CN105790899A - 一种基于喷泉码的单次反馈重传方法 - Google Patents

一种基于喷泉码的单次反馈重传方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于喷泉码的单次反馈重传方法。使用本发明能够实现深空通信长距离下单次反馈重传的文件传输，且编码冗余较小、效率高、可靠性高。本发明中，发送端先将待发送的文件划分为数据包，并将数据包完全发送给接收端，等待接收端的状态报告。接收端收到所有数据包后向发送端反馈发送一个状态报告，所述状态报告中包括接收端未接收到的数据包编号和发生误码的数据包编号。发送端收到接收端的状态报告后，对需要重传的数据包进行喷泉编码后发送给接收端，然后结束会话。由于对需要重传的数据包进行了喷泉编码，具有一定的冗余度，因此，接收端在收到足够译码数量的冗余数据包后，就可以完成完整文件接收。

Description

一种基于喷泉码的单次反馈重传方法
技术领域
本发明涉及反馈重传通信技术领域，具体涉及一种基于喷泉码的单次反馈重传方法。
背景技术
深空通信与地面通信、近地卫星通信相比，具有以下特点：传输距离远、时延大且时延变化较大、链路间断性、信号信噪比低。基于这些特点，深空通信对信息传输的有效性和可靠性提出了相应的要求。
目前，地面通信、近地通信普遍采用ARQ机制来保障通信中数据传输的可靠性，深空通信普遍采用与近地通信类似的ARQ机制或是无ARQ机制。然而，目前ARQ机制为停等式ARQ与基于滑动窗口技术的ARQ。当这些机制用于深空通信时，由于深空通信的长时延特性，上述ARQ机制将导致深空通信信道利用率大大降低，且较多的ACK也导致文件传输时延大大增加。而不采用ARQ机制则导致深空通信中文件的传输可靠性较差，如果通过加大深空文件传输的编码冗余来提高文件传输的可靠性，则又会导致深空通信信道利用率大大降低。
专利“一种基于星体中继的星群协作大容量全天候通信方法”叙述了通过采用喷泉编码，经过多个卫星中继节点中继通信，从而恢复传输文件。该方法可以在多个空间节点存在的情况下提高空间信道利用率。但其无ARQ机制，文件传输的可靠性降低。
专利“一种基于喷泉编码的深空多文件传输方法”叙述了通过有效根据深空信道的时变特性控制编码冗余、多个文件联合传输的文件传输方法。该方法充分利用喷泉码的无码率特性，充分利用前向信道，减少反向信道的数据量。但该方法的ARQ反馈次数与文件编码冗余度相关，反馈次数不确定。只能通过对整个文件进行喷泉编码，以较大冗余换取较少反馈次数。
目前的深空文件传输，采用无反馈机制的传输方法文件编码冗余较大，如不采用协作机制会导致信道利用率低，且无反馈机制文件传输的可靠性得不到保障；采用反馈机制的传输方法与无反馈机制相比冗余较小，然而其反馈次数不确定，深空通信传输时延与反馈次数正相关，传输时延不确定性也较大，且对整个文件进行喷泉编码冗余度也较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于喷泉码的单次反馈重传方法，能够实现深空通信长距离下单次反馈重传的文件传输，且编码冗余较小、效率高、可靠性高。
本发明的基于喷泉码的单次反馈重传方法，包括如下步骤：
步骤1，发送端将待发送的文件分割成多个数据包，并将所有数据包全部发送给接收端，发送完毕后等待接收端反馈状态报告；
步骤2，接收端从接收到第一个数据包时开始计时，当接收数据包时间大于设定的接收时间阈值Trr时，接收端停止数据包接收，并对已接收到的数据包进行整理，丢弃发生误码的数据包，并向发送端反馈状态信息，所述状态信息中包括发生误码的数据包编号和未接收到的数据包编号；
步骤3，发送端收到接收端反馈的状态报告后，将所有需要重传的数据包进行喷泉编码，然后将喷泉编码数据包发送给接收端；
