CN114745042A - 宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法的装置，方法包括：卫星宽带数传链路发送端向地面宽带数传链路接收端发送探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个；地面宽带数传链路接收端接收报文信息，并解析；当报文信息是探测报文时，地面宽带数传链路接收端发送状态报文；卫星宽带数传链路发送端计算往返时延，并设置卫星网络数据的发送速率；当报文信息是请求报文时，地面宽带数传链路接收端发送反馈报文；卫星宽带数传链路发送端根据丢失报文字段重传丢失报文；当报文信息是编码数据时，地面宽带数传链路接收端根据编码向量对编码数据进行解码，得到解码数据。本方法效率高，安全可靠，同时提高带宽利用率。

Description

宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法和装置
技术领域
本申请涉及卫星网络通信技术领域，特别是涉及宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法和装置。
背景技术
无线移动通信技术的发展以及人们对方便自由的无线网络需求的提升，极大地促进了无线通信的需求发展和技术更新，使得网络通信覆盖范围更加广阔。
卫星网络也是无线网络的一种，卫星网络存在带宽有限、高延迟、网络连接的间断性、低信噪比、信道传输数据的误码率高等问题，现有的传输协议TCP(Transfer ControlProtocol)在设计之初是基于地面有线数据传输环境的特点，使传统TCP/IP协议栈已经不能很好地满足卫星网络的发展需要。
因此，对于卫星网络来说，针对卫星网络的数据传输特点，如何保证卫星网络的可靠安全传输、提高卫星网络资源的利用率、优化卫星网络资源的传输性能已成为无线卫星网络通信研究的重要研究课题之一。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法和装置，能够解决原来单向数传链路没有反馈导致的效率低的问题，保证数据传输的可靠性，同时使编码数据可以满速率下传，提高数传链路编码传输的带宽利用率。
宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法，应用于宽窄带融合框架中，所述宽窄带融合框架用于卫星和地面设备进行数据交互；
所述卫星包括：卫星宽带数传链路发送端、空间路由器和卫星窄带物联网链路接收端；所述地面设备包括：地面宽带数传链路接收端和地面窄带物联网链路发送端；
宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法包括：
卫星宽带数传链路发送端向地面宽带数传链路接收端发送探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个；所述探测报文包含第一时间戳字段；所述请求报文用于请求验证所述编码数据是否丢包，并且伴随所述编码数据周期性发送；所述编码数据包括：序列号字段和编码向量字段，所述编码向量字段是根据所述序列号字段进行随机编码得到的；
地面宽带数传链路接收端接收所述卫星宽带数传链路发送端发送的报文信息，并且对所述报文信息进行解析，得到所述探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个；
当所述报文信息是探测报文时，所述地面宽带数传链路接收端发送状态报文；所述状态报文包含第二时间戳字段；所述状态报文通过地面窄带物联网链路发送端、卫星窄带物联网链路接收端和空间路由器转发给卫星宽带数传链路发送端；所述卫星宽带数传链路发送端接收所述状态报文后，根据所述第一时间戳字段和所述第二时间戳字段计算往返时延，并根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率；卫星宽带数传链路发送端根据所述发送速率发送所述编码数据；
当所述报文信息是请求报文时，所述地面宽带数传链路接收端发送反馈报文；所述反馈报文包含丢失报文字段；所述反馈报文通过地面窄带物联网链路发送端、卫星窄带物联网链路接收端和空间路由器转发给卫星宽带数传链路发送端；所述卫星宽带数传链路发送端接收所述反馈报文后，根据所述丢失报文字段重传丢失报文；
当所述报文信息是编码数据时，所述地面宽带数传链路接收端根据所述编码向量对所述编码数据进行解码，得到解码数据。
在其中一个实施例中，所述编码数据还包括：块号字段、载荷字段以及标志位；
卫星宽带数传链路发送端向地面宽带数传链路接收端发送编码数据包括：
