最新CCSDS图像压缩算法研究与实现

2005年CCSDS(空间数据系统咨询委员会)推出了一项新的图像数据压缩算法标准,制定算法标准的目的是为了解决有效载荷设备的数据压缩以及如何分段压缩能使地面更好地接收图像数据和解压缩.算法的应用能够减少静态图像的数据量,这样不仅可以降低传输带宽,减少数据存储,而且在给定码率情况下能缩短传输时间,这对空间数据压缩具有重要意义.针对CCSDS最新推出的图像压缩算法进行了研究并对其性能进行了阐述,分析了算法硬件实现的可行性,并将算法软件实现的结果与其他图像压缩算法的实现结果进行了测试比较,结果表明在低码率下压缩性能与JPEG 2000,SPIHT相当,甚至更好,完全符合星载图像压缩在低码率下传输的要求.      

自组织网络中UPMA协议的群间仿真

基于有效竞争预约接入、无冲突轮询传输的思想,结合分层分布式网络结构为自组织网络提出了依据用户妥善安排的多址接入(UPMA)协议,UPMA协议可以支持节点移动性和多跳网络拓扑,并使用网络仿真工具OPNET仿真评估了它的群间通信性能.该协议利用分群算法将多跳网络拓扑形成轮询所需要的两跳分群结构,包括预约接入和无冲突的轮询服务阶段.有分组发送的节点在每帧的竞争接入时隙中竞争接入.如果成功,则进入轮询服务过程;否则,在本帧重新开始的接入阶段中进行冲突避免和分解的预约接入过程.仿真结果表明,UPMA协议显著提高了多跳群间的业务传输效率,可以提供较高的端到端信道利用率、较低的端到端平均消息时延和较小的平均消息丢弃率.      

多协议多用户GPS/GSM监控系统网关的设计与实现

在多协议、多用户GPS(Global Position System)/GSM(Global System for Mobile communications)监控系统中,网关的设计对系统的性能、可用性和可扩展性有重要作用.讨论了在网关设计中需要注意的几个关键问题:通过分析不同短消息服务器的接口协议,提出使用协议管理器实现多协议接入;给出了与用户系统的通信指令格式,并分析了地址的转换流程.最后剖析了用多线程方式和消息驱动实现这种系统的优点,并给出了一个具体实现的消息循环流程.实践证明这种设计是可靠高效的.     

分布式多媒体系统模型与传输控制算法的研究

作为分布式多媒体系统通信与表现控制研究的基础,提出分布式多媒体系统整体模型DMISIM(Distributed Multimedia Information System Integrated Model),将分布式多媒体系统抽象为3元组——多媒体同步时间单元SIU(Synchronization Interval Unit)、通信信道以及信道与SIU序列之间的一一映射关系．模型描述多媒体信息和通信网络的静态属性,反映系统通信传输的动态过程．基于DMISIM,对分布式多媒体通信传输控制机制进行研究,提出最小偏差调度算法MDSA(Minimum Deviation Scheduling Algorithm)作为古典列表调度算法CLSH(Classic List Scheduling Heuristic)的改进．理论分析和逻辑推导证明,在不增加算法时间复杂度,不降低多媒体同步表现质量的同时,算法提高了系统目的端缓冲区利用率,降低了缓冲区需求及多媒体数据溢出的可能性．算法与底层通信传输机制无关,可以广泛应用于分布式多媒体系统的通信传输过程中．      

合成孔径雷达压缩感知成像方法

为解决大带宽、多通道空间雷达系统的数据量大导致数据无法存储和传输的问题,介绍了一种基于压缩感知理论(CS,Compressive Sensing)的、全新的合成孔径雷达数据获取体制和脉冲压缩方法.在观测场景满足一定稀疏特性的前提条件下,使用该方法取代传统的匹配滤波方法进行脉冲压缩处理,可以从远远低于常规雷达所获取的数据量中恢复出原始场景.压缩感知脉冲压缩是通过使用一种贪婪追踪算法解一个逆问题来重建脉冲压缩后的信号.给出了该方法的原理和过程,并通过计算机仿真验证了该方法的有效性.这种新方法可以简化雷达系统,有效降低存储和传输的数据量,将设计重点从昂贵的接收机硬件上转移到智能信号重建算法上去.      

