一種面向衛星通信的無速率Spinal碼通信系統設計

高向強 劉榮科 劉保國 邊紅秀 胡應夢

【摘? 要】Spinal碼作為一種新型的無速率編碼方法，頻譜效率優于現有的固定碼率編碼以及其他無速率編碼方法，能夠自適應當前的信道狀態，在航天通信和深空探測領域具有廣泛的應用前景。在AWGN信道模型下，基于USRP和IEEE 802.11協議設計和實現了一種新型無速率Spinal碼的通信系統，主要包括數據和反饋鏈路、組幀格式、碼字映射方法以及編譯碼的狀態信息同步方式。仿真和測試結果表明該系統能夠通過調整發送編碼符號個數自適應當前的信道狀態，不需要進行編碼碼率和調制模式的切換，與現有ACM架構的通信系統相比，不僅有效地提高了數據傳輸的效率，而且進一步簡化了系統設計的復雜度。

【關鍵詞】Spinal碼;無速率碼;軟件無線電技術;自適應傳輸

中圖分類號：TN919.6

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）05-0040-05

1? ?引言

在衛星通信、遙感以及深空探測等領域中，由于相對距離變化、多徑效應以及降雨等因素的影響，信道狀態是時變的。對于美國SpaceX的星鏈計劃、OneWeb的星座互聯網以及中國航天科技集團的鴻雁星座等低軌衛星星座而言，信道狀態的時變特性更加明顯。目前在航天通信技術中主要是采用固定碼率編碼和自適應編碼調制技術（ACM， Adaptive Coding and Modulation）匹配時變信道狀態[1]。由于有限的可選組合方案，頻譜效率會隨著信噪比（SNR， Signal Noise Radio）的增大呈現階梯狀變化。此外，航天通信中為了更好地適應時變信道的狀態，降低信息傳輸的誤比特率，在選擇編碼調制方案時會保留部分的余量，在一定程度上減少了信息傳輸的效率。

無速率編碼技術[2]能夠通過調整發送碼字或符號的數目適應當前信道狀態，采用單一的編碼和映射方式源源不斷地產生碼字或符號，持續地發送直到譯碼端完成譯碼，具有良好的自適應時變信道的特點。Spinal碼在二進制對稱信道（BSC， Binary Symmetric Channel）和加性高斯白噪聲信道（AWGN， Additive White Gaussian Noise Channel）下均能實現香農容量[3]，在航天通信和深空探測等領域具有良好的應用前景。

軟件無線電技術將數字化處理部分盡可能地移向天線端，實現一種通用化、模塊化和標準化的軟件定義平臺[4]。利用軟件無線電技術可以快速實現軟件編程，建立新算法和協議的通信系統。

本文針對衛星通信時變信道的場景，采用軟件無線電（USRP， Universal Software Radio Peripheral）和IEEE 802.11協議[5]設計和實現了一種面向衛星通信的無速率Spinal碼通信的系統，并在不同信道條件和調制模式下進行了性能仿真和測試。

2? ?Spinal碼

在Spinal碼中，編碼器引入Hash函數對信息進行隨機編碼，每次輸出的編碼碼字或符號不同。此外，所有信息段的Hash函數通過串行級聯的方式進行關聯，后一級的編碼碼字或符號包含之前所有的編碼信息。對于譯碼器而言，采用重構編碼過程的方法進行譯碼，依次將估計的碼字或者符號與接收的數據進行歐氏距離求和，在搜索結束后選擇最小損失的路徑作為譯碼結果進行CRC校驗，如果校驗通過則譯碼正確，編碼端開始新的信息編碼，否則繼續發送當前信息的編碼碼字或符號。

Spinal碼的編譯碼器結構如圖1所示。

圖1（a）為編碼器的結構，編碼器將信息M分為m1， m2， ……， mL共L段，每段長度為k bits。信息mi， i=1， 2， ……， L，和狀態si-1作為Hash函數的輸入，輸出為下一個狀態si，其中初始狀態s0=0。編碼器每次根據當前編碼狀態和打孔策略確定要發送的編碼信息后，隨機數產生器（RNG， Random Number Generation）在狀態信息si和pass的作用下依次產生不同編碼碼字或符號，以pass的形式發送到譯碼端。圖1（b）為譯碼器的結構，譯碼器重構了編碼過程并建立了搜索空間，依次對每層節點進行歐氏距離和計算，即x～i-x2i2。為了降低計算復雜度，每層節點搜索結束后最多保留B條損失最小的路徑，所有節點搜索結束后，選擇最小損失的路徑作為譯碼結果，并進行CRC校驗。

