趙太飛 劉 雪 婁俊鵬

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直升機(jī)起降中無(wú)線紫外光噴泉碼引導(dǎo)方法研究

趙太飛*劉 雪 婁俊鵬

(西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 西安 710048)(光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(電子科技大學(xué)) 成都 610054)

為了提高直升機(jī)在應(yīng)急無(wú)線紫外光通信輔助起降中信標(biāo)搜尋、定位降落的效率和可靠性，該文提出一種基于噴泉(LT)碼的分等級(jí)編碼通信方案，采用不同等級(jí)編碼的分級(jí)方法設(shè)計(jì)了不同場(chǎng)景、不同引導(dǎo)階段的通信策略，分析了高丟包率信道環(huán)境中變化刪除概率下的誤比特率，并與其他傳統(tǒng)信道編碼進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，在二進(jìn)制刪除信道下，該分等級(jí)編碼方法可顯著降低LT碼的誤比特率，提高了編譯碼性能；該通信策略適用于高丟包率信道環(huán)境，能獲得更好的通信效果，提高了直升機(jī)應(yīng)急輔助起降的安全性。

紫外光通信；噴泉碼；直升機(jī)助降；引導(dǎo)方法

1 引言

直升機(jī)應(yīng)急救援在處理突發(fā)事件過(guò)程中，具有快速、高效、受地理空間限制少的優(yōu)勢(shì)[1]。同時(shí)，隨著我國(guó)低空空域的開(kāi)放，中國(guó)民用直升機(jī)將會(huì)大規(guī)模應(yīng)用。隨著直升機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其使用中的安全問(wèn)題也越發(fā)突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，直升機(jī)在下降至著陸階段發(fā)生事故的概率占總事故概率的67%[5]。例如在野外救援行動(dòng)或城市突發(fā)事件中，沒(méi)有正規(guī)的起降場(chǎng)地時(shí)，僅靠飛行員經(jīng)驗(yàn)判斷降落條件，極易造成誤撞等飛行事故[6]；艦載直升機(jī)中，由于驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦的起降甲板狹小，橫搖與縱搖角度大，艦上大氣湍流異常復(fù)雜以及機(jī)庫(kù)空間有限，艦載直升機(jī)使用和保障難度大[7,8]；無(wú)人機(jī)降落中對(duì)于地面特征信息的獲取、位置位姿的自主調(diào)整更為重要[9]。

現(xiàn)有的直升機(jī)助降系統(tǒng)一般采用可見(jiàn)光標(biāo)、圖像分析或旗語(yǔ)以及地面引導(dǎo)人員通過(guò)無(wú)線電與飛行員的溝通等。這些方式大都無(wú)法滿足全天候、非視距的助降通信，此外這些方式對(duì)天氣、能見(jiàn)度、電磁環(huán)境等要求較高，且操作復(fù)雜。無(wú)線紫外光輔助起降技術(shù)是利用紫外光散射特性進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下全天候通信的一種直升機(jī)應(yīng)急安全保障手段，滿足野外行動(dòng)、城市突發(fā)事件、地震災(zāi)害等場(chǎng)合。無(wú)線紫外光通信由于其抗干擾能力強(qiáng)、全天候非視距、便攜、寬視場(chǎng)、保密性能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在直升機(jī)輔助起降通信中能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)[13]。

應(yīng)用無(wú)線紫外光輔助起降技術(shù)過(guò)程中，直升機(jī)在搜尋信標(biāo)、定位、降落過(guò)程時(shí)，由于直升機(jī)攜帶接收端高速移動(dòng)，地震災(zāi)后不穩(wěn)定的受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，樹(shù)木、建筑物等阻擋造成不穩(wěn)定的信道環(huán)境，使得通信過(guò)程中數(shù)據(jù)接收延時(shí)較大，丟包嚴(yán)重，甚至通信中斷。此時(shí)，如果使用傳統(tǒng)的前向糾錯(cuò)碼(FEC)，較大的通信延時(shí)、巨大的丟包率使得反饋重傳方式效率極低[14]。噴泉(LT)碼是一類(lèi)無(wú)固定碼率碼，發(fā)送端可以產(chǎn)生任意多個(gè)編碼包，接收端只要獲得足夠多的編碼符號(hào)就能夠成功恢復(fù)出信息符號(hào)，無(wú)需反饋，通信中斷時(shí)可通過(guò)后續(xù)接收編碼包恢復(fù)出完整文件[15]。在直升機(jī)輔助起降紫外光通信高丟包率的信道環(huán)境中，應(yīng)用噴泉碼能夠提高直升機(jī)搜尋信標(biāo)、定位降落的效率，增強(qiáng)通信可靠性，提高直升機(jī)降落的安全性。

