自由空間光通信系統(tǒng)中的差錯控制協(xié)議的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的高效可行的自由空間光通信系統(tǒng)中的差錯控制協(xié)議，在發(fā)送端：從主機中提取需發(fā)送的報文并進(jìn)行分組，對組中的數(shù)據(jù)幀編號，由隨機序列生成器所產(chǎn)生的隨機數(shù)隨機選擇多個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行簡單的模2加運算，得到編碼幀；在接收端：通過光電轉(zhuǎn)換，解調(diào)輸出編碼幀，進(jìn)行模2加滾動譯碼，恢復(fù)報文并發(fā)送分組接收正確ACK應(yīng)答。其有益效果在于：（1）不需要對信道參數(shù)進(jìn)行預(yù)估計，不需要反饋重傳；解決了HARQ或ARQ協(xié)議中需要反饋重傳所造成的信道資源和通信時間的巨大浪費問題；（2）對多個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行簡單的模2加運算，實現(xiàn)多幀信息的疊加，使發(fā)送的編碼幀之間具有了相關(guān)性；（3）自動消除干擾并適應(yīng)鏈路動態(tài)變化，保證了數(shù)據(jù)完全可靠的傳輸。
【專利說明】自由空間光通信系統(tǒng)中的差錯控制協(xié)議
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自由空間光通信傳輸控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種遠(yuǎn)距離，高速率激光通信系統(tǒng)中的差錯控制協(xié)議。
技術(shù)背景
[0002]近年來，隨著高功率激光器制造技術(shù)和快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP)技術(shù)的飛速發(fā)展，星地高速激光通信技術(shù)已取得了明顯進(jìn)步。目前，美國宇航局開始設(shè)施月球激光通訊示范計劃(LIXD)。并于2013年，美國航天局利用激光束將名畫《蒙娜麗莎的微笑》傳輸?shù)嚼@月飛行的“月球勘測軌道飛行器”上，這是人類首次利用激光在星際間進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸，從而證實了月球雙向激光通訊技術(shù)的可行性。并且，在近日開展的實際驗證中，LIXD設(shè)備在38.5萬公里的距離上，達(dá)到了 622兆每秒的下載速度，上載速度也達(dá)到每秒20兆，從而創(chuàng)造了行星際數(shù)據(jù)通訊的速度新紀(jì)錄。這一下載速度比目前最先進(jìn)的無線電通訊手段的最大傳輸速率還要快6倍以上，而其上傳的速度則更是比目前的設(shè)備要快5000倍以上。激光通信將會取代無線電通信，成為未來星際自由空間高速通信的必然趨勢。
[0003]激光通信以其高速率，遠(yuǎn)距離，小器件等優(yōu)點成為未來星際自由空間高速通信的首選，而信道差錯控制技術(shù)則是其極其重要且不可分割的一部分。目前，自由空間光通信速率理論上限可以達(dá)到50G，但由于大氣湍流的影響，其通信過程中的鏈路中斷甚至達(dá)到毫秒級。因此，前向糾錯碼(FEC)技術(shù)受限于碼字長度(最長的糾錯碼只有幾千比特，而且糾錯能力也不超過100比特)有限且編碼速率固定的特性，雖然通過混合自動重傳(HARQ，hybrid-ARQ)部分解決以上問題，但是該方案存在碼率不夠靈活、對信道變化的實時支持不夠，譯碼復(fù)雜度高，且需要對信道參數(shù)進(jìn)行預(yù)估計等問題。而且對于長距離激光通信而言，在信道狀況比較惡劣時，重傳次數(shù)會大大增加，而每一次重傳都將浪費微秒甚至毫秒量級的時間，這就意味著大約幾十兆甚至幾千兆比特數(shù)據(jù)的丟失，且每一次重傳都不能保證數(shù)據(jù)的正確性，這個結(jié)果對于高速數(shù)據(jù)通信而言幾乎是個噩夢。因此，設(shè)計一個合適的差錯控制協(xié)議，是遠(yuǎn)距離激光通信急需解決`且及其重要的技術(shù)問題之一。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對自由空間光通信中由于大氣湍流及光端機平臺抖動等因素引起的通信中斷問題，提出一種高效可行的自由空間光通信系統(tǒng)中的差錯控制協(xié)議。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案包括:
在發(fā)送端:
1)從主機中提取需發(fā)送的報文并進(jìn)行分組，
2)對每個分組中的數(shù)據(jù)幀依次編號為:1，2，-- ? , K,
3)在K個數(shù)據(jù)幀中產(chǎn)生隨機種子，并賦予隨機種子標(biāo)識值，
4)對每個隨機種子的信息字段、地址字段及幀序號標(biāo)識進(jìn)行模2加編碼，5)之后，進(jìn)行幀裝配，得到編碼幀，
6)對編碼幀進(jìn)行光載波調(diào)制后發(fā)送；
在接收端:
