专利名称：一种基于喷泉码的遥测数据帧同步方法
技术领域：
本发明涉及一种基于喷泉码的数据帧同步方法，尤其涉及一种物理层信道应用喷泉码技术的遥测系统对遥测数据进行帧同步的方法，属于通信技术领域。
背景技术：
在火箭、卫星等飞行器飞行过程中，受到自身姿态改变或外部干扰的影响，可能会导致遥测数据接收出现衰减，甚至可能出现不同程度的闪断和中断。为了弥补信道增益的不足，可以提高发射功率或者增加天线口径(增益)，而最为经济有效的方法之一是采用信道编译码技术。喷泉码是一种针对数据散乱时的数据恢复技术，这类编码一般应用于网络层等上层协议，以解决单播、组播等网络中的数据传输。然而，在链路性能不稳定、存在信号闪断的·遥测或通信链路中，也可以在物理层上利用喷泉码的优良特性来恢复离散信号，从而提高数据传输效率和可靠性。喷泉码的特点在于恢复离散数据而非获取编码增益，仅使用喷泉码并不能满足链路的传输要求，因此喷泉码并不能在物理层单独使用，需要将喷泉码与性能良好的纠错码进行级联。级联码以喷泉码作为外码，传统纠错码作为内码，可以达到同时获取增益和恢复数据的目的。喷泉码从本质上说也是一种分组码，也有自身特定的数据帧结构，因此接收机中在对喷泉码译码前需要采取某种措施恢复其帧结构。对一般的遥测系统而言，往往采用加入帧同步码组的方法来完成对分组码的结构重组；但是采用喷泉码的遥测系统主要针对闪断信道的数据传输，如果信道闪断恰恰发生在帧同步码组的位置，则可能会导致整个数据帧的丢失。因此，这种传统的帧同步方法并不适合于对喷泉码的帧结构重组。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足之处，提供一种基于喷泉码的数据帧同步方法，该方法可以在任意闪断情况下保证数据帧的有效接收和解码，提高遥测系统抵抗突发错误或闪断的能力。本发明的技术解决方案是一种基于喷泉码的遥测数据帧同步方法，包括遥测数据帧同步编码步骤和遥测数据帧同步解码步骤，具体步骤如下遥测数据帧同步编码步骤如下(I)星上或箭上计算机对每一帧遥测数据进行缓存并控制输出，使每一帧遥测数据输出长度匹配事先设置的外码信息长度，外码信息由k个信息符号组成；(2)外码编码器对星上或箭上计算机输出的外码信息进行喷泉码编码，生成由n个喷泉码符号组成的喷泉码码块，外码同步标志控制器为每个喷泉码符号插入同步标志，每个喷泉码符号与插入的同步标志共同组成一个内码信息块，n个内码信息块组成一个内码息块序列，其中n > k ;(4)内码编码器对内码信息块序列进行内码编码，在每个内码信息块之后生成校验位，然后由内码同步码生成器在每个内码信息块校验位之后生成内码同步码，一个内码信息块、校验位和内码同步码共同组成一个内码码块，n个内码码块形成一个级联码结构从而完成一帧遥测数据帧同步编码；(5)星上或箭上遥测系统将完成同步编码的遥测数据帧进行调制后向地面发送。遥测数据帧同步解码步骤如下(I)地面遥测系统对星上或箭上发送的遥测帧进行解调，将解调后的遥测数据帧进行内码帧同步得到一帧完整的内码码块；(2)内码译码器对每个内码码块进行内码译码得到带有校验位的内码信息块，然后由内码译码器对带有校验位的内码信息块进行内码检错来判断译出的内码信息块是否正确，若内码信息块正确则进行步骤(3)的操作，否则进行下一帧内码码块的处理；(3)内码译码器提取内码信息块中的外码同步标志，对外码同步标志进行检错从 而判断内码信息块是否有效，若内码信息块有效则进行步骤(4)的操作，否则进行下一帧内码码块的处理；(4)内码译码器根据提取出的外码同步标志得到当前处理的内码信息块在喷泉码码块中的位置，当获得所有内码信息块在喷泉码码块的位置则重组喷泉码码块结构从而形成一个完整的喷泉码码块，最后对完整的喷泉码码块进行外码译码，输出一帧原始遥测数据。本发明与现有技术相比的有益效果是本发明针对喷泉码数据恢复特性，采用在码组中加入若干同步标志的方法进行数据帧同步，即使在闪断信道环境下丢失了部分同步标志，也可以根据保留下来的同步标志符号恢复出接收信息在原有数据帧中的正确位置，并且喷泉码的特性就是可以恢复发生在一定比例范围内丢包的数据，从而解决了任意闪断情况下的数据帧同步问题，大大提高数据恢复率。利用本发明的方法，当信道闪断概率为10%的情况下，可以将数据恢复总量从90%提闻到99%左右。