步骤4，接收端接收喷泉编码数据包，并结合之前已接收的数据包，完成文件接收。
进一步地，所述步骤1中，发射端设定重发周期为Trs，发送端将所有数据包发送完毕后开始重发计时，若发送端在重发周期Trs内未收到状态信息则重复发送数据包。
进一步地，所述步骤3中，发送端根据反馈的状态信息，首先根据公式得出数据包重传率PN，其中，K为需要重传的数据包的总个数，N为步骤1分割的数据包总个数；然后对需要重传的数据包进行冗余喷泉编码，根据公式确定待发送的喷泉编码包个数K′，其中，β为喷泉编码冗余度，ε1为深空传输误码率；然后发送端将这K′个喷泉编码数据包发送给接收端。
有益效果：
本发明采用喷泉编码技术实现了深空通信长距离下单次反馈重传的文件传输，与现有深空通信传输技术相比具有以下效果：
(1)采用单次反馈重传，与无反馈重传相比增加了传输的可靠性；
(2)只重传一次，重传次数固定，深空传输时延相对稳定；
(3)只对传输过程中丢失的数据和发生错误的数据进行喷泉编码，相对整个文件的喷泉编码可以减少传输冗余信息，提高传输效率。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图。
图2是本发明的发送端与接收端数据交互流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于喷泉码的单次反馈重传方法，发送端先将待发送的文件划分为数据包，并将数据包完全发送给接收端，等待接收端的状态报告。接收端收到所有数据包后向发送端反馈发送一个状态报告，所述状态报告中包括接收端未接收到的数据包编号和发生误码的数据包编号。发送端收到接收端的状态报告后，对需要重传的数据包(即接收端未接收到的数据包和发生误码的数据包)进行喷泉编码后发送给接收端，此次发送后发送端结束会话。由于对需要重传的数据包进行了喷泉编码，具有一定的冗余度，因此，接收端在收到足够译码数量的冗余数据包后，就可以完成完整文件接收。
具体通过以下步骤实现：
步骤1，发送端向接收端发送文件，等待状态报告；
文件发送分为四步：
步骤1.1，发送端将待发送的文件进行分割，分割成N个数据包，每个数据包大小为L字节；
步骤1.2，发送端将所有N个数据包向接收端发送；
步骤1.3，发送端将所有N个数据包发送完毕后开始重发计时，等待接收端反馈状态报告；设重发周期为Trs，如果发送端在重发周期Trs内未收到状态报告则返回执行步骤1.2。
步骤1.4，接收端从接收到第一个数据包时开始计时，当接收数据包时间大于设定的接收时间阈值Trr时，接收端停止数据包接收，并对已接收到的数据包进行整理，并得出接收情况信息，向发送端反馈状态信息，所述状态信息中包括发生误码的数据包编号和未接收到的数据包编号。
假设深空传输误码率为ε1，接收时间Trr内未接收到数据包率为ε2。
则发送端发送N个数据包所需反馈的数据包数量为：
K＝ε1·N+ε2·N-ε1＝ε2·N；
设ni,i∈[1,N]为发生误码数据包编号，nj,j∈[1,N]为丢失数据包编号；
发生误码的第ni个数据包被接收端丢弃，发送端将所有ni与nj合并，得出需要反馈重传的数据包编号nk,k∈[1,N]；接收端将nk,k∈[1,N]反馈给发送端。
步骤2，发送端收到接收端反馈的状态报告后，进行反馈重传；
反馈重传分为两步：
步骤2.1，发送端首先根据反馈的状态信息，根据公式得出数据包重传率PN，其中，K为需要重传的数据包的总个数；然后对产生误码的数据包和丢失的数据包进行冗余喷泉编码；
设喷泉编码冗余度为β,根据公式确定发送的喷泉编码包个数，此处编码冗余度为
步骤2.2，发送端将这K'个喷泉编码数据包发送给接收端，发送完毕后发送端结束会话。
步骤3，接收端接收到足够的反馈数据包后，结合之前接收的数据包则成功接收文件，接收端结束会话。
