CN110943810A

CN110943810A - 面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退n帧自动重传方法及系统

Info

Publication number: CN110943810A
Application number: CN201910991742.8A
Authority: CN
Inventors: 刘伟强; 陈志辉; 李翔宇; 王成华; 朱秋明; 张小飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-03-31

Abstract

本发明提供一种面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法及系统。本发明对通信系统中的传统的回退N帧自动请求重传策略进行改进，通过研究传输帧长、误码率及滑动窗口长度等因素对系统吞吐率的影响，找到不同误码率条件下的最佳帧长。每隔一段时间，测定误码率和码速率，通过传输帧长和传输码速率得出单向传输时延。再通过链路总时延(包括单向传输时延和重传时延，其中包括数据链路上的传播时延、数据处理时延和反馈时延)与单向传输时延之比来确定合适的滑动窗口长度取值。通过改变滑动窗长适应变化的信道参数，比传统的固定窗长更具有灵活性，提高了时间效率。

Description

面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法及系统

技术领域

本发明涉及通信自动请求重传领域，尤其是一种面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法及系统。

背景技术

深空探测任务中航天器之间传输的信息主要包括测控或图像数据和情报信息。测控或图像数据一般为周期性传输数据，数据量较大且更新速率快，要求地面能够快速、有效的接收，否则会出现数据不连贯、图像失真的情况，影响之后的数据分析；情报信息则多为突发信息，接收端不可能事先知道数据的规模和发送规律，此类传输对数据完整性的要求非常高，一旦出现部分数据出错或是丢失则会使整个情报失去价值。因此，我们急需一种专门的保障机制来确保那些损坏或是丢失的数据能够重新被传输。

现有的自动重传系统(ARQ系统)是一种数据链路层差错控制技术，可以有效的提高数据传输的有效性。发射端按顺序将数据帧发送到接收端，接收端首先对接收到的数据帧进行校验，如果数据帧没有错误则传递给接收用户，并给发送端反馈一个正确接收应答(ACK)，一旦检查到数据出错，就反馈一个否定应答信号(NACK)要求发送端重传该帧。根据系统收发端设置的不同，ARQ可分为三种基本重传机制：停等式ARQ(SW-ARQ)，回退N帧ARQ(GBN-ARQ)和选择式重传ARQ(SR-ARQ)。

停等式ARQ在信道利用率上表现较差，在等待应答反馈上浪费了太多的时间，这和深空探测任务中严格的信道带宽控制和高速的传输速率要求相违背。选择式ARQ的信道利用率和传输速率都很达标，但都是以复杂的收发端实现来换取的，对于系统的硬件架构和软件设计提出了更高的要求，不符合深空探测环境下对收发机设计的简单、稳定的要求。回退N帧ARQ与选择式ARQ具有相近的数据传输效率和信道利用率，并且不需要具备复杂的收发端设计，与深空探测具体要求相符合。

为了保障深空探测任务中航天器之间信息传输的可靠性，本发明依据国际空间数据系统咨询委员会提出的Proximity-1协议标准及回退N帧ARQ重传机制的特点，设计了基于可变滑动窗口长度的回退N帧自动请求重传策略。

发明内容

发明目的：为弥补现有技术的空白，本发明提出一种面向深空通信的可变滑动窗口长度的自动请求重传策略，能够在保证吞吐率性能的情况下提高时间效率。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提供的技术方案为：

面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法，该方法中的数据帧格式为Proximity-1协议标准所规定的数据帧格式；该方法包括步骤：

