1.2 Leistungsanalyse des LT-Codes für Anwendungen im Weltraum
Aus der obigen Analyse geht hervor, dass der LT-Code über ein einfaches Kodierungs- und Dekodierungsverfahren sowie einen geringen Dekodierungsaufwand verfügt. Wenn die Anzahl der Datenpakete mehr als 10° beträgt, sind lediglich 5% redundante Informationen erforderlich, um eine hohe Dekodierungserfolgsrate zu gewährleisten. Rate. Bei der Kommunikation im Weltraum ist die Übertragungszeit jedoch lang, die Bitfehlerrate hoch, und die große Codelänge erhöht die Verzögerung bei der Codierung und Decodierung und erfordert mehr Speicherplatz. Daher bieten Kurzcodes und lange LT-Codes bessere Anwendungsaussichten in der Weltraumkommunikation. Für Kurzcodes und lange LT-Codes ist jedoch eine Codierungsredundanz von mindestens 50% erforderlich, um eine Kommunikation im Weltraum zu erreichen.
Die für die Luft-Luft-Kommunikation erforderliche Dekodierungsfehlerrate beträgt 10~*. Eine Erhöhung der Codierungsredundanz würde zusätzliche Sendeleistung beanspruchen, was deren Einsatz in der Weltraumkommunikation einschränkt.
Die Methode des LT-Codes zur zufälligen Auswahl von Datenpaketen erfordert einen höheren Grad, um die Dekodierungserfolgsrate zu gewährleisten, was die Komplexität der Kodierung und Dekodierung erhöht. Gleichzeitig ist der bei der Dekodierung des LT-Codes verwendete BP-Algorithmus eigentlich ein suboptimaler Algorithmus. Er bricht die Dekodierung ab, wenn kein Kodierungspaket mit Grad 1 vorhanden ist, wodurch ein Teil der Kodierungsinformationen verloren geht. Dies entspricht einem größeren Cache-Bedarf für die Dateiübertragung sowie einer höheren Dekodierungsverzögerung, was für Weltraumkommunikationssysteme mit begrenzter Leistung und begrenztem Speicherplatz ungeeignet ist. Daher wird in diesem Artikel auf der Grundlage der Kommunikationsumgebung im Weltraum der LT-Code mit kurzer Codelänge sowohl hinsichtlich der Codierung als auch der Decodierung optimiert, um den OLT-Code zu erhalten, und anschließend eine für die Kommunikationsumgebung im Weltraum geeignete Datenübertragungsstrategie vorgeschlagen.
2 OLT-Code
2.1 Kodierungsverfahren des OLT-Codes
Angenommen, die Anzahl der Datenpakete beträgt k, die ersten h Grade werden auf 1 gesetzt, und den übrigen Graden wird die Auswahlwahrscheinlichkeit des Grades 1 zugewiesen. Der Einfachheit halber wird in diesem Artikel die Wahrscheinlichkeit des Grades 1 dem Grad 2 zugewiesen, und anschließend werden Datenpakete zyklisch zur Codierung ausgewählt. In der ersten Codierungsrunde entspricht das Setzen der ersten k Grade auf 1 dem direkten Kopieren von h Datenpaketen nacheinander in das Codierungspaket. In der zweiten Codierungsrunde werden weiterhin Grade gemäß der Gradverteilungsfunktion ausgewählt, und auch hier werden Datenpakete der Reihe nach ausgewählt. Das Codierungsdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. Angenommen, es gibt 10 Datenpakete, die Anzahl der Kodierungspakete beträgt 15 und die Grade lauten 1,1,1,1,1,ti,1,1,1,3,5,3,2, 2, dann werden die ersten 10 kodierten Pakete jeweils aus den 10 Datenpaketen kopiert, das 11. codierte Paket ergibt sich aus der XOR-Verknüpfung der Datenpakete 1, 2 und 3, und das 12. codierte Paket ergibt sich aus der XOR-Verknüpfung der Datenpakete 4, 5, 6, 7 und 8, und so weiter für die restlichen Pakete.
