CN101944974A - 卫星网络的高效内容分发技术 - Google Patents

Abstract

卫星网络上的高效的大规模文件分发方法，充分利用卫星网络来提供个人通信服务的可行性、强大的信息处理能力、高效便捷的数据业务功能，通过借助于网络编码技术，在卫星信号发射端口、中转站点以及智能终端配置合适的通信协议来实现。该通信协议实现了卫星单向点对点通信，以及卫星网络上的大规模内容分发，内容下载。本发明包括基于随机线性网络编码的，针对双向卫星网络的内容分发问题提出的高效分发技术。基于确定线性网络编码以及最大距离可分码理论的高效，鲁棒的分发技术。基于Gibert-Elliot错误模型的，针对单通道的点对点卫星通信系统，实现高效，适应性强的分发技术。本发明的优点在于方便实现，传输冗余小，效率高，可适应性好等。

Description

卫星网络的高效内容分发技术

一.技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体来说，本发明给出了一种在卫星信号发射端，信号中转和智能接收端实现高效内容分发和接收的通信方案。

二.背景技术

卫星网络提供全球覆盖和大范围服务，特别适合需要快速而及时的连接场景，或长距离以及有困难障碍物的情形^[1，2]。例如大规模分布式数据库的更新，大量信息如医疗，新闻等的远距离发布^[1，3，4]。卫星的广播特性可以提供为多用户传输信息的效率^[9]。

近来，在^[5]中作者提供了一个特殊系统--SPIDER，用来从单信源向基于Internet和私有网络互联的多个接收节点快速分发大规模文件。然而，其认证机制受到数据传输延迟的严重影响(在地球静止轨道上，如果条件不好可达到500ms)。虽然LEO卫星提供短时间的单轮延迟，但是一般LEO卫星系统都要通过许多处理入口进行运作，并且IRIDIUM卫星基于有固定处理平台，这些都会增大延迟。

然而对于基于GEO的卫星网络上的大规模文件分发，如果采用传统的请求-分发-重发机制，智能终端的等待时间比较长，而且提高信息下载的卫星端或中转站点将需要重传很多次数，特别是在天气恶劣情况下，从而传送鲁棒性以及效率非常差。这类似于Bt下载的首尾效应。

回传信道一般分为两种，双向回传信道和单向无回传信道。作为双向链接，一个简单的传输协议就是错误重传协议，即当接收者收到不能纠正的错误数据包或没有收到数据包时，它们将通过回归信道告诉传输者重新发送。此方式易行。然而，其时延或等待时间将随接收者的增加而迅速增加。

如果仅能接收数据的中转站被用于卫星数据传输，那么必须采用单向卫星通信技术以提供有效的数据传输。由于在单向卫星数据网络中没有可逆信道，数据传输是无线的，它需要采用UDP传输层协议。单向卫星网络主要应用于多播和广播UDP/IP数据包。对于这种情况，前向纠错(FEC)技术可以用来解决传输位错问题，当然必将引入一些传输冗余。此外，系统码，分组码或卷积码也是不错的选择。

当然，在各种应用中，可以利用地面通道来认证，或者利用卫星上的不同信道，或利用发送器划分同一信道技术来认证，作为替代措施。但在本文设计中，主要涉及文件分发，而不考虑这些替代技术。

确认机制

肯定和否定确认被用于各种通信网络。为最小化确认次数，只传输否定确认或与多帧的肯定确认结合传输，此策略对多个接收者非常有效。

重传机制受到传输时延的强烈影响。为适应流控制和错误控制，各种重发机制被广泛用于点对点通信，例如停止-等待(Stop and Wait)，回退-重发(Go Back to N)，选择重发等。

对于非常大的文件(大于100Mbits，1Mbit/s的信道)，可以设计了一些停止-等待(在每帧之后等待确认)来最小化等待时间。对于回退-重发机制，当接收到否定确认时，此丢失帧和它之后的数据帧都将被重传。这样对于一个否定确认而产生的长时间延迟将导致重传大量数据帧，从而降低传输效率。进而，为减少重传帧数，Gopal和Jaffe^[6]设计了全内存的回退-重发协议。此协议进一步被^[7]改进，提高了30％的效率。与回退-重发机制相比，此机制假设接收者具有一定内存，并给定时限或仅对否定确认选择重传。因此它只需传输单个数据帧。此改进协议被用于Nadir计划^[8，9]，并且具有较高的传输效率。

