有限通信带宽下卫星通信编码方案研究

陈 亮，王 迪，展 昕，赵 胜

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3.北京卫星导航中心，北京 100094；4.中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430205)

0 引言

卫星通信指通信设备利用卫星作为中继进行通信的方式。卫星通信具有通信范围大、可靠性高和通信简单迅速等优点[1]。但是由于卫星设计和自身性能等原因，用于通信的带宽不是无限大的。当出现多个通信设备同时通过通信卫星进行信息交换时，如果不合理安排通信模式，则会产生通信信息延迟、丢失或无法发出等问题[2]。如何在有限通信带宽下通过优化通信编码方案将通信信息进行合理资源分配，满足在各种特殊环境下的通信需要已成为国内外研究热点。

目前，国内外有关通信编码技术的研究已经有了较深入的研究。例如，华为通信技术有限公司提出了采用混合编码发送的编码方案[3]；思科公司提出了采用高压缩式通信编码方式[4]，解决了大数据突发通信的问题。

本文则通过优先级设计、编码组合设计、时效设计和数据压缩设计等多种优化设计组合方式对卫星通信编码方案进行深入研究，为卫星通信编码方案技术发展提供技术支持。

1 卫星通信编码技术

采用卫星通信时，通信终端A首先将不同类型通信信息(包括语音、文字或者图像等)进行标准编译，形成一组通信信息[5]，再将多组通信信息按照卫星通信协议进行组帧编码后，由天线发射模块调制并发送至通信卫星[6]，经通信卫星转发器转发给另一通信终端B，通信终端B通过天线接收模块接收到该信号后经解调、译码和校验后解析出多组通信信息[7]，再按照标准编译将每组通信信息形成相应的语音、文字或者图像[8]。卫星通信示意如图1所示。

图1 卫星通信示意Fig.1 Schematic diagram of satellite communication

在有限通信带宽下，在将多组通信信息组帧编码时会控制帧长度不超过带宽限制，防止因通信帧长度过长导致卫星无法接收和发送信息[9]。通信帧内容一般包括通信帧长度、信息组数、信息包类型、信息包长度和信息包内容等[10]。通信帧结构示意如图2所示。可见在固定数据段条件下，如果每帧的数据段都填满了通信信息，即在有限条件下提高了卫星带宽的利用率，通过充分利用通信带宽可创造更好的应用效果和经济效益[11]。

图2 通信帧结构示意Fig.2 Communication frame structure

2 数据编码技术设计

2.1 优先级设计

在发送信息时需要将优先级别高的信息优先发送，不能延迟发送[12-13]。即当优先级高的信息晚于优先级低的信息到达时，需要将优先级高的信息进行优先编码发送[14]。

优先级设计采用多队列技术。即优先级别高的通信信息进行通信队列A，其他级别的通信信息进入通信队列B，如果有多种优先级需要则分别分配不同的通信队列。在信息发送时先从通信队列A取信息，将通信队列A中的信息取完后再取通信队列B中的信息。优先级设计流程如图3所示。

图3 优先级设计流程Fig.3 Priority design flowchart

2.2 编码组合设计

在卫星通信时，每次通信信息的长度都是不固定的。所以在不同的编码组合方式下发送通信信息的效率是不同的[15]。

例如，当通信带宽为1 000 bit时，需要发送的通信信息有通信信息包A长度600 bit、通信信息包B长度500 bit、通信信息包C长度300 bit和通信信息包D长度400 bit。如果按顺序发送结果如下，在通信队列中取出通信信息包A，则通信带宽剩余400 bit；取出通信信息包B时，会发现通信信息包B因为长度超过400 bit，无法再加入。第1通信帧只能发送含有通信信息包A的信息帧，并且还剩余400 bit带宽。第2通信帧则装入通信信息包B和通信信息包C，剩余200 bit带宽。第3通信帧装入剩余的通信信息包D。共需要3帧才能将数据发完。

为解决该问题，编码组合设计中采用将通信队列中的通信信息进行排序组合，即将通信队列中的通信从大到小顺序排列。然后在编码时对队列进行搜索检查，如果还含有可装入剩余带宽的通信信息时则将该通信信息取出装入。编码组合设计流程如图4所示。

