卫星网络的高效内容分发技术制造技术

卫星网络上的高效的大规模文件分发方法，充分利用卫星网络来提供个人通信服务的可行性、强大的信息处理能力、高效便捷的数据业务功能，通过借助于网络编码技术，在卫星信号发射端口、中转站点以及智能终端配置合适的通信协议来实现。该通信协议实现了卫星单向点对点通信，以及卫星网络上的大规模内容分发，内容下载。本发明专利技术包括基于随机线性网络编码的，针对双向卫星网络的内容分发问题提出的高效分发技术。基于确定线性网络编码以及最大距离可分码理论的高效，鲁棒的分发技术。基于Ｇｉｂｅｒｔ－Ｅｌｌｉｏｔ错误模型的，针对单通道的点对点卫星通信系统，实现高效，适应性强的分发技术。本发明专利技术的优点在于方便实现，传输冗余小，效率高，可适应性好等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星通信领域，具体来说，本专利技术给出了一种在卫星信号发射端，信号 中转和智能接收端实现高效内容分发和接收的通信方案。二.
技术介绍
卫星网络提供全球覆盖和大范围服务，特别适合需要快速而及时的连接场景，或 长距离以及有困难障碍物的情形[1’2]。例如大规模分布式数据库的更新，大量信息如医疗， 新闻等的远距离发布[1’3’4]。卫星的广播特性可以提供为多用户传输信息的效率[9]。近来，在[5]中作者提供了一个特殊系统一SPIDER，用来从单信源向基于Internet 和私有网络互联的多个接收节点快速分发大规模文件。然而，其认证机制受到数据传输延 迟的严重影响(在地球静止轨道上，如果条件不好可达到500ms)。虽然LEO卫星提供短时 间的单轮延迟，但是一般LEO卫星系统都要通过许多处理入口进行运作，并且IRIDIUM卫星 基于有固定处理平台，这些都会增大延迟。然而对于基于GEO的卫星网络上的大规模文件分发，如果采用传统的请求_分 发-重发机制，智能终端的等待时间比较长，而且提高信息下载的卫星端或中转站点将需 要重传很多次数，特别是在天气恶劣情况下，从而传送鲁棒性以及效率非常差。这类似于Bt 下载的首尾效应。回传信道一般分为两种，双向回传信道和单向无回传信道。作为双向链接，一个简 单的传输协议就是错误重传协议，即当接收者收到不能纠正的错误数据包或没有收到数据 包时，它们将通过回归信道告诉传输者重新发送。此方式易行。然而，其时延或等待时间将 随接收者的增加而迅速增加。如果仅能接收数据的中转站被用于卫星数据传输，那么必须采用单向卫星通信技 术以提供有效的数据传输。由于在单向卫星数据网络中没有可逆信道，数据传输是无线的， 它需要采用UDP传输层协议。单向卫星网络主要应用于多播和广播UDP/IP数据包。对于 这种情况，前向纠错(FEC)技术可以用来解决传输位错问题，当然必将引入一些传输冗余。 此外，系统码，分组码或卷积码也是不错的选择。当然，在各种应用中，可以利用地面通道来认证，或者利用卫星上的不同信道，或 利用发送器划分同一信道技术来认证，作为替代措施。但在本文设计中，主要涉及文件分 发，而不考虑这些替代技术。确认机制肯定和否定确认被用于各种通信网络。为最小化确认次数，只传输否定确认或与 多帧的肯定确认结合传输，此策略对多个接收者非常有效。重传机制受到传输时延的强烈影响。为适应流控制和错误控制，各种重发机制被 广泛用于点对点通信，例如停止-等待(stop and Wait)，回退-重发(Go Back to N)，选择重发等。对于非常大的文件(大于lOOMbits，IMbit/s的信道)，可以设计了一些停止-等待(在每帧之后等待确认)来最小化等待时间。对于回退-重发机制，当接收到否定确认 时，此丢失帧和它之后的数据帧都将被重传。这样对于一个否定确认而产生的长时间延迟 将导致重传大量数据帧，从而降低传输效率。进而，为减少重传帧数，Gopal和Jaffe[6]设计 了全内存的回退-重发协议。此协议进一步被[7]改进，提高了 30%的效率。与回退-重发 机制相比，此机制假设接收者具有一定内存，并给定时限或仅对否定确认选择重传。因此它 只需传输单个数据帧。此改进协议被用于Nadir计划[8’9]，并且具有较高的传输效率。所有这些都适合于带有回执信道的卫星通信。而对于单向卫星通信，一些必要的 技术如前向纠错或重复传输机制可以用来提高可靠性。然而，它们也将降低信息传输效率。网络编码最早见于_中，它作为一种新技术通过允许传输者对输入的信息进行 编码操作以提高网络吞吐量，传输鲁棒性和传输效率。随机线性网络编码[11]和线性网络编 码[12]，是实现网络编码的比较实际的编码方式。此技术已经被应用到各种通信中。正是在这样的背景下，我们提出本专利技术。旨在利用网络编码新技术来实现卫星网 络上的高效内容分发，提高单向网络通信的鲁棒性和传输效率。三.
