基于空时喷泉码的再入间隙信道通信方法

本发明属于无线通信技术领域，涉及基于空时喷泉码的再入间隙信道通信方法。

背景技术：

高超声速飞行器在飞行过程中，飞行器表面存在迎风面和背风面，由于迎风面和背风面与外界环境的作用强度不同，因此迎风面和背风面的信道环境也不同，总体来说，迎风面与外界环境的作用剧烈，因此背风面的信道环境优于迎风面。从空域信道资源上分析，在背风面存在着许多通信的时隙。由于飞行器飞行过程中飞行姿态的不断翻滚及飞行攻角等参量的不断变化，迎风面和背风面的位置不断变换，迎风面和背风面的区域范围也变化，因此，通信时隙的位置和大小随迎风面和背风面参数的变化而改变，这种在空域分布上存在通信时隙的信道称为空域间隙信道。空域间隙信道中通信时隙的位置和大小的不确定导致其可通信时长存在不确定性，信道中通信时隙位置的随机变化和可通信时长的不确定性会导致通信链路时断时通，这导致靠长时间保持链路畅通的传统通信方式不再适用。

特别当高超声速飞行器高速返回大气层时，激波形成包围飞行器的等离子体鞘套，等离子体鞘套对电磁波产生强衰减效应，导致通信极易中断，飞行器穿越大气层形成的等离子体鞘套致使无线电信号中断的飞行区域即为黑障区，因此，解决高超声速飞行器在进入等离子体鞘套区域的连续通信问题具有重大科研与实际意义。而等离子鞘套在空域上存在的离散的通信时隙，使其具备实现解决高超声速飞行器进入等离子体鞘套区域的通信中断的可能性，但目前靠长时间保持链路畅通的传统通信方式无法实现，更无法解决通信时隙在空域分布上随机变化和可通信时长不确定性导致再入信道无线通信不稳定的问题。

中国专利cn201710953815.5公开了一种基于信道反馈的等离子鞘套下的自适应编译码方法，根据实时测量的发射天线驻波比，将信道通信质量划分为不同等级；针对不同的信道等级分别将待发送信息按照重要程度分为不同数目的等级；并根据信道变化对等级数目进行动态调整；采用喷泉码编码方式，按照“加窗式度分布函数”对待发送信息进行编码；对生成的编码包首先进行伪码编码，然后进行调制，生成调制信号；调制信号经等离子信道传输后到达接收端，接收端先对调制信号进行解调得到解调信号，再进行伪码译码，得到有效编码包；采用bp译码算法对有效编码包进行译码。该专利的技术方案主要应用于稳态等离子鞘套领域，只在时域上针对等离子鞘套信道的特点参照信道的整体状态进行了编码设计，比如在信道整体通信状况差时，增加信息的分级数目，通过提高关键信息的传输概率来提高其传输可靠性。但该专利无法解决动态等离子鞘套的通信时隙在空域分布上随机变化和可通信时长不确定性导致再入信道无线通信不稳定的问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供基于空时喷泉码的再入间隙信道通信方法，实现了高超声速飞行器在进入等离子体鞘套区域的连续通信方法，以解决通信时隙在空域分布上随机变化和可通信时长不确定性导致再入信道无线通信不稳定的问题。

本发明实施例所采用的技术方案是：基于空时喷泉码的再入间隙信道通信方法，包括：

对源信息进行喷泉码编码；

根据驻波比判断不同位置的发射天线阵处的等离子鞘套信道的通信状况；

对于不同通信状况的等离子鞘套信道，切换不同的空时喷泉码的传输方式和编码矩阵。

进一步地，根据驻波比判断不同位置的发射天线阵处的等离子鞘套信道的通信状况，采用基于vswr的信道容量估计方法，判断等离子鞘套信道的通信状况，具体实现过程如下：

实时测量发射天线的驻波比；

选取信道等级划分对应的驻波比阈值；

根据发射天线实时测量的驻波比以及信道等级划分对应的驻波比阈值，判断不同位置的发射天线阵处等离子鞘套信道的通信状况，得出不同位置的发射天线阵处等离子鞘套信道对应的信道等级。