卫星宽带数传链路发送端根据所述块号字段将所述卫星网络数据进行分块，得到块报文；
将每个块报文分为四个非编码报文和两个编码报文；
根据所述编码向量字段，将所述非编码报文、所述编码报文均与所述载荷字段进行整合，并添加标志位，得到编码数据；
将所述编码数据发送给地面宽带数传链路接收端。
在其中一个实施例中，探测报文、请求报文以及编码数据均包含报文类型字段，且所述报文类型字段与探测报文、请求报文以及编码数据一一对应；
对所述报文信息进行解析，得到所述探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个包括：
对所述报文信息的报文类型字段进行识别，确认所述报文类型字段对应的报文信息属于探测报文、请求报文或编码数据。
在其中一个实施例中，根据所述第一时间戳字段和所述第二时间戳字段计算往返时延包括：
所述探测报文包括多个探测包，每个探测包均包含第一时间戳字段；所述状态报文包括多个状态包，每个状态包均包含第二时间戳字段；
所述卫星宽带数传链路发送端发送一个探测包，接收所述探测包对应的所述状态包，并计算第一时间戳字段和所述第二时间戳字段之差为第一参考时延；
依次发送剩余探测包，并计算剩余参考时延，根据第一参考时延和剩余参考时延得到往返时延。
在其中一个实施例中，根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率包括：
设探测包的数量为K，其对应的往返时延分别为R1，R2，......，RK，将探测包平均分成
Figure BDA0003569238350000031
个子字段，计算SPCT和SPDT的值：
Figure BDA0003569238350000032
其中，I(X)是一个阶跃函数，当X为逻辑真，函数值为1，否则函数值为0；
Figure BDA0003569238350000033
根据SPCT和SPDT的值，判断往返时延的趋势；
当往返时延呈递增趋势时，减小宽带数传链路发送端的速率并设置为卫星网络数据的发送速率；当往返时延呈递减趋势时，增大宽带数传链路发送端的速率并设置为卫星网络数据的发送速率。
宽窄带一体化卫星网络数据传输的装置，采用宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法，包括：卫星宽带数传链路发送端、地面宽带数传链路接收端、地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端；
所述卫星宽带数传链路发送端包括：探测包发送模块和网络参数估算模块；所述地面宽带数传链路接收端包括：接收报文模块；
所述探测包发送模块用于发送探测报文；所述接收报文模块用于接收所述探测报文并发送状态报文；地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端用于将所述状态报文转发给卫星宽带数传链路发送端；所述网络参数估算模块用于接收所述状态报文并计算往返时延，根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率。
在其中一个实施例中，卫星宽带数传链路发送端还包括：缓冲区分块模块；
所述缓冲区分块模块用于存储卫星网络数据并将卫星网络数据进行分块，得到块报文并转发给编码模块。
在其中一个实施例中，所述卫星宽带数传链路发送端还包括：编码模块和发送报文模块；所述地面宽带数传链路接收端还包括：解码模块；
所述编码模块用于将所述块报文进行编码，得到编码数据，并根据所述卫星网络数据的发送速率，将所述编码数据发送给发送报文模块；所述发送报文模块用于将所述编码数据下传至接收报文模块；所述解码模块用于接收所述接收报文模块发送的所述编码数据并进行解码。
在其中一个实施例中，所述卫星宽带数传链路发送端还包括：丢包信息探测模块和NACK处理模块；所述地面宽带数传链路接收端还包括：NACK生成模块；
所述丢包信息探测模块用于周期性发送请求报文给所述接收报文模块；所述NACK生成模块用于接收所述接收报文模块发送的请求报文，并发送反馈报文；地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端用于将所述反馈报文转发给卫星宽带数传链路发送端；所述NACK处理模块用于接收所述反馈报文，解析丢失报文字段并重传丢失报文。
在其中一个实施例中，所述卫星宽带数传链路发送端和所述地面宽带数传链路接收端均还包括：初始化模块；
所述初始化模块用于初始化参数，并赋予所述初始化参数的缺省值。