Lyapunov自适应滤波及其 在INS/SMNS组合中的应用

为克服在惯导/景像匹配导航系统(INS/SMNS,Inertial Navigation System/Scene Matching Navigation System)组合导航系统中随着匹配点增多最小二乘法易出现发散的缺点,提出了一种基于多输入多输出(MIMO,Multi-Input-Multi-Output)系统的改进型Lyapunov自适应滤波算法.该方法利用观测方程信息,通过定义滤波误差和预测误差获得算法的递推公式,而算法的稳定性和收敛性可由Lyapunov稳定性理论来证明.以INS/SMNS组合导航系统为例进行了仿真验证,和递推最小二乘算法相比该算法简单、可靠,而且滤波的性能优于递推最小二乘算法.     

一种适于LEO卫星网络的动态源路由算法

针对低轨(LEO)卫星网络拓扑变化有规律、可预知的特点,提出了一种适于LEO卫星网络的动态源路由算法,即自适应路由选择(ARS)算法.它引入逻辑位置的思想屏蔽了卫星移动性对路由选择的影响,使得源卫星只需自身和目的卫星的逻辑位置信息便可以进行路由计算获得最小传播时延路径,避免了收集路由信息所带来的交换开销;同时,根据最小传播时延路径的分布特点提出了一种高效的路径表示方法,用于在IP数据报头中存储所获得的最小传播时延路径,中转卫星可以根据该路径信息转发数据报直至目的卫星,和其他各类源路由算法相比大大降低了路由开销;另外,该算法还针对可能发生的链路拥塞和卫星失效情况提供了保证数据报正常传输的处理方法.最后,将所提出的算法与最小传播时延数据报路由算法(DRA)和Bellman最短路径(SP)算法进行了仿真比较.仿真结果表明,ARS算法在降低路由计算开销和交换开销的同时,保证了数据报的端到端传输时延要求.      

对地观测DSS任务分配问题的CSP模型与算法

任务分配是对地观测分布式卫星系统(Distributed Satellites System, DSS)自主协作运行过程中的一个重要环节. 针对任务分配中的约束满足问题(Constraint Satisfaction Problem, CSP), 以DSS完成任务总耗能最少为原则, 构建了任务分配问题的CSP模型, 并引入MAS理论中的合同网协议, 给出模型的求解算法, 通过仿真算例对模型和算法进行了验证.      

GPS信号模拟器中sine存储表的设计和实现

结合Sunderland算法和泰勒多项式原理,给出了直接数字频率合成(DDS)中相位至幅度映射表的压缩算法的数学模型,分析了压缩效率.用快速傅里叶变换来分析杂散水平,利用matlab计算工具对整个算法进行了建模、优化和验证,仿真表明映射表采用该算法设计的DDS数字载波部分的最大杂散约为-90?dB,且有良好的压缩效率.该算法实现结构简单,没有乘法运算.在Xilinx公司的现场可编程门阵列(FPGA)中进行了实现,已成功地应用于一个实际GPS信号模拟器数字中频系统的设计.     

无线传感器网络中的跨层路由协议

为了减少无线传感器网络中的干扰产生,降低由此引起多次重传后的分组丢弃从而导致的额外重传时延和能量消耗,改善网络的传输效率和能量效率,提出了一种基于跨层设计的干扰感知路由(IAR,Interference-Aware Routing)协议.与现有的基于竞争的路由协议不同,IAR协议引入节点干扰度和能量度作为选路代价,通过干扰和能量感知的路由选择机制实现路由建立.利用节点收到的发送请求、清除发送和应答分组的计数作为干扰度的计算依据,从而在路由选择中避开了干扰易发生区域;利用下一跳候选节点的初始和剩余能量作为能量度的计算依据,从而均衡了各节点的能量消耗,延长了整个网络的寿命.仿真结果表明,与动态码字路由和ad-hoc按需距离矢量路由协议相比,IAR协议提高了能量效率、改善了网络的吞吐量、分组投递率和时延等性能.     

