CN110430018A - 一种均衡保护的滑动窗口bats码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均衡保护的滑动窗口编码传输方法，包括：根据链路情况得到传输矩阵的秩分布；根据秩分布得到一个期望秩，设定分批处理的每个分批编码包的尺寸大于期望秩；根据所述秩分布，获取一个分批编码包的度分布，及所述度分布对应的传输效率；建立一个固定长度的发送窗口，根据窗口长度和所述传输效率得到单个窗口需发送的编码包数量；根据所述度分布、期望秩、窗口长度及窗口需发送的编码包数量，采用滑动窗口与分批编码结合的方式，进行数据发送。充分利用BAST码分批处理的概念，利用滑动窗口进行具有一定冗余的传输，提高了在高丢包情况下的数据恢复成功率，提高了可靠性。

Description

一种均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法

技术领域

本发明涉及空间通信领域，特别涉及一种均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法。

背景技术

在人类空间探索中，空间通信数据传输业务对传输的可靠性和时效性有很高的要求，例如在载人航天、卫星对地探测、航天器着陆和对接等任务中，舱室监控视频、航天员身体状态、科学探测数据、控制指令等数据可靠和及时地传输必须得到保证，而空间环境下传输链路的长时延、高误码率、低带宽、多级中继使得传统上依靠反馈确认实现的可靠传输性能大为降低，传输及时性也由于多级中继受到很大限制，需要在编码和通信协议上提出新的方案。

BATS码(分批稀疏码，Batched Sparse Code,BATS)是近几年提出的一种结合了喷泉码和网络编码优点的新型编码技术，其既具有喷泉码无需反馈、适合单向长延时信道的特点，又具有网络编码的优点，能够在中继节点进行直接编码，特别适合空间(深空)通信中长延时、多中继、高丢包率的链路特点。与之相比，喷泉码在中继节点上进行译码后再重新编码，或是中继节点直接转发，同时在源节点上采用更多的编码冗余以抵抗多级链路的累积丢包，这些都会降低编码效率，增大处理和传输延时。已进行的地面视频传输实验证明，多级链路中的有限长BATS码比有限长喷泉码有更好的传输流畅性、可靠性。

BATS码虽然在多中继环境表现出一些优越的性能，但其研究和应用尚处于初级阶段，许多应用还主要针对地面高速数据传输，如何针对应用环境进一步优化尚未有深入的研究。另一方面，空间通信既要求较高可靠性，又要求较高传输时效性。已有针对无反馈可靠传输的研究，通常利用数据包的冗余传输保证可靠性，但实际上仍然无法保证数据的快速及时传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的冗余传输无法保证数据的快速及时传输的不足，本文提出一种均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，相对于一般的窗口连续重叠滑动方式，利用BATS码中小度值Batch具有更高可解概率的特点，以多个小度值Batch对滑动窗口的非重叠区域进行编码传输，同时将滑动步长改为不等步长，实现对窗口滑动前后的重叠区域和非重叠区域数据的均衡保护，从而可以相对较好地解决空间通信中可靠传输与及时传输这一对矛盾，实现一种较高效率的传输方式。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，包括：

S100根据链路情况得到传输矩阵的秩分布；

S200根据秩分布得到一个期望秩，设定分批处理的每个分批编码包的尺寸大于期望秩；

S300根据所述秩分布，获取一个分批编码包的度分布，及所述度分布对应的传输效率；

S500建立一个固定长度的发送窗口，根据窗口长度和所述传输效率得到单个窗口需发送的编码包数量；

S600根据所述度分布、期望秩、窗口长度及窗口需发送的编码包数量，采用滑动窗口与分批编码结合的方式，进行数据发送。

优选的，S600包括：

S610在新的窗口进行发送时，根据所述分批编码包的度分布随机选取一个度值；如果所述度值小于期望秩，则所述度值为小度值，在所述窗口的未重叠区域中顺序选择所述小度值个数据，进行分批编码并发送；如果所述度值大于期望秩，则在整个所述窗口中随机选择所述度值个数据形成分批编码并发送。当所述窗口中所有编码数据包数量达到所述窗口需发送的编码包数量时，所述窗口中的数据停止发送；

S620当所述窗口数据发送完毕后，如果所述窗口还未与其他窗口发生重叠，则所述窗口只顺序滑动所有所述小度值的度值之和的长度，滑动后的窗口作为下一窗口；如果所述窗口与前一窗口已发生重叠，则滑动一个完整的窗口长度，从所述窗口结束位置起重新选择L个新数据作为下一窗口；

重复步骤S610、S620的发送流程，直至数据发送完毕。

优选的，所述分批编码包的尺寸：

分批编码编解码中具有分批处理的概念，待编码的数据包数量为K，集合B＝(1,...,K)表示所有数据包的集合，将该集合划分为n个子集，子集i＝1,...,n；每一个集合B_i经编码后得到的M个编码数据包，即为一个所述分批编码包的尺寸。