更进一步地，信道等级划分为信道优、信道良和信道差三个等级；

当发射天线阵处等离子鞘套信道的信道等级为信道差时，采用空间分集的传输方式；

当发射天线阵处等离子鞘套信道的信道等级为信道良时，采用空间分集和空间复用相结合的传输方式；

当发射天线阵处等离子鞘套信道的信道等级为信道优时，采用空间复用的传输方式。

更进一步地，当发射天线阵处等离子鞘套信道的信道等级为信道差时，采用的编码矩阵各行之间相互正交；

当发射天线阵处等离子鞘套信道的信道等级为信道良时，采用的编码矩阵各行之间的正交性，弱于信道等级为信道差时采用的编码矩阵各行之间的正交性；

当发射天线阵处等离子鞘套信道的信道等级为信道优时，采用的编码矩阵各行之间不具有正交性。

更进一步地，该方法还包括：对接收的空时喷泉码依次进行空时译码和喷泉码译码。

本发明实施例的有益效果是：在编码层面对传统的通信方式进行了改进，针对空时域结合设计，在动态等离子鞘套信道的通信中首次提出了一种“喷泉码+空时编码”的组合编码策略即空时喷泉码，充分利用了等离子鞘套在空域上存在的离散的通信时隙，从等离子鞘套空时域信道资源协同利用的角度提出两者配合使用并且根据等离子信道的特殊性对空间传输自适应方式进行适应性的改造，空时喷泉码能够有效适应解决高超声速飞行器在进入等离子体鞘套区域“通信时隙”随机变化和可通信时长不确定性的特点，充分利用等离子鞘套在空域上存在的离散的通信时隙、喷泉码的无速率特性以及空时编码的分集和复用增益结合，提高了再入信道中空域资源的整体利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的空时喷泉码的设计框图。

图2是本发明实施例的信道等级与空间传输模式关系图。

图3是本发明实施例的空时喷泉码编码形式随snr的自适应切换变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于空时喷泉码的再入间隙信道通信方法整体设计如图1所示，其中发射天线和接收天线的数目和位置可根据飞行器的特征进行适应性布置。对源信息进行喷泉码编码，编码后的喷泉码经过调制、串并变换，根据驻波比判断不同位置的发射天线阵处的等离子鞘套信道的通信状况，对于不同通信状况的等离子鞘套信道，调整空时喷泉码的传输方式和编码矩阵，然后再根据调整的传输方式和编码矩阵进行空时喷泉码编码，空时喷泉码的传输模式包括空间分集传输模式、空间复用传输模式或二者结合的传输模式，三种空时喷泉码传输模式的切换是基于不同发射天线位置处的通信状况，而通信状态的感知是采用了基于vswr(驻波比)的信道容量估计方法。这种空时喷泉码的多编码模式切换可以及时提供分集增益、复用增益或分集增益和复用增益相结合，分集传输时所有天线均传输相同信息，相当于接收端会收到一个信息的多个副本，所以分集传输的传输可靠性更高，复用传输时所有天线传输不同信息，没有任何副本信息，所以复用传输的传输效率高，即频谱利用率高；分集传输给系统带来了分集增益，复用传输给系统带来了复用增益，分集增益和复用增益相结合可以实现传输可靠性和传输效率的有效结合，因此空时喷泉码根据不同发射天线位置处的通信状况进行多编码模式切换，可有效降低系统的误码率，大幅提高系统的频谱利用率。

各接收天线接收经各发射天线传输的空时喷泉码编码，经空时喷泉码译码得到源信息，完成基于空时喷泉码的再入间隙信道通信方法。

以8×8的多天线下行链路为例，即发射天线和接收天线的数目均为8根。若采用传统编码形式，接收天线需要对8根发射天线的数据全部正确接收，特别是对于不容数据包丢失的大型文件传输，若数据丢失，则需要反馈重发。因此在进行链路通信策略设计时需对8根发射天线和8根接收天线进行全盘考虑，用以保证8根发射天线发射的{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8}的8个信息包能够被地面接收端全部正确接收。等离子鞘套在迎风面和背风面的电子密度相差悬殊，迎风面很有可能出现因等离子鞘套对电磁波的强衰减而导致通信中断的情况，此时就需要接收端通过反馈回路告知发送端通过背风面天线将部分错误信息重新发送，而等离子鞘套信道的大时延特性又导致这种反馈重发传输方式的传输效率极低，因此，靠长时间保持链路畅通的传统通信方式无法实现高超声速飞行器在进入等离子体鞘套区域的连续通信。

无速率编码的数据包具有无速率性，发送端从一个有限量数据包开始源源不断的发送编码数据，针对任意的删除率都能得到最佳的性能，该编码方式可有效解决上述反馈重发传输方式效率低下的问题。本发明实施例所提的空时喷泉码编码方法中选用的喷泉码正是一种无速率编码，8根发射天线发射的{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8}分别对应着8个空时喷泉码编码包数据，接收端对编码包的连续性没有任何需求，丢失其中任何的编码包都不影响接收端译码，即本发明实施例即使在迎风面出现因等离子鞘套对电磁波的强衰减而导致通信中断的情况，仅通过背风面传输的编码包也可实现对所有信息的译码，而无需引入重传机制对迎风面的信息进行重发，这将提高等离子鞘套信道的传输效率和可靠性，而且在本发明实施例中8根发射天线可以分组进行设计，即可以针对迎风面和背风面的信道特征分别设计编码矩阵和空间传输方式。

