一种面向深空通信的跨层联合文件传输方法及系统技术方案

本发明专利技术适用于深空通信领域，提供了一种面向深空通信的跨层联合文件传输方法，在图像的传输过程中采用了CS算法来对图像进行压缩，使得其可以与底层的Spinal编码进行联合优化后再进行传输；跨层联合传输机制指的是将应用层的CS图像压缩、传输层的CS纠删以及数据链路层/物理层的Spinal编码进行联合优化并结合LTP协议进行传输机制的设计，发端发送完一定数据后，无需等待反馈，通过Markov预测和反馈信息来决定下一时刻要发送的符号数。发端收到反馈后，暂停发送数据，处理反馈，针对出错的编码块追加发送符号数，与之前发送的符号数一起进行译码。保证一定可靠性的前提下，提高了系统的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种面向深空通信的跨层联合文件传输方法及系统
本专利技术属于深空通信领域，尤其涉及一种图像数据传输方法。
技术介绍
深空通信具有距离远、延时大、链路具有间歇性等特点，这使得深空通信的可靠性与有效性之间的矛盾关系更为凸显。对于这一问题，传统的应对方式有增加接收/发射天线尺寸、提高载波频率、增加发射功率、控制接收系统的噪声水平等，但基于物理量增益的方式终究难以为继。高效的信道编码与合理的传输机制在深空通信过程中起着重要的作用。在信道编码中，现有的高性能编码技术如Turbo码、LDPC码等在中等信噪比条件下表现良好，但在低信噪比条件下仍不尽如人意，而且这一类固定速率码通常难以适应具有复杂时变特性的动态信道。无速率编码技术具有前向递增冗余特性，因而可以无需反馈即可自动适应于信道变化，成为动态信道条件下充分利用信道传输能力的理想手段。IRA码及基于其的研究是无速率码研究领域一类很有意义的工作，但理论上未证明其能否近容量限传输，极低信噪比条件下，此类码得性能表现不足。Luby提出的LT码、以及Shokrollahi在其基础上提出的Raptor码是第一类实用的逼近容量传输的无速率编码。但这类码本质上是针对删除信道(如BEC信道)，所以应用环节多为下层具有检错机制的分组交换信道，如传输层。如图3所示，不足之处是由于需要下层检错机制的配合，致使结构冗余，实现较复杂。如何寻找一种高效的信道编码技术成为深空通信中一个重要的议题。在地面传输机制中，采用TCP/IP协议，但是其在深空中还是有一定的限制。由于地面通信距离较小，所以反馈延时和误码率所带来的影响并不大。但是在深空信道延时极大的情况下是不能考虑的。为了适应深空通信的特点，CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems)针对TCP/IP协议的不足之处进行了改进，SCPS(SpaceCommunicationProtocolSpecification，SCPS)协议以及后来的CFDP(CCSDSFileDeliveryProtocol，CFDP)协议被相继提出。这两种协议均使得深空信道的通信制约得到很好地改善，但是SCPS并没有随通信带宽的增大作出相应改变，并且存在严重的安全问题。CFDP协议并没有彻底改进TCP/IP协议中先建立连接后进行数据传输、转发等传输机制，依旧以端到端的重传机制作为基础，不能很好地应对深空通信中巨大延时这一困难，因此在深空环境中，这两种协议的应用也具有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种面向深空通信的跨层联合文件传输方法及系统，旨在解决上述的技术问题。本专利技术是这样实现的，一种面向深空通信的跨层联合文件传输方法，在跨层联合文件传输方法中包括两个模型，分别是跨层联合优化模型和跨层联合传输模型；所述跨层联合文件传输方法包括以下步骤：A、预设或根据上次反馈信息获取当前深空信道的状态；B、利用优化函数对应用层的CS(压缩感知)压缩、传输层的CS纠删以及数据链路/物理层的Spinal编码进行联合优化，其函数表达式：Nspinal＝NCB·nSpinal，其中，nSpinal表示Spinal各编码块发送符号数，NCB表示M+Mo个CS压缩值对应的Spinal编码块数量，其中M为满足解码质量要求的压缩