Der konkrete Kodierungsprozess des OLT-Codes läuft wie folgt ab:
1) Die Quelldaten werden in k Datenpakete unterteilt, wobei jedes Datenpaket die Größe L hat und fortlaufend von 1 bis k nummeriert ist;
2) Setze den Grad der ersten é-Codierungspakete auf 1, beginne mit dem ersten Datenpaket, wähle die Datenpakete der Reihe nach aus und kopiere sie in die entsprechenden Codierungspakete;
3) Bestimmen Sie anhand der angegebenen Gradverteilung den Grad d;
4) Wähle zyklisch d Datenpakete für eine XOR-Operation aus, um ein codiertes Paket zu erzeugen;
5) Wiederholen Sie die Schritte 3) bis 4), um eine bestimmte Anzahl von Codierungspaketen zu erhalten. 2.2 Dekodierungsverfahren des OLT-Codes
Der GE-Algorithmus ist ein universelles Dekodierungsverfahren für Fountain-Codes und eignet sich für verschiedene Codewörter. Angenommen, die Empfängerseite empfängt n Codierungspakete, wobei jedes Codierungspaket eine lineare Gleichung mit h unbekannten Eingangsgrößen darstellt, dann lässt sich der gesamte Dekodierungsprozess als die gemeinsame Lösung eines Systems aus k Gleichungen mit n Gleichungen betrachten, wie in Gleichung (4) dargestellt:
×X=N
(4)
Darunter: H ist die erzeugende Matrix nach dem Entfernen des Kanals, die Größe beträgt nxk; Vektor.
Die Schritte des GE-Algorithmus lauten wie folgt:
1) Erweitere die H-Matrix zu einer erweiterten Matrix H’, die den Vektor N mit den empfangenen Informationen enthält: H’ = [H/N].
2) Wende eine elementare Zeilentransformation an, um die Matrix H in diese erweiterte Matrix H’ umzuwandeln.’
Ersetze sie durch die Einheitsmatrix I, dann gilt H’ = [I/N’].
3) Ist die Einheitsmatrix I vollrangig, ist die Dekodierung erfolgreich und das Dekodierungsergebnis lautet N’. Ist die Einheitsmatrix nicht vollrangig, bedeutet dies, dass die empfangenen Informationen nicht ausreichen und die Dekodierung fehlschlägt. Die Empfangsseite empfängt weiterhin Informationen und geht zur nächsten Dekodierungsrunde über. .
Der GE-Algorithmus kann die auf der Empfängerseite korrekt empfangenen Codierungspakete vollständig nutzen, und die Dekodierungserfolgsrate ist höher als beim BP-Algorithmus. Seine Rechenkomplexität O(nk) steigt mit zunehmender Anzahl von Datenpaketen rapide an, weshalb er für die Verarbeitung von mittleren und langen Codes nicht geeignet ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in diesem Beitrag ein gemeinsamer Dekodierungsalgorithmus vorgeschlagen wird, der den BP-Algorithmus und den GE-Algorithmus kombiniert, um die Vorteile beider Verfahren zu nutzen, die Kodierungsinformationen optimal auszuschöpfen, die Dekodierungserfolgsrate zu verbessern und gleichzeitig die Rechenkomplexität so weit wie möglich zu reduzieren.
Der Ablauf des Dekodierungsalgorithmus ist wie folgt:
1) Nach dem Empfang einer bestimmten Anzahl von Codierungspaketen erstellt die Empfangsseite eine Codierungsmatrix und wendet den BP-Algorithmus zur Decodierung an. Wenn alle Quelldaten erfolgreich decodiert wurden, gehe zu 3); andernfalls gehe zu 2).
2) Ordne die noch nicht decodierten Codepakete und ermittele die Codierungsmatrix zwischen den noch nicht decodierten Datenpaketen und den entsprechenden Codepaketen. Verwende den GE-Algorithmus zur Decodierung. Wenn die Decodierung erfolgreich ist, gehe zu 3); andernfalls fahre mit dem Empfang des codierten Pakets fort.
3) Die Dekodierung ist erfolgreich, und dieser Datenübertragungsprozess endet. 3 Strategie zur Datenübertragung im Weltraum auf Basis des OLT-Codes
In diesem Beitrag wird eine Strategie zur Datenübertragung im Weltraum auf Basis des OLT-Codes vorgeschlagen. Der Absender codiert die Datendatei mit dem OLT-Code, um das OLT-Code-Datenpaket zu erhalten. Die Formatdefinition des OLT-Code-Datenpakets ist in Abbildung 3 dargestellt.