优选的，所述分批编码包的度分布：

编码后得到的n个分批编码包表示为X₁,X₂,...,X_n,每个分批编码包可表示为：

X_i＝B_iG_i

其中，令d_i＝|B_i|，即B_i中包含d_i个原始数据包，称d_i是分批编码包X_i的所述度值。度d_i,i＝1,…,n是独立同分布的随机变量，称其分布Ψ＝(Ψ₁,…,Ψ_k)为所述分批编码包的度分布，即P_r{d_i＝k}＝Ψ_k。

优选的，所述秩分布：

传输数据包时，中间节点对属于同一Batch的数据包使用网络编码，重新产生M个数据包，并转发给下一节点，到达接收端的第i个Batch可表示为，

Y_i＝X_iH_i＝B_iG_iH_i

其中，H_i是一个M行的随机矩阵，称为传输矩阵；

令

h_k＝Pr{rank(H)＝k}

矢量h＝[h₁,h₂,...,h_M]为传输矩阵的所述秩分布。

优选的，S300包括：

根据所述秩分布，通过求解一个有限长BATS码的可达传输效率的线性最优化问题，来获得所述度分布，及所述度分布对应的所述传输效率，

所述传输效率θ＝K/n，为优化的目标函数，n为分批编码包的数量。Ψ为分批编码包的度分布，D是最大度值，x是取值在[0,1]间的离散参数。函数Ω(x，Ψ，h)为：

优选的，单个窗口需发送的所述编码包数量为，

n＝L/θ。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.充分利用BAST码分批处理的概念，利用滑动窗口进行具有一定冗余的传输，提高了在高丢包情况下的数据恢复成功率，提高了可靠性；

2.传输中利用了BAST码小度值编码包的高恢复率，合理安排了小度值编码包在滑动窗口中的位置，使其减少冗余传输次数，同时使高度值的编码包得到更多的传输机会，从而控制了数据的总的冗余传输次数，有利于提高传输的效率；

3.实现了在空间通信中高丢包率情况下，既具有较高的传输可靠性，又具有较高的传输效率，打破了传统上依靠冗余传输来提高可靠性与提高效率之间难以兼顾的困境。通过仿真实验表明，本发明在维持与传统的连续重叠滑窗相近的可靠性的同时，传输效率提高了20％左右。

附图说明：

图1为BATS码的编码和传输过程示意图。

图2为基本滑动窗口传输示意图。

图3为窗口连续滑动造成的不同重叠区域示意图。

图4为均衡保护的滑动窗口传输方式示意图。

图5为中继链路拓扑示意图。

图6为矩阵GH的秩分布示意图。

图7为度分布示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

BATS码编解码中具有分批处理(Batch)的概念。假设待编码的数据包数量为K，集合B＝(1,...,K)表示所有数据包的集合，将该集合划分为n个子集(可有重叠)，子集每一个集合B_i经编码后得到M个编码数据包，称为一个分批(Batch)。编码后得到的n个Batch表示为X₁,X₂,...,X_n,每个Batch可表示为式(1)：

X_i＝B_iG_i (1)

其中，令d_i＝|B_i|，即B_i中包含d_i个原始数据包，称d_i是Batch X_i的度。度d_i,i＝1,…,n是独立同分布的随机变量，称其分布Ψ＝(Ψ₁,…,Ψ_k)为度分布(Degreedistribution)，即P_r{d_i＝k}＝Ψ_k。G_i是d_i×M的随机矩阵，称为生成矩阵。理论上，编码后的Batch数目n可以是无限的。BATS码的编码和传输过程如图1所示，生成矩阵G_i处的虚框表示生成的Batch，虚框内的实心方块表示每个Batch内的M个编码数据包。

传输数据包时，由于存在丢包现象，每个Batch到达中间节点的数据包数量可能少于M。中间节点对属于同一Batch的数据包使用网络编码，重新产生M个数据包，并转发给下一节点。到达接收端的第i个Batch可表示为式(2)。

Y_i＝X_iH_i＝B_iG_iH_i (2)

式中，H_i是一个M行的随机矩阵，称为传输矩阵。H_i的列数等于第i个Batch到达接收端的数据包的数量。对于不同的分组，该值不一定相同，但一定小于等于M。

BATS码常用的解码方法是置信传输(Belief Propagation，BP)解码。经过编码和传输之后，接收端收到的信息是BatchY_i，i＝1,...,n，数据包头信息中包含的传输矩阵H，以及通过收发端协商得到的生成矩阵G。于是，解码器可使用的解码信息是(Y_i,G_iH_i)，i＝1,...,n，解码即相当于求解线性方程组。对于一个Batch，当秩rank(GH)等于这个Batch包含的原始数据包数目(即Batch的度)时，该Batch可解，对应的原始数据包称为可解的数据包。显然，当一个Batch中包含的原始信息包的数量较少时，传输中的丢包对其影响较小，该Batch有更高的可解概率。