Ad hoc网络局部路由发现算法

针对自组(ad hoc)网络按需路由协议采用全网络广播方式来进行路由发现带来的网络路由开销较大问题,提出一种减少网络路由开销的局部路由发现算法.路由附近节点根据当前路由上发送的数据报文计算到达目的节点的最小跳数;当路由发生中断时,路由发现请求报文将在中断路由附近节点间按照最小跳数减小的方式传递,从而合理限制路由发现范围;通过增大中断链路附近节点转发路由发现报文跳数的方式,扩大局部搜索范围,提高路由发现成功率.仿真实验结果表明,本算法最多可以减少约60%的网络路由开销,降低约70%的平均网络延迟,提升约10%的数据报文发送成功率.此外,任何基于广播方式进行路由发现的路由协议都可以使用这种算法优化性能.      

航空高动态网络链路感知OLSR路由算法

针对航空高动态无人机（UAV）网络环境中节点移动速度快、网络拓扑变化快,导致网络链路稳定性差、数据到达率低和信息拥塞度高等问题,提出了一种航空高动态网络链路感知OLSR（OLSR-LA）路由算法,该算法利用接收的2个连续Hello消息的多普勒频移、能量等信号特征,计算出航空高动态无人机网络中2个相邻节点的相对速度和移动趋势,从而得出这2个节点之间链路的保持时间。根据节点MAC层接口队列长度衡量网络局部的负载程度,并利用ARIMA-WNN组合预测模型预测下一时刻节点负载的预测值,并通过Hello消息传递给邻居节点。根据链路感知情况,采用基于局部路由负载均衡（RRLB）算法避免拥塞的发生。仿真结果表明,与传统OLSR算法相比,本文提出的算法有效提高了分组交付率,降低了端到端的传输延时,增加了网络吞吐量,从而提高了整个无人机网络传输的有效性和实时性。      

兼顾控制流量的软件定义卫星网络路由策略

软件定义卫星网络（SDSN）通过解耦数据与控制平面,实现网络态势与控制的逻辑集中,为管理卫星网络提供了一种新的思路。在SDSN中,控制报文和数据报文同时在网络中传输,海量、动态、高优先级的控制流量将对数据报文传输产生极大的干扰。因此,提出了一种数据流退让路由（DFRR）策略。在计算数据报文路由时,DFRR将链路上控制流量大小作为影响链路代价的一个因素,以减少选择控制流量较大的链路;在网络操作控制中心（NOCC）连接的过顶卫星切换导致控制流量分布发生较大变化之前,DFRR预测可能发生拥塞的链路,并选出链路上部分数据流进行重路由,从而避免拥塞。在开发的SDSN研究平台OpenSatNet上对DFRR的性能进行了评估。实验结果表明,DFRR能够有效减少网络中的链路拥塞,以及控制报文和数据报文的分组丢失。      

基于稳定分簇的移动自组织网络路由协议

移动自组织网络的动态拓扑特性给其分簇路由协议的设计带来了一定的挑战,而分簇算法作为分簇路由协议中重要的技术手段,如何建立一种有效稳定的分簇机制,对分簇路由协议的性能至关重要。本文在大规模网络环境下,提出一种稳定的分簇算法,并在此基础上提出一种分簇路由协议。为提高网络性能,该分簇路由协议簇间采用被动模式,簇内采用主动模式,并且各个分簇由簇首、网关、访客和普通簇节点组成。仿真结果表明:该分簇算法减少了簇的数量和簇成员在簇间的切换次数,提高了分簇的稳定性。相应的分簇路由协议较该类协议也降低了网络的平均端到端时延和平均路由开销,提高了数据包接收的成功率。      

