CN102209072A

CN102209072A - 深空文件传输方法

Info

Publication number: CN102209072A
Application number: CN2011101319824A
Authority: CN
Inventors: 张钦宇; 焦健; 杨志华; 顾术实
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2011-10-05

Abstract

本发明提供一种深空文件传输方法，包括以下步骤：步骤1）在发送端，将整个原文件拆成若干相同长度数据包；步骤2）按给定的概率分布随机选取若干数据包进行逐位异或运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；步骤3），在传输层，接收端通过接收足够多的交织数据包，自动恢复全部原始数据包；步骤4），恢复出整个原文件。相较于现有技术，本发明的深空文件传输方法，通过精心设计的喷泉交织算法利用发送端引入的交织冗余信息为文件分组提供纠删保护，提高通信可靠性，避免频繁的反馈确认。有效减少因丢包而导致的重传，保证通信可靠性和有效性。

Description

深空文件传输方法

技术领域

本发明涉及一种文件传输方法，尤其涉及一种深空文件传输方法。

背景技术

现有的深空通信文件传输根据重传机制的不同，主要分为TCP/IP协议及空间数据咨询委员会的文件传输协议（CFDP, CCSDS File Delivery Protocol）两类：

深空通信与传统地面通信有巨大的差别，它所特有的动态长延时、高误码率、间断可用链路、不对称信道等特点，使得TCP/IP协议直接应用到深空通信系统中会出现很多问题。首先，深空通信中传播延时巨大，例如火星到地球的往返延迟根据星体的轨道位置不同通常在8.5到40分钟之间，如果往返延迟大于通信持续时间，那么应用数据根本没有传输的机会。其次，上行与下行链路的信息速率不对称对TCP的吞吐量影响非常大。2015年预计可达到的地月通信上行速率为4kb/s，下行速率为10Mb/s，而火星通信上行速率为4kb/s，下行速率为4~6Mb/s。由于信道速率的不对称会导致较大的线速率突发错误，加重下行缓存拥塞，吞吐量随非对称性成指数衰减。再次，TCP协议分辨拥塞和数据丢失的策略决定其吞吐量随往返传播时延及信息丢失概率的增加而迅速恶化。TCP协议通过ARQ机制保证按顺序发送文件信息，任一丢失的数据包将引起该数据包之后的所有数据重新发送。深空信道的误码率(BER)通常比地面信道的误码率大，典型的深空通信误码率为10-5，且由于星体轨道运行对探测器的遮挡，深空通信链路会产生周期性中断。另外，TCP协议的差错检测和恢复策略不适合深空高误码率环境：首先，TCP协议通过重传定时器计时溢出对数据包的丢失进行判断；其次，TCP协议无法区分数据包丢失的原因是网络拥塞还是信道误码，TCP协议主要通过降低报文发送速率以避免拥塞的策略来处理误码。此外，吞吐量会随着确认信息(ACK, Acknowledge Character)的丢失进一步恶化。由于TCP协议是基于端到端重传的协议，缓存只有在接收端向发送端确认正确接收所有信息后才会释放用于重传的通信资源；传输过程丢失的信息需要重传，进一步延长资源占用缓存的时间，不适用于对于缓存空间和处理能力有限的深空探测器。而且TCP/IP的路由协议对于深空通信操作环境未来的可能路由缺乏预见性。另外，深空通信环境很难对时间间隔做出准确预测，因此对状态信息更新时间间隔的预测准确性很敏感的分布式路由算法不适合。综上所述，现有的TCP/IP协议体系在深空通信的传播时延长、误码率高、非对称链路、链路兼容以及异构网络等问题上面临严峻的挑战。在链路时延或者时延带宽积较大的深空网络，各种TCP改进协议相差不大且性能很差，在地球-火星之间TCP协议甚至无法通信。

CFDP协议目前没有开发出成熟的前向分组纠删技术，CFDP确认模式下的NAK重传算法并未采用对PDU的前向分组保护。CFDP协议将数据链路层的端到端通信信道视为数据单元的二元删除信道，接收端对到达物理层的数据包进行译码，然后向传输协议反馈通信数据包的完整性。传输协议选择接受成功译码的完整数据包，或者丢弃一个无法恢复误码的数据包。随着信道误码率的恶化，文件传输过程由于频繁丢包需要多次的确认重传以保证数据的正确接收，深空大时延环境下的频繁重传使得往返传播时延在整个文件传输过程中的开销很大。当信道误码率超过10^-5时，文件传输的延时检测过程由于频繁丢包需要多次的确认重传以保证数据的正确接收。当误码率接近10^-4时，CFDP文件传输时延期望的仿真曲线显示其性能已经严重恶化。深空大时延环境下的频繁重传使得往返传播时延在整个文件传输过程中的开销很大，尤其是地球—火星通信中平均的单次传播时延接近20分钟。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种深空文件传输方法。