上述宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法，使用了卫星网络宽窄带融合的架构来传输在轨海量遥测数据，卫星网络宽窄带融合的架构的核心思想是用宽带数传链路和窄带物联网链路协同工作传输数据，解决原来单向数传链路没有反馈导致的效率低的问题；由于数传链路存在丢包和误码，引入了随机线性编码的传输方式保证数据传输的可靠性；同时提出了数传链路带宽估算方法，使编码数据可以满速率下传，提高数传链路编码传输的带宽利用率。
附图说明
图1为一个实施例中卫星网络宽窄带融合架构的示意图；
图2为一个实施例中宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法的流程图；
图3为一个实施例中报文格式图一；
图4为一个实施例中报文格式图二；
图5为一个实施例中数传链路系统化块编码举例图；
图6为一个实施例中数传链路发送端模块流程图；
图7为一个实施例中数传链路接收端模块流程图；
图8为一个实施例中带宽估算的交互图；
图9为一个实施例中随机线性编码的交互图；
图10为一个实施例中数传链路发送端模块关系图；
图11为一个实施例中数传链路接收块模块关系图；
图12为一个实施例中数传链路接收端缓冲区管理图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本申请提供的一种宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法，应用于宽窄带融合框架中，所述宽窄带融合框架用于卫星和地面设备进行数据交互；所述卫星包括：卫星宽带数传链路发送端、空间路由器和卫星窄带物联网链路接收端；所述地面设备包括：地面宽带数传链路接收端和地面窄带物联网链路发送端；
如图2所示，在一个实施例中，包括以下步骤：
步骤102：卫星宽带数传链路发送端向地面宽带数传链路接收端发送探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个；所述探测报文包含第一时间戳字段；所述请求报文用于请求验证所述编码数据是否丢包，并且伴随所述编码数据周期性发送；所述编码数据包括：序列号字段和编码向量字段，所述编码向量字段是根据所述序列号字段进行随机编码得到的。
编码数据还包括：块号字段、载荷字段以及标志位；卫星宽带数传链路发送端向地面宽带数传链路接收端发送编码数据包括：卫星宽带数传链路发送端根据块号字段将所述卫星网络数据进行分块，得到块报文；将每个块报文分为四个非编码报文和两个编码报文；根据编码向量字段，将非编码报文、编码报文均与载荷字段进行整合，并添加标志位，得到编码数据；将编码数据发送给地面宽带数传链路接收端。
如图3和图4所示的报文格式，探测报文、状态报文、编码数据、请求报文、反馈报文分别对应：探测包DATA报文、反馈STATUS报文、编码DATA报文、Request报文、NACK报文。表1是报文的字段含义。
表1报文字段的含义
Figure BDA0003569238350000071
在编码DATA报文中，编码向量和载荷是分开的。如果数传链路发送原始报文，只需要在编码向量这一字段都等于0，载荷是原始数据。数传链路接收端接收到数据后，先判断编码向量是否为0，如果是说明接收到的报文是非编码的，直接将载荷加入到已经解码的矩阵中。如果编码向量不为0，则说明报文是编码的，加入解码矩阵进行解码还原。
宽带数传链路采用系统化块编码的方式进行随机线性编码传输数据，发送固定的编码报文个数。系统化块编码是指块中有编码报文和非编码报文，并结合两种报文进行解码，如图5所示，数传链路的发送端把数据分成块，每块有6个原始报文，发送端编码报文是由块中所有报文随机产生的，编码报文为C5和C6，发送时编码报文和非编码报文在数传链路允许的条件下同时发送。由于卫星处理资源有限，数传链路发送端发送的编码报文数量固定为2个，采用系统化块编码的方式会首先发送原始报文，再发送编码的报文，因为编码报文是由块中所有报文随机编码生成的，所以即使原始报文出现丢包，一个编码报文都可以纠正块中任何一个报文的丢失情况，这种编码方式是处理原始丢包最有效的方式。为了减少数传链路接收端的计算工作量，在随机编码时，每个报文的编码系数固定为1，因为数传链路接收端收到的可能是原始数据或者编码数据，所以数传链路接收端的解码算法需要能够做出不同的处理，将编码和非编码的报文结合共同解码出原始的数据。