本发明实施例依据信道等级对迎风面和背风面的空间信息传输方式进行设计，具体如图2所示。假设某一时刻，发射天线1-4为背风面发射天线，发射天线5-8为迎风面发射天线，8根发射天线发射的信号对应为{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8}，即x1～x8分别对应为发射天线1-8发射的信号，则空时喷泉码编码的步骤为：

(1)对信道进行等级划分：电磁波由自由空间进入等离子鞘套时，由于传输介质的变化，电磁波在介质分界面处会发生反射和透射现象，反射的电磁波能量会引起发射天线驻波比的变化。根据电磁波传输理论，反射的电磁波能量越大对应的驻波比越大，而此时信道的通信状况越差，因此可根据驻波比来判断信道的通信状况，驻波比跟信道容量直接相关，而信道容量反应的是信道的通信能力，信道通信能力的需求是跟待传输的信息量相关，具体的信道通信状况划分等级对应的驻波比阈值根据实际的应用场景进行选取。基于上述方法可通过实时测量发射天线的驻波比，分别判断迎风面和背风面发射天线阵处等离子鞘套信道的通信状况，并以此为依据分别将迎风面和背风面的信道等级划分为信道优、信道良和信道差三个等级，具体的信道等级划分对应的驻波比阈值应根据实际的应用场景进行选取，其选取过程为本技术领域公知常识，在此不再赘述；

(2)进行信息分级传输：本发明具体实施方式针对不同的信道等级分别调整空时喷泉码的传输方式和编码矩阵。例如，当信道质量为信道差时，采用空间分集的传输方式，编码矩阵为c4，编码矩阵c4中各行之间相互正交，可以使系统获得最大的分集增益，以此保证当等离子鞘套对电磁波衰减严重时通信的可靠性；当信道质量为信道良时，采用空间分集和空间复用相结合的传输方式，编码矩阵为c′4，编码矩阵c′4弱化了各行之间的正交性，兼顾了系统传输速率；当信道质量为信道优时，采用空间复用的传输方式，编码矩阵为c″4，编码矩阵c″4中各行之间不具有正交性，系统分集增益为0，但提高了系统的复用增益，可以使系统充分利用空域通信时隙进行高效的信息传输。假设信道全速率传输时r＝1，则编码矩阵c4、c′4和c″4对应的传输速率分别为1/2、2和4。

在本专利所提的空时喷泉码基础上附加上专利cn201710953815.5所提的分级技术，可进一步提高关键信息在动态等离子鞘套中传输的可靠性。

仿真分析：

等离子鞘套对电磁波有着强烈的衰减作用，而高超声速飞行器综合信道引入的强烈的随机乘性干扰同样会导致进入接收机信号的信噪比降低。为了充分利用空域资源，使空域信道资源得到最大化利用，需根据信道的通信状况变化对空时喷泉码的编码形式进行切换，综合信道传输的可靠性和传输速率，仿真中用到的空时喷泉码主要分为两种编码形式：正交空时喷泉码(f-stbc)和准正交空时喷泉码(f-qstbc)，对于4×4的多天线系统，f-stbc和f-qstbc的传输矩阵即编码矩阵分别可以表示为：

f-stbc：

f-qstbc：

f-stbc和f-qstbc的传输速率分别为：

rf-stbc＝1/2(3)

rf-qstbc＝2(4)

图3表示了随snr(信噪比)变化时空时喷泉码编码形式的自适应改变，图中主要对比了stbc(空时分组码编码)、qstbc(准正交空时码)、f-stbc(正交空时喷泉码)和f-qstbc(准正交空时喷泉码)四种传输方式在等离子鞘套传输环境中的性能。可以看出等离子鞘套信道的特殊性导致stbc和qstbc的传输性能均较差，stbc在snr＝11db时可以正常通信，而qstbc则需要在snr＝12db时才能正常通信，这主要是由于stbc编码方式的正交性优于qstbc，从而可以比qstbc获得更多的分集增益。而f-stbc和f-qstbc的传输性能明显优于stbc和qstbc，这表明喷泉码的无速率特性使等离子鞘套信道的空域信道资源得到了更好地利用。当snr<4时，f-stbc依靠更多的分集增益和喷泉码的前向纠错能力可以保证链路的正常通信，f-qstbc由于弱化了信道间的正交性从而牺牲了部分分集增益导致链路误码率(ber)较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。