一种深空文件传输方法，包括以下步骤，

步骤1），在发送端，根据可靠性编码理论，将整个原文件拆成若干数据包；

步骤2），对其中固定长度的数据包进行逐位异或运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；

步骤3），在传输层，接收端通过接收足够多的交织数据包，自动恢复全部原始数据包；

步骤4），恢复出整个原文件。

相较于现有技术，本发明的深空文件传输方法，通过精心设计的喷泉交织算法利用发送端引入的交织冗余信息为文件分组提供纠删保护，提高通信可靠性，避免频繁的反馈确认。有效减少因丢包而导致的重传，保证通信可靠性和有效性。

为使深空通信文件传输协议具备前向纠删能力，进一步考虑在CCSDS文件传输协议非确认传输模式基础上，设计一种具有前向纠删功能的数据包交织传输协议(PI-CFDP, Packets Interleaving File Delivery Protocol)，利用发送端引入的交织冗余信息保证接收端能够通过BP译码自动恢复丢失的数据分组并最终恢复原文件，避免频繁的反馈确认，在保证通信可靠性的前提下缩短文件传输时延和提高吞吐量。

附图说明

图1是本发明深空文件传输方法使用流程示意图。

图2是本发明深空文件传输方法的弱鲁棒性交织分布的译码失败概率10^-4的编码冗余开销示意图。

图3地月通信文件传输速率为0.5Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

图4地月通信文件传输速率为1Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

图5地月通信文件传输速率为2Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

图6地月通信文件传输速率为10Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

图7地火通信文件传输速率为0.5Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

图8地火通信文件传输速率为1Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

图9地火通信文件传输速率为2Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

图10地火通信文件传输速率为10Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提供了一种深空文件传输方法。包括以下步骤:

在发送端，根据可靠性编码理论，将整个原文件拆成若干数据包；数据包交织传输协议（PI-CFDP, Packet-Interleaving CCSDS File Delivery Protocol）引入喷泉编码技术，将原始数据分为若干个数据包；

对其中固定长度的数据包进行相关运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；将发送端的数据包按逐位异或处理，将一定数量的数据包进行交织处理，产生若干个冗余的数据包。根据可靠性编码理论将整个文件拆成若干数据包，每k个固定长度的PDU（PDU，Protocol Data Unit，协议数据单元）进行相关运算，得到N个新处理的数据包然后传输，类似于分组码的k个输入符号接续N-k个校验符号。

接收端在物理层译码时无法恢复的错误编码包当做丢失来处理。

而传输层可以通过接收一定数量的包，利用发送端引入的冗余包保证接收端能够自动恢复丢失的数据单元，最终恢复原文件，不需要反馈确认过程，在保证通信可靠性的前提下缩短文件传输时延和提高吞吐量。

Luby针对LT码设计的鲁棒孤波分布(RSD, Robust Soliton Distribution)编码复杂度在码长增加时不能满足线性，对于文件长度较大时应用效果受限。因此本发明在深空信道条件参数下参考鲁棒孤波分布重新设计文件交织的喷泉码度分布，以降低交织复杂度。对于一个(k, Ω(x))的喷泉码，由二部图构造理论分析，输出度分布为ω(x)，输入度分布为υ(x)，有：

Figure 2011101319824100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

Ω′(x)为输出包的平均度。计算υ(x)的分布，对指定的一个输入包，度为l个邻节点的概率为：

(2)

N=k·(1+μ)+1为接收到的数据包。则输入节点的度分布满足：

(3)

代入初始条件v(1)=1，并归一化：

(4)

对于，构造输入输出分布函数满足

，即不等式：

(5)

等价于度分布需满足不等式：

(6)

若要使不等式(6)成立，需要：

(7)

使用弱鲁棒性交织分布(WRSD)[26]：

(8)

则：

(9)