所有这些都适合于带有回执信道的卫星通信。而对于单向卫星通信，一些必要的技术如前向纠错或重复传输机制可以用来提高可靠性。然而，它们也将降低信息传输效率。

网络编码最早见于^[10]中，它作为一种新技术通过允许传输者对输入的信息进行编码操作以提高网络吞吐量，传输鲁棒性和传输效率。随机线性网络编码^[11]和线性网络编码^[12]，是实现网络编码的比较实际的编码方式。此技术已经被应用到各种通信中。

正是在这样的背景下，我们提出本发明。旨在利用网络编码新技术来实现卫星网络上的高效内容分发，提高单向网络通信的鲁棒性和传输效率。

三.发明内容

本发明提供了几种基于网络编码新技术的卫星网络的内容分发技术。所述技术方案如下：

根据随机线性网络编码技术，针对双向卫星通信网络，并无中心第三方，构造高效内容分发方式。其中系统参数包括编码方式，编码系数，数据块标识等。此技术应用于卫星通信的优点在于：(1)它非常适合于分布式和移动网络。(2)传输效率高。在此传输中，卫星不需要每次都等待来自接收者的回执信息，并且接收者仅需要回执丢失的数据块数而不是所有的数据块的具体指标。而且卫星也不需要找出特殊的数据块来重传，只需重传与回执数目的相当的数据块。(3)传输延迟小。(4)传输冗余小，传输鲁棒性好。

根据确定线性网络编码以及最大距离可区分码理论，针对双向卫星通信网络，构造高效内容分发方式。其中系统参数包括编码方式。此技术应用于卫星通信的优点在于：(1)传输冗余小，传输效率高。(2)终端智能要求不高。(3)传输鲁棒性好。(4)传输延迟小。

根据确定线性网络编码，最大距离可区分码理论以及Gibert-Elliot错误模型，针对单向卫星通信网络，构造高效内容分发方式。其中系统参数包括编码方式。此技术应用于卫星通信的优点在于：(1)适应好。此方案能用于带有多种类型的接收者的单向通信，譬如：具有不同访问时间，以及不同位置的接收者。在这种情况下，卫星不需要考虑接收者到达的时间和到达的数目。而是在有需求的时候，卫星广播组合数据包给所有接收者。(2)此模式不同于传统传输模式，只要当接收者得到n个线性无关数据包，他们就能够重组原始数据。这将大大降低传输次数和等待时间。因此，节约了能量和带宽。

四.附图说明

图1两状态Markov链模型。

·p是从Good状态向Bad状态的转移概率。

·q是从Bad状态到自身的转移概率。

图2UDP数据报结构。

·Source Port-16位。源端口是可选字段。当使用时，它表示发送程序的端口，同时它还被认为是没有其它信息的情况下需要被寻址的答复端口。如果不使用，设置值为0。

·Destination Port-16位。目标端口在特殊因特网目标地址的情况下具有意义。

·Length-16位。该用户数据报的八位长度，包括协议头和数据。长度最小值为8。

·Checksum-16位。IP协议头、UDP协议头和数据位，最后用0填补的信息假协议头总和。如果必要的话，可以由两个八位复合而成。

·Data-包含上层数据信息

·Coding coefficients-随机网络编码或确定网络编码系数。

图3分别为发送端，接收端结构模块。

五.具体实施方式

在卫星通信网络中，由于噪音或传输错误产生位错是不可避免的。幸运的是，纠错码(Reed-Solomon码，MDS码等)和卷积码可以用来纠正解决此问题，这也不是本文的重点。与平均很小的位错率(BER)(10^-7)相比，由于各种原因如信道错误或乌云，雨，雪等障碍所引起的随机错误率很高，其中，这些障碍被称为雨衰。雨衰分为上行和下行两种，上行雨衰主要影响分享链路，可以通过上行能力控制(UPC)来减少影响。然而，对于下行雨衰，卫星必须调整能量以适应于某些有障碍的区域，这将恶化传输条件，从而增加丢包率。为解决此问题，我们利用Gilbert-Elliot模型^[13]来刻画带有随机丢包错误的点对点卫星传输网络。具体来讲，丢包模型可表示为两状态(Good和Bad)Markov链，参见图1.每一个状态假设具有独立的不变丢包率，c_G代表Good态，c_B代表Bad态的丢包率，且c_G＜＜c_B。一个2×2的随机的态转移矩阵可以完全刻画此离散模型。此转移矩阵由p和q确定(其中p代表从Good态到Bad态的转移概率，而q代表从Bad态到Good态的转移概率)。