(1)发射端在发送数据之前，首先根据当前的误码率切换合适的传输帧帧长；

(2)发射端根据帧长、码速率计算出合适的滑动窗口长度：

先计算出单次传输的时延，继而计算出链路的总时延，将链路总时延除以单向传输时延并将所得结果向下取整，得到合适的最小窗长；

(3)根据计算出的最小窗长调整滑动窗口的参数，然后发射端将滑动窗口内的N帧数据发送出去，并等待接收方反馈；

(4)接收端在接收到数据帧后首先进行帧序号检测和CRC校验，若正确有序则反馈肯定信号给发射端，若出错则反馈否定信号给发射端；

(5)发射端在接收到否定信号后就会重传出错的那一帧及之后的N-1帧；如果接收到肯定信号就继续传输下一帧，直至整个通信过程完成。

进一步的，所述选择合适帧长的方法为：

发射端每隔一段时间就对上一段时间的通信状态进行读取，获取上一段时间通信的误码率，然后根据误码率的高低切换选择合适的传输帧长：

如果误码率高于10^-5则把帧长设为256字节；

如果误码率高于10^-6则把帧长设为1024字节；

如果误码率高于10^-7则把帧长设为2048字节。

进一步的，所述帧序号检测的具体步骤为：

接收端接收到发送方发送的数据帧后，对其附加同步标志位ASM进行检测，ASM位包含帧序号信息，可以指示传输帧是否按序到来。

进一步的，发射端在选择最小窗长时，还设置了阈值，防止吞吐率下降太大；若计算出的最小窗长超过了预设阈值，就把阈值作为窗长。

进一步的，所述最小窗长的阈值的计算方法为：

在已知误码率且选定传输帧长时，计算吞吐率τ≥90％时的滑动窗口长度的最大值，对求得的最大值取最大整数即可求得滑动窗口长度N的阈值。

本发明还提出面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传系统，包括：发射端和接收端；发射端和接收端之间采用Proximity-1协议标准所规定的数据帧格式进行通信，且发射端和接收端之间采用所述面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法进行通信。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明所述可变滑动窗口长度是对传统的固定窗长的回退N帧自动请求重传方法的改进，对硬件资源的要求并未提高。改进后的自动重传方法具有较好的灵活性与吞吐率性能，并提高了传输效率，可适用于相似的通信协议中。

附图说明

图1为基于可变滑动窗口长度的回退N帧自动请求重传系统的总体功能结构；

图2为传输帧长选择模块的示意图；

图3为滑动窗口长度计算原理图；

图4为接收端工作流程图；

图5为回退N帧重传模块的原理图。

具体实施方式

本发明旨在提供一种面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法及系统，以适应深空通信中情报信息突发性的需求，在不增加硬件复杂度的前提下，优化回退N帧自动重传机制，通过灵活调整发送方传输帧帧长和滑动窗口大小，实现数据快速、灵活、可靠地传递，相比传统的固定窗长更具有灵活性，提高了时间效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步阐述。

图1所示为基于可变滑动窗口长度的回退N帧自动请求重传系统的一种功能结构实施例，包括传输帧长选择模块、窗口长度选择模块、帧序号检测与CRC校验模块、回退N帧重传模块。发射端和接收端之间采用Proximity-1协议标准所规定的数据帧格式进行通信，Proximity-1协议规定的帧格式PLTU帧，格式为24比特同步头+数据域+32比特CRC校验位，其中数据域称为V-3帧，可分为携带用户数据的SDU帧和携带状态参数等指令的SPDU帧。

传输帧长选择模块的原理如图2所示，传输帧长选择模块由误码率检测模块及帧长切换模块构成。首先误码率检测模块需要对此时通信的误码率进行检测，然后判决模块对其进行判断，切换模块根据误码率的高低切换选择合适的传输帧长；不同误码率下的合适帧长是通过理论推导吞吐率与帧长、窗长及误码率的关系得出的，吞吐率与误码率、帧长、回退N帧窗长等参数的关系，如下式所示：

其中τ表示吞吐率，n表示帧长，p_e表示误码率，N表示滑动窗口长度。然后就可以在已知误码率的情况下，求得吞吐率的最大值以及取得最大值时的帧长。同时为了方便数据传输，通常将帧长取值为一些典型值即2的次方，所以选择最接近的典型值，例如：

如果误码率高于10^-5则把帧长设为256字节，如果高于10^-6就设为1024字节，如果高于10^-7设为2048字节。

发射端每隔一段时间(如30s)对上一段时间的通信状态进行读取，然后进行误码率判断，如果误码率较高则切换到较小的帧长，如果误码率低则切换到较大的帧长。

窗口长度选择模块由时延计算及窗长切换部分组成，窗口长度选择模块的工作流程如图3所示，时延计算模块读取帧长信息和传输码速率信息计算出单次传输的时延，继而计算出链路的总时延，将链路总时延除以单向传输时延并将所得结果向下取整，得到合适的最小窗长。需要指出的是，当误码率较大时，N越大对吞吐率的影响越大，所以必须给N设定一个阈值防止吞吐率下降太大。在已知误码率且选定传输帧长时，计算吞吐率τ≥90％时的滑动窗口长度，取最大整数即可求得滑动窗口长度N的阈值。如误码率为10^-5时，设定N的阈值为4；当误码率为10^-6和10^-7时，设定N的阈值为5或6。如最小窗长值超过了预设阈值就把阈值作为窗长，最后窗长切换模块将滑动窗口长度参数切换到该值。然后发送方就可以根据选定的帧长和窗长设定参数并发送数据帧。

