CN106972908A - 一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，包括以下步骤：步骤1：依据海面信道的无线信道模型，建立海面无线信道响应；步骤2：利用流内网络编码实现大数据量的上行可靠传输，对于连续的数据流进行随机线性网络编码；步骤3：接收端利用高斯消元法解调相关数据。与现有技术相比，本发明有效降低网络开销，提高网络数据吞吐量，从而达到并实现与TCP机制兼容结合的效果。

Description

一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法。

背景技术

网络编码的核心思想是利用多个接收节点的差异性，对多份数据进行编码融合，使不同的接收者通过解码计算从编码数据中获取各自所需的信息，从而实现一次传输多节点受益。该种编码可以由k个原始数据符号生成n(n>k)个编码符号，引入n-k个编码符号冗余。接收方只要收到其中任意k+ε个编码符号(ε＜＜k)，即可通过译码以高概率成功恢复全部原始数据符号，对抗随机信道误码。

网络编码的本质是通过牺牲节点的计算和存储资源换取链路带宽利用率的提高。研究表明，网络编码在提高网络吞吐量、改善负载均衡、减小传输延迟、节省节点能耗、增强网络鲁棒性等方面均显示出其独特的优越性。网络编码技术己被证明是可以逼近网络容量理论传输极限的有效方法，被国际学术界和美国军方认定为解决网络传输问题的重要手段。在网络中引入网络编码技术，增加结点对数据的编码运算功能，节约网络链路的带宽资源，减小网络数据传输中瓶颈链路的影响。结合网络编码的定义，网络编码的基本原理,如下图1和图2所示。

描述网络中任一数据传输路径的中间结点收到来自不同链路的数据分组y1、y2和y3，其中，图1描述在传统网络中，网络中间结点仅对其接收到的数据分组进行存储和转发，即经中间结点转发后的数据分组仍为y1、y2和y3；而图2描述在网络数据传输路径的中间结点应用网络编码后，经中间结点编码融合后的编码数据为f1(y1，y2，y3)和f2(y1，y2，y3)，即新数据是来自不同链路数据的组合。由此可见，网络编码对于网络各中继结点采用完全不同于传统路由传输信息的处理方式，即对应于网络中的每条边e，存在一种映射f_e为编码函数，将某结点输入边的信息映射成结点某个输出边传输的信息。同时，网络源结点产生的信息经网络中继结点传送到网络目的结点时，为从目的结点输入边传输的信息中恢复出原始信息，目的结点对所接收的数据进行解码，即存在从编码数据到原始数据的映射为结点v所接收到的数据空间Φ(v)(Φ(v)＝{Z(v,1),Z(v,2).....,Z(v,μ(v)},μ(v)为v接收的信息数量)中的元素)，g_v,i为对应目的结点v的第i个所需数据的解码函数，由上述可知，网络结点可对网络传输的比特信息流进行特定的运算，实现网络编码的应用。

针对特定的网络去构造一个可行的网络编码方案是网络编码走向实际应用迫切需要解决的核心问题，其构造网络编码方案的过程就是求解网络编码问题的方法。根据对全局网络拓扑信息的需求程度，划分为集中式和分布式两类编码构造方法进行分析。

无线信道的广播特性为发挥网络编码在无线网络中的性能优势奠定了良好的应用基础。无线网络已成为网络编码技术应用的重要领域。网络编码作为一种新型的网络传输技术，不可避免地会走上从简单应用到与其它现有技术相互融合的演进道路。利用无线信道的广播特性和网络编码技术，并与现有的无线网络通信技术进行融合和改进，可以有效提高无线网络的网络容量、传输效率、健壮性和安全性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，包括以下步骤：

步骤1：依据海面信道的无线信道模型，建立海面无线信道响应；

步骤2：利用流内网络编码实现大数据量的上行可靠传输，对于连续的数据流进行随机线性网络编码；

步骤3：接收端利用高斯消元法解调相关数据。

优选地，所述的步骤1中：针对海面信道的船舶纵横摇与波浪遮挡特性，设计了源端编码机制，对网内数据进行编码，增加数据之间的相关性，解决信道随机通断所导致的通信性能下降。