本实施例中的编码过程采用随机线性编码机制，可以使编码算法实现分布式控制：接收节点可以在完全不知道网络拓扑信息和编码函数的情况下进行解码；接收节点可以在中间节点或链路像在Ad Hoc模式中一般移动和改变时解码；接收节点可以在发生丢包或链路错误的情况下解码；甚至当本地编码向量是随机选择且随时间动态变化时，接收节点依然可以解码。当采用随机线性编码进行数据通信时，接收节点面对的问题从是否接收到完整有序的数据包，转变为是否收到数量足够且彼此线性无关的编码包。只要有限域F足够大，产生的编码系数线性无关的概率就无限趋近于为1，这样就使各个接收端节点对应的解码矩阵都能以较高概率满秩并成功解码。
步骤104：地面宽带数传链路接收端接收所述卫星宽带数传链路发送端发送的报文信息，并且对所述报文信息进行解析，得到所述探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个。
探测报文、请求报文以及编码数据均包含报文类型字段，且报文类型字段与探测报文、请求报文以及编码数据一一对应；对报文信息进行解析，得到探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个包括：对报文信息的报文类型字段进行识别，确认报文类型字段对应的报文信息属于探测报文、请求报文或编码数据。
不同的报文类型代表不同的报文，例如：当报文类型的值为1时，代表是探测包DATA报文；当报文类型的值为0时，代表是反馈STATUS；当报文类型的值为2时，代表是编码DATA报文；当报文类型的值为3时，代表是Request报文；当报文类型的值为4时，代表是NACK报文。
步骤106：当所述报文信息是探测报文时，所述地面宽带数传链路接收端发送状态报文；所述状态报文包含第二时间戳字段；所述状态报文通过地面窄带物联网链路发送端、卫星窄带物联网链路接收端和空间路由器转发给卫星宽带数传链路发送端；所述卫星宽带数传链路发送端接收所述状态报文后，根据所述第一时间戳字段和所述第二时间戳字段计算往返时延，并根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率；卫星宽带数传链路发送端根据所述发送速率发送所述编码数据。
数传链路接收端不需要解释DATA报文中的时间戳信息，只需要在反馈的STATUS报文中简单地复制时间戳信息，数传链路发送端可以利用时间戳信息监测流量情况。
第一时间戳字段为数传链路发送端发送DATA探测报文的时间，第二时间戳字段为接收到的探测包DATA报文中的时间戳。
步骤108：当所述报文信息是请求报文时，所述地面宽带数传链路接收端发送反馈报文；所述反馈报文包含丢失报文字段；所述反馈报文通过地面窄带物联网链路发送端、卫星窄带物联网链路接收端和空间路由器转发给卫星宽带数传链路发送端；所述卫星宽带数传链路发送端接收所述反馈报文后，根据所述丢失报文字段重传丢失报文。
数传链路发送端周期性的发送Request报文给数传链路接收端，在窄带物联网发送端收到宽带数传链路接收端的丢包统计信息后，只向窄带物联网接收端反馈丢失数据的信息，而不包括正确接收到的数据，窄带物联网发送端再通过NACK报文把丢失数据传给窄带物联网链路接收端，窄带物联网接收端把接收到的NACK报文中的丢包信息提取出来传给宽带数传链路发送端，宽带数传链路重传丢失的数据，宽带数传链路处理数据丢失时并不会减缓数据发送速率，仍保持原有的发送速率重传丢失的数据，宽带数传链路发送端和接收端相对独立，发送端不依赖接收端的反馈信息来推动数据发送，可以更加快速、更加稳定的发送海量在轨遥测信息。
步骤110：当所述报文信息是编码数据时，所述地面宽带数传链路接收端根据所述编码向量对所述编码数据进行解码，得到解码数据。
本申请中的编码方法是系统化块编码，解码模块接收到报文先判断是否为编码报文，判断的方法是通过判断报文的编码向量字段是否为0，如果是0，代表报文是原始数据报文，如果不为0，则代表是编码报文。将编码报文和非编码报文加入到解码矩阵中，但非编码报文不用进行高斯消除，而是作为已解码的报文加入到矩阵中。要是编码报文的线性向量在矩阵中是线性无关的，用高斯算法会解码出新的原始数据。原始报文会在应用程序的缓冲区存储下来，等待整个块中的报文完成解码，一旦块成功解码，将整个块的数据都上交给应用程序。
在本实施例中，数传链路是单向下传数据的卫星数据传输链路，具有速度快、无反馈的优点，但是同时存在高误码和丢包的缺点，为了提高数传链路传输数据的效率，使用窄带物联网链路回传数传链路反馈信息。
宽带数传链路是下行链路，窄带物联网链路是上行链路，宽带数传链路和窄带物联网链路的下行和上行链路带宽不对称，传统的TCP协议的ACK机制反馈信息需要消耗很多流量，而本申请中的随机线性编码的数据传输方法改进了这一缺点。
数传链路发送端的模块流程图如图6所示，数传链路接收端的模块流程图如图7所示，本实施例的工作过程为：