图4 编码组合设计流程Fig.4 Coding combination design flowchart

当通信信息包A长度600 bit、通信信息包B长度500 bit、通信信息包C长度300 bit和通信信息包D长度400 bit时，通过排列组合变成A长度600 bit、通信信息包B长度500 bit、通信信息包D长度400 bit和通信信息包C长度300 bit。第1通信帧装入通信信息包A的信息帧，并且还剩余400 bit带宽。搜索剩余通信帧，发现通信信息包D长度可装入。则第1通信帧含有通信信息包A和通信信息包D。带宽剩余0 bit。第2通信帧装入剩余通信信息包B和通信信息包C，剩余带宽200 bit。效率较直接顺序组合发送提高了不少，减少了一个通信帧，并且剩余带宽只有200 bit。

2.3 时效设计

在对通信信息进行排列组合设计后会出现来的早的、长度较小的通信信息包，因为排序靠后发送时间产生了较大的延迟。

例如，通信信息包A长度300 bit、通信信息包B长度900 bit、通信信息包C长度800 bit、通信信息包D长度850 bit时，通过排列组合变成通信信息包B长度900 bit、通信信息包D长度850 bit、通信信息包C长度700 bit和通信信息包A长度300 bit。第1通信帧发送通信信息包B，第2通信帧发送通信信息包D，第3通信帧发送通信信息包C，第4通信帧才能发送通信信息包A。

为解决该问题，对每个通信信息进行时标标识。将通信信息的接收时间作为该通信信息的时标标识。发送信息判断通信队列中的每个通信信息的时标标识，如果判断该通信帧的时标标识已经大于2 s，则将该信息优先发送。

当通过排列组合B长度900 bit、通信信息包D长度850 bit、通信信息包C长度700 bit和通信信息包A长度300 bit，第1通信帧发送通信信息包B，第2通信帧发送通信信息包D，第3通信帧通过判断通信信息包A信息标识已经大于2 s，则优先发送信信息包A，第4通信帧发送通信信息包C。时效设计流程如图5所示。

图5 时效设计流程Fig.5 Aging design flowchart

2.4 数据压缩设计

实时数据压缩技术在通信信息组合完后进行信息压缩，使发送通信信息帧长度比实际通信信息帧长度更短，达到在有限带宽的情况下，发送更长的通信信息帧[16]。

数据压缩技术采用数据压缩帧缓存压缩(Frame Buffer Compression)技术，该技术是ARM公司开发的专门为帧间解码阶段节省带宽而设计的一种无损压缩算法[17]。经测试压缩比约80%，则假定原有带宽1 000 bit，那么现在可以发送1 200 bit的通信信息。数据压缩技术设计图如图6所示。

图6 数据压缩设计Fig.6 Data compression design diagram

3 整体设计

通过上述论述，数据编码技术总共包括了优先级设计、编码组合设计、时效设计和数据压缩设计。当收到通信信息时首先进行优先级判断，将不同类型通信信息插入不同优先级队列；再对数据进行编码组合设计，将队列中的通信信息合理分配编码位置，最大利用通信带宽；在编码组合前要对发送信息进行时效判断，先编码时效到期的通信信息；最后对编码结束的数据段进行压缩处理，形成一个完整的通信帧[18]。通过这些设计最终实现将通信信息高效、稳定和快速地进行编码组合传输。

优先级设计保证了通信信息的级别分类；编码组合设计保证了带宽的利用率；时效设计保证了通信信息的时间稳定；数据压缩设计保证了有限带宽基础上更多数据的传输。数据编码技术整体设计流程如图7所示。

图7 数据编码技术整体设计流程Fig.7 Overalldesign flowchart

4 结束语

针对有限带宽的卫星通信编码技术进行了深入研究，提出了分别采用优先级设计、编码组合设计、时效设计和数据压缩设计的组合编码方案。

优先级设计采用多队列的方式对通信信息进行分类组合，满足了不同优先级通信信息的发送时效性。编码组合设计采用了排序法将通信信息在编码时进行重新组合；提高了在有限带宽的条件下更高效地利用带宽；时效设计通过对通信信息进行时标标识判断，满足了通信信息的时延需求；数据压缩设计将通信信息进行信息压缩，达到在有限带宽的情况下，发送更长的通信信息帧。通过这些编码改进设计，提高了带宽的利用效率，并且保证了数据的时效性。本文的结论可为卫星通信编码设计应用提供良好的理论支撑。