李煥煥 吳祖民

摘 要：文章提出一種位圖壓縮與解壓縮算法，可以很好地對位圖壓縮邊界進行控制，簡化解壓縮流程。該算法有效避免由于位圖解壓縮誤解碼出現(xiàn)的誤重傳判斷，直接提高衛(wèi)星移動終端與模擬基站之間的數(shù)據(jù)交互效率。已有協(xié)議中，關于該部分的邊界處理，具體算法實現(xiàn)并沒有相關提案。本算法包括位圖壓縮算法、壓縮邊界處理算法、位圖解壓縮算法等3個子算法，經(jīng)試驗驗證，該算法成功實現(xiàn)衛(wèi)星移動終端與模擬基站之間的通信。

關鍵詞：衛(wèi)星通信；GMR-1；主動式輪詢；可靠性傳輸

GMR-1 3G（GEO-Mobile Radio Third Generation）標準是面向地面3G標準，為實現(xiàn)GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)與地面3G核心網(wǎng)互連而制定的[1]。該標準規(guī)定了空中接口通信的終端用戶和接入網(wǎng)基站設備之間的通信接口[2]。為實現(xiàn)衛(wèi)星通信終端進行話音、傳真、視頻等業(yè)務可靠性傳輸，如何在通信過程中保證信令控制以及業(yè)務數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效傳輸與處理成為系統(tǒng)需要解決的重要問題。衛(wèi)星終端與模擬基站交互依靠ACK/NACK消息實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收反饋，當所分配信道資源不足以承載所生成的全局位圖時，位圖需要采用無損壓縮機制進行壓縮，以期達到利用最小的資源傳送最大的信息量，可有效減少ACK/NACK消息數(shù)量，節(jié)省信道資源。位圖壓縮機制采用基于ITU-T Recommendation T.4的一維游程編碼。

1 基于ITU-T Recommendation T.4的一維游程編碼

如果窗口大小小于位圖中的比特數(shù)，那么通過使用不壓縮的位圖提供全部的反饋消息；如果窗口大小大于位圖中的比特數(shù)，那么將從啟動序列號（Starting Sequence Number，SSN）開始采用一維游程編碼（基于ITU-T Recommendation T.4）。

用于編碼游程的T.4流程如下，一連串的1和0交替，游程由下表中的碼字表示。對于T.4中關于游程0和1的碼字有微小改動：用于指示1個0和3個0游程的終止碼進行了調(diào)換。游程碼字有兩種類型：終止碼和形成碼。每一個游程可以表示為一個終止碼或一個形成碼加一個終止碼。范圍在0～63比特的游程編碼為合適的終止碼，大于63比特的游程首先編碼為等于或小于要求的形成碼，緊跟一個表示要求的游程與形成碼表示游程之間差異的終止碼。

在位圖的開始或結尾沒有特殊的碼字，一個一比特的標識用來指示壓縮位圖以0游程還是1游程開始。假定壓縮位圖的長度為Lc，僅當能夠獲得壓縮增益時才使用游程編碼，否則將發(fā)送不壓縮的位圖。

2 算法描述

2.1 位圖壓縮算法

位圖壓縮算法采用基于ITU-T Recommendation T.4的一維游程無損壓縮。本文首先根據(jù)當前協(xié)議參數(shù)v_r（將要接收的下一個RLC塊的序列號）與v_q（接收窗口內(nèi)沒有被接收的最早的RLC數(shù)據(jù)塊的序列號）值獲取全局位圖，如果全局位圖比特數(shù)目要大于給定的位圖占用比特數(shù)據(jù)，那么需要進入位圖壓縮流程，其壓縮過程如下。

（1）根據(jù)變量v_r與v_q獲取全局位圖，全局位圖的范圍[v_q，v_r-1]。本文規(guī)定起始色碼對應相應游程長度的編碼比特與壓縮首字節(jié)的最低位開始一一對應。

（2）獲取可用于存儲位圖的最大承載比特N1。

（3）根據(jù)消息形式，可獲取用于存儲LENGTH字段的比特長度N2。

（4）確定起始色碼，起始色碼取決于序列號為v_q的數(shù)據(jù)塊的接收情況，v_q表示未接收，起始色碼設置為0。

（5）記錄色碼游程，交替進行，根據(jù)T4表（參考協(xié)議44.060）進行壓縮。對應于（1）本文壓縮起始從SSN開始執(zhí)行。在此過程中，記錄壓縮后總長度。壓縮后總長度N3在壓縮過程中不斷增加，與可用于存儲位圖的最大承載BIT有以下幾種關系：

①如果壓縮后長度N3小于可用于存儲壓縮位圖的BIT長度N1，并且二者之間長度之差N4大于等于用于LENGTH字段存儲的BIT長度N2，那么判定壓縮增益，如果壓縮增益大于1，將壓縮后位圖直接寫入狀態(tài)報告，傳送至對端，轉(zhuǎn)至步驟（7）。

②如果壓縮后長度N3等于可用于存儲壓縮位圖的比特長度N1，那么判定壓縮增益，如果壓縮增益大于1，將壓縮后位圖直接寫入狀態(tài)報告，傳送至對端，轉(zhuǎn)至步驟（7）。

③如果壓縮后長度N3小于可用于存儲壓縮位圖的BIT長度N1，但是二者之間BIT長度N4之差小于用于LENGTH字段存儲的BIT長度N2，那么需要調(diào)用邊界處理算法，轉(zhuǎn)至步驟（6）。