數(shù)字噴泉(Digital Fountain)概念是由Byers等人于1998年首次提出[16]，主要針對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)分發(fā)以及可靠數(shù)據(jù)廣播而提出的有效解決方案。2002年，Luby[17]提出了第1種可實(shí)現(xiàn)的噴泉碼-LT(Luby Transform)碼。2006年，Shokrollahi[18]在LT碼的基礎(chǔ)上提出了另一種實(shí)用噴泉碼-Raptor碼，從此噴泉碼受到了廣泛的研究和應(yīng)用。對(duì)于LT碼的非均等數(shù)據(jù)保護(hù)也是研究熱點(diǎn)，但是非均等保護(hù)的LT碼大都針對(duì)同一數(shù)據(jù)幀中不同重要等級(jí)數(shù)據(jù)提供不同等級(jí)保護(hù)[19,20]，而對(duì)于不同數(shù)據(jù)幀之間的分等級(jí)保護(hù)討論較少。此外，文獻(xiàn)[21]中將LT碼應(yīng)用于室內(nèi)可見(jiàn)光通信，分析了發(fā)射端高移動(dòng)性、對(duì)準(zhǔn)偏差以及高中斷概率時(shí)LT碼的性能，但是該文獻(xiàn)系統(tǒng)模型中沒(méi)有分析接收端的移動(dòng)性對(duì)通信性能的影響，直升機(jī)助降中主要為接收端的高速移動(dòng)；文獻(xiàn)[22]定義了4種譯碼重啟策略，每種重啟策略中加入不同的修復(fù)符號(hào)，4種譯碼方案主要分析了譯碼成功率與消耗時(shí)間之間的關(guān)系，但是，該文沒(méi)有考慮信源與目的節(jié)點(diǎn)之間多變的信道環(huán)境以及不同信道丟包率的影響；文獻(xiàn)[23]通過(guò)增加LT碼中編碼包的多樣性，提高了信息傳輸?shù)目煽啃裕窃黾佣鄻有允沟肔T編碼的復(fù)雜度增加，效率降低；文獻(xiàn)[24]針對(duì)時(shí)變的噪聲信道，設(shè)計(jì)了一種低復(fù)雜度的自適應(yīng)LT碼，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的一系列度分布來(lái)調(diào)整碼率，但是針對(duì)不同的信道噪聲采取不同的度分布進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整匹配實(shí)現(xiàn)難度較大。

本文針對(duì)直升機(jī)輔助起降搜尋信標(biāo)及定位降落過(guò)程中時(shí)變的信道特征，提出了一種分等級(jí)編碼(Unequal Level Coding, ULC)的LT碼，以時(shí)變的丟包率為參量分析了ULC-LT碼的譯碼誤比特率，并與傳統(tǒng)LT碼進(jìn)行了比較；結(jié)合ULC-LT碼方案提出了不同搜尋階段的傳輸策略，該策略能夠提高輔助起降通信中的譯碼成功率，降低誤比特率，保證了高信道丟包率時(shí)的可靠通信，提高了直升機(jī)搜尋、定位、降落的效率和安全性。

2 直升機(jī)輔助起降中無(wú)線紫外光通信策略

2.1輔助引導(dǎo)不同階段

無(wú)線紫外光輔助直升機(jī)降落可分為3個(gè)階段：

(1)信標(biāo)搜尋階段：該階段直升機(jī)高速移動(dòng)并盤(pán)旋下降，不斷搜尋信標(biāo)所發(fā)送的廣播信息。如圖1所示，此時(shí)直升機(jī)處于信號(hào)搜尋階段，信標(biāo)發(fā)送的廣播信息可能遇到山坡、建筑、樹(shù)木等障礙物遮擋，通信效果最差，甚至通信中斷。該階段目的是快速高效確定信標(biāo)位置。