图I是本发明喷泉码编码及同步结构示意图；图2是本发明喷泉级联码的码型结构随编码过程变化示意图；图3是本发明遥测数据帧同步解码流程图；图4是本发明实施例的内码结构示意图。
具体实施例方式图I为喷泉码级联编码及同步结构示意图，喷泉码级联码系统包括外码编码器、外码同步标志控制器、内码编码器和内码块同步码生成器。外码编码器完成对喷泉码的编码功能。外码同步标志控制器对喷泉码符号插入同步标志。控制器对每个喷泉码符号插入同步标志，每个喷泉码符号与插入的同步标志共同组成一个内码信息块，之后送入内码编码器。内码编码器完成对某种作为内码的纠错码的编码功能，在每个内码信息块之后生成校验位。内码一般选择纠错性能较好，复杂度不高的码型，比如TPC码、LDPC码等。
内码同步码生成器是在内码信息块校验位之后生成内码同步码，内码信息块、校验位和内码同步码共同组成一个内码码块。由于一个内码码块所包含数据长度相对于一个级联码结构长度而言比重较小，甚至可以看作是一个基本的数据包单位，即使丢弃整个内码码块也不会对数据的最终恢复造成较大的影响，因此内码适于采用简单的传统帧同步方法。如图2所示是本发明从原始信息到级联码结构的码型变化示意图。从图中可以看出，插入的外码同步标志是一系列标号计数信息，如1，2，…，n。外码同步标志同样作为内码的冗余信息，参与内码编码，同步标志本身所占的冗余量为「log2 l 比特，D表示向上取整；同时，为了提高同步标志信息的可靠性，也可以采用某种检错保护措施，比如重复码、校验码或CRC等。另外，内码中还需要加入若干比特的填充标志，用于指示该帧码字是否有效。对于喷泉码而言，发生部分信息丢失不会对译码结果有影响，但是出现错误信息却是不可容忍的，很有可能造成严重的错误扩散。因此加入填充标志以及同步标志的检错措施虽然略微增加了编码的冗余信息量，降低了传输的有效性，但是这些措施都是为了提高内码译码数据的错误检出概率，减小最终的信息错误。如图3所示是本发明译码端喷泉码帧同步方法的流程图，也是本发明同步方法的核心部分。处理流程如下首先，地面遥测系统将解调后的遥测数据帧经过内码帧同步得到一帧完整的内码码块，内码译码器对每个内码码块进行内码译码得到带有校验位的内码信息块，对带有校验位的内码信息块进行内码检错来判断译出的内码信息块是否正确，若正确则进行下一步操作，否则进行下一帧内码码块的处理；其次，从得到的内码信息块中提取出外码同步标志，对外码同步标志进行检错，判断内码信息块的有效性，若有效则进行下一步操作，否则进行下一帧内码码块的处理；再次，根据提取出的外码同步标志得到当前处理的内码信息块在喷泉码码块中的位置，当得到所有内码信息块在喷泉码码块的位置则重组喷泉码码块结构，形成完整的喷泉码码块，对完整的喷泉码码块进行外码译码，输出一帧原始遥测数据帧。下面列举一个具体的实施示例。实施示例I的外码喷泉码是LT码，信息长度8000符号，符号长度为32比特，编码效率为2/3 ;内码采用(57，64)2的TPC码，有效信息长度为3200比特，冗余信息长度为49比特，校验位长度为847比特。实施示例对应的内码码型结构图如图4所示。编码端的具体实施过程步骤一，星上或箭上计算机对每一帧遥测数据进行缓存，同时控制缓存输出，使每一中贞输出长度匹配设置的外码信息长度，即输出长度8000符号，每个符号32比特；步骤二，外码编码器对外码信息进行编码，输出长度为12000符号的喷泉码码字，符号长度仍为32比特；步骤三，外码同步标志控制器首先根据内码有效信息长度对外码码字进行结构重组，即每3200比特分隔成一组信息块，因此每100个喷泉码符号组成一组，一帧喷泉码组被分隔为120组内码信息块；从而外码符号同步标志至少占用8比特空间，同步标志的另一部分是码同步标志，用以区分前后相邻的两帧喷泉码组，占用3比特；在此，采用三倍重复码方式对同步符号进行检错保护，即复制完全相同的三份标志信息，共占用33比特，并将其放在每组内码信息块前面，组成3233比特信息块；步骤四，内码编码器对送入的信息块进行TPC编码，若送入为有效信息块，则在信息块前加入16比特填充标志，例如16’hffff表示有效信息块，16’h0000表示无效信息块，至此共组成3249比特信息块，TPC编码后生成849比特校验位；步骤五，内码块同步码生成 器为内码生成帧同步码组，例如常用的是32比特32’ hlacffcld,并将帧同步码组加入每个TPC码块的帧尾，至此完成编码功能。