表1.两状态Markov链的转移概率

	Good	Bad
			Good	1-p	p
Bad	q	1-q

我们提出一些有用的点对点卫星通信网络上的传输协议。在这些协议中，我们假设卫星是信源节点，大规模文件被分为大块进而再分成单个帧。具体来讲，卫星将文件分为n个数据块，每块用向量

表示，其中q是素数方幂，s是整数。我们仅需要考虑传输这些向量。以下假设卫星仅需要广播消息或在传输前已经找到传输路径。

具体实施方案1

随机网络编码是一种实用的方法来实现每个中间节点的编码，而无需中心设计者。它非常适合于分布式和移动网络。为执行随机线性网络编码，每个传输节点随机线性组合所有输入的信息以得到输出信息(当然假设所有的消息具有同样的类型，或处于同样的线性空间中)。基于此优点，我们设计如下协议。

基于Hello-ACK(Acknowledgements)过程初始初始化链接.

1.每次卫星传输组合后的数据块以及ECI和编码系数{a_1，j，…，a_n，j}，

其中a_i，j随机选于某有限域，i，j＝1，...，n。

2.接收者在等待一定时间之后仍没有收到所有数据块，则传输作为ACK^a的丢失数据块个数m。

3.卫星收到ACK后，传输另外的n-m个数据块，这里m表示接收到的数据块个数。

4重复2，3步直到接收者收到n个线性独立的数据块以便恢复v₁，…，v_n，从而重构文件^b。

^a这里，接收者从编码系数中能获得数据块的个数，从而得到丢包数目。

^b独立意味着接收到的编码系数向量

是基于某数域是线性独立的，其中I为指标集。

上面三个方案都是通过双向卫星通信的分发数据。然而，这样会浪费资源去和卫星建立链接，以及浪费大量时间来等ACK。因此，本小节考虑单通道的点对点通信。为此，基于网络编码和Gibert-Elliot错误模型我们设计了如下方案。

1.用Hello-ACK过程初始化链接。

2.卫星发送m个组合数据块

同时附带它的ECI和指标集{j}，j＝2，…，m。这里的m是由数据丢失模型计算而来的，它使得接收者至少能接收到n个线性独立的数据块，从而能够恢复v₁…，v_n，重构原始文件。

考虑Gibert-Elliot错误丢包模型，传输n个包需要不多于m+k次传输的概率是

$\underset{j=0}{\overset{n+k-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pr}(n+j)=\underset{j=0}{\overset{n+k-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l_1+l_2+\·\·\·+l_{j+1}=n+j}{\mathrm{\Σ}}{(1-p)}^{l_1+s}{q}^t{p}^j{(1-q)}^{\mathrm{\τ}}$

$\·\underset{i=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{C^i}_j{C}_n^{j-i}{c}_B^i{c}_G^{j-i}{(1-c_B)}^{j-i}{(1-c_G)}^{n+i-j}.$

这里τ＝|{l_l：l_l≠0，l＝1，...，j+1}|，

而

$s_{\mathrm{\κ}}=\left\{\begin{array}{cc}0& l_{\mathrm{\κ}}=0\\ 1& l_{\mathrm{\κ}}\≠0\end{array}\right.$ 和 $t_{\mathrm{\κ}}=\left\{\begin{array}{cc}0& l_{\mathrm{\κ}}=0\\ l_{\mathrm{\κ}}-1& l_{\mathrm{\κ}}\≠0\end{array}\right..$