因为

，且

为递增函数。此时，考虑深空信道的丢包率为f，定义参数，并设，

，

，可证当

时，

Figure 2011101319824100002DEST_PATH_IMAGE019

，有：

(10)

所以不等式(7)成立，因此能够证明下式

。对于

的情况，不等式(6)成立需满足：

，将

代入，即有

Figure 2011101319824100002DEST_PATH_IMAGE023

，由ε的取值显然成立。同时取

，此时系统能以高于

的概率从N个接收的输出包中恢复

个输入包，译码开销为O(k·ln(1/ε))，即编译码具有线性复杂度；而理想鲁棒孤波分布的LT码，相同参数设计的度分布复杂度为O(k·ln(k/δ))。

由于PI-CFDP协议需要先对数据包在发送端进行交织，并发送比原始文件数量稍多的N个交织PDU，增加了处理时延；同时在接收端的解交织过程也需要处理时延，因此，PI-CFDP文件传输时延为：

，其中N为保证接收端能以99.99%恢复k个原始数据包需要发送的数据包，Tprocess为PDU交织时延，估算喷泉交织所需的时延，对于WRSD约为0.17ms/Kbyte，相对于深空通信中的传播时延还是有利的。比较文件交织协议与原始CFDP协议的延时NAK模式传输时延性能：

，仿真场景取地球—月球、地球—火星的最大通信距离，其他仿真参数取自NASA火星轨道器MTO的通信手册。

图3至图6仿真对比了地月通信时，不同传输速率和文件长度CFDP协议与PI-CFDP协议的文件传输时延随着信道误比特率变化的性能曲线，由于交织协议PDU的处理时延与地球-月球之间的传播时延具有相同量级，传输的文件大小和速率变化对文件传输时延的影响较大。从图3中可以看出信道高误码率较高时PI-CFDP协议有一定的优势，体现了协议设计初衷——通过减少文件重传次数降低文件传输时延。

而地球-火星之间的传播时延远远大于PDU的处理时延，图7至图10比较了地球-火星通信时，4种不同传输速率下比较CFDP协议与PI-CFDP协议的文件传输时延随着文件长度和信道误比特率变化的性能曲线。对4种传输速率的仿真中，左边子图为CFDP仿真的传输时延，右边子图为PI-CFDP协议的仿真传输时延，可以看出文件传输时延主要由传播时延决定，其它因素影响较小。CFDP协议的确认传输模式通过NAK向发送端请求重传丢失的PDU信息，在丢包率较高的通信条件下需要多次往返传播时延完成文件传输，增大了文件传输时延。而PI-CFDP传输协议通过对PDU的交织并增加少量的冗余，接收端通过对接收的数据包进行解交织，尽可能多的恢复被删除的PDU，避免或减少反馈重传，使得深空通信中的传播时延大大减小。

本发明在CCSDS文件传输协议非确认传输模式基础上结合喷泉纠删技术设计的具有数据包交织功能的PI-CFDP协议，在不适合差错重传、误码率巨大、链路性能不稳定的深空网络中，通过精心设计的喷泉交织算法利用发送端引入的交织冗余信息为文件分组提供纠删保护，提高通信可靠性，避免频繁的反馈确认。针对深空通信信道特点，提出了两种自适应信道条件的文件数据包交织方案：对于原文件PDU分组数量级为103时，通过增加交织的深度保证译码的平稳持续进行设计了CISD分布，相较于RSD降低了约20%的编码冗余；对于原文件PDU数量达到10⁴时，设计了WRSD分布使交织运算具有线性复杂度，在降低复杂度的条件下保证尽可能快的恢复原始文件。在典型地月、地火深空通信背景下仿真验证PI-CFDP协议能有效减少因丢包而导致的重传，保证通信可靠性和有效性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种深空文件传输方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1），在发送端，将整个原文件拆成若干相同长度的数据包；

步骤2），按给定的概率分布随机选取若干数据包进行逐位异或运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；

步骤4），恢复出整个原文件。

2. 根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于：步骤2）中，所述文件交织的喷泉编码度分布参照鲁棒孤波分布设计进行随机选取。

3. 根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于：所述深空文件传输方法还包括以下步骤，接收端在物理层译码时将无法恢复的错误编码包当做丢失处理。

4. 根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于：所述发送端进行交织处理时处理延时约为0.17ms/Kbyte。

5. 根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于：所述交织分布使用弱鲁棒性交织分布。