译码端的具体实施过程步骤一，解调数据经过内码帧同步得到一帧完整的TPC码字，送入TPC译码器进行译码；步骤二，将TPC译码结果送入TPC码校验器，分别对TPC码中每行奇偶校验分量码进行行校验，若所有行均通过校验，则认为该帧TPC码字译码正确，否则若出现任一行校验错误，证明其译码有误，则主动丢弃该帧TPC码字；步骤三，从通过校验的TPC正确译码信息块中，提取填充标志和外码同步标志，若提取的填充标志与已知加入的完全一致，则证明该数据帧有效，否则即使该数据帧有效，至少可以说明出现误码，因此丢弃该帧数据；同理，若提取出的外码同步标志的三倍复制部分也完全一致，则认为该部分信息正确，并将其作为位置信息的依据，否则也可以说明出现了误码，同样丢弃数据；步骤四，根据解析出的同步标号信息作为喷泉码的位置依据，对数据进行重组，待接收到同一帧喷泉码的最后一个内码块信息，或者接收到不同帧的喷泉码的内码块信息后，则认为一帧完整喷泉码接收完毕，将其送入外码译码器进行喷泉码译码，最终恢复出原始息并输出。本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
权利要求
1.ー种基于喷泉码的遥测数据帧同步方法，其特征在于包括遥测数据帧同步编码步骤和遥测数据帧同步解码步骤，具体步骤如下 遥测数据帧同步编码步骤如下 (1)星上或箭上计算机对每ー帧遥测数据进行缓存并控制输出，使每ー帧遥测数据输出长度匹配事先设置的外码信息长度，外码信息由k个信息符号组成； (2)外码编码器对星上或箭上计算机输出的外码信息进行喷泉码编码，生成由n个喷泉码符号组成的喷泉码码块，外码同步标志控制器为每个喷泉码符号插入同步标志，每个喷泉码符号与插入的同步标志共同组成ー个内码信息块，n个内码信息块组成一个内码信息块序列，其中n>k; (4)内码编码器对内码信息块序列进行内码编码，在每个内码信息块之后生成校验位，然后由内码同步码生成器在每个内码信息块校验位之后生成内码同步码，一个内码信息块、校验位和内码同步码共同组成ー个内码码块，n个内码码块形成一个级联码结构从而完成一帧遥测数据帧同步编码； (5)星上或箭上遥测系统将完成同步编码的遥测数据帧进行调制后向地面发送。
遥测数据帧同步解码步骤如下 (1)地面遥测系统对星上或箭上发送的遥测帧进行解调，将解调后的遥测数据帧进行内码帧同步得到一帧完整的内码码块； (2)内码译码器对每个内码码块进行内码译码得到带有校验位的内码信息块，然后由内码译码器对带有校验位的内码信息块进行内码检错来判断译出的内码信息块是否正确，若内码信息块正确则进行步骤(3)的操作，否则进行下一帧内码码块的处理； (3)内码译码器提取内码信息块中的外码同步标志，对外码同步标志进行检错从而判断内码信息块是否有效，若内码信息块有效则进行步骤(4)的操作，否则进行下一帧内码码块的处理； (4)内码译码器根据提取出的外码同步标志得到当前处理的内码信息块在喷泉码码块中的位置，当获得所有内码信息块在喷泉码码块的位置则重组喷泉码码块结构从而形成一个完整的喷泉码码块，最后对完整的喷泉码码块进行外码译码，输出ー帧原始遥测数据。
全文摘要
本发明公开了一种基于喷泉码的数据帧同步方法，包括遥测数据帧同步编码步骤和遥测数据帧同步解码步骤.本发明针对喷泉码数据恢复特性，采用在码组中加入若干同步标志的方法进行数据帧同步，即使在闪断信道环境下丢失了部分同步标志，也可以根据保留下来的同步标志符号恢复出接收信息在原有数据帧中的正确位置，并且喷泉码的特性就是可以恢复发生在一定比例范围内丢包的数据，从而解决了任意闪断情况下的数据帧同步问题，大大提高数据恢复率。利用本发明的方法，当信道闪断概率为10％的情况下，可以将数据恢复总量从90％提高到99％左右。
文档编号H04L7/00GK102801495SQ20121020892
公开日2012年11月28日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者林一, 丁兴文, 王晓波 申请人:北京遥测技术研究所