(2)對(duì)準(zhǔn)階段：該階段直升機(jī)飛行范圍基本確定在無(wú)線紫外光散射通信覆蓋范圍內(nèi)。如圖2所示，信標(biāo)(發(fā)送端)與接收端基本在垂直接收范圍內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)偏差會(huì)造成少量丟包，相對(duì)移動(dòng)變小，通信過(guò)程沒(méi)有障礙物阻擋，信道條件變好。該階段目的是調(diào)整直升機(jī)位姿，為降落階段做準(zhǔn)備。

(3)降落階段：直升機(jī)垂直下降的過(guò)程中，通過(guò)位姿微調(diào)，保持接收端與信標(biāo)的對(duì)準(zhǔn)。此時(shí)高對(duì)準(zhǔn)、低移動(dòng)性基本消除了信標(biāo)搜尋和對(duì)準(zhǔn)階段通信丟包和通信中斷的缺點(diǎn)。

2.2不同降落階段通信策略劃分依據(jù)

由于降落場(chǎng)景的復(fù)雜多變，植被、河流覆蓋，山體遮擋等都會(huì)影響無(wú)線通信的性能[25]。例如，樓宇間震后建筑物的搖擺、伸縮會(huì)影響無(wú)線光通信的鏈路性能[26]；在森林火災(zāi)等救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，森林火場(chǎng)變化無(wú)常，樹(shù)木、山體的遮擋會(huì)造成通信中斷[27]；海上救援中海面波動(dòng)也會(huì)影響通信效果；為了保證不同搜尋階段、不同場(chǎng)景下直升機(jī)輔助起降紫外光通信的高效可靠進(jìn)行，不同搜尋階段需要采用不同的通信策略，例如，通過(guò)不同碼長(zhǎng)、不同的編碼等級(jí)以及不同的數(shù)據(jù)量控制，來(lái)保證不同信道環(huán)境的可靠通信。

為了明確不同碼長(zhǎng)對(duì)LT碼譯碼性能的影響，在二進(jìn)制刪除信道模型下，對(duì)不同碼長(zhǎng)以及不同譯碼開(kāi)銷(xiāo)下，LT碼的性能進(jìn)行了仿真分析。圖3(a)為當(dāng)接收到相同數(shù)量的編碼包時(shí)，不同碼長(zhǎng)LT碼的譯碼誤比特率BER(Bit Error Rate)對(duì)比；圖3(b)為不同譯碼開(kāi)銷(xiāo)下LT碼譯碼成功率的比較結(jié)果。

圖1 信標(biāo)搜尋階段示意圖 圖2 對(duì)準(zhǔn)階段示意圖[13]

圖3 LT碼性能仿真

從圖3(a)可以看出，對(duì)于不同數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的LT碼，當(dāng)接收到相同個(gè)數(shù)編碼包時(shí)，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度越短，單幀譯碼誤比特率越低；從圖3(b)可以看出，隨著譯碼開(kāi)銷(xiāo)的增加，譯碼成功率不斷提高；在相同譯碼開(kāi)銷(xiāo)下，長(zhǎng)碼長(zhǎng)的LT碼譯碼成功率相對(duì)較高，短碼長(zhǎng)LT碼完成譯碼需要更大的譯碼開(kāi)銷(xiāo)，冗余度較大。總體看來(lái)，碼長(zhǎng)較短時(shí)，其譯碼所需的編碼包數(shù)量不再趨于原始數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，長(zhǎng)碼長(zhǎng)LT碼單幀數(shù)據(jù)譯碼所需數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)大于短碼長(zhǎng)LT碼；但是從整個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)看，長(zhǎng)碼長(zhǎng)LT碼譯碼所需的數(shù)據(jù)包更加趨近原始數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度。因此，在信標(biāo)搜尋階段，信道環(huán)境相對(duì)較差，采用短碼長(zhǎng)LT碼，能夠以相對(duì)較少的編碼包數(shù)量恢復(fù)出單幀原始數(shù)據(jù)；對(duì)準(zhǔn)和降落階段，采用長(zhǎng)碼長(zhǎng)LT碼，能夠縮短全部原始數(shù)據(jù)包的譯碼時(shí)間，提高編譯碼效率。