BP解码包含多次迭代，每次迭代时，选择一个可解的数据包，将其带入与之关联且不可解的Batch中。带入后，该数据包被标记已解，此时不可解的Batch可能会变得可解，然后进入下一次迭代。当没有任何可解的数据包时，解码结束。

当BP解码无法进行下去时，还可通过高斯消去法对剩余的Batch进行解码，即BP-GE算法。

滑动窗口是一种在流媒体传输中用于提高传输可靠性的方法，在喷泉码、RS纠删码(Reed Solomon，RS码)传输中获得了广泛的研究。其基本方法如图2所示。

将需要传输的数据分为长度为L的分段，称为一个窗口。对窗口W₁内的数据进行编码传输，然后将窗口的起点向后移动S个符号，称为滑动S步长，然后将该起点以后的新窗口W₂内的L个符号进行编码传输。图2中的P为前后两个窗口的重叠部分。

上述窗口滑动方法是一种重叠滑动，以数据的冗余传输实现对窗口滑动前后重叠部分的增强保护，这部分数据的传输可靠性高于不重叠部分。如果窗口连续滑动，则将出现更多的数据重叠，其中对不同重叠程度的数据保护程度也不同。例如当滑动步长S小于重叠部分P的长度时，如果连续重叠滑动，则可能出现部分数据有三重重叠，导致部分数据被过度保护，而其他部分保护的程度较低或没有保护，如图3所示，P2为二重重叠，P3为三重重叠。如果对所有数据连续采用这种方式进行滑动，将会导致较多的不必要数据冗余，同时也会造成窗口滑动太慢，数据传输耗时过长。

BATS码是将数据分批编码，有限长BATS码的编码长度固定，不同分批的BATS码可以进行联合译码。根据前面BATS码编译码过程分析，可知BATS码中度值较小的Batch具有更高的可解概率。基于此特点，可以实现一种均衡保护滑动窗口传输中重叠与非重叠数据的传输方案。流程如下：

S100根据链路情况得到传输矩阵的秩分布；

令

h_k＝Pr{rank(H)＝k} (3)

则矢量h＝[h₁,h₂,...,h_M]为传输矩阵H的所述秩分布。

S200根据秩分布得到一个期望秩rank_expt，设定分批处理的每个分批编码包的尺寸M大于期望秩；

S300根据所述秩分布，获取一个分批编码包的度分布，及所述度分布对应的传输效率θ；

根据所述秩分布，通过求解一个有限长BATS码的可达编码率(传输效率)的线性最优化问题，来获得所述度分布Ψ，及相应传输效率θ

可达编码率θ＝K/n，为优化的目标函数，n为分批编码包的数量。Ψ为分批编码包的度分布，D是最大度值，x是取值在[0,1]间的离散参数。函数Ω(x，Ψ，h)为：

数据包的发送效率和发送速度取决于整体Batch度分布。假设数据包总数为1024，窗口长度wnd_len为256，通信链路为互相独立的多跳链路，链路长度为2，每一跳的丢包率p为0.2，取M＝16，链路拓扑如图5所示。

通过二项式分布拟合，得到的秩分布如图6所示。

其中秩期望值rank_expt的值为12.87。基于上述秩分布，通过求解式(4)得到的度分布如图7所示。

S500建立一个长度为L的发送窗口，根据窗口长度和所述传输效率得到单个窗口需发送的编码包数量；

单个窗口需发送的所述编码包数量为，

n＝L/θ。

S600根据所述度分布、期望秩、窗口长度及窗口需发送的编码包数量，采用滑动窗口与分批编码结合的方式，进行数据发送。

具体的，包括：

S610在新的窗口进行发送时，根据所述分批编码包的度分布随机选取一个度值Degree；如果所述度值小于期望秩，则所述度值为小度值，在所述窗口的未重叠区域中顺序选择所述小度值个数据，进行分批编码并发送；如果所述度值大于期望秩，则在整个所述窗口中随机选择所述度值个数据形成分批编码并发送。当所述窗口中所有编码数据包数量达到所述窗口需发送的编码包数量时，所述窗口中的数据停止发送；

S620当所述窗口数据发送完毕后，如果所述窗口还未与其他窗口发生重叠，则所述窗口只顺序滑动所有所述小度值的度值之和的长度，滑动后的窗口作为下一窗口；如果所述窗口与前一窗口已发生重叠，则滑动一个完整的窗口长度，从所述窗口结束位置起重新选择L个新数据作为下一窗口；

