一种基于纠删码的卫星网络星地多路径可靠传输方法技术

基于纠删码的卫星网络星地多路径可靠传输方法是一种提高星地间数据分组传输可靠性并且降低分组传输时延的传输方法。针对星地传输信道的高丢包率特性，采用纠删编码技术，将数据分组通过编码生成冗余编码分组，目的节点只需接收部分编码分组即可解码得到原始数据分组，从而提高星地间数据包传输的成功率。并且，利用星地间存在的多条信道传输数据，能够容忍部分信道失效，提高传输的鲁棒性。利用多路径并行传输的特性，制定分组传输时延最小的多路径分配方案，提高传输的吞吐率，降低分组平均端到端时延。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纠删码的卫星网络星地多路径可靠传输方法
本专利技术涉及一种面向卫星网络的星地可靠传输实现方法，通过纠删编码结合星地间多路传输技术保证星地连接的鲁棒性和提高数据传输的可靠性，属于卫星可靠通信

技术介绍
卫星网络具有良好的全球覆盖特性，能够为各类业务提供服务，已成为下一代网络的重要组成部分。卫星的通信链路可分为星地间链路和星际间链路，其中地面用户通过星地间链路接入卫星。由于星地间链路时延长，并且受到自由空间传播损耗以及大气吸收、雨衰等附加损耗的影响使得信道产生较高的误码率。具有较高误码率的数据包在达到卫星节点后由于不能纠错而被节点丢弃，使得卫星信道丢包率较高，极端天气下高丢包率甚至导致信道连接失效。高丢包率信道对可靠传输的影响一方面体现在分组递交率方面，分组递交率是目的节点收到数据分组个数与源节点发送数据分组个数之比，递交率越高传输越可靠。星地信道的高丢包率使得传输业务分组递交率较低，降低了星地传输的可靠性。另一方面，高丢包率增加了分组的平均端到端传输时延。信道的高丢包率导致重传数据分组大大增多，由于星地间往返传输时延较大，通常达到100ms以上，频繁的数据重传会极大增加数据包平均传输时延。有鉴于此，本专利技术提出一种基于纠删码的星地可靠传输方法。一方面通过基于数据分组的纠删冗余编码技术，提高了星地间数据分组传输的成功率，保证传输业务的分组递交率。另一方面利用星地间多路径传输，能在部分信道失效的情况下保证星地间的正常通信，提高了传输的鲁棒性；同时利用多路径并行传输的特性，提高传输的吞吐率。
技术实现思路
技术问题：针对星地传输信道的高丢包率特性，本专利技术在源节点通过纠删编码技术，将数据分组通过编码生成冗余编码分组，目的节点只需接收部分编码分组即可解码得到原始数据分组，从而提高星地间数据包传输的成功率，能够保证传输业务数据包的递交率。并且，本专利技术利用星地间存在的多条信道传输数据，能够容忍部分信道失效，提高传输的鲁棒性。利用多路径并行传输的特性，提高传输的吞吐率，降低分组平均端到端时延。技术方案：本专利技术的基于纠删码的卫星网络星地多路径可靠传输方法通过纠删编码技术结合多路径传输，提高星地间数据传输的可靠性，降低数据分组的平均传输时延，具体包括以下步骤：步骤一.源节点与目的节点通过星地间存在的多条传输信道建立多路径连接；步骤二.源节点分别向各信道发送探测数据分组，目的节点将各信道丢包率反馈给源节点；步骤三.源节点根据信道平均丢包率参数计算得到最小冗余度的RS纠删编码方案，步骤四，源节点通过多段图动态规划算法求出纠删组传输时延最小的分配方案；步骤五，源节点将数据分组通过纠删码技术编码为编码分组；步骤六，源节点根据分配方案传输编码分组。其中：步骤三中，源节点根据信道平均丢包率参数计算得到最小冗余度的RS纠删编码方案，具体步骤为：1)源节点根据各信道丢包率，计算得到各信道平均丢包率2)源节点根据[m,n]RS纠删编码的分组传输成功率Pη的计算公式，计算出满足用户可靠传输业务分组递交率Pγ且冗余度最小的[m,n]RS纠删编码方案，其中冗余度用表示，Pη的计算公式为：其中，n是源节点一个纠删组包含的数据分组个数，m是纠删组中数据分组经过编码后产生的编码分组个数，r是目的节点成功接收部分编码分组的个数，是组合数公式，表示目的节点从m个编码分组中成功接收r个编码分组的所有组合的个数。步骤四中，源节点通过多段图动态规划算法求出纠删组传输时延最小的分配方案，具体步骤为：1)源节点根据求得的[m,n]RS纠删编码方案向已建立连接的各条信道分别发送m个测试数据分组，目的节点根据测试分组中的时间戳选项可计算各信道中从第1个分组到第m个分组在该信道中的传输时延，并反馈给源节点；2)源节点将从目的节点得到的反馈数据用多段图表示，k表示建立连接的信道数，则用k+1段图表示，如图1是4个编码分组分配给3条信道的4段图。V1,V2,...,Vk+1是k+1段图中各个分配阶段，每个阶段包括若干状态节点，N(i,x)是图中相邻阶段节点之间边的权值，i是阶段编号，N(i,x)代表第i条信道传输x个分组的时延，x＝1,2，…m；从初始状态s到结束状态t的一条路径代表一种分配方式，每条路径的代价用该分配方式的传输时延表示；通过多段图问题的向前递推式求得纠删组传输时延最小的分配方案，其中向前递推式为：Cost(k+1,t)＝0其中，Cost(i,j)是从第i阶段状态j到t的最小代价的大小，i是阶段编号，j是第i阶段的一个节点编号，Cost(k+1,t)＝0，k表示建立连接的信道数，括号内的k+1表示k加数字1，为了计算Cost(i,j)，必须先计算从j的所有后继节点p到t的最小代价，即先计算Cost(i+1,p)的值，c(j,p)是j节点到p节点的代价，max(c(j,p),Cost(i+1,p))是从第i阶段节点j，经过第i+1阶段节点p到t的路径的代价，Cost(i,j)是这些路径中的最小代价。有益效果：本专利技术提出一种基于纠删码的卫星网络星地多路径可靠传输策略，通过纠删码的冗余特性提高了数据分组传输的成功率，满足传输业务可靠传输分组递交率需求；通过星地间多路传输，容忍部分信道失效，提高传输的鲁棒性；在多路传输的基础上制定纠删组传输时延最小的分配策略，降低分组传输时延。附图说明图1将4个资源分配给3个项目的4段图。图2是星地多路径可靠传输模型图。图3是纠删编码技术容错原理。图4是星地间多路径传输拓扑图。具体实施方式地面用户在接入卫星时存在多条可用信道，例如低轨(LEO)卫星分配的信道，低轨卫星通常分配给用户多条信道以满足用户传输带宽的需求。又如地面用户可以通过一些高空中继设备，如高空气球、临近空间平台等接入卫星，这样在地面用户与低轨卫星之间很容易实现多路径传输。星地间传输业务通常为了保证传输质量需要设定期望的可靠传输分组递交率Pγ，即目的节点收到数据分组个数与源节点发送数据分组个数之比。本专利技术为满足期望的分组递交率Pγ，通过在源节点使用冗余度为η的RS纠删编码提高数据包传输成功率。RS纠删编码技术的基本传输原理是将n个数据分组组成一个纠删组，通过纠删编码将n个数据分组编码为m(m＞n)个编码分组，传输过程中能容忍m-n个分组丢失，即目的节点只需要收到n个或n个以上的分组即可解码得到n个数据分组，如图3所示，这种纠删编码规则可表示为[m,n]RS编码。其中编码冗余度η为编码分组与数据分组之比，可表示为：采用[m,n]RS编码时，数据分组传输成功的概率为Pη，Pη大小可由下式表示：Pη＝Pr[r≥n]其中r为目的节点接收的编码分组个数，Pr[r≥n]表示接收编码分组个数大于n的概率。由于每个编码分组从源节点到目的节点传输过程相互独立，根据传输信道的丢包率可以求得目的节点收到r个编码分组的概率：其中是各信道平均丢包率，可通过测量各信道丢包率求平均值得到。由此可求得RS[m,n]编码传输成功的概率：为了满足传输业务要求的分组递交率Pγ，必须选取分组传输成功概率大于Pγ的编码；为了降低冗余分组过多带来的传输代价，必须选取冗余度尽可能小的编码。则本专利技术选择满足分组递交率Pγ的最小冗余度编码，选择条件如下：minηs.t.Pη≥Pγ根据上式可求出满足传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纠删码的卫星网络星地多路径可靠传输方法，其特征在于该方法通过纠删编码技术结合多路径传输，提高星地间数据传输的可靠性，降低数据分组的平均传输时延，具体包括以下步骤：步骤一.源节点与目的节点通过星地间存在的多条传输信道建立多路径连接；步骤二.源节点分别向各信道发送探测数据分组，目的节点将各信道丢包率反馈给源节点；步骤三.源节点根据信道平均丢包率参数计算得到最小冗余度的RS纠删编码方案，步骤四，源节点通过多段图动态规划算法求出纠删组传输时延最小的分配方案；步骤五，源节点将数据分组通过纠删码技术编码为编码分组；步骤六，源节点根据分配方案传输编码分组。