2.3 不同降落階段通信策略

由于紫外光的大氣傳輸特性，大氣環(huán)境中紫外光水平方向與垂直方向的透過(guò)率不同[28]，不同波長(zhǎng)的紫外光衰減程度也不相同，因此，通過(guò)信標(biāo)同時(shí)發(fā)送240 nm, 250 nm, 270 nm波長(zhǎng)的日盲段紫外光廣播信息。240 nm波段紫外光采用短碼長(zhǎng)ULC-LT碼，發(fā)送降落環(huán)境二值圖像數(shù)據(jù)以及降落場(chǎng)位置坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息；250 nm波段紫外光采用長(zhǎng)碼長(zhǎng)ULC-LT碼，發(fā)送降落環(huán)境灰度圖像數(shù)據(jù)以及風(fēng)速、地貌種類(lèi)等數(shù)據(jù)信息；270 nm波段紫外光采用長(zhǎng)碼長(zhǎng)LT碼，發(fā)送降落環(huán)境全彩圖像數(shù)據(jù)以及地表坡度、艦面橫搖縱搖角度等數(shù)據(jù)信息。具體通信策略如下：

信標(biāo)搜尋階段通信策略。由于不同場(chǎng)景下，山體、樹(shù)木、層疊樓宇建筑的影響，信標(biāo)覆蓋范圍可能達(dá)不到預(yù)期。該過(guò)程信道丟失率大，該階段目的是快速高效確定信標(biāo)位置，對(duì)環(huán)境細(xì)節(jié)要求相對(duì)較低。此時(shí)接收240 nm波長(zhǎng)紫外光信號(hào)，該波段發(fā)送的二值圖像數(shù)據(jù)量是全彩圖像的1/24，接收端能夠快速恢復(fù)降落場(chǎng)大致場(chǎng)景，解析出的信標(biāo)位置信息能夠確保直升機(jī)快速定位信標(biāo)位置。

對(duì)準(zhǔn)階段通信策略。接收端基本在紫外光散射通信覆蓋范圍內(nèi)，信道丟失率變小，該階段對(duì)凈空條件、懸停條件要求較高。此時(shí)接收250 nm波長(zhǎng)紫外光信號(hào)，該波段發(fā)送的灰度圖像數(shù)據(jù)量是全彩圖像的1/3，接收端接收到的灰度圖像數(shù)據(jù)能夠快速恢復(fù)出凈空環(huán)境的紋理信息。同時(shí)風(fēng)速等數(shù)據(jù)能夠輔助飛行員判斷懸停條件。

降落階段通信策略。該階段接收端與信標(biāo)(發(fā)射端)對(duì)準(zhǔn)偏差很小，信道丟失率較低，對(duì)環(huán)境細(xì)節(jié)要求最高。此階段接收270 nm波長(zhǎng)紫外光信號(hào)，該波段實(shí)時(shí)傳輸降落場(chǎng)環(huán)境圖像數(shù)據(jù)以及地面坡度信息，輔助飛行員實(shí)時(shí)調(diào)整直升機(jī)位姿，保證直升機(jī)安全可靠降落。

3 ULC-LT碼

由于直升機(jī)搜尋信標(biāo)、定位降落的過(guò)程中，信道環(huán)境實(shí)時(shí)多變，ULC-LT編碼等級(jí)的設(shè)計(jì)是為了保證不同信道環(huán)境下信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｓ绕湓谛诺纴G失率較大時(shí)，ULC-LT碼能夠提高譯碼成功率，確保信標(biāo)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。例如在信標(biāo)搜尋階段，信道環(huán)境最差、丟包嚴(yán)重，采用最高編碼等級(jí)能夠保證信標(biāo)位置信息的可靠傳輸和高效快速解析，輔助直升機(jī)迅速搜尋信標(biāo)位置。因此，ULC-LT碼的設(shè)計(jì)是為了保證信道條件差時(shí)信息的可靠傳輸，提高譯碼成功率。