重复步骤S610、S620的发送流程，直至数据发送完毕。

上述数据发送过程见图4。图中第一个窗口为W₁，该窗口中的数据发送时，如果随机选择的度值小于rank_expt，则顺序选择窗口中前面的Degree个数据进行编码发送，如果超过或等于rank_expt，则在整个窗口内随机选择Degree个数据进行编码发送，这一过程重复直到所发送的编码数据包数量达到第2步确定的编码包数量；随后窗口滑动所有小度值之和的步长S₁，成为窗口W₂。在W₂中的数据发送时，当选择的度值小于rank_expt值时，从W₂与W₁重叠的部分P₁之后的数据中顺序选择Degree个数进行编码发送；当选择的Degree值大于rank_exp时，则在整个W₂窗口中随机选择数据进行编码发送，直到整个W₂中的编码数据包数量达到要求。然后，选择新的数据形成新窗口W₃，重复上述过程。上述过程中，两个窗口重叠的部分P₁、P₃得到冗余发送的保护，增大了译码成功的概率；未被重叠窗口覆盖的数据S₁,S₂,S₃,S₄，由于采用小度值进行编码，也具有较高的译码成功概率，因此，所有编码数据都得到了较高的译码成功率，从而提高了数据传输的可靠性。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，其特征在于，包括：

S100 根据链路情况得到传输矩阵的秩分布；

S200 根据所述秩分布得到一个期望秩，设定分批处理的每个分批编码包的尺寸大于期望秩；

S300 根据所述秩分布，获取一个分批编码包的度分布，及所述度分布对应的传输效率；

S500 建立一个固定长度的发送窗口，根据窗口长度和所述传输效率得到单个窗口需发送的编码包数量；

S600 根据所述度分布、期望秩、窗口长度及窗口需发送的编码包数量，采用滑动窗口与分批编码结合的方式，进行数据发送。

2.根据权利要求1所述的均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，其特征在于，S600包括：

S610 在新的窗口进行发送时，根据所述分批编码包的度分布随机选取一个度值；如果所述度值小于所述期望秩，则所述度值为小度值，在所述窗口的未重叠区域中顺序选择所述小度值个数据，进行分批编码并发送；如果所述度值大于所述期望秩，则在整个所述窗口中随机选择所述度值个数据形成分批编码并发送；当所述窗口中所有编码数据包数量达到所述窗口需发送的编码包数量时，所述窗口中的数据停止发送；

S620 当所述窗口数据发送完毕后，如果所述窗口还未与其他窗口发生重叠，则所述窗口只顺序滑动所有所述小度值的度值之和的长度，滑动后的窗口作为下一窗口；如果所述窗口与前一窗口已发生重叠，则滑动一个完整的窗口长度，从所述窗口结束位置起重新选择L个新数据作为下一窗口；

重复步骤S610、S620的发送流程，直至数据发送完毕。

3.根据权利要求1-2任一项所述的均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，其特征在于，所述分批编码包的尺寸：

待编码的数据包数量为K，集合B＝(1,...,K)表示所有数据包的集合，将该集合划分为n个子集，子集i＝1,...,n；每一个集合B_i经编码后得到的M个编码数据包，即为一个所述分批编码包的尺寸。

4.根据权利要求3所述的均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，其特征在于，所述分批编码包的度分布：

编码后得到的n个分批编码包表示为X₁,X₂,...,X_n,每个分批编码包可表示为：

X_i＝B_iG_i

其中，令d_i＝|B_i|，即B_i中包含d_i个原始数据包，称d_i是分批编码包X_i的所述度值；度d_i,i＝1,…,n是独立同分布的随机变量，称其分布Ψ＝(Ψ₁,…,Ψ_k)为所述分批编码包的度分布，即P_r{d_i＝k}＝Ψ_k。

5.根据权利要求4所述的均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，其特征在于，所述秩分布：

传输数据包时，中间节点对属于同一分批编码包的数据包使用网络编码，重新产生M个数据包，并转发给下一节点，到达接收端的第i个分批编码包可表示为，

Y_i＝X_iH_i＝B_iG_iH_i

其中，H_i是一个M行的随机矩阵，称为传输矩阵；

令

h_k＝Pr{rank(H)＝k}

矢量h＝[h₁,h₂,...,h_M]为传输矩阵的所述秩分布。

6.根据权利要求5所述的均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，其特征在于，S300包括：

根据所述秩分布，通过求解一个有限长BATS码的可达传输效率的线性最优化问题，来获得所述度分布，及所述度分布对应的所述传输效率，

所述传输效率θ＝K/n，为优化的目标函数，n为分批编码包的数量，为分批编码包的度分布，D是最大度值，x是取值在[0,1]间的离散参数；函数Ω(x，Ψ，h)为：

7.根据权利要求6所述的均衡保护的滑动窗口BATS码传输方法，其特征在于，单个窗口需发送的所述编码包数量为，

n＝L/θ。