【技术特征摘要】
1.一种基于纠删码的卫星网络星地多路径可靠传输方法，其特征在于该方法通过纠删编码技术结合多路径传输，提高星地间数据传输的可靠性，降低数据分组的平均传输时延，具体包括以下步骤：步骤一.源节点与目的节点通过星地间存在的多条传输信道建立多路径连接；步骤二.源节点分别向各信道发送探测数据分组，目的节点将各信道丢包率反馈给源节点；步骤三.源节点根据信道平均丢包率参数计算得到最小冗余度的RS纠删编码方案，步骤四，源节点通过多段图动态规划算法求出纠删组传输时延最小的分配方案；步骤五，源节点将数据分组通过纠删码技术编码为编码分组；步骤六，源节点根据分配方案传输编码分组；其中：步骤三中，源节点根据信道平均丢包率参数计算得到最小冗余度的RS纠删编码方案，具体步骤为：1)源节点根据各信道丢包率，计算得到各信道平均丢包率2)源节点根据[m,n]RS纠删编码的分组传输成功率Pη的计算公式，计算出满足用户可靠传输业务分组递交率Pγ且冗余度最小的[m,n]RS纠删编码方案，其中冗余度用表示，Pη的计算公式为：其中，n是源节点一个纠删组包含的数据分组个数，m是纠删组中数据分组经过编码后产生的编码分组个数，r是目的节点成功接收部分编码分组的个数，是组合数公式，表示目的节点从m个编码分组中成功接收r个编码分组的所有组合的个数；步骤四中，源节点通过多段图动态规划算法求出纠删组传输时延最小的分配方案，具体步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶晓国，吴昊，王明伟，朱安顺，徐忠国，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32