技术实现思路
本专利技术提供了几种基于网络编码新技术的卫星网络的内容分发技术。所述技术方 案如下根据随机线性网络编码技术，针对双向卫星通信网络，并无中心第三方，构造高效 内容分发方式。其中系统参数包括编码方式，编码系数，数据块标识等。此技术应用于卫星 通信的优点在于(1)它非常适合于分布式和移动网络。(2)传输效率高。在此传输中，卫 星不需要每次都等待来自接收者的回执信息，并且接收者仅需要回执丢失的数据块数而不 是所有的数据块的具体指标。而且卫星也不需要找出特殊的数据块来重传，只需重传与回 执数目的相当的数据块。(3)传输延迟小。(4)传输冗余小，传输鲁棒性好。根据确定线性网络编码以及最大距离可区分码理论，针对双向卫星通信网络，构 造高效内容分发方式。其中系统参数包括编码方式。此技术应用于卫星通信的优点在于 (1)传输冗余小，传输效率高。(2)终端智能要求不高。(3)传输鲁棒性好。(4)传输延迟 小。根据确定线性网络编码，最大距离可区分码理论以及Gibert-Elliot错误模型， 针对单向卫星通信网络，构造高效内容分发方式。其中系统参数包括编码方式。此技术应 用于卫星通信的优点在于(1)适应好。此方案能用于带有多种类型的接收者的单向通信， 譬如具有不同访问时间，以及不同位置的接收者。在这种情况下，卫星不需要考虑接收者 到达的时间和到达的数目。而是在有需求的时候，卫星广播组合数据包给所有接收者。(2) 此模式不同于传统传输模式，只要当接收者得到η个线性无关数据包，他们就能够重组原 始数据。这将大大降低传输次数和等待时间。因此，节约了能量和带宽。四.附图说明图1两状态Markov链模型。· ρ是从Good状态向Bad状态的转移概率。· q是从Bad状态到自身的转移概率。4图2UDP数据报结构。-Source Port_16位。源端口是可选字段。当使用时，它表示发送程序的端口，同 时它还被认为是没有其它信息的情况下需要被寻址的答复端口。如果不使用，设置值为0。-Destination Port-16位。目标端口在特殊因特网目标地址的情况下具有意义。Iength-Ie位。该用户数据报的八位长度，包括协议头和数据。长度最小值为8。· Checksum-16位。IP协议头、UDP协议头和数据位，最后用0填补的信息假协议 头总和。如果必要的话，可以由两个八位复合而成。· Data-包含上层数据信息· Coding coefficients-随机网络编码或确定网络编码系数。图3分别为发送端，接收端结构模块。五.具体实施例方式在卫星通信网络中，由于噪音或传输错误产生位错是不可避免的。幸运的是，纠 错码(Reed-Solomon码，MDS码等)和卷积码可以用来纠正解决此问题，这也不是本文的重 点。与平均很小的位错率(BER) (10_7)相比，由于各种原因如信道错误或乌云，雨，雪等障 碍所引起的随机错误率很高，其中，这些障碍被称为雨衰。雨衰分为上行和下行两种，上行 雨衰主要影响分享链路，可以通过上行能力控制(UPC)来减少影响。然而，对于下行雨衰， 卫星必须调整能量以适应于某些有障碍的区域，这将恶化传输条件，从而增加丢包率。为解 决此问题，我们利用Gilbert-Elliot模型[13]来刻画带有随本文档来自技高网...

