面向高速卫星传输的高维联合编码调制信号理论与设计

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    61671324
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    58.0万
  • 负责人：
    陈为刚
  • 依托单位：
    天津大学
  • 学科分类：
    F0106.空天通信
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

With the increasing of the traffic from the space, it has become a great challenge for space data transmission especially the transmission from satellite to earth or inter-satellite. The high order modulation with high spectrum efficiency has been the inevitable development trend in order to promote the data rate to above 10 Gbps. However, the energy efficiency must also be enhanced, for the limited energy the satellite can obtain. This project investigates the theories and design methods of high dimension coded modulation signals for high-speed satellite transmission. Specifically, high performance non-binary low-density parity- check (LDPC) codes with nonequiprobable output non-binary elements are constructed and a mapping from the non-binary element to the constellation point is determined. Thus, the coding and shaping gains are achieved simultaneously to approach the Shannon limit. Then, for the non-linear satellite channel, design the non-binary LDPC codes, high order modulation constellation and the mapping from variable symbols to the constellation points to minimizing the peak to average power ratio and the gap to Shannon limit. Finally, digital pre-torsion and output power backoff are investigated for high dimension coded modulation signal. A verification testbed using some instruments is built and a link-level verification platform is developed. The output of this project will extend the design theories for high dimension coded modulation signal and promote the development of the high speed data transmission.
随着空间业务量的不断增加，空间数据传输尤其是星地或卫星之间的高速数据传输面临很大挑战。为提高卫星数据传输速率到10Gbps以上，采用频谱利用率更高的高阶调制是发展的必然趋势；而又因星上能源有限，必须提高传输的能量有效性。本项目研究面向高速卫星传输的高维编码调制信号的理论与设计方法。具体而言：首先构造输出多进制符号概率不相等的高性能多进制低密度奇偶校验（LDPC）码，建立符号与星座点之间的映射关系，同时获得编码增益与成型增益，逼近香农限。其次，面向非线性卫星信道，以最小化峰均功率比以及距离香农限的性能差距为目标，优化多进制LDPC码、高阶调制信号星座以及LDPC码符号与星座点的映射规则等。最后，研究面向高维编码调制信号的数字预失真方法与输出回退准则，建立基于测量仪器的验证模型，搭建链路级仿真验证平台。本项目相关研究成果将拓展高维编码调制信号的设计理论，并有力推动高速卫星数传的发展。

结项摘要

随着卫星通信业务量的增加，卫星与地面、卫星与卫星之间的高速数据传输面临新的挑战。采用高频谱利用率的高阶调制是重要选项之一；星上可用能源与硬件资源有限，编码调制信号的功率有效性与算法的实现复杂度也要综合考虑。基于此，本项目研究面向高速卫星数据传输的高维编码调制信号，围绕非传统高阶调制结合低密度奇偶校验（LDPC）码尤其是多进制LDPC（NB-LDPC）码设计适合卫星传输的高维编码调制信号。具体开展了以下研究：（1）基于NB-LDPC码符号的非线性扩展生成概率不均匀映射，并与星座点最优概率相匹配，设计了适合卫星非线性信道的不等概的64阶星座点与编码调制方法；进一步设计了非传统6/7-QAM等与NB-LDPC码结合的编码调制方法，都获得了优于传统编码调制的优势。（2）基于哈密尔顿图，设计了基于弦边增长的非零元素优化方法，优化了在GF（64）和GF（256）上的NB-LDPC码。设计的NB-LDPC码与CCSDS的码相比，有一定优势；针对CCSDS标准的二进制LDPC码，提出基于核心稠密矩阵的编码方法，编码器的复杂度降低为传统方法的1/2，考虑到星上硬件资源受限，提出的方法实用性强，是本项目亮点之一。（3）高速卫星通信要求极低的错误率，设计了多进制/二进制LDPC码结合RS码/BCH的乘积码，能以较低的复杂度获得极低错误率。提出了利用RS码纠删能力的增强译码，并评估了其纠正突发删除的能力；利用FPGA平台实现了LDPC+BCH乘积码的编译码算法验证。（4）针对高速传输可能存在的时间不能精准同步的情况，研究了存在符号缺失与插入条件下的迭代处理策略，并提出了网格图剪辑的低复杂度处理方案。（5）为支持自适应编码调制，参照第二代卫星数字广播，研究了改进的帧同步策略；进一步，基于通用软件无线电外设（USRP）搭建了高阶编码调制的半实物验证平台。项目执行期，在上述内容共发表论文11篇，其中7篇被SCI检索；申请发明专利13项，其中3项已获得授权。参加几十次相关领域学术研讨会，培养研究生10余名。

项目成果

期刊论文数量（10）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（1）
专利数量（13）
Iterative Decoding of LDPC-Based Product Codes and FPGA-Based Performance Evaluation
基于 LDPC 的乘积码的迭代解码和基于 FPGA 的性能评估
  • DOI：
    10.3390/electronics9010122
  • 发表时间：
    2020-01
  • 期刊：
    Electronics
  • 影响因子：
    2.9
  • 作者：
    Weigang Chen;Wenting Zhao;Hui Li;Suolei Dai;Changcai Han;Jinsheng Yang
  • 通讯作者：
    Jinsheng Yang
Low-complexity encoder for LDPC codes in space applications
用于空间应用中 LDPC 码的低复杂度编码器
  • DOI：
    10.1049/el.2019.2417
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Electronics Letters
  • 影响因子：
    1.1
  • 作者：
    Chen Weigang;Han Changcai;Yang Jinsheng
  • 通讯作者：
    Yang Jinsheng
纠正随机错误与长突发删除的多进制乘积码研究
  • DOI：
    10.16798/j.issn.1003-0530.2020.05.003
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    信号处理
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    王婷;陈为刚
  • 通讯作者：
    陈为刚
Design of Nonequiprobable High-Order Constellations over Non-Linear Satellite Channels
非线性卫星信道上非等概率高阶星座的设计
  • DOI：
    10.3390/electronics9010123
  • 发表时间：
    2020-01
  • 期刊：
    Electronics
  • 影响因子：
    2.9
  • 作者：
    Weigang Chen;Yu Peng;Changcai Han;Jinsheng Yang
  • 通讯作者：
    Jinsheng Yang
Minimum Distance Optimization with Chord Edge Growth for High Girth Non-Binary LDPC Codes
高周长非二进制 LDPC 码的带弦边增长的最小距离优化
  • DOI：
    10.3390/electronics9122161
  • 发表时间：
    2020-12
  • 期刊：
    Electronics
  • 影响因子：
    2.9
  • 作者：
    Han Changcai;Li Hui;Chen Weigang
  • 通讯作者：
    Chen Weigang

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其他文献

LDPC码改进的量化自适应偏移最小和算法
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  • 发表时间：
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    --
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    2014
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  • 作者：
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  • 通讯作者：
    陈为刚
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    --
  • 发表时间：
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  • 作者：
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  • 通讯作者：
    吴月敏
基于率匹配Turbo码的协作通信验证系统
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    --
  • 发表时间：
    2013
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    信息技术
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    --
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    陈为刚;王通;王昊博
  • 通讯作者：
    王昊博
基于完全吸收集的LDPC码误帧率估计方法
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    --
  • 发表时间：
    2013
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  • 作者：
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  • 通讯作者：
    陈为刚

其他文献

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基于稀疏图可纠正同步与替代错误的纠错码研究
  • 批准号：
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  • 项目类别：
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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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