滑动窗口长度N的具体计算过程为先计算传输数据帧所需时间m与传输帧帧长n和码速率v的关系如下式：

数据帧在链路上的传播和处理时延为t_b，反馈时延为t_f。则N的计算公式为：

图4为接收端帧序号检测与CRC校验模块的工作流程图，接收端接收到发送方发送的数据帧后，对其附加同步标志位ASM进行检测，ASM位包含帧序号信息，可以指示传输帧是否按序到来。另外根据CRC循环冗余校验位进行帧校验。如果数据帧校验成功且按序到来，则发送肯定反馈给发送方告知其可以继续发送数据帧；如果数据帧没有校验成功或者未按序到达，则反馈否定信号给发送方提示需要重传，同时该帧及之后到来的帧都会被丢弃。

图5为回退N帧重传模块的原理图，当发射端将滑动窗口内的数据发送出去后，等待接收方的反馈。当接收到ACK反馈时，判断该反馈是否连续，如果连续则将窗口向后移动一格，发送下一帧数据。如果收到NACK反馈，根据反馈判断需要重传的帧号为J，此时重传机制启动，发送方重传第J帧及之后发送但未被确认的帧。

基于所述系统，本实施例给出基于可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法的一种实施方式，包括步骤：

(1)在深空通信过程中，根据Proximity-1协议要求，首先本地和远程通过固定速率发送和接收初始参数，然后接收端和发射端将提取的发送和接收参数配置给相应模块，从而正式启动数据传输过程；发射端将滑动窗口内的数据帧发送出去，并等待接收端的反馈；

(2)当接收端接收到的帧号为J且上一次接收到的帧号为J-1，则接收端需要为分组的J发送一个ACK，并更新下一个按需接收的分组的序号。当CRC校验模块检测到数据出错后，会生成NACK信号并反馈给发射端，同时接收端舍去该错误帧及其之后的帧，直到下一批重传数据中该帧被正确接收；

(3)当发射端收到ACK反馈时，判断该反馈是否为连续，如果连续，则将滑动窗口向后移动，把下一帧发送出去；如果收到NACK反馈，发射端启动重传机制并根据反馈判断当前需要重传的帧号J，并重传第J帧及之后所有已发且未被确认的帧。

吞吐率和效率是衡量通信系统的主要指标，本发明在固定滑动窗口长度的基础上进行改进，通过灵活地选择滑动窗口长度，通过改变滑动窗长适应变化的信道参数，比传统的固定窗长更具有灵活性，提高了时间利用率，在吞吐率相当的情况下，提高了传输效率。本发明适用于具有同步导头及校验位的含有握手过程的通信协议和方案中，尤其如深空通信协议的Proximity-1协议中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法，其特征在于，该方法中的数据帧格式为Proximity-1协议标准所规定的数据帧格式；该方法包括步骤：

(2)发射端根据帧长、码速率计算出合适的滑动窗口长度：

2.根据权利要求1所述的面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法，其特征在于，所述选择合适帧长的方法为：

如果误码率高于10^-5则把帧长设为256字节；

如果误码率高于10^-6则把帧长设为1024字节；

如果误码率高于10^-7则把帧长设为2048字节。

3.根据权利要求1所述的面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法，其特征在于，所述帧序号检测的具体步骤为：

4.根据权利要求1所述的面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法，其特征在于，发射端在选择最小窗长时，还设置了阈值，防止吞吐率下降太大；若计算出的最小窗长超过了预设阈值，就把阈值作为窗长。

5.根据权利要求4所述的面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传方法，其特征在于，所述最小窗长的阈值的计算方法为：

6.面向深空通信的可变滑动窗口长度的回退N帧自动重传系统，其特征在于，包括：发射端和接收端；发射端和接收端之间采用Proximity-1协议标准所规定的数据帧格式进行通信，且发射端和接收端之间采用如权利要求1至5任意一项所述方法进行通信。