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摘要:衛(wèi)星通信的發(fā)展已經涉及了國民生活的各個方面。對在有限通信帶寬條件下更高效、穩(wěn)定和快速地傳輸編碼的方法進行了研究。編碼方法針對不同功能特點設計了4種優(yōu)化方案，包括優(yōu)先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計。其中，優(yōu)先級設計采用了隊列設計方式，達到了不同類型通信信息不同處理的需求;編碼組合設計采用排序組合設計，達到了有限帶寬條件下編碼更多的通信信息;時效設計通過時標標識的設計保證了通信信息的時間延遲;數據壓縮設計通過對數據段進行壓縮設計達到了在發(fā)送更長通信幀的需求。試驗結果表明，通過這些優(yōu)化設計，有效提高了通信信息的效率，并滿足了通信的穩(wěn)定性和時效性等需求。

關鍵詞:有限通信帶寬;編碼方案;衛(wèi)星通信

0引言

衛(wèi)星通信指通信設備利用衛(wèi)星作為中繼進行通信的方式。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［1］。但是由于衛(wèi)星設計和自身性能等原因，用于通信的帶寬不是無限大的。當出現多個通信設備同時通過通信衛(wèi)星進行信息交換時，如果不合理安排通信模式，則會產生通信信息延遲、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外研究熱點。目前，國內外有關通信編碼技術的研究已經有了較深入的研究。例如，華為通信技術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］，解決了大數據突發(fā)通信的問題。本文則通過優(yōu)先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計等多種優(yōu)化設計組合方式對衛(wèi)星通信編碼方案進行深入研究，為衛(wèi)星通信編碼方案技術發(fā)展提供技術支持。

1衛(wèi)星通信編碼技術

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)進行標準編譯，形成一組通信信息［5］，再將多組通信信息按照衛(wèi)星通信協議進行組幀編碼后，由天線發(fā)射模塊調制并發(fā)送至通信衛(wèi)星［6］，經通信衛(wèi)星轉發(fā)器轉發(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解調、譯碼和校驗后解析出多組通信信息［7］，再按照標準編譯將每組通信信息形成相應的語音、文字或者圖像。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致衛(wèi)星無法接收和發(fā)送信息［9］。通信幀內容一般包括通信幀長度、信息組數、信息包類型、信息包長度和信息包內容等［10］。通信幀結構示意如圖2所示?？梢娫诠潭〝祿螚l件下，如果每幀的數據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)造更好的應用效果和經濟效益。

2數據編碼技術設計

2．1優(yōu)先級設計

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］。即當優(yōu)先級高的信息晚于優(yōu)先級低的信息到達時，需要將優(yōu)先級高的信息進行優(yōu)先編碼發(fā)送［14］。優(yōu)先級設計采用多隊列技術。即優(yōu)先級別高的通信信息進行通信隊列A，其他級別的通信信息進入通信隊列B，如果有多種優(yōu)先級需要則分別分配不同的通信隊列。在信息發(fā)送時先從通信隊列A取信息，將通信隊列A中的信息取完后再取通信隊列B中的信息。

2．2編碼組合設計

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。例如，當通信帶寬為1000bit時，需要發(fā)送的通信信息有通信信息包A長度600bit、通信信息包B長度500bit、通信信息包C長度300bit和通信信息包D長度400bit。如果按順序發(fā)送結果如下，在通信隊列中取出通信信息包A，則通信帶寬剩余400bit;取出通信信息包B時，會發(fā)現通信信息包B因為長度超過400bit，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400bit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200bit帶寬。第3通信幀裝入剩余的通信信息包D。共需要3幀才能將數據發(fā)完。為解決該問題，編碼組合設計中采用將通信隊列中的通信信息進行排序組合，即將通信隊列中的通信從大到小順序排列。然后在編碼時對隊列進行搜索檢查，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。當通信信息包A長度600bit、通信信息包B長度500bit、通信信息包C長度300bit和通信信息包D長度400bit時，通過排列組合變成A長度600bit、通信信息包B長度500bit、通信信息包D長度400bit和通信信息包C長度300bit。第1通信幀裝入通信信息包A的信息幀，并且還剩余400bit帶寬。搜索剩余通信幀，發(fā)現通信信息包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0bit。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200bit。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200bit。

2．3時效設計

在對通信信息進行排列組合設計后會出現來的早的、長度較小的通信信息包，因為排序靠后發(fā)送時間產生了較大的延遲。例如，通信信息包A長度300bit、通信信息包B長度900bit、通信信息包C長度800bit、通信信息包D長度850bit時，通過排列組合變成通信信息包B長度900bit、通信信息包D長度850bit、通信信息包C長度700bit和通信信息包A長度300bit。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，對每個通信信息進行時標標識。將通信信息的接收時間作為該通信信息的時標標識。發(fā)送信息判斷通信隊列中的每個通信信息的時標標識，如果判斷該通信幀的時標標識已經大于2s，則將該信息優(yōu)先發(fā)送。當通過排列組合B長度900bit、通信信息包D長度850bit、通信信息包C長度700bit和通信信息包A長度300bit，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信息標識已經大于2s，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。

2．4數據壓縮設計

實時數據壓縮技術在通信信息組合完后進行信息壓縮，使發(fā)送通信信息幀長度比實際通信信息幀長度更短，達到在有限帶寬的情況下，發(fā)送更長的通信信息幀［16］。數據壓縮技術采用數據壓縮幀緩存壓縮(FrameBufferCompression)技術，該技術是ARM公司開發(fā)的專門為幀間解碼階段節(jié)省帶寬而設計的一種無損壓縮算法［17］。經測試壓縮比約80%，則假定原有帶寬1000bit，那么現在可以發(fā)送1200bit的通信信息。

3整體設計

通過上述論述，數據編碼技術總共包括了優(yōu)先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計。當收到通信信息時首先進行優(yōu)先級判斷，將不同類型通信信息插入不同優(yōu)先級隊列;再對數據進行編碼組合設計，將隊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)送信息進行時效判斷，先編碼時效到期的通信信息;最后對編碼結束的數據段進行壓縮處理，形成一個完整的通信幀［18］。通過這些設計最終實現將通信信息高效、穩(wěn)定和快速地進行編碼組合傳輸。優(yōu)先級設計保證了通信信息的級別分類;編碼組合設計保證了帶寬的利用率;時效設計保證了通信信息的時間穩(wěn)定;數據壓縮設計保證了有限帶寬基礎上更多數據的傳輸。

4結束語

針對有限帶寬的衛(wèi)星通信編碼技術進行了深入研究，提出了分別采用優(yōu)先級設計、編碼組合設計、時效設計和數據壓縮設計的組合編碼方案。優(yōu)先級設計采用多隊列的方式對通信信息進行分類組合，滿足了不同優(yōu)先級通信信息的發(fā)送時效性。編碼組合設計采用了排序法將通信信息在編碼時進行重新組合;提高了在有限帶寬的條件下更高效地利用帶寬;時效設計通過對通信信息進行時標標識判斷，滿足了通信信息的時延需求;數據壓縮設計將通信信息進行信息壓縮，達到在有限帶寬的情況下，發(fā)送更長的通信信息幀。通過這些編碼改進設計，提高了帶寬的利用效率，并且保證了數據的時效性。本文的結論可為衛(wèi)星通信編碼設計應用提供良好的理論支撐。

作者:陳亮 王迪 展昕 趙勝 單位:衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室 中國電子科技集團公司第五十四研究所 北京衛(wèi)星導航中心 中國船舶重工集團公司第七二二研究所