【技术保护点】
卫星网络上的高效的大规模文件分发方法，充分利用卫星网络来提供个人通信服务的可行性、强大的信息处理能力、高效便捷的数据业务功能，通过借助于网络编码技术，在卫星信号发射端口、中转站点以及智能终端配置合适的通信协议来实现。该通信协议实现了卫星单向点对点通信，以及卫星网络上的大规模内容分发，内容下载。其工作流程如下所示：假设卫星是信源节点，大规模文件被分为大块进而再分成单个帧。具体来讲，卫星将文件分为ｎ个数据块，每块用向量ｖ↓［ｉ］∈Ｆ↓［ｑ］↑［ｓ］表示，其中ｑ是素数方幂，ｓ是整数。我们仅需要考虑传输这些向量。以下假设卫星仅需要广播消息或在传输前已经找到传输路径。基于Ｈｅｌｌｏ－ＡＣＫ（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔｓ）过程初始初始化链接．１）每次卫星传输组合后的数据块∑↓［ｉ＝１］↑［ｎ］ａ↓［ｉ，ｊ］ｖ↓［ｉ］，以及ＥＣＩ和编码系数｛ａ↓［１，ｊ］，Ｌ，ａ↓［ｎ，ｊ］｝，其中ａ↓［ｉ，ｊ］随机选于某有限域，ｉ，ｊ＝１，．．．，ｎ。２）接收者在等待一定时间之后仍没有收到所有数据块，则传输作为ＡＣＫ↑［ａ］的丢失数据块个数ｍ。３）卫星收到ＡＣＫ后，传输另外的ｎ－ｍ个数据块，这里ｍ表示接收到的数据块个数。ａ）４重复２，３步直到接收者收到ｎ个线性独立的数据块以便恢复ｖ↓［１］，Ｌ，ｖ↓［ｎ］，从而重构文件↑［ｂ］。↑［ａ］这里，接收者从编码系数中能获得数据块的个数，从而得到丢包数目。↑［ｂ］独立意味着接收到的编码系数向量（ａ↓［１，ｊ］，Ｌ，ａ↓［ｎ，ｊ］），ｊ∈Ｉ是基于某数域是线性独立的，其中Ｉ为指标集。...

【技术特征摘要】
卫星网络上的高效的大规模文件分发方法，充分利用卫星网络来提供个人通信服务的可行性、强大的信息处理能力、高效便捷的数据业务功能，通过借助于网络编码技术，在卫星信号发射端口、中转站点以及智能终端配置合适的通信协议来实现。该通信协议实现了卫星单向点对点通信，以及卫星网络上的大规模内容分发，内容下载。其工作流程如下所示假设卫星是信源节点，大规模文件被分为大块进而再分成单个帧。具体来讲，卫星将文件分为n个数据块，每块用向量表示，其中q是素数方幂，s是整数。我们仅需要考虑传输这些向量。以下假设卫星仅需要广播消息或在传输前已经找到传输路径。基于Hello ACK(Acknowledgements)过程初始初始化链接.1)每次卫星传输组合后的数据块以及ECI和编码系数{a1，j，L，an，j}，其中ai，j随机选于某有限域，i，j＝1，...，n。2)接收者在等待一定时间之后仍没有收到所有数据块，则传输作为ACKa的丢失数据块个数m。3)卫星收到ACK后，传输另外的n m个数据块，这里m表示接收到的数据块个数。a)4重复2，3步直到接收者收到n个线性独立的数据块以便恢复v1，L，vn，从而重构文件b。a这里，接收者从编码系数中能获得数据块的个数，从而得到丢包数目。b独立意味着接收到的编码系数向量(a1，j，L，an，j)，j∈I是基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗明星，陈秀波，袁开国，钮心忻，杨义先，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]