优选地，所述的步骤2中：定义系数矩阵，利用滑动窗方式实现连续编码；同时利用流间网络编码对来自相反方向的数据包进行编码。

优选地，所述的步骤2中：在GF(2)内定义系数矩阵，定义最大编码长度为10。

优选地，所述的步骤3中：接收端利用高斯消元法解调相关数据时，如果接收端无法解码某数据包，则通过专用ACK包通知发送端，发送端将该数据包与当前数据包进行联合编码发送。

优选地，所述的步骤3中：对于来自相反方向的数据包，接收端利用已知数据包信息进行解码。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在原有协议栈的基础上，增加两个部分：Intra-Session编码源端和Intra-Session编码目的端。用流内网络编码实现大数据量的上行可靠传输，对于连续的数据流进行随机线性网络编码，接收端利用高斯消元法解调相关数据。这些步骤将有效降低网络开销，提高网络数据吞吐量，从而达到并实现与TCP机制兼容结合的效果。

附图说明

图1为传统网络编码原理图；

图2为在网络数据传输路径的中间结点应用网络编码示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为蒸发波导信道的仿真框图；

图5为基于网络编码的协议栈示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明针对海面信道的船舶纵横摇与波浪遮挡特性，设计了源端编码机制，对网内数据进行编码，增加数据之间的相关性，解决信道随机通断所导致的通信性能下降。

蒸发波导是近海面上空频繁出现的一种大气异常结构，是由于海面水蒸气的蒸发使大气湿度随高度增加而迅速减小，进而使得大气折射指数自海面向上逐渐减小而形成的近地表层波导，它能够陷获折射微波频段的无线电波，使其传播路径向地球表面发生弯曲并传播到视距以外几百甚至上千公里的地方，并一定程度上降低了传播损耗。边界层大气中的电磁波若要形成波导传播必须满足四个基本条件：海面必须存在一定高度的蒸发波导；工作频率必须高于波导的最低陷获频率；电磁波发射源必须低于蒸发波导层顶；电磁波的发射仰角必须小于临界仰角。

海面蒸发波导的信道特征主要有以下几个方面：

首先是传输损耗。实际的传播媒质对电磁波有吸收作用，这将导致电磁波的传播衰减。系统的传输损耗可由下式表示：

L＝32.45+20lg f+20lg x+20lg F (1)

其中，f为电磁波频率，单位为MHz；F记为传播因子，E为实际接收点场强，E₀为自由空间接收点场强；x为距离，单位为km，z为高度，u(x，z)为电场活磁场的切向分量，L的单位是dB。

其次是多径损耗，对于数字信号的频带传输，蒸发波导信道中的多径传播对接收信号的影响在时域上主要体现为幅度衰落和码间干扰，在频域上则体现为频率选择性衰落，即传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机响应。由对流层散射及粗糙海面的散射而引起的差分时延发生概率大，差分时延也大，相应的信号强度小；而由波导结构的陷获作用引起的差分时延发生概率较小，差分时延也较小，对应的信号强度较大。

最后是多普勒效应。由于海面上空的大气介质和海水表面边界随着时间不断变化，加之移动通信时发射端和接收端的相对运动会使得发射的信号频率产生频率漂移，即多普勒效应。多普勒效应使信道成为时间色散信道，当相干时间和信号码元的周期长度相比拟时，会造成严重的时间选择性衰落，影响系统的接收性能，因此在建立蒸发波导信道模型时必须予以重视。

海面蒸发波导信道的冲激响应函数可以表示为：

其中是指第n个路径上的复路径衰减，τ_n(t)是指相应的差分时延，对应的信道模型框图如图4所示。

本发明针对不可靠的无线信道，建立基于网络编码的可靠传输机制。实现的协议结构如图5所示，在原有协议栈的基础上，增加两个部分：Intra-Session编码源端和Intra-Session编码目的端。

其次，本发明利用流内网络编码实现大数据量的上行可靠传输，对于连续的数据流进行随机线性网络编码，接收端利用高斯消元法解调相关数据。为了降低编码开销，本发明在GF(2)内定义系数矩阵，定义最大编码长度为10，利用滑动窗方式实现连续编码。如果接收端无法解码某数据包，则通过专用ACK包通知发送端，发送端将该数据包与当前数据包进行联合编码发送。

