專利名稱：：一種適用于空間通信系統(tǒng)的容失文件傳輸控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及適用于長距離空間通信系統(tǒng)的文件傳輸協(xié)議技術(shù)，尤其是一種容失文件傳輸控制方法。
背景技術(shù)：
：深空通信與地面通信差異很大，深空通信典型特點是長變時延、鏈路易中斷、上下行鏈路非對稱、信噪比極低。星際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(IPN:InterPlaNetaryInternet)中的星際主干鏈路(如火星到地球的深空鏈路)上，這些特點尤為明顯。TCP(Transmissioncontrolprotocol)協(xié)議以Internet為背景設(shè)計，以可忽略的時延、上下行鏈路帶寬對稱、鏈路持續(xù)有效和低誤碼率為特點，TCP協(xié)議在時延帶寬積較大的網(wǎng)絡(luò)中(如IPN)性能很差、無法正常工作?？臻g數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的國際標準組織CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems)提出了能夠支持空間和地面網(wǎng)絡(luò)的文件傳輸協(xié)議(CFDP:CCSDSFileDeliveryProtocol)，其主要目標是解決各種協(xié)議在空間鏈路環(huán)境應(yīng)用的各種傳輸問題，保證數(shù)據(jù)在長延時、多跳環(huán)境中的可靠傳輸。CFDP協(xié)議具有如下特點在單工、半雙工和雙工鏈路都能有效工作；在多個地球站之間切換時，以及鏈路時斷時需時仍能正常工作；上下行鏈路帶寬非對稱情況下能有效使用；鏈路信息量最小化、通過緩存共享技術(shù)對星上存儲器資源占用最小化；在多跳鏈路上正常工作、自動的存儲_傳輸操作和端到端的特性等。Baek和Gao等就延遲否定確認型和立即否定確認型CFDP協(xié)議進行了性能仿真，但對CFDP協(xié)議的其它兩種類型提示否定確認型和異步否定確認型沒有分析，CCSDS對這兩種模式也未做詳細規(guī)定，未進行協(xié)議性能比較。在火星_地球和月球_地球場景下，本文對后兩種確認模式的CFDP協(xié)議性能進行了仿真，對CFDP與TCP協(xié)議進行了仿真比較。本文提出了一種容失協(xié)議，在時延較長、誤碼率較高的鏈路上進行單向傳輸，不需要反饋確認信息并保證傳輸?shù)目煽啃?。以Internet為背景的TCP協(xié)議假定傳輸時延可以忽略，而且鏈路誤碼很小、上下行鏈路帶寬對稱。TCP協(xié)議要求發(fā)送雙方先進行協(xié)商建立TCP連接，經(jīng)過三次握手之后才開始傳輸數(shù)據(jù)。TCP協(xié)議采用自動重傳過程來保證所傳信息按照順序傳輸，因此任意一段數(shù)據(jù)的丟失都意味著之后所有的數(shù)據(jù)都要重新發(fā)送，這在傳輸延時很大、誤碼率較高的深空環(huán)境中大大降低文件傳輸效率。發(fā)送與接收信息速率的不對稱會影響了TCP協(xié)議的吞吐量。TCP協(xié)議處理數(shù)據(jù)丟失和網(wǎng)絡(luò)擁塞的策略決定其吞吐量隨著往