3? ?無速率Spinal碼通信系統

本文在AWGN信道模型下，采用USRP和IEEE 802.11協議設計了一種面向衛星通信的無速率Spinal碼通信系統[6-7]，主要從數據及反饋鏈路、組幀格式、碼字映射和解映射方法，以及編譯碼的狀態信息同步方式等方面進行了研究。本文對基于Spinal碼通信系統的數據鏈路以及反饋鏈路流程進行了設計，具體如圖2所示：

圖2（a）為Spinal碼的數據鏈路。在發送端，編碼器對信息進行編碼形成碼字，然后通過映射函數轉化為編碼符號，填充到數據幀的數據域，同時將發送的編碼符號數目和當前幀的序列號填充到幀頭的信息域，并依次完成組幀、調制和發送。編碼過程中采用單一映射函數，不需要根據信道狀態對其進行調整，因此可以按照系統支持的最大調制模式設置，比如16QAM、64QAM和256QAM等。幀頭采用IEEE 802.11協議中碼率為r=1/2的卷積碼和BPSK調制。在接收端，首先對幀頭進行解映射和譯碼，解析得到當前幀的序列號和包括的符號個數。譯碼器在接收到對應的符號后將解映射和譯碼融合在一起，直接利用已接收的符號進行譯碼。圖2（b）為Spinal碼的反饋鏈路，反饋鏈路與IEEE 802.11協議保持一致，為了確保反饋幀傳輸的可靠性，數據段和幀頭均采用r=1/2卷積碼編碼和BPSK調制。

3.1? 數據幀格式設計

Spinal碼譯碼器在譯碼時需要確定每個數據幀的符號個數，而不是編碼碼率和調制模式，因此本文設計了一種適用于該系統的數據幀幀格式，具體格式如圖3所示。

圖3（a）為IEEE 802.11協議數據幀格式，信息域中包括信息速率Rate和長度Length，解析Rate和Length可以得到當前幀的編碼速率、調制模式以及數據域中符號長度。圖3（b）為本文中數據幀格式。對于發送端和接收端而言，調制模式是固定且是已知的，接收端只需要獲得當前幀的接收符號數目即可。此外，多個幀連續發送時，譯碼器需要識別不同的數據幀。因此本文用幀序列號和編碼符號長度代替了原有協議中Rate和Length信息，并且針對Spinal碼適用于短碼的特點，分別調整了它們的表示范圍。

3.2? 碼字映射方法

在Spinal碼中，每k bits信息經過Hash和RNG后輸出編碼碼字，然后通過映射函數形成編碼符號。不同的映射方式下，編碼符號攜帶的原始信息不同，譯碼性能也不同。因此本文針對Spinal碼研究和設計了兩種不同的映射方法，并分別給出了對應的應用場景。

第一種映射方法是通過采用映射函數將一個c bits的編碼碼字直接映射為一個復數符號，高位1/2c bits對應復數符號的實部，低位1/2c bits對應復數符號的虛部，即。在譯碼器譯碼時，通過重構編碼過程將一個編碼符號映射為復數符號，并在復數空間下進行歐式距離求和計算。在該種映射方法中復數符號的實部和虛部作為一個整體直接參與計算，因此實部和虛部的映射方式可以不同，對映射函數沒有特別的要求，幾乎適用于所有的APSK、QAM等調制模式。

第二種映射方法是將兩個相鄰的編碼碼字在映射函數的作用下映射為一個復數符號，分別對應復數符號的實部和虛部，即y=x2i+j×x2i+1，其中每個編碼碼字為1/2c bits。在譯碼器譯碼時，首先需要將接收到的一個復數符號分解成為兩個實數編碼符號，并在實數空間下進行歐式距離求和計算。在該種映射方法中復數符號的實部和虛部分別對應一個編碼符號并且編碼方式相同，因此要求映射函數在形成復數符號過程中虛部和實部操作相同，因此主要適用于采用格雷碼的QAM調制模式。