7)光接收機通過光電轉(zhuǎn)換，解調(diào)輸出編碼幀，
8)對該編碼幀進(jìn)行糾錯譯碼及信息校驗，若通過校驗，則保留此編碼幀，否則丟棄，
9)提取保留編碼幀的隨機種子標(biāo)識，將隨機種子標(biāo)識值>I的編碼幀緩存下來，
10)進(jìn)行模2加滾動譯碼，
11)同時，判斷該分組中發(fā)送的所有數(shù)據(jù)幀是否全部正確接收，若沒有，則重復(fù)7)以下步驟，直到全部正確接收完畢，
12)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀,恢復(fù)報文并發(fā)送ACK應(yīng)答；
13)發(fā)送端接收到ACK應(yīng)答后，停止當(dāng)前分組數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，改發(fā)下一組報文信息。
[0007]在本方案中，為獲得性能增益，需對分組 中的數(shù)據(jù)幀數(shù)有一定的選擇。從主機中提取需發(fā)送的報文并進(jìn)行分組，設(shè)分組編號為:Al，A2，? ? ?，An，分組中的數(shù)據(jù)幀依次編號為:1，2，? ? ? ,K0對于從主機中取得的報文數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)大小確定，若分組中數(shù)據(jù)幀數(shù)K太小,會使分組數(shù)大大增加,而完成每一分組發(fā)送后,接收端都需發(fā)送一次ACK應(yīng)答，這樣使得通信中應(yīng)答次數(shù)巨增，從而浪費通信時間和信道資源。若分組中數(shù)據(jù)幀數(shù)K太大，對系統(tǒng)的計算能力及內(nèi)存要求太高，難以實現(xiàn)。因此，在步驟2)，K的取值范圍為100~50000。
[0008]在步驟3)，隨機種子產(chǎn)生的過程是:隨機序列生成器產(chǎn)生一個隨機正整數(shù)al，作為隨機種子標(biāo)識值，然后在該分組中選取均勻分布的隨機的al個數(shù)據(jù)幀作為隨機種子；
其中，I ^ al ^ K0
[0009]在步驟4)，若隨機種子標(biāo)識值等于I則不進(jìn)行模2加編碼。
[0010]在步驟5)，所述幀裝配包括:將隨機種子標(biāo)識值及控制字段添加到數(shù)據(jù)幀，然后對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行循環(huán)冗余校驗檢錯編碼，再接著對數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外的其他所有比特位進(jìn)行糾錯編碼，最后將幀頭、幀尾添加到數(shù)據(jù)幀。
[0011]在步驟10)，首先，尋找隨機種子標(biāo)識值為I的編碼幀，直接恢復(fù)此編碼幀為對應(yīng)編號的數(shù)據(jù)幀，并將隨機種子標(biāo)識值減I;
其次，對緩存中隨機種子標(biāo)識值> I的編碼幀，將其中與隨機種子標(biāo)識值為I相關(guān)聯(lián)的編碼幀做如下處理:A.編碼幀中數(shù)據(jù)更新為其本身編碼幀與對應(yīng)相關(guān)聯(lián)的隨機種子標(biāo)識值為I的編碼幀模2加后的值；B.編碼幀隨機種子標(biāo)識值減I ;最后，判斷所有編碼幀隨機種子標(biāo)識值是否為1，若為I則譯碼完成；否則，繼續(xù)接收光信號，重復(fù)執(zhí)行以上步驟，直到譯碼完成。
[0012]在本方案中，為獲得性能增益，需對幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定，編碼幀結(jié)構(gòu)中，
幀頭:標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的起始位置；
隨機種子標(biāo)識:隨機序列生成器所產(chǎn)生的正整數(shù)，標(biāo)識此幀是由本分組中多少個數(shù)據(jù)幀模2加編碼而成的；
幀序號標(biāo)識:報文數(shù)據(jù)進(jìn)行分組后，每分組中的幀順序標(biāo)識；
控制字段:幀傳輸協(xié)議中的控制信息；
地址字段:預(yù)留地址信息；
信息字段:需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息；檢錯編碼:對此數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外的其他比特位進(jìn)行錯誤檢測編碼；
糾錯編碼:檢測編碼后，對此數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外的其他比特位進(jìn)行錯誤糾正編碼； 幀尾:標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的截止位置。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