假设深空中发送端与接收端传播路径上单程通信所需时间为Ts，且假设发送端与接收端距离相对稳定，则本发明在发送端向接收端发送文件经历第一个传播时间Ts，接收端向发送端反馈信息会经历第二个传播时间Ts，当发送端将反馈信息反馈到接收端时经历第三个传播时间Ts，接收端成功接收文件，至此，双方通信结束。本发明方法的文件传输时间为3Ts。
如果对整个文件进行喷泉编码并采用无反馈重传的传输方法，在传播路径上传输所需要时间为Ts，路径传播时间是本发明方法的1/3，但是该方法需要对整个文档进行喷泉编码，假设冗余度同样为β，则其编码冗余量为βN，则其冗余量是本发明专利的倍。若在信道条件较好的情况下，需要反馈的数据包数量N可以足够小，而文件大小N较大时，对整个文件编码的冗余量是本专利以数量级为单位的倍数，对深空信道的利用率会产生极大的影响。且不采用反馈机制会导致传输具有不可靠性。
如果对整个文件进行喷泉编码并采用反馈重传机制则会导致反馈次数与文件编码冗余度相关(假设信道条件相同)，并且对整个文件进行喷泉编码会导致上述信道利用率较低的问题。采用反馈重传机制可以保障文件传输的可靠性，但为了减少反馈次数只能通过对整个文件进行喷泉编码，以较大冗余换取较少反馈次数。并且在深空通信中，反馈次数的不确定则意味着双方通信时间的不确定，会导致链路长时间被占用、收发端缓存长时间被占用的情况。并且绝大部分的反馈重传机制则即使在单次反馈就成功接收文档的情况下，仍需接收端向发送端发送一次FIN信号表示文档接收，发送端需要向接收端发送FIN_ACK结束会话，则在单次反馈过程中需要5Ts。如果传送文档的反馈次数为n′，则反馈时间为(2n′+3)Ts，冗余度与传输时间都较大。
一种基于喷泉码的单次反馈重传方法，采用单次反馈重传，与无反馈重传相比增加了传输的可靠性；只重传一次，重传次数固定，深空传输时延相对稳定；只对传输过程中丢失的数据和发生错误的数据进行喷泉编码，相对整个文件的喷泉编码可以减少传输冗余信息，提高了传输效率。因此，该方法在提高深空文件传输可靠性与传输效率方面具有很大优势。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于喷泉码的单次反馈重传方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，发送端将待发送的文件分割成多个数据包，并将所有数据包全部发送给接收端，发送完毕后等待接收端反馈状态报告；
步骤2，接收端从接收到第一个数据包时开始计时，当接收数据包时间大于设定的接收时间阈值Trr时，接收端停止数据包接收，并对已接收到的数据包进行整理，丢弃发生误码的数据包，并向发送端反馈状态信息，所述状态信息中包括发生误码的数据包编号和未接收到的数据包编号；
步骤3，发送端收到接收端反馈的状态报告后，将所有需要重传的数据包进行喷泉编码，然后将喷泉编码数据包发送给接收端；
步骤4，接收端接收喷泉编码数据包，并结合之前已接收的数据包，完成文件接收。
2.如权利要求1所述的基于喷泉码的单次反馈重传方法，其特征在于，所述步骤1中，发射端设定重发周期为Trs，发送端将所有数据包发送完毕后开始重发计时，若发送端在重发周期Trs内未收到状态信息则重复发送数据包。
3.如权利要求1所述的基于喷泉码的单次反馈重传方法，其特征在于，所述步骤3中，发送端根据反馈的状态信息，首先根据公式得出数据包重传率PN，其中，K为需要重传的数据包的总个数，N为步骤1分割的数据包总个数；然后对需要重传的数据包进行冗余喷泉编码，根据公式确定待发送的喷泉编码包个数K′，其中，β为喷泉编码冗余度，ε1为深空传输误码率；然后发送端将这K′个喷泉编码数据包发送给接收端。
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