④如果壓縮后長度N3大于可用于存儲壓縮位圖的BIT長度N1，那么需要調(diào)用邊界處理算法，轉(zhuǎn)至步驟（6）。

（6）使用CRBB邊界處理算法進行處理，詳細算法步驟參考2.2節(jié)。

（7）每一次壓縮完成，都必須計算壓縮增益，如果壓縮增益大于1，才會將CRBB結構發(fā)送，否則，將填寫未壓縮位圖URBB結構。

2.2 CRBB邊界處理算法

本文提出的CRBB邊界處理算法，對位圖壓縮與信道可承載比特的特殊情況進行處理，保證解壓縮順利進行，避免由于壓縮解壓縮不正確帶來的RLC誤重傳問題。

CRBB邊界處理算法如圖1所示，邊界處理算法思想如下。

（1）如果滿足2.1節(jié)步驟（5）中的條件③，執(zhí)行以下步驟：

①按照壓縮BIT生成順序逆向回退長度為該色碼對應游程長度的BIT長度N5。

②計算回退后的可用壓縮空間N6：

a.如果剩余BIT長度N6足夠存儲，LENGTH字段長度N2，那么填充帶有LENGTH字段的CRBB結構。

b.如果剩余BIT長度N6不足以存儲，LENGTH字段長度N2，那么按照（6）中①所述，繼續(xù)回退，直至滿足剩余BIT長度N6足夠存儲LENGTH字段長度N2的條件。

（2）如果滿足3.1節(jié)步驟（5）中的條件④，執(zhí)行以下步驟：

①按照壓縮BIT生成順序逆向回退長度為該色碼對應游程長度的BIT長度N5。

②計算回退后剩余的可用壓縮空間N6。

a.如果剩余可用壓縮空間長度N6等于零，那么表明LENGTH字段不存在，更新后的壓縮比特數(shù)正好填滿可用壓縮空間N1。

b.如果剩余可用壓縮空間N6大于零并且大于等于用于存儲LENGTH字段長度的BIT長度N2，那么生成帶有LENGTH字段的CRBB結構。

c.如果剩余可用壓縮空間N6大于零并且小于用于存儲LENGTH字段長度的BIT長度N2，那么需要按照壓縮BIT生成順序逆向回退長度為當前最后一個色碼對應游程長度的BIT長度，計算回退后的可用壓縮空間，如果剩余可用壓縮空間長度N6足夠存儲LENGTH字段長度N2，那么填充帶有LENGTH字段的CRBB結構。

2.3 CRBB解壓縮算法

衛(wèi)星終端或者基站作為接收端時，需要進行位圖解壓縮。

位圖壓縮過程已經(jīng)對壓縮邊界作出識別，簡化了解壓縮過程。本文給出解壓縮解析步驟如下：

（1）獲取起始序列號，該序列號對應的RLC數(shù)據(jù)塊為需要重傳的數(shù)據(jù)塊，更新發(fā)送單元相應序列號的數(shù)據(jù)塊標識。

（2）分別獲取黑碼與白碼的最低比特閾值B1和W1。

（3）根據(jù)LENGTH字段是否存在，計算需要解壓縮的長度N9。

（4）讀入壓縮比特流，按照閾值獲取相應比特流，查表，調(diào)用解壓縮與位圖解碼流程進行解碼。

（5）如果剩余需要解壓縮的比特數(shù)目低于閾值B1或者W1（閾值由當前色碼決定，本文取B1=9，W1=13），那么將剩余比特流全部讀入，調(diào)用解壓縮與位圖解碼流程進行解碼。

（6）根據(jù)解壓后的位圖比特流，更新RLC數(shù)據(jù)發(fā)送單元的協(xié)議參數(shù)以及相應與序列號的數(shù)據(jù)塊標識，如果確認收到，那么刪除該PDU，如果否認確認，那么該數(shù)據(jù)標識更新為需要重傳。

采用本文的位圖壓縮方法，位圖解壓縮過程簡化，避免由于邊界不確定帶來的誤解壓。

3 模擬試驗

3.1 試驗方案

為驗證本方案的可行性，采用C語言編程實現(xiàn)本文所提出的位圖壓縮及解壓縮算法。算法應用于衛(wèi)星移動終端與模擬基站。使用衛(wèi)星終端與地面模擬基站進行通信模擬試驗，對衛(wèi)星移動終端位圖編碼以及模擬基站位圖解碼情況進行成功率統(tǒng)計，如表1所示。

3.2 試驗結果分析

如表1統(tǒng)計所示，采用本文提出的壓縮算法及解壓縮算法可將位圖正確編解碼，編碼邊界識別無誤，不會造成識別誤碼率。

4 結語

本文提出的位圖壓縮算法以及解壓縮算法適用于GMR-1 3G標準的通信系統(tǒng)，隨著衛(wèi)星通信技術的不斷發(fā)展，通過算法改進進行衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能優(yōu)化，已經(jīng)成為一種趨勢。

[參考文獻]

[1]程宇新，羅常青，吳建軍.新一代GEO衛(wèi)星移動通信新標準GMR-13G簡介[C].北京：第六屆衛(wèi)星通信新業(yè)務新技術學術年會，2010.

[2]范志勇.GMR通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)處理的設計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2014.

Abstract：In this paper， an innovative bitmap compression and decompression algorithm is proposed， which can control the compression boundary of the bitmap very well and simplify the decompression process. The misjudgment of the data resend caused by bitmap error decoding can be avoided. It has been improved the data interaction efficiency between the satellite mobile terminal and the analog base station. The existing agreement， no relevant proposal agreement about how to process bitmap boundary exists. The algorithm includes three parts， such as bitmap compression algorithm， the boundary process algorithm and bitmap decompression algorithm. The experiment proves that the algorithm can realize data communication between the satellite mobile terminal and the analog base station.

Key words：satellite communication； GMR-1； active polling； reliability transmission