1)数传链路发送端使用带有时间戳信息的DATA报文作为探测包，数传链路接收端收到该类型的DATA报文后会通过窄带物联网链路返回带有相同时间戳信息的STATUS报文，数传链路发送端收到STATUS报文后会根据时间戳值计算出往返时延RTT，通过分析往返时延RTT的变化情况对当前的发送速率进行判定和调整，宽窄带一体化卫星网络基于随机线性编码的数据传输方法数传链路带宽估算方法交互图如图8所示。
2)数传链路发送端开始下传包含在轨遥测数据的编码DATA报文，对编码DATA报文用随机线性编码的数据传输方式进行传输。
3)数传链路发送端并且周期性发送Request报文请求数传链路接收端反馈丢包信息，数传链路接收端接收到Request报文后，数传链路接收端通过窄带物联网链路回传NACK报文，数传链路发送端收到数传链路接收端通过窄带物联网链路回传的NACK报文后，如果数传链路接收端报告有数据丢失，则数传链路发送端对丢失的报文进行重传，重传结束后继续发送新的包含在轨遥测数据的编码DATA报文，宽窄带一体化卫星网络随机线性编码方式交互图如图9所示。
4)数传链路发送端发送探测报文、编码数据或者请求报文，数传链路接收端对接收到的信息进行解析，并发送状态报文、解码数据或者发送反馈报文。
上述宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法，使用了卫星网络宽窄带融合的架构来传输在轨海量遥测数据，卫星网络宽窄带融合的架构的核心思想是用宽带数传链路和窄带物联网链路协同工作传输数据，使用宽带数传链路单向下传数据，窄带物联网链路回传数传链路反馈信息，解决原来单向数传链路没有反馈导致的效率低的问题；由于数传链路存在丢包和误码，引入了随机线性编码的数据传输方式保证数据传输的准确性和可靠性；同时提出了数传链路带宽估算方法，通过数传链路带宽估算方法得出宽带数传链路发送速率之后保持该发送速率下传用上述随机线性编码方式处理的数据，使编码数据可以满速率下传，数传链路发送端能够以接近链路带宽的速率稳定发送编码数据，提高数传链路编码传输的带宽利用率。
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在其中一个实施例中，根据所述第一时间戳字段和所述第二时间戳字段计算往返时延包括：所述探测报文包括多个探测包，每个探测包均包含第一时间戳字段；所述状态报文包括多个状态包，每个状态包均包含第二时间戳字段；所述卫星宽带数传链路发送端发送一个探测包，接收所述探测包对应的所述状态包，并计算第一时间戳字段和所述第二时间戳字段之差为第一参考时延；依次发送剩余探测包，并计算剩余参考时延，根据第一参考时延和剩余参考时延得到往返时延。
探测报文是指一次探测过程中发送的报文，探测包是指一条用于探测的报文，探测报文包括多个探测包即在一次探测过程中，发送多条用于探测的报文，具体的探测包数量可以根据实际情况进行设置。
现有数传链路为了单向传输的可靠性，链路余量调的很大，无法高效率下传编码数据，本方法为了提高数传链路带宽利用率，高效下传编码数据，增加了数传链路带宽估计方法：发送端向接收方发送探测报文时，如果发送速率大于传输链路的可用带宽，则探测包会在发送端进行排队，探测包的单向时延呈现出明显的增大趋势；反之如果发送速率小于可用带宽，探测报文的单向时延则没有明显的变化趋势；因此，恰好使探测报文受干扰由轻微到显著的发送速率就是链路可用带宽的估计值。
在其中一个实施例中，为了最大化的使用宽带数传链路的带宽资源，按照链路满速率下传编码数据，在下传编码数据之前，数传链路带宽估计方法使用带有时间戳信息的DATA报文作为探测报文，数传链路接收端接收到该类型的DATA报文后会返回带有相同时间戳信息的STATUS报文，数传链路是单向下传的，因此想要返回STATUS报文需要通过窄带物联网链路回传。数传链路发送端收到窄带物联网链路回传的STATUS报文后根据时间戳值计算出往返时延(RTT)并存入数组RTT[K]中，K的数值等于一次探测过程中需要记录的探测包RTT的数量，分析数组中的RTT变化情况对当前的发送速率进行判定和调整。使用RTT值代替单向时延是基于假设反馈链路中STATUS报文不会出现排队现象，RTT的变化情况主要受到单向时延的影响。如果考虑反馈链路的可用带宽非常有限，STATUS报文也会出现排队现象，则可以设置接收端只发送最新的STATUS报文，从而减少STATUS报文排队对RTT值的影响。数传链路带宽估计方法在对发送速率进行判定时为了减小突发情况带来的不确定性，定义了两个参数：PCT(Pairwise Comparison Test)和PDT(Pairwise Difference Test)。