值个数，Mo为纠删冗余个数；C、对优化函数进行优化求解得到优化结果；D、发送端根据优化结果对对应图像数据进行编码发送；E、接收端根据收到的Spinal符号顺序译码，并对各编码块进行CRC校验，译码的过程中对译码成功比例进行在线学习，同时记录译码出错的编码块序号；F、接收端判断正确接收到的CS压缩值个数是否满足解压质量要求；若满足，交给集束保管，用于下一跳传递或应用层实施图像解压缩；若不是，则通过LTP反馈NAK给发送端；G、发送端收到NAK后，暂停发送图像数据，针对译码出错的编码块追加发送足够数量的Spinal符号，同时根据译码成功概率信息，判断当前信道状态，调整自此之后的发送策略；H、接收端收到发送端追加的Spinal符号后，与之前收到的nSpinal个符号一起实现对原译码出错编码块的译码。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤A中将深空信道的状态建模为Markov过程。本专利技术的进一步技术方案是：在Markov预测过程中，将信道根据信噪比分为若干个信道状态，根据初始状态与状态转移概率矩阵进行预测。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤C中对优化函数中求解的变量为CS冗余压缩值个数Mo与每一个编码块所需的编码符号数。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤C中求解的约束条件由Spinal码CDF函数与Markov预测两部分组成；Spinal码的CDF函数用来判断对当前编码块发送多少符号数后停止，继而转向下一编码块的发送；Markov预测用来判断下一时刻需要发送的编码符号数。本专利技术的另一目的在于提供一种面向深空通信的跨层联合文件传输系统，在跨层联合文件传输系统中包括两个模型，分别是跨层联合优化模型和跨层联合传输模型；所述跨层联合文件传输系统包括：信道状态获取模块，用于预设或根据上次反馈信息获取当前深空信道的状态；联合优化模块，用于利用优化函数对应用层的CS压缩、传输层的CS纠删以及数据链路/物理层的Spinal编码进行联合优化，其函数表达式：Nspinal＝NCB·nSpinal，其中，nSpinal表示Spinal各编码块发送符号数，NCB表示M+Mo个CS压缩值对应的Spinal编码块数量，其中M为满足解码质量要求的压缩值个数，Mo为纠删冗余个数；优化求解模块，用于对优化函数进行优化求解得到优化结果；数据编码模块，用于发送端根据优化结果对对应图像数据进行编码发送；接收校验模块，用于接收端根据收到的Spinal符号顺序译码，并对各编码块进行CRC校验，译码的过程中对译码成功比例进行在线学习，同时记录译码出错的编码块序号；解封判断模块，接收端判断正确接收到的CS压缩值个数是否满足解压质量要求；若满足，交给集束保管，用于下一跳传递或应用层实施图像解压缩；若不是，则通过LTP反馈NAK给发送端；追加调整模块，用于发送端收到NAK后，暂停发送图像数据，针对译码出错的编码块追加发送足够数量的Spinal符号，同时根据译码成功概率信息，判断当前信道状态，调整自此之后的发送策略；译码模块，用于接收端收到发送端追加的Spinal符号后，与之前收到的nSpinal个符号一起实现对原译码出错编码块的译码。本专利技术的进一步技术方案是：所述信道状态获取模块中将深空信道的状态建模为Markov过程。本专利技术的进一步技术方案是：在Markov预测过程中，将信道根据信噪比分为若干个信道状态，根据初始状态与状态转移概率矩阵进行预测。本专利技术的进一步技术方案是：所述优化求解模块中对优化函数中求解的变量为CS冗余压缩值个数Mo与每一个编码块所需的编码符号数。本专利技术的进一步技术方案是：所述优化求解模块中求解的约束条件由Spinal码CDF函数与Markov预测两部分组成；Spinal码的CDF函数用来判断对当前编码块发送多少符号数后停止，继而转向下一编码块的发送；Markov预测用来判断下一时刻需要发送的编码符号数。