Ein OLT-Code-Datenpaket besteht aus einem Rahmenheader und einem Datenfeld. Ist im Rahmenheader der OLT-Code mit “О” gekennzeichnet, handelt es sich um den normalen Übertragungsmodus; ist der OLT-Code mit “1” gekennzeichnet, handelt es sich um den OLT-Code-Übertragungsmodus. Im Datenfeld wird im OLT-Code-Übertragungsmodus das Feld „Offset“ in das Feld „Grad“ umbenannt, was darauf hinweist, dass das Paket aus mehreren ursprünglichen Datenpaketen besteht, gefolgt von den Datenpaketen, aus denen sich das Paket zusammensetzt. Seriennummer, dann Kodierungspaket.
Die auf dem OLT-Code basierende Strategie zur Datenübertragung im Weltraum ist in Abbildung 4 dargestellt. Die wichtigsten Schritte sind folgende:
1) Die sendende Seite sendet eine Metadata Protocol Data Unit (MPDU), um die empfangende Seite über verschiedene Übertragungsparameter wie beispielsweise die Größe der zu übertragenden Datei zu informieren.
2) Die sendende Seite legt die maximale Übertragungsredundanz der Datei fest, beginnt mit der Aufteilung der Datei und der Kodierung des OLT-Codes und generiert das Kodierungspaket. Das kodierte Paket wird als Dateninformation in ein OLT-Code-Datenpaket gekapselt und an die empfangende Seite gesendet; anschließend wird auf Rückmeldungen der empfangenden Seite gewartet.
3) Nach dem Empfang der MPDU und einer bestimmten Anzahl von OLT-Code-Datenpaketen decodiert die Empfangsseite die codierten Pakete mithilfe eines gemeinsamen Decodierungsalgorithmus auf der Grundlage der Rahmen-Header-Informationen. Schlägt die Dekodierung fehl, wird die Fehlermeldung zurückgemeldet, und die Kodierungsdaten werden weiterhin empfangen und dekodiert; ist die Dekodierung erfolgreich, wird eine „Finished PDU“ gesendet, um die sendende Seite über den erfolgreichen Empfang zu informieren.
4) Nachdem die sendende Seite die Information über den Dekodierungsfehler empfangen hat, führt sie die Kodierung entsprechend dieser Information durch, sendet das OLT-Codepaket weiter und kehrt zu Schritt 3) zurück; nach dem Empfang der „Finished PDU“ beendet sie die Kodierung und das Senden, gibt die Ressourcen frei und sendet eine ACK-Bestätigung, um die Ressourcen freizugeben. Übertragung
4. Leistungssimulation und -analyse
In diesem Artikel wird eine auf MATLAB basierende Simulationsplattform entwickelt, die Leistung des OLT-Codes und der Strategie zur Datenübertragung im Weltraum simuliert und überprüft sowie die Strategie zur Datenübertragung im Weltraum mit CFDP verglichen.
4.1 Leistungssimulationsanalyse des OLT-Codes
Zunächst wird die Dekodierungserfolgsrate des LT-Codes und des OLT-Codes bei unterschiedlichen Paketverlustraten simuliert, wobei die Kodierungsredundanz feststeht. Als Gradverteilungsfunktion wird in der Simulation die robuste Solitärwellenverteilung verwendet, wobei die Parameter auf e = 0,1,8 = 0,005 festgelegt sind, die Anzahl der Datenpakete 1000 beträgt, die Codierungsredundanz 30% beträgt und die Anzahl der Simulationen 1000 beträgt. Die Simulationsergebnisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Aus Abbildung 5 ist ersichtlich, dass bei unterschiedlichen Paketverlustraten die Dekodiererfolgsrate des OLT-Codes höher ist als die des T-Codes; mit steigender Paketverlustrate nimmt die Dekodiererfolgswahrscheinlichkeit des OIT-Codes und des LT-Codes nicht ab, während die Dekodiererfolgsrate des OLT-Codes langsam sinkt. Der gemeinsame Dekodierungsalgorithmus kann die Dekodierungserfolgsrate unter denselben Bedingungen wirksam verbessern.