在此方案中，我们利用了随机线性网络编码。此方案能用于带有多种类型的接收者的单向通信，譬如：具有不同访问时间，以及不同位置的接收者。在这种情况下，卫星不需要考虑接收者到达的时间和到达的数目。而是在有需求的时候，卫星广播组合数据包给所有接收者。此模式不同于传统传输模式，只要当接收者得到n个线性无关数据包，他们就能够重组原始数据。这将大大降低传输次数和等待时间。因此，节约了能量和带宽。

在智能终端采用随到随解码的方式可以节约很多时间。具体来将，对于它接收到的信息包，分别提取其编码向量u_i并作为行向量构成解码矩阵U。现采用Gauss消元法，得到一上三角矩阵U₁。如果接收到新信息包，提取编码向量u，并将新向量附在U₁后，再做新的Gauss消元法，如果不相关，即能得到新上三角矩阵U₁，否则抛弃。如此往返，直到得到满秩矩阵解码矩阵U′如下

从线性空间

中随机选择v₁，…，v_n使得其线性独立的概率为：

$q^{-n(n+1)/2}{\∏}_{j=1}^n(q^{n-j}-1).$

具体实施方案2

为了降低编码系数的传输冗余，由范德蒙德行列式的性质我们可以选择确定线性网络编码而不是随机线性网络编码技术。在这种情况下，我们只需传输一个编码系数，这样会大大降低传输的消耗。具体过程如下。

用Hello-ACK过程初始化链接。

1.每次卫星发送同时附带它的ECI和指标集{j}，j＝1，…，n。

2.接收者在等待一定时间之后仍没有收到所有数据块，则传输作为ACK的丢失数据块个数m。

3.卫星收到ACK后，传输另外的n-m个数据块。

4.重复2，3步直到接收者收到n个线性独立的数据块以便恢复v₁，…，v_n，从而重构文件。

以下讨论单向通信。虽然方案II和III都是为双向卫星通信设计的，但通过适当调整，它们也可用于单通道通信，见如下方案IV。下面是大家熟知的矩阵

$\left(\begin{array}{cccc}1& 1& ...& 1\\ 1& x_1& ...& x_{q-2}\\ & ...& ...& \\ 1& x_1^{n-1}& ...& x_{q-2}^{n-1}\end{array}\right)$

作为MDS码的发生器[31]，其中，x₁，...，x_q-2∈F_q互不相同。相对于有限域F_q，此矩阵的n个列向量是线性独立的，因为

$\det \left(\begin{array}{cccc}1& 1& ...& 1\\ 1& x_1& ...& x_{q-2}\\ & ...& ...& \\ 1& x_1^{n-1}& ...& x_{q-2}^{n-1}\end{array}\right)=\underset{1\≤i\≤j\≤n}{\∏}(x_j-x_i)\≠0.$

所以，接收者能够得到n个线性独立的组合包(系数向量是线性独立的)。从而，接收者通过解线性方程组的方式来重构消息v₁，…，v_n，进而重构原始文件。此传输方案只需传输一个系数，这将大大降低传输冗余。

具体实施方案3

再有如下方程

U′X＝Y

可恢复消息集合X，其中Y是接收到编码后的消息矩阵。总的流程如下

Initialization  the received information u₁＝U₁，u₁comes from y₁Input the received new information y_i

Output X

参考文献

[1]Fitch M，Fidler AJH.Development of future multimedia services，BT’s satellite fast packet demonstrationnetwork IEE Colloquium.Multimedia Services and Digital Television by Satellite(1999/111)，p.5.

[2]Fairhurst G.SAT-RMTP：a protocol for reliable multicast content distribution via VSAT.IEE Seminar onEnd-to-End Challenges of Broadband Via Satellite 2005；10808：37-44.

[3]Araki K，Ohata K，Okada K，Mizuno H，Satellite communication systems for multimedia services.TenthInternational Conference on Digital Satellite Communications，1995.

[4]Yang DN，Liao W.On multicast routing using rectilinear steiner trees for LEO satellite networks，IEEE Trans.on Vehicular Technology 2008；57(4)：2560-2569.

[5]Ameil C.Development in satellite broadcasting.IEE Seminar on Broadcasting Spectrum 2005；11049：5.

[6]Gopal IS，Jaffe JM.Point to multipoint communication over broadcast links.IEEE Trans.On Communications1984；：10341044.