设探测包的数量为K，其对应的往返时延分别为R1,R2，......，RK，K值可以根据实际情况进行选取，例如，取K＝10；
将探测包平均分成
Figure BDA0003569238350000121
个子字段，计算SPCT和SPDT的值：
Figure BDA0003569238350000122
其中，I(X)是一个阶跃函数，当X为逻辑真，函数值为1，否则函数值为0；
Figure BDA0003569238350000123
显然，0≤SPCT≤1-1≤SPDT≤1，根据SPCT和SPDT的值，判断往返时延的趋势。
理想条件下，有两种情况：
1)SPCT＝0，SPDT＝0，说明RTT保持不变；
2)SPCT＝1，SPDT＝1，说明RTT呈现递增趋势。
在一般情况下，如表2所示，如果SPCT＞0.66或SPDT＞0.55，参数表明RTT呈递增趋势，即发送速率大于可用带宽；如果SPCT＜0.54或SPDT＜0.45，参数表明RTT没有递增趋势，即发送速率小于等于可用带宽。
通过分析往返时延RTT的变化情况对当前的发送速率进行判定和调整。当往返时延呈递增趋势时，减小宽带数传链路发送端的速率并设置为卫星网络数据的发送速率；当往返时延呈递减趋势时，增大宽带数传链路发送端的速率并设置为卫星网络数据的发送速率。
表2 PCT、PDT与速率判定
Figure BDA0003569238350000131
本申请还提供一种宽窄带一体化卫星网络数据传输的装置，采用宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法，在一个实施例中，包括：宽带数传链路和窄带物联网链路，宽带数传链路包括卫星宽带数传链路发送端和地面宽带数传链路接收端，窄带物联网链路包括地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端；所述卫星宽带数传链路发送端包括：探测包发送模块和网络参数估算模块；所述地面宽带数传链路接收端包括：接收报文模块；所述探测包发送模块用于发送探测报文；所述接收报文模块用于接收所述探测报文并发送状态报文；地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端用于将所述状态报文转发给卫星宽带数传链路发送端；所述网络参数估算模块用于接收所述状态报文并计算往返时延，根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率。
在其中一个实施例中，卫星宽带数传链路发送端还包括：缓冲区分块模块；所述缓冲区分块模块用于存储卫星网络数据并将卫星网络数据进行分块，得到块报文并转发给编码模块。
缓冲区分块模块将应用程序传递下来的数据进行缓存，并根据数据大小进行分块。分块的大小和每块中的报文数据均为固定值，报文载荷数据与报头不能超过数传链路传输层的最大报文长度(MTU，Maximum Transmission Unit)。缓冲区分段模块根据数据长度获取分块的数量，并会将这个数量大小告知接收端，接收端接收到信息后，也会开辟一片同样大小的数据缓冲区。
在其中一个实施例中，所述卫星宽带数传链路发送端还包括：编码模块和发送报文模块；所述地面宽带数传链路接收端还包括：解码模块；所述编码模块用于将所述块报文进行编码，得到编码数据，并根据所述卫星网络数据的发送速率，将所述编码数据发送给发送报文模块；所述发送报文模块用于根据数传链路的报文传输协议控制将所述编码数据下传至接收报文模块；所述解码模块用于接收所述接收报文模块发送的所述编码数据并进行解码。
编码及得到编码数据的过程包括：每块固定6个报文，其中两个是编码报文，然后把块中所有的报文进行线性运算，最后会将编码与不编码的报文一起传递，由于星上CPU处理资源有限，在随机编码时，每个报文的编码系数固定为1。
在其中一个实施例中，所述卫星宽带数传链路发送端还包括：丢包信息探测模块和NACK处理模块；所述地面宽带数传链路接收端还包括：NACK生成模块；所述丢包信息探测模块用于周期性发送请求报文给所述接收报文模块；所述NACK生成模块用于接收所述接收报文模块发送的请求报文，并发送反馈报文；地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端用于将所述反馈报文转发给卫星宽带数传链路发送端；所述NACK处理模块用于接收所述反馈报文，解析丢失报文字段，得到丢失报文信息，并重传丢失报文。
在其中一个实施例中，所述卫星宽带数传链路发送端和所述地面宽带数传链路接收端均还包括：初始化模块；所述初始化模块用于初始化参数，并赋予所述初始化参数的缺省值。