(1)適用于速率高，信道環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)丟失及錯誤率高的自由空間光通信環(huán)境，其特點為不需要對信道參數(shù)進(jìn)行預(yù)估計，不需要反饋重傳。
[0014](2)通過隨機序列生成器所產(chǎn)生的隨機數(shù)隨機選擇多個(大于等于1個)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行簡單的模2加運算，實現(xiàn)多幀信息的疊加，使最后發(fā)送的編碼幀之間具有了相關(guān)性。由于在信道狀況比較惡劣時，采用混合自動重傳(HARQ，hybrid-ARQ)協(xié)議會使重傳次數(shù)大大增加，而每一次重傳都將浪費微秒甚至毫秒量級的時間，這就意味著大約幾十兆甚至幾千兆比特數(shù)據(jù)的丟失，且無法保證每一次重傳數(shù)據(jù)的正確性；而本發(fā)明的方案不需要反饋重傳，解決了 HARQ或ARQ協(xié)議中需要反饋重傳所造成的信道資源和通信時間上的巨大浪費問題。
[0015](3)能夠針對自由空間光通信所面臨的復(fù)雜的空時變特性與空時域相關(guān)約束以及收發(fā)雙端信道狀態(tài)互不完全確知的實際場景，自動消除干擾的影響并極易適應(yīng)鏈路動態(tài)變化，保證了數(shù)據(jù)完全可靠的傳輸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的差錯控制協(xié)議流程框圖。
[0017]圖2是本發(fā)明的幀結(jié)構(gòu)圖。
[0018]
【具體實施方式】
[0019]從主機中提取需發(fā)送的報文并進(jìn)行分組，之后對每個分組中的數(shù)據(jù)幀依次編號% -.1,2, ? ? ?，K，K 取值在 100 到 50000 之間；
根據(jù)隨機序列生成器所產(chǎn)生的隨機種子標(biāo)識值al，采用I到K之間的均勻分布隨機序列生成器產(chǎn)生al個隨機數(shù)BI，B2，? ? ?，Bal，選擇BI，B2，? ? ?，Bal。對這al個數(shù)據(jù)幀中的信息字段、地址字段(預(yù)留)及幀序號標(biāo)識進(jìn)行模2加編碼(若隨機種子標(biāo)識值al等于I則不進(jìn)行模2加編碼)。接著將隨機種子標(biāo)識值al及控制字段添加到數(shù)據(jù)幀，之后對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行循環(huán)冗余校驗檢錯編碼，接著對數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外的其他所有比特位進(jìn)行糾錯編碼，最后將幀頭、幀尾添加到數(shù)據(jù)幀，得到編碼幀。
[0020]發(fā)送端對編碼幀進(jìn)行光載波調(diào)制后發(fā)送；
接收端的光接收機通過光電轉(zhuǎn)換，解調(diào)輸出編碼幀。之后提取該幀進(jìn)行糾錯譯碼及循環(huán)冗余校驗，若通過校驗，則保留此編碼幀，否則丟棄；
接下來提取該編碼幀的隨機種子標(biāo)識，若隨機種子標(biāo)識值為1，可以直接恢復(fù)此報文數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)入模2加滾動譯碼；否則將此編碼幀緩存下來。
[0021]模2加滾動譯碼過程如下:首先，尋找隨機種子標(biāo)識值為I的編碼幀，直接恢復(fù)此編碼幀即為對應(yīng)編號的數(shù)據(jù)幀，并將隨機種子標(biāo)識值減I。其次，對于緩存中隨機種子標(biāo)識值大于I的編碼幀，將其中與隨機種子標(biāo)識值為I相關(guān)聯(lián)的編碼幀做如下處理:A.編碼幀中數(shù)據(jù)更新為其本身編碼幀與對應(yīng)相關(guān)聯(lián)的隨機種子標(biāo)識值為I的編碼幀模2加后的值；B.編碼幀隨機種子標(biāo)識值減I。最后，判斷所有編碼幀隨機種子標(biāo)識值是否為1:若為I則譯碼完成；否則，光接收機繼續(xù)接收光信號，重復(fù)執(zhí)行以上步驟，直到譯碼完成。
[0022]接收端在進(jìn)行模2加滾動譯碼的同時，判斷該分組中所有數(shù)據(jù)幀是否全部正確接收，若沒有，則接收端繼續(xù)接收信號并重復(fù)以上步驟，直到該分組中所有數(shù)據(jù)幀全部正確接收。接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀，恢復(fù)報文送往上一層主機并發(fā)送ACK應(yīng)答。發(fā)送端接收到應(yīng)答后，停止當(dāng)前分組數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，改發(fā)下一組報文信息，重復(fù)以上步驟，直至通信結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.