3.3? 通用可擴展的編譯碼器

在信息傳輸過程中，信道狀態往往可以預先估計得到，通過當前估計的信道狀態粗略計算可以得到需要發送的編碼符號個數，此外，Spinal碼的碼長較短，因此采用有限次反饋傳輸和多幀聚合方式發送數據幀能夠有效地提高數據傳輸的效率[8]，所以需要在收發端對編譯碼的狀態進行實時同步。

針對數據幀的控制域有限，無法直接進行狀態信息同步，本文設計了一種通用可擴展的Spinal碼的編譯碼器，支持有限次反饋傳輸協議和多幀聚合協議，具體如圖4所示：

圖4（a）為可擴展的編碼器結構，Parse模塊主要對接收反饋信息進行解析;State Table模塊保存當前所有數據幀的編譯碼狀態;Spinal Encode模塊根據解析結果進行信息編碼;DRAM模塊存儲當前所有數據幀的編碼符號;Frame Group模塊根據State Table的狀態信息從DRAM中取得對應的編碼符號。圖4（b）為可擴展的譯碼器結構，State Table模塊保持當前所有數據幀的接收和譯碼狀態;Parse Frame模塊根據數據幀的幀頭信息和State Table對當前幀進行解析;DRAM模塊存儲接收到的編碼符號;Spinal Decode模塊從DRAM中得到對應幀的接收符號并完成譯碼，同時更新State Table;ACK Frame Group模塊將每個數據幀的譯碼狀態按照特定格式組合形成反饋信息。

通過這種可擴展的Spinal碼的編譯碼器，能夠在發送端和接收端對當前的編譯碼狀態進行同步，確保在有限次反饋傳輸協議和多幀聚合協議下該系統的穩定運行。

4? ?仿真測試和性能分析

本文在不同的信道狀態和調制模式下，對無速率Spinal碼的通信系統進行了仿真和測試。仿真和測試參數見表1所列：

分別仿真對比了5 dB、10 dB和15 dB信噪比下不同調制模式的譯碼性能，具體見表2：

由表2可知，復數空間的譯碼方法中，不同γ值的16APSK和16QAM的譯碼性能接近。對實數空間下的譯碼方法，16QAM的譯碼性能在高信噪比時優于前者。對于64QAM而言，這種差異更加明顯。

本文在實驗室環境中，利用兩臺高性能服務器和USRP x310對該通信系統進行了譯碼性能仿真和測試，其中一臺x310作為發送端，另一臺x310作為接收端，兩臺USRP相距1 m，Back-off為-20 dB，噪聲產生為純軟件方式，調制模式為16QAM和64QAM，譯碼性能如圖5所示。在不同的信噪比下，16QAM和64QAM下實測和仿真的譯碼曲線性能接近，同等調制方式下，優于新一代衛星廣播標準DVB-S2的ACM性能。由于衛星鏈路延遲較大，在接收端和發送端會緩存較多的數據，并且不斷地進行交互確保收發端編譯碼狀態同步，因此需要消耗一定的硬件資源以及設計對應的傳輸協議。

通過對Spinal碼的通信系統進行仿真和測試，在不同的調制模式下的譯碼性能會有差異。相同的調制模式時，與復數空間譯碼方法相比，實數空間下的譯碼性能相對較好，隨著調制階數的提高，這種譯碼性能的區別逐步增大。在不同信噪比下，該系統能夠自適應地調節發送編碼符號的個數來匹配當前的信道狀態，譯碼性能曲線呈現連續變化過程。

5? ?結束語

本文針對航天衛星通信領域中信道狀態時變、ACM技術的頻譜效率非連續，在AWGN信道模型下，通過對數據及反饋鏈路、組幀格式、碼字映射方法以及編譯碼狀態信息同步等方面進行研究，設計并實現了一種面向衛星通信的無速率Spinal碼通信系統，該系統能夠調整發送編碼符號個數自適應當前的信道變化，有效地提高了系統的傳輸性能，同時也降低了系統設計的復雜度。后續工作主要是針對衛星鏈路傳輸延遲大的場景，還需要進一步優化編譯碼的算法、結構及數據傳輸協議等。

參考文獻：

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