3.1 ULC-LT碼等級(jí)劃分

度分布是保證LT碼編譯碼效率的關(guān)鍵[29]。文獻(xiàn)詳細(xì)敘述了LT碼的編譯碼算法并設(shè)計(jì)一種性能較好的度分布函數(shù)-魯棒孤波分布函數(shù)(Robust Soliton Distribution, RSD)。其編譯碼算法簡(jiǎn)單，復(fù)雜度也相對(duì)較低。對(duì)于原始個(gè)源數(shù)據(jù)包，接收端只需要接收到個(gè)編碼分組后，就能以較大的概率恢復(fù)原始數(shù)據(jù)包，其中，為譯碼開(kāi)銷(xiāo)，略大于。RSD分布函數(shù)表達(dá)式為

對(duì)于一個(gè)好的度分布，大部分節(jié)點(diǎn)的度值應(yīng)該較小，減少編譯碼的異或計(jì)算次數(shù)；度為1的編碼包要有一定比例，才能啟動(dòng)譯碼；少量度值較大的編碼包，以保證覆蓋所有的源數(shù)據(jù)包[30]。ULC-LT碼是一種基于RSD的LT碼，其產(chǎn)生編碼包時(shí)，在保證覆蓋所有源數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上，調(diào)整度為1的編碼包所占的比例來(lái)提高譯碼成功率。本文選取=256，譯碼開(kāi)銷(xiāo)，魯棒孤波分布的LT碼，應(yīng)用BP(Belief Propagation)譯碼算法[31]，來(lái)確定度為1的編碼包的不同比例對(duì)譯碼誤比特率以及編譯碼時(shí)間的影響。仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可以看出，隨著度為1的編碼包在所有編碼包中所占的比例不斷增大，譯碼BER不斷減小，其中度為1的編碼包所占比例在0.20~0.24和0.24~0.27區(qū)間范圍時(shí)，譯碼BER下降最快。由圖4(b)可以看出，當(dāng)度為1的編碼包所占編碼包的比例超過(guò)0.28時(shí)，完成編譯碼消耗的時(shí)間急劇上升，極大降低了編譯碼的效率。結(jié)合譯碼成功率和編譯碼效率的折中考慮，1級(jí)、2級(jí)編碼保護(hù)中，度為1的編碼包在所有編碼包中所占的比例區(qū)間分別為：0.20~0.24，0.24~0.27。

3.2 ULC-LT碼實(shí)施步驟

本文將ULC-LT碼分為兩級(jí)，分別為ULC-LT-1, ULC-LT-2，保護(hù)強(qiáng)度依次增強(qiáng)。根據(jù)劃分的編碼包所占比例區(qū)間，進(jìn)行ULC-LT碼編碼。編碼等級(jí)算法實(shí)施步驟如下：

步驟1 劃分?jǐn)?shù)據(jù)幀。將原始數(shù)據(jù)分為幀數(shù)據(jù)，為總碼長(zhǎng)，為每幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

步驟2 判斷數(shù)據(jù)幀編碼等級(jí)。判斷該數(shù)據(jù)幀的編碼等級(jí)，通過(guò)編碼等級(jí)確定度為1的編碼包所占的比例范圍，同時(shí)確定該數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生的編碼包數(shù)量。

步驟3 產(chǎn)生度值。在(0, 1)范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，根據(jù)度分布函數(shù)和產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)確定一個(gè)編碼包的度值；進(jìn)行次該操作，產(chǎn)生個(gè)編碼包的度值為。

步驟4 選取數(shù)據(jù)包。根據(jù)步驟3中產(chǎn)生的個(gè)度值，每個(gè)編碼包每次在該幀數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取個(gè)數(shù)據(jù)包，總共進(jìn)行次，完成數(shù)據(jù)包的選取。

步驟5 判斷數(shù)據(jù)包是否完全被覆蓋。根據(jù)步驟4中每個(gè)編碼包隨機(jī)選取的數(shù)據(jù)包，判斷該幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生的所有編碼包是否覆蓋該幀數(shù)據(jù)中所有的數(shù)據(jù)包，如果是則進(jìn)行步驟6，否則返回步驟4。

