
• 2.2 喷泉码的类型
• 2.2.1 随机线性喷泉编码
• 2.2.2 LT码
• 2.2.3 Raptor码
• 2.3 LT码
• 2.3.1 编码
• 2.3.2 译码
• 2.3.3 LT码编码时的全选问题
• 2.3.4 LT码的阶的分布
• 2.4 本章小结
• 第3章 LDPC码的基本原理与仿真
• 3.1 LDPC码的特性
• 3.2 LDPC码的结构
• 3.2.1 LDPC码的表示
• 3.2.2 规则LDPC码
• 3.2.3 非规则LDPC码
• 3.3 LDPC码校验矩阵的构造
• 3.3.1 Gallager LDPC码
• 3.3.2 MacKay的构造方法
• 3.4 LDPC码的编码
• 3.5 LDPC码的译码算法
• 3.5.1 MP算法集
• 3.5.2 Log-BP算法
• 3.5.3 最小和算法
• 3.5.4 码长对译码性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 深空通信中喷泉码技术研究
• 4.1 深空通信的信道模型
• 4.1.1 白噪声
• 4.1.2 高斯噪声
• 4.1.3 高斯白噪声
• 4.2 级联码简介
• 4.3 LDPC-Fountain码的结构
• 4.4 LDPC-Fountain码性能分析
• 4.5 LDPC-Fountain译码复杂度分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 深空通信中的协议仿真
• 5.1 深空通信中协议介绍
• 5.1.1 在深空通信中采用TCP/IP协议的限制
• 5.1.2 针对深空通信的特点提出的CCSDS建议
• 5.1.3 Deferred NAK CFDP传输机理
• 5.2 Socket编程
• 5.2.1 套接字（Socket）的引入
• 5.2.2 客户机/服务器模式
• 5.2.3 Windows Sockets的实现
• 5.2.4 Socket编程
• 5.3 仿真工具STK（Satellite Tool Kit）
• 5.3.1 STK简介
• 5.3.2 STK/Connect模块
• 5.3.3 Visual C++与STK的连接
• 5.4 Deferred NAK CFDP协议仿真的实现
• 5.4.1 Deferred NAK CFDP协议仿真结构设计
• 5.4.2 卫星端的设计
• 5.4.3 地面站端的设计
• 5.4.4 对象STK的设计
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