FC-AE-1553网络传输性能评价

为了提高航天航空网络传输性能,提出一种通用的FC-AE-1553网络传输效率计算方法并研制高性能FC-AE-1553节点卡.首先,对FC-AE-1553网络的消息传输过程进行详细分析,分析信息类型,给出传输帧的格式建议,通过分析FC-AE-1553协议中各类消息传输的时间参数,结合FC标准中对通信时间的要求,提出FC-AE-1553网络交换中各种消息类型的通信时间计算公式.然后, 针对无差错传输和有差错传输两种情况,给出了网络传输效率的计算方法.最后,通过仿真分析数据帧净荷长度、节点处理时间、交换中序列数量、传输误码率、丢包率等参数对FC-AE-1553网络传输效率的影响,给出了网络优化设计的建议.依托某航天工程任务,研制了基于XC5VFX100T和MPC8536E的FC-AE-1553节点卡.实验结果表明:丢包对传输效率的影响可忽略;数据帧净荷为2 048 B,数据帧数量为16时,传输效率可达到77.2%.      

基于低轨移动星座的高速星载路由器设计

随着地面网络流量不断增长,实现星地一体化要求星间网络能够提供基于IP的大流量数据传输。而星载路由器作为连通星间网络的关键设备,其转发速率和服务质量等指标决定了整个星间网络的吞吐量和时效性。考虑到现有星载路由器吞吐量低的现状,提出一种适用于低轨移动通信星座的高速星载路由器设计方案,在基于拓扑快照的路由基础上补充3层动态路由,在保证交换速率的同时减少网络故障导致的丢包,实现“一次路由,多次交换”。采用共享内存式的交换存储单元,利用Spacewire和Serdes高速接口单元,理论上星间数据吞吐量能够达到最高51Gbit/s,且支持IP数据传输,为与地面网络的融合奠定基础。     

移动Ad Hoc网络中的自适应转发分群路由协议

为了提高移动Ad Hoc网络的可扩展性,降低在大规模移动Ad Hoc网络中路由开销的增长速度,提出了一种自适应转发分群路由(AFCR,Adaptive Forwarding Cluster Routing)协议.它采用基于最小节点标识号(ID)的移动分群算法将所有节点分为若干个一跳分群.通过设置分群计时器,仅使用两轮控制消息就能快速部署网络的分群结构,并且可使分群同时在全网多处展开.邻节点之间通过交换局部路由信息来建立相邻群首间的路由,而不相邻群首间的路由则利用相邻群首间的路由来建立.基于所建立的分群网络结构和局部路由信息,该协议能够完成数据分组的自适应转发.仿真结果表明,与DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)和RRR-DSDV(Rapid Route Recons truction DSDV)协议相比,AFCR协议在大规模、重业务量的情况下有效地降低了路由开销、改善了网络的传输性能.     

基于活动预测和能耗均衡的WSN路由算法

无线传感网络（WSN,Wireless Sensor Network）中节点触发与数据传输往往会呈现出某种活动模式,基于活动模式特性提出了基于活动的节点分簇算法（AACP,Activity-Aware Clustering Protocol）,将网络中的传感器 节点分成多个活动簇,并通过对节点的历史触发数据进行分析,结合分簇结果对当前发生的活动进行预测.基于活动预测结果,综合能耗均衡、节点剩余能量、传输能耗等影响因素,提出了基于活动预测和能耗均衡的WSN路由算法（AEBRP,Activity-aware and Energy Balanced Routing Protocol）.仿真实验中与低功耗自适应集簇分层型协议（LEACH,Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）、基于跟踪的动态节点分簇算法（HCMTT,Hybrid Clustering for Multitarget Tracking in wireless sensor networks）和传感器信息系统中的高能效采集算法（PEGASIS,Power Efficient Gathering in Sensor Information System）进行比较,验证了AEBRP算法在维持网络能耗均衡、延长网络生命周期方面具有明显优势.