步驟6 判斷是否滿足編碼等級(jí)要求。根據(jù)步驟2中確定的該數(shù)據(jù)幀的編碼等級(jí)，判斷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包中，度為1的編碼包所占編碼包的比例是否在該等級(jí)的劃分范圍內(nèi)，如果是則進(jìn)行步驟7，否則返回步驟4。

步驟7 產(chǎn)生編碼包。根據(jù)步驟4中每個(gè)編碼包選取的數(shù)據(jù)包，每次對(duì)隨機(jī)選出的個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或，產(chǎn)生一個(gè)編碼包，總共進(jìn)行次，得到該幀數(shù)據(jù)的個(gè)編碼包。

4 仿真結(jié)果

4.1不同錯(cuò)誤概率和變化刪除概率下傳輸性能分析

在考慮外界干擾、背景噪聲的情況下，傳輸過(guò)程會(huì)造成誤碼。在不同錯(cuò)誤概率和不同刪除概率時(shí)，對(duì)=1024的RS(15,9)碼、ULC-LT碼和LT碼進(jìn)行仿真分析，譯碼開(kāi)銷(xiāo)為0.4時(shí)，譯碼BER的對(duì)比如圖5所示。

圖4 度為1的編碼包的不同比例對(duì)BER和編譯碼時(shí)間的影響

從圖5(a)可以看出，相同的錯(cuò)誤概率下，RS碼的糾錯(cuò)性能優(yōu)于LT碼。從圖5(b)可以看出信道刪除概率對(duì)于RS碼譯碼性能影響較大。在直升機(jī)輔助起降紫外光通信中，由于采用日盲段紫外LED作為信源發(fā)送信息，近地日盲紫外LED散射通信信道是一種較為理想的信道，直升機(jī)輔助起降紫外光通信中主要考慮丟包對(duì)通信的影響。因此，LT碼更適合應(yīng)用于直升機(jī)應(yīng)急輔助起降通信中高丟失率的通信信道。

4.2 ULC-LT碼性能分析

直升機(jī)搜尋信標(biāo)過(guò)程中，根據(jù)其所處的位置不同，其丟包率是不斷變化的，針對(duì)這一問(wèn)題，在不同譯碼開(kāi)銷(xiāo)下，對(duì)固定刪除概率ULC-LT碼與隨機(jī)刪除概率的ULC-LT碼(Random Erasure Probability ULC-LT code, REP-ULC-LT)進(jìn)行了仿真，隨機(jī)刪除概率是在以某一刪除概率為上限的隨機(jī)丟包，例如當(dāng)丟包率設(shè)置為1時(shí)，每個(gè)編碼包傳輸?shù)膩G包率都為隨機(jī)概率，且；同時(shí)，應(yīng)用本文所提出的ULC-LT碼分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，選取碼長(zhǎng)=256，在不同編碼等級(jí)不同譯碼開(kāi)銷(xiāo)時(shí)，與未采用分等級(jí)編碼的LT碼進(jìn)行仿真對(duì)比；仿真結(jié)果如圖6所示。其中隨機(jī)刪除概率是以最大丟包率為1的時(shí)變丟包率，當(dāng)丟包率為1時(shí)，即直升機(jī)不在紫外光散射通信覆蓋范圍內(nèi)或者由于阻擋，接收端無(wú)法接收到信標(biāo)所發(fā)出的紫外光信號(hào)。