如图10和图11所示，在其中一个实施例中，卫星宽带数传链路发送端包括：探测包发送模块、网络参数估算模块、缓冲区分块模块、编码模块、发送报文模块、丢包信息探测模块和NACK处理模块；地面宽带数传链路接收端包括：接收报文模块、解码模块和NACK生成模块。
其中：探测包发送模块、缓冲区分块模块、编码模块、发送报文模块和丢包信息探测模块负责处理下行数据，网络参数估算模块和NACK处理模块负责处理上行数据。
此外，地面宽带数传链路接收端也包括缓冲区，地面宽带数传链路接收端的缓冲区需要根据发送报文的信息进行管理，宽窄带一体化卫星网络基于随机线性编码的数据传输方法使用了随机线性编码，所以需要注意的是在缓冲区中存储了还没有完全解码的块，需要用于后续的高斯解码，只有整个块中的数据解码完成，才能把接收端缓冲区块的存储空间释放。接收端是通过块号与当前已接收到的块中报文数量决定是否释放存储空间和生成NACK报文。数传链路接收端缓冲区管理如图12所示，接收端成功接收了第一块中的报文P6，P1-P5和P7-P8分别属于两个块中的报文。报文P6插入到第一个块中，这是第一个块已经接收的所有报文，可以完成解码，但下一块还没有办法完成解码。所以接收端会释放掉第一个块的存储空间，把已经完成解码的块的块号ACK_currblk+1，并更新和生成NACK报文信息。因为第二个块中已经有两个报文，所以Ack_currdof等于2，代表第二块已经接收了两个报文，当此时接收到Request报文时，NACK报文将已接收的报文信息和未接收的报文信息构造完成，通过窄带物联网链路把NACK报文回传到星上。
关于宽窄带一体化卫星网络数据传输的装置的具体限定可以参见上文中对于宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法的限定，在此不再赘述。上述宽窄带一体化卫星网络数据传输的装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法，其特征在于，应用于宽窄带融合框架中，所述宽窄带融合框架用于卫星和地面设备进行数据交互；
所述卫星包括：卫星宽带数传链路发送端、空间路由器和卫星窄带物联网链路接收端；所述地面设备包括：地面宽带数传链路接收端和地面窄带物联网链路发送端；
宽窄带一体化卫星网络数据传输的方法包括：
卫星宽带数传链路发送端向地面宽带数传链路接收端发送探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个；所述探测报文包含第一时间戳字段；所述请求报文用于请求验证所述编码数据是否丢包，并且伴随所述编码数据周期性发送；所述编码数据包括：序列号字段和编码向量字段，所述编码向量字段是根据所述序列号字段进行随机编码得到的；
地面宽带数传链路接收端接收所述卫星宽带数传链路发送端发送的报文信息，并且对所述报文信息进行解析，得到所述探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个；
当所述报文信息是探测报文时，所述地面宽带数传链路接收端发送状态报文；所述状态报文包含第二时间戳字段；所述状态报文通过地面窄带物联网链路发送端、卫星窄带物联网链路接收端和空间路由器转发给卫星宽带数传链路发送端；所述卫星宽带数传链路发送端接收所述状态报文后，根据所述第一时间戳字段和所述第二时间戳字段计算往返时延，并根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率；卫星宽带数传链路发送端根据所述发送速率发送所述编码数据；
当所述报文信息是请求报文时，所述地面宽带数传链路接收端发送反馈报文；所述反馈报文包含丢失报文字段；所述反馈报文通过地面窄带物联网链路发送端、卫星窄带物联网链路接收端和空间路由器转发给卫星宽带数传链路发送端；所述卫星宽带数传链路发送端接收所述反馈报文后，根据所述丢失报文字段重传丢失报文；
当所述报文信息是编码数据时，所述地面宽带数传链路接收端根据所述编码向量对所述编码数据进行解码，得到解码数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述编码数据还包括：块号字段、载荷字段以及标志位；
卫星宽带数传链路发送端向地面宽带数传链路接收端发送编码数据包括：
卫星宽带数传链路发送端根据所述块号字段将所述卫星网络数据进行分块，得到块报文；
将每个块报文分为四个非编码报文和两个编码报文；
根据所述编码向量字段，将所述非编码报文、所述编码报文均与所述载荷字段进行整合，并添加标志位，得到编码数据；