自由空間光通信系統(tǒng)中的差錯控制協(xié)議，包括: 在發(fā)送端: 1)從主機中提取需發(fā)送的報文并進(jìn)行分組， 2)對每個分組中的數(shù)據(jù)幀依次編號為:1，2，-- ? , K, 3)在K個數(shù)據(jù)幀中產(chǎn)生隨機種子，并賦予隨機種子標(biāo)識值， 4)對每個隨機種子對應(yīng)的信息字段、地址字段及幀序號標(biāo)識進(jìn)行模2加編碼， 5)之后，進(jìn)行幀裝配，得到編碼幀， 6)對編碼幀進(jìn)行光載波調(diào)制后發(fā)送； 在接收端: 7)光接收機通過光電轉(zhuǎn)換，解調(diào)輸出編碼幀， 8)對該編碼幀進(jìn)行糾錯譯碼及信息校驗，若通過校驗，則保留此編碼幀，否則丟棄， 9)提取保留編碼幀的隨機種子標(biāo)識，將隨機種子標(biāo)識值>I的編碼幀緩存下來， 10)進(jìn)行模2加滾動譯碼， 11)同時，判斷該分組中發(fā)送的所有數(shù)據(jù)幀是否全部正確接收，若沒有，則重復(fù)7)以下步驟，直到全部正確接收完畢， 12)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀,恢復(fù)報文并發(fā)送ACK應(yīng)答； 13)發(fā)送端接收到ACK應(yīng)答后，停止當(dāng)前分組數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，改發(fā)下一組報文信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的差錯控制協(xié)議，其特征在于:在步驟2)，K的取值范圍為100~50000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的差錯控制協(xié)議，其特征在于:在步驟3)，隨機種子產(chǎn)生的過程是:隨機序列生成器產(chǎn)生一個隨機正整數(shù)al，作為隨機種子標(biāo)識值，然后在該分組中選取均勻分布的隨機的al個數(shù)據(jù)幀作為隨機種子； 其中，I ^ al ^ K0
4.根據(jù)權(quán)利要求1的差錯控制協(xié)議，其特征在于:在步驟4)，若隨機種子標(biāo)識值等于I則不進(jìn)行模2加編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的差錯控制協(xié)議，其特征在于:在步驟5)，所述幀裝配包括:將隨機種子標(biāo)識值及控制字段添加到數(shù)據(jù)幀，然后對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行循環(huán)冗余校驗檢錯編碼，再接著對數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外的其他所有比特位進(jìn)行糾錯編碼，最后將幀頭、幀尾添加到數(shù)據(jù)幀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的差錯控制協(xié)議，其特征在于:在步驟10)，首先，尋找隨機種子標(biāo)識值為I的編碼幀，直接恢復(fù)此編碼幀為對應(yīng)編號的數(shù)據(jù)幀，并將隨機種子標(biāo)識值減I ; 其次，對緩存中隨機種子標(biāo)識值> I的編碼幀，將其中與隨機種子標(biāo)識值為I相關(guān)聯(lián)的編碼幀做如下處理:A.編碼幀中數(shù)據(jù)更新為其本身編碼幀與對應(yīng)相關(guān)聯(lián)的隨機種子標(biāo)識值為I的編碼幀模2加后的值；B.編碼幀隨機種子標(biāo)識值減I ;最后，判斷所有編碼幀隨機種子標(biāo)識值是否為1，若為I則譯碼完成；否則，繼續(xù)接收光信號，重復(fù)執(zhí)行以上步驟，直到譯碼完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的差錯控制協(xié)議，其特征在于:編碼幀結(jié)構(gòu)中， 幀頭:標(biāo)識數(shù)據(jù)幀的起始位置； 隨機種子標(biāo)識:隨機序列生成器所產(chǎn)生的正整數(shù)，標(biāo)識此幀是由本分組中多少個數(shù)據(jù)幀模2加編碼而成的； 幀序號標(biāo)識:報文數(shù)據(jù)進(jìn)行分組后，每分組中的幀順序標(biāo)識； 控制字段:幀傳輸協(xié)議中的控制信息； 地址字段:預(yù)留地址信息； 信息字段:需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息； 檢錯編碼:對此數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外的其他比特位進(jìn)行錯誤檢測編碼； 糾錯編碼:檢測編碼后，對此數(shù)據(jù)幀除幀頭、幀尾外的其他比特位進(jìn)行錯誤糾正編碼； 幀尾:標(biāo)識數(shù) 據(jù)幀的截止位置。
【文檔編號】H04L1/00GK103701562SQ201310663158
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】敖珺, 盧亞軍, 馬春波, 敖發(fā)良 申請人:桂林電子科技大學(xué)