圖6(a)可以看出在相同的譯碼開(kāi)銷(xiāo)下，隨機(jī)刪除概率的譯碼成功率在固定刪除概率為0.4上下浮動(dòng)。即當(dāng)直升機(jī)搜尋信標(biāo)階段，刪除概率在0.4左右。由圖6(b)可以看出，譯碼開(kāi)銷(xiāo)小于0.55時(shí)，在相同的譯碼開(kāi)銷(xiāo)下，隨著保護(hù)等級(jí)的增高，誤比特率逐漸降低。ULC-LT-2等級(jí)編碼誤比特率最低，ULC-LT-1等級(jí)編碼誤比特率次之，ULC-LT碼的誤比特率小于傳統(tǒng)的LT碼。保護(hù)等級(jí)最高的編碼方式，最先完成完全譯碼。當(dāng)譯碼開(kāi)銷(xiāo)大于0.55時(shí)，已經(jīng)接收到足夠多的編碼包，足以恢復(fù)出源碼符號(hào)，此時(shí)編碼等級(jí)對(duì)BER的影響較小。因此，該分等級(jí)編碼保護(hù)方案在信道情況較差或者丟包率較大時(shí)，能顯著降低譯碼BER，提高譯碼成功率。

4.3不同通信策略ULC-LT碼性能分析

本文提出了不同編碼等級(jí)的LT碼編碼方案，分析了不同碼長(zhǎng)以及信道丟失率對(duì)直升機(jī)輔助起降紫外光通信性能的影響；針對(duì)不同搜尋階段、不同場(chǎng)景，提出了不同的通信策略。在不同通信策略性能仿真中，選取不同碼長(zhǎng)LT碼，采用不同編碼保護(hù)等級(jí)，產(chǎn)生相同數(shù)量編碼包，在不同類(lèi)型刪除概率下，進(jìn)行譯碼BER對(duì)比。主要考慮丟包對(duì)通信性能的影響，隨機(jī)丟包率分別設(shè)置為最大丟包率為0.1~0.6的隨機(jī)丟包，仿真結(jié)果如圖7(a)所示，其中變化的刪除概率是以對(duì)應(yīng)的刪除概率為上限的變化刪除概率，其ULC-LT碼選取第2級(jí)編碼。同時(shí)結(jié)合直升機(jī)在峽谷中降落過(guò)程時(shí)的復(fù)雜的通信條件進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，由于該場(chǎng)景下直升機(jī)搜尋信標(biāo)過(guò)程是信道環(huán)境最差的階段，由于巖石、土丘等障礙物的阻擋使得通信丟包極其嚴(yán)重，甚至通信中斷，并且由于太陽(yáng)光中紫外線的影響，會(huì)產(chǎn)生少量誤碼。針對(duì)該實(shí)際場(chǎng)景，設(shè)置最大丟包率為1的隨機(jī)刪除概率，加入噪聲概率為0.01，采用碼長(zhǎng)= 512，在不同譯碼開(kāi)銷(xiāo)情況下，ULC-LT碼譯碼BER與傳統(tǒng)LT碼譯碼BER仿真結(jié)果如圖7(b)所示。

由圖7(a)可以看出，=256，相同刪除概率時(shí)，ULC-LT碼誤比特率低于傳統(tǒng)LT碼的誤比特率。=128刪除概率小于0.4時(shí)，ULC-LT碼與傳統(tǒng)LT碼都基本完成譯碼，譯碼BER差距較??；刪除概率大于0.4時(shí)，ULC-LT碼的譯碼BER小于傳統(tǒng)LT碼，分等級(jí)編碼的優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)。以某刪除概率為上限的變化丟包率總體誤比特率低，因?yàn)槠淦骄鶃G包率小于丟包率的上限。由于編碼包的數(shù)量一定，短碼長(zhǎng)LT碼的冗余度高，其誤比特率也是最低的。

從圖7(b)可以看出，在復(fù)雜惡劣的通信環(huán)境中，需要更大的譯碼開(kāi)銷(xiāo)來(lái)保證成功譯碼；在該實(shí)際場(chǎng)景模擬仿真中，當(dāng)譯碼開(kāi)銷(xiāo)高于0.7時(shí)，ULC-LT碼的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始體現(xiàn)，相同譯碼開(kāi)銷(xiāo)下，ULC-LT碼譯碼成功率更高，更加適合于惡劣環(huán)境下。