如图3所示，本发明包括以下步骤：

步骤1：依据海面无线信道模型，建立海面无线信道响应；针对海面信道的船舶纵横摇与波浪遮挡特性，设计了源端编码机制，对网内数据进行编码，增加数据之间的相关性，解决信道随机通断所导致的通信性能下降；

步骤2：利用流内网络编码实现大数据量的上行可靠传输，对于连续的数据流进行随机线性网络编码。为了降低编码开销，本发明在GF(2)内定义系数矩阵，定义最大编码长度为10，利用滑动窗方式实现连续编码。

步骤3：接收端利用高斯消元法解调相关数据，如果接收端无法解码某数据包，则通过专用ACK包通知发送端，发送端将该数据包与当前数据包进行联合编码发送。对于来自相反方向的数据包，接收端利用已知数据包信息进行解码。

具体实施例

根据专利说明，就专利实施的具体场景和条件及相关准备和流程作如下的描述和示范。

根据蒸发波导高度和预期的通信距离，基于SRT和海洋多径信号场强计算方法，仿真可得最大时延和功率延迟剖面，从而可得系统可用带宽和相应的带限冲激响应，根据辐射信号和带限冲激响应，评估系统的误码性能。

针对海面信道的船舶纵横摇与波浪遮挡特性，设计了源端编码机制，对网内数据进行编码，增加数据之间的相关性，解决信道随机通断所导致的通信性能下降。对无线自组织网络中的网络编码和速率控制机制进行联合研究，分析了流内网络编码、流间机会网络编码的吞吐量、时延、误码等性能；考虑实际无线自组织网络无线链路误码率高、速率不一致、多节点共享无线资源的特点，建立基于网络编码的可靠传输机制。

本发明利用流内网络编码实现大数据量的上行可靠传输，使用随机线性网络编码对连续的数据流做数据处理，结合滑动窗方式实现连续编码并据此减小编码开销。与此同时，本发明利用流间网络编码对来自相反方向的数据包进行编码，接收端利用已知数据包进行解码，以此提高网络数据吞吐量。

设从第二个时隙开始，每三个时隙为一个时隙段，则对于本文中所考虑的模型，在3n+1个时隙中得到了2n个满分集阶数的信息。实验仿真证明，在高信噪比下，该方案与直传相比，有着非常明显的优势。

在提出了信道模型和编码方案后，并设计出相应的通信系统实物模型和仿真，在我国东海某近海处，利用多艘舰艇在不同天气条件下进行了海面实际通信测试。

首先用改进的网络编码策略与原有的几个网络编码策略进行对比实验。假设中继节点发送编码包给目的节点，目的节点都能解码。同时假设中继节点v每次发送1个编码包，发送次数总共为100次。

基于实际系统测试表明，在海面通信平台上，基于网络编码的容断通信系统可以实现6.2Mbps的通信速率，而基于TCP的可靠传输系统只能实现5.1Mbps的通信速率，吞吐量提高21％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：依据海面无线信道模型，建立海面无线信道响应；

步骤2：利用流内网络编码实现大数据量的上行可靠传输，对于连续的数据流进行随机线性网络编码；

步骤3：接收端利用高斯消元法解调相关数据。

2.根据权利要求1所述的一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，其特征在于，所述的步骤1中：针对海面信道的船舶纵横摇与波浪遮挡特性，设计了源端编码机制，对网内数据进行编码，增加数据之间的相关性，解决信道随机通断所导致的通信性能下降。

3.根据权利要求1所述的一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，其特征在于，所述的步骤2中：定义系数矩阵，利用滑动窗方式实现连续编码；同时利用流间网络编码对来自相反方向的数据包进行编码。

4.根据权利要求3所述的一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，其特征在于，所述的步骤2中：在GF(2)内定义系数矩阵，定义最大编码长度为10。

5.根据权利要求1所述的一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，其特征在于，所述的步骤3中：接收端利用高斯消元法解调相关数据时，如果接收端无法解码某数据包，则通过专用ACK包通知发送端，发送端将该数据包与当前数据包进行联合编码发送。

6.根据权利要求1中任一所述的一种针对海面信道的网络编码可靠传输方法，其特征在于，所述的步骤3中：对于来自相反方向的数据包，接收端利用已知数据包信息进行解码。