CN106953681B - 星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法 - Google Patents

星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法，步骤一：如果当前不是本卫星的发送时隙则处于接收状态，并在本地为每一帧的数据初始化一个转发计数器C，C∈{1,2,3,…}。步骤二：在发送时隙时，对已经接收的转发计数器不为0的帧，以帧为单位将所有数据利用随机线性网络编码生成一个编码包，并与当前帧的数据一起转发。步骤三：在发送时隙被转发的帧，将对应的转发计数器减一。步骤四：将接收到的同一帧的数据进行线性方程组解算以获得完整的一帧数据。步骤五：结束。本发明突破了传统泛洪协议因发送大量冗余数据包而使网络吞吐量下降的问题；维持了传统泛洪协议无需反馈链路，协议简单的特点；可在传统泛洪协议的软件基础上直接升级。

Description

星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法
技术领域
本发明一种星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法，涉及卫星通信网络领域，具体涉及时分多址接入的星间广播网络。
背景技术
随着卫星智能化水平的提高，卫星上增加了星间链路用于实现卫星间数据的传递，天线采用定向天线，在其有效通信范围内可以覆盖同星座中的多颗卫星。目前，在时分多址接入的条件下，星座中每颗卫星数据的广播通信广泛采用泛洪的方法，即将其收到的所有数据全部转发。这种方式的优点是控制简单，无需复杂的通信协议，有限次转发后即可实现全网卫星数据的广播；缺点亦非常明显，无线信道带宽非常有限，而这种方式由于网络中大量转发冗余数据，通信效率低，通信速率远未达到星间数据广播的需求。
截止目前，网络编码在卫星网络中的研究大多集中在基于机会编码的星间路由设计；卫星对地数据广播时应用网络编码减少反馈重传次数。无线广播通信网的研究则以802.11协议的随机接入为前提。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法，是针对时分接入的星间广播通信，在泛洪协议基础上利用随机网络编码技术，将节点从转发数据包改为转发编码包，通过网络编码方法极大压缩发送数据包个数，大大提高网络节点的吞吐量。
时分接入的星间广播通信系统模型：一个星座中的N颗卫星通过星间链路与其他卫星相连，每一颗卫星分配一个发送时隙T。卫星仅能在其发送时隙发送数据，其他时间均处于接收状态。N与T乘积的时间是星座中所有卫星均完成一次发送所需时间，即为时分接入的周期，也称为一帧。
星间广播的目的是为了让所有卫星每一帧的数据可以在最短的时间内广播至全网其他卫星节点，因此卫星在其发送时隙除了发送当前帧数据，还需要转发在此之前接收到的数据包。实际上，由于接收节点已经缓存了很多数据包，在接收的数据中存在大量冗余，因此将转发数据包生成一个编码包将大大压缩发送数据量，在保证接收节点正确解码的条件下，将极大提高网络吞吐量。
为了实现上述技术任务，星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法，包括如下步骤：
步骤一：如果当前不是本卫星的发送时隙则处于接收状态，并在本地为每一帧的数据初始化一个转发计数器C，C∈{1,2,3,…}。
步骤二：在发送时隙时，对已经接收的转发计数器不为0的帧，以帧为单位将所有数据利用随机线性网络编码生成一个编码包，并与当前帧的数据一起转发。
步骤三：在发送时隙被转发的帧，将对应的转发计数器减一。
步骤四：将接收到的同一帧的数据进行线性方程组解算以获得完整的一帧数据。
步骤五：结束。
本发明的技术特点及效果：1、本发明的方案突破了传统泛洪协议因发送大量冗余数据包而使网络吞吐量下降的问题，利用随机线性网络编码压缩了发送时隙需要传输的数据包个数，极大提高了网络效率；2、本发明的方案维持了传统泛洪协议无需反馈链路，协议简单的特点；3、本发明的方案可在传统泛洪协议的软件基础上直接升级，对原方案改动小，有利于现有卫星通信系统的直接在线更新。
附图说明
图1是本发明基于随机线性网络编码传输方法流程图。
图2是传统泛洪方案传输示意图。
图3是本发明基于随机线性网络编码传输示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明一种星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法，包括如下步骤：
步骤一：如果当前不是本卫星的发送时隙则处于接收状态，并在本地为每一帧的数据初始化一个转发计数器C，C∈{1,2,3,…}。
步骤二：在发送时隙时，对已经接收的转发计数器不为0的帧，以帧为单位将所有数据利用随机线性网络编码生成一个编码包，并与当前帧的数据一起转发。
步骤三：在发送时隙被转发的帧，将对应计数器减一。
步骤四：将接收到的同一帧的数据进行线性方程组解算以获得完整的一帧数据，其中，线性方程组解码可采用高斯消元法，或者其他快速解法。
步骤五：结束。
其中，所述步骤四中“将接收到的同一帧的数据进行线性方程组解算”，根据星上资源情况，进行解算运算的时刻有三种：(1)一帧结束时刻；(2)卫星对应的发送时隙起始时刻；(3)卫星收到一个编码数据包时。解码出完整一帧数据后向协议上层提交数据，后续时隙再次收到该帧的数据可不作处理，或选择直接丢弃。
图2是传统泛洪协议的传输方案，假定帧计数器初始值设置为3，帧计数从0开始。发送卫星在第1帧的发送时隙需要转发第0帧的所有接收数据和当前卫星的第1帧数据。将第0帧的转发计数器从3减至2，以此类推，完成泛洪广播。图3是基于随机线性网络编码的传输方案，假定帧计数器初始值设置为3，帧计数从0开始。发送卫星在第1帧的发送时隙时，先产生第0帧的编码包，并发送第0帧的编码数据包和当前卫星的第1帧数据。将第0帧的转发计数器从3减至2。在第2帧发送时隙时，对第0帧接收的数据利用随机网络编码方法产生再产生一个编码数据包，而第0帧接收的数据是在第1帧发送的编码数据包，以此类推。为减少运算调度，接收卫星可以在第4帧起始时刻将第0帧的所有数据联立构成线性方程组并解码第0帧数据。

Claims (1)

1.一种星间网络广播通信高吞吐量网络编码传输方法，特征在于：包括如下步骤：
步骤一：如果当前不是本卫星的发送时隙则处于接收状态，并在本地为每一帧的数据初始化一个转发计数器C，C∈{1,2,3,…}；
步骤二：在发送时隙时，对已经接收的转发计数器不为0的帧，以帧为单位将所有数据利用随机线性网络编码生成一个编码包，并与当前帧的数据一起转发；
步骤三：在发送时隙被转发的帧，将对应的转发计数器减一；
步骤四：当某一帧转发计数器为0时，将接收到的同一帧的数据进行线性方程组解算以获得完整的一帧数据；
步骤五：结束；
其中，所述步骤四中“将接收到的同一帧的数据进行线性方程组解算”，根据星上资源情况，进行解算运算的时刻有三种：(1)一帧结束时刻；(2)卫星对应的发送时隙起始时刻；(3)卫星收到一个编码数据包时；解码出完整一帧数据后向协议上层提交数据，后续时隙再次收到该帧的数据可不作处理，或选择直接丢弃。
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