相同譯碼開(kāi)銷(xiāo)情況下，傳輸不同波長(zhǎng)發(fā)送的圖片數(shù)據(jù)，其圖像恢復(fù)效果如圖8所示。圖8(a)為3幅圖像數(shù)據(jù)均采用短碼長(zhǎng)，傳統(tǒng)LT碼；圖8(b)3幅圖像數(shù)據(jù)采用本文提出的不同碼長(zhǎng)傳輸策略以及ULC-LT-2碼。由圖像恢復(fù)效果可以看出，采用本文提出的編碼保護(hù)等級(jí)以及傳輸策略，直升機(jī)降落不同階段傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)恢復(fù)效果優(yōu)于未采用分等級(jí)編碼時(shí)的恢復(fù)效果。應(yīng)用最高等級(jí)編碼方式以及本文的通信策略圖像恢復(fù)噪點(diǎn)低，畫(huà)質(zhì)更加清晰，能夠達(dá)到更好的傳輸效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

在直升機(jī)應(yīng)急輔助起降紫外光通信中，信道環(huán)境實(shí)時(shí)多變，丟包是影響其通信性能的主要因素。采用噴泉碼能夠?qū)崿F(xiàn)直升機(jī)的快速可靠定位與安全降落。噴泉碼無(wú)固定碼率和無(wú)需反饋的優(yōu)勢(shì)使得它適合應(yīng)用于直升機(jī)輔助起降紫外光散射通信中。為了適應(yīng)不同場(chǎng)景以及復(fù)雜信道環(huán)境下的通信，在保證信息傳輸效率的同時(shí)，提出了不同級(jí)別的編碼保護(hù)和不同的通信策略，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，與其它通信方案相比，本文所提出的通信策略能夠提高噴泉碼編譯效率，降低譯碼誤比特率，更好地適應(yīng)不同的信道環(huán)境，保證了在各種信道環(huán)境下信息的高效可靠傳輸，提高了應(yīng)急直升機(jī)起降的安全性。

圖5 不同錯(cuò)誤概率和不同刪除概率下LT碼和RS碼BER的對(duì)比??? 圖6 ULC-LT碼性能仿真 ??? 圖7 不同等級(jí)以及實(shí)際場(chǎng)景中ULC-LT碼性能仿真

圖8 不同傳輸方式的圖像恢復(fù)比較

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Research on Wireless Ultraviolet Guiding Fountain Code Technology of Helicopter Emergency Landing

Zhao Tai-fei Liu Xue Lou Jun-peng

(,,’710048,)(&(),,610054, China)

In order to improve the efficiency and the reliability of the helicopter guiding in the beacon researching andlocate landing, an encoding communication scheme based on unequal level coding Luby Transform (LT) code is proposed. Different communication strategies are proposed for different scenarios. The different guiding strategies considering the unequal level coding scheme are designed. The bit error rate of the unequal level coding LT code with different communication strategies is analyzed. The coding scheme and communication strategy are simulated by computer. The simulation results show that the bit error rate of the unequal level protection encoding scheme is significantly reduced and the coding performance is improved over binary erasure channel. The strategies can adapt to different channel environments, and the reliability of communication is improved. Thus, helicopter emergency landing safety is improved.

Ultraviolet communication; Fountain code; Helicopter landing guiding; Guiding method

A

1009-5896(2015)10-2452-08

10.11999/JEIT150004

2015-01-05；改回日期：2015-03-31；

2015-06-18

趙太飛 year623@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國(guó)民航局民航聯(lián)合研究基金(U1433110)，陜西省科技計(jì)劃工業(yè)公關(guān)項(xiàng)目(2014K05-18)，陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(2013JC09)，西安市科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1435(4))和西安市碑林區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(GX1302)

The National Natural Science Foundation of China-Civil Aviation Administration of China Joint Research Fund (U1433110); The Industrial Public Relation Project of Shaanxi Technology Committee (2014K05-18); The Research Project of Shaanxi’s Ministry of Education (2013JC09); The Science Program of Xi’an (CXY1435(4)); The Science Program Project of Beilin District in Xi’an (GX1302)

趙太飛： 男，1978年生，博士，副教授，研究方向?yàn)樽贤夤馔ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)、無(wú)線光通信等.

劉 雪： 男，1989年生，碩士，研究方向?yàn)閲娙a編譯碼.

婁俊鵬： 男，1991年生，研究方向?yàn)锳RM應(yīng)用開(kāi)發(fā).