[7]Rinaldo R，De Gaudenzi R.Capacity analysis and system optimization for the forward link of multi-beamsatellite broadband systems exploiting adaptive coding and modulation.Int.J.Satell.Commun.Network 2004；22(3)：281-318.

[8]Morello A，Mignone V.DVB-S2：The Second Generation Standard for Satellite Broad-band Services.Proceedings of the IEEE 2006；1：210-227.

[9]Azouz L，Youssef H，Huitema C，Kamoun F.Performance evaluation of NADIR bulk data transmission pprotocol for multipoint satellite link.in Performance of Computer Communication Systems(ed.BUX andRudin)，North Holland，1984，：367-388.

[10]Ahlswede R，Cai N，Li S-YR，Yeung RW.Network information flow.IEEE Trans.on Infor.Theory 2000；46(4)：1204-1216.

[11]Ho T，M′edard M，Koetter R，Karger DR，Effros M，Shi J，Leong B.A random linear network codingapproach to multicast.IEEE Trans.on Infor.Theory 2006；52(10)：4413-4430.

[12]Li SYR，Yeung RW，Cai N.Linear network coding.IEEE Trans.on Infor.Theory 2003；49(2)：371-381.

[13]Gilbert EN.Capacity of a burst-noise channel.The Bell system Technical Journal 1960；39(9)：1253-1266.

Claims (3)

1.卫星网络上的高效的大规模文件分发方法，充分利用卫星网络来提供个人通信服务的可行性、强大的信息处理能力、高效便捷的数据业务功能，通过借助于网络编码技术，在卫星信号发射端口、中转站点以及智能终端配置合适的通信协议来实现。该通信协议实现了卫星单向点对点通信，以及卫星网络上的大规模内容分发，内容下载。其工作流程如下所示：

假设卫星是信源节点，大规模文件被分为大块进而再分成单个帧。具体来讲，卫星将文件分为n个数据块，每块用向量

表示，其中q是素数方幂，s是整数。我们仅需要考虑传输这些向量。以下假设卫星仅需要广播消息或在传输前已经找到传输路径。基于Hello-ACK(Acknowledgements)过程初始初始化链接.

1)每次卫星传输组合后的数据块

以及ECI和编码系数{a_1，j，L，a_n，j}，其中a_i，j随机选于某有限域，i，j＝1，...，n。

2)接收者在等待一定时间之后仍没有收到所有数据块，则传输作为ACK^a的丢失数据块个数m。

3)卫星收到ACK后，传输另外的n-m个数据块，这里m表示接收到的数据块个数。

a)4重复2，3步直到接收者收到n个线性独立的数据块以便恢复v₁，L，v_n，从而重构文件^b。

^a这里，接收者从编码系数中能获得数据块的个数，从而得到丢包数目。

^b独立意味着接收到的编码系数向量(a_1，j，L，a_n，j)，j∈I是基于某数域是线性独立的，其中I为指标集。

2.根据权利要求1所述的卫星网络上的内容分发实现方法，为了降低编码系数的传输冗余，由范德蒙德行列式的性质我们可以选择确定线性网络编码而不是随机线性网络编码技术。在这种情况下，我们只需传输一个编码系数，这样会大大降低传输的消耗。具体过程如下。用Hello-ACK过程初始化链接。

1)每次卫星发送

同时附带它的ECI和指标集{j}，j＝1，L，n。

2)接收者在等待一定时间之后仍没有收到所有数据块，则传输作为ACK的丢失数据块个数m。

3)卫星收到ACK后，传输另外的n-m个数据块。

4)重复2，3步直到接收者收到n个线性独立的数据块以便恢复v₁，L，v_n，从而重构文件。

3.根据权利要求1所述的卫星网络上的内容分发实现方法，考虑单通道的点对点通信。为此，基于网络

编码和Gibert-Elliot错误模型我们设计了如下方案。

1)用Hello-ACK过程初始化链接。

2)卫星发送m个组合数据块

同时附带它的ECI和指标集{j}，j＝2，L，m。这里的m是由数据丢失模型计算而来的，它使得接收者至少能接收到n个线性独立的数据块，从而能够恢复v₁，L，v_n，重构原始文件。

Images