将所述编码数据发送给地面宽带数传链路接收端。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，探测报文、请求报文以及编码数据均包含报文类型字段，且所述报文类型字段与探测报文、请求报文以及编码数据一一对应；
对所述报文信息进行解析，得到所述探测报文、请求报文以及编码数据中的任一个包括：
对所述报文信息的报文类型字段进行识别，确认所述报文类型字段对应的报文信息属于探测报文、请求报文或编码数据。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，根据所述第一时间戳字段和所述第二时间戳字段计算往返时延包括：
所述探测报文包括多个探测包，每个探测包均包含第一时间戳字段；所述状态报文包括多个状态包，每个状态包均包含第二时间戳字段；
所述卫星宽带数传链路发送端发送一个探测包，接收所述探测包对应的所述状态包，并计算第一时间戳字段和所述第二时间戳字段之差为第一参考时延；
依次发送剩余探测包，并计算剩余参考时延，根据第一参考时延和剩余参考时延得到往返时延。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率包括：
设探测包的数量为K，其对应的往返时延分别为R1，R2，......，RK，将探测包平均分成
Figure FDA0003569238340000021
个子字段，计算SPCT和SPDT的值：
Figure FDA0003569238340000031
其中，I(X)是一个阶跃函数，当X为逻辑真，函数值为1，否则函数值为0；
Figure FDA0003569238340000032
根据SPCT和SPDT的值，判断往返时延的趋势；
当往返时延呈递增趋势时，减小宽带数传链路发送端的速率并设置为卫星网络数据的发送速率；当往返时延呈递减趋势时，增大宽带数传链路发送端的速率并设置为卫星网络数据的发送速率。
6.宽窄带一体化卫星网络数据传输的装置，采用如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，包括：卫星宽带数传链路发送端、地面宽带数传链路接收端、地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端；
所述卫星宽带数传链路发送端包括：探测包发送模块和网络参数估算模块；所述地面宽带数传链路接收端包括：接收报文模块；
所述探测包发送模块用于发送探测报文；所述接收报文模块用于接收所述探测报文并发送状态报文；地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端用于将所述状态报文转发给卫星宽带数传链路发送端；所述网络参数估算模块用于接收所述状态报文并计算往返时延，根据所述往返时延设置卫星网络数据的发送速率。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，卫星宽带数传链路发送端还包括：缓冲区分块模块；
所述缓冲区分块模块用于存储卫星网络数据并将卫星网络数据进行分块，得到块报文并转发给编码模块。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述卫星宽带数传链路发送端还包括：编码模块和发送报文模块；所述地面宽带数传链路接收端还包括：解码模块；
所述编码模块用于将所述块报文进行编码，得到编码数据，并根据所述卫星网络数据的发送速率，将所述编码数据发送给发送报文模块；所述发送报文模块用于将所述编码数据下传至接收报文模块；所述解码模块用于接收所述接收报文模块发送的所述编码数据并进行解码。
9.根据权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，所述卫星宽带数传链路发送端还包括：丢包信息探测模块和NACK处理模块；所述地面宽带数传链路接收端还包括：NACK生成模块；
所述丢包信息探测模块用于周期性发送请求报文给所述接收报文模块；所述NACK生成模块用于接收所述接收报文模块发送的请求报文，并发送反馈报文；地面窄带物联网链路发送端和卫星窄带物联网链路接收端用于将所述反馈报文转发给卫星宽带数传链路发送端；所述NACK处理模块用于接收所述反馈报文，解析丢失报文字段并重传丢失报文。
10.根据权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，所述卫星宽带数传链路发送端和所述地面宽带数传链路接收端均还包括：初始化模块；
所述初始化模块用于初始化参数，并赋予所述初始化参数的缺省值。
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