本专利技术的有益效果是：专利技术提高了深空通信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向深空通信的跨层联合文件传输方法，其特征在于，在跨层联合文件传输方法中包括两个模型，分别是跨层联合优化模型和跨层联合传输模型；所述跨层联合文件传输方法包括以下步骤：A、预设或根据上次反馈信息获取当前深空信道的状态；B、利用优化函数对应用层的CS压缩、传输层的CS纠删以及数据链路/物理层的Spinal编码进行联合优化，其函数表达式：Nspinal＝NCB·nSpinal，其中，nSpinal表示Spinal各编码块发送符号数，NCB表示M+Mo个CS压缩值对应的Spinal编码块数量，其中M为满足解码质量要求的压缩值个数，Mo为纠删冗余个数；C、对优化函数进行优化求解得到优化结果；D、发送端根据优化结果对对应图像数据进行编码发送；E、接收端根据收到的Spinal符号顺序译码，并对各编码块进行CRC校验，译码的过程中对译码成功比例进行在线学习，同时记录译码出错的编码块序号；F、接收端判断正确接收到的CS压缩值个数是否满足解压质量要求；若满足，交给集束保管，用于下一跳传递或应用层实施图像解压缩；若不是，则通过LTP反馈NAK给发送端并执行G；G、发送端收到NAK后，暂停发送图像数据，针对译码出错的编码块追加发送足够数量的Spinal符号，同时根据译码成功概率信息，判断当前信道状态，调整自此之后的发送策略；H、接收端收到发送端追加的Spinal符号后，与之前收到的nSpinal个符号一起实现对原译码出错编码块的译码。...

【技术特征摘要】
1.一种面向深空通信的跨层联合文件传输方法，其特征在于，在跨层联合文件传输方法中包括两个模型，分别是跨层联合优化模型和跨层联合传输模型；所述跨层联合文件传输方法包括以下步骤：A、预设或根据上次反馈信息获取当前深空信道的状态；B、利用优化函数对应用层的CS压缩、传输层的CS纠删以及数据链路/物理层的Spinal编码进行联合优化，其函数表达式：Nspinal＝NCB·nSpinal，其中，nSpinal表示Spinal各编码块发送符号数，NCB表示M+Mo个CS压缩值对应的Spinal编码块数量，其中M为满足解码质量要求的压缩值个数，Mo为纠删冗余个数；C、对优化函数进行优化求解得到优化结果；D、发送端根据优化结果对对应图像数据进行编码发送；E、接收端根据收到的Spinal符号顺序译码，并对各编码块进行CRC校验，译码的过程中对译码成功比例进行在线学习，同时记录译码出错的编码块序号；F、接收端判断正确接收到的CS压缩值个数是否满足解压质量要求；若满足，交给集束保管，用于下一跳传递或应用层实施图像解压缩；若不是，则通过LTP反馈NAK给发送端并执行G；G、发送端收到NAK后，暂停发送图像数据，针对译码出错的编码块追加发送足够数量的Spinal符号，同时根据译码成功概率信息，判断当前信道状态，调整自此之后的发送策略；H、接收端收到发送端追加的Spinal符号后，与之前收到的nSpinal个符号一起实现对原译码出错编码块的译码。2.根据权利要求1所述的跨层联合文件传输方法，其特征在于，所述步骤A中将深空信道的状态建模为Markov预测过程。3.根据权利要求2所述的跨层联合文件传输方法，其特征在于，在Markov预测过程中，将信道根据信噪比分为若干个信道状态，根据初始状态与状态转移概率矩阵进行预测。4.根据权利要求3所述的跨层联合文件传输方法，其特征在于，所述步骤C中对优化函数中求解的变量为CS纠删冗余个数Mo与每一个编码块所需的编码符号数。5.根据权利要求4所述的跨层联合文件传输方法，其特征在于，所述步骤C中求解的约束条件由Spinal码CDF函数与Markov预测两部分组成；Spinal码的CDF函数用来判断对当前编码块发送多少符号数后停止，继而转向下一编码块的发送；Markov预测用来判断下一时刻需要发送的编码符号数。6.一种面向深空通信的跨层联合文件传输系统，其特征在于，在跨...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴绍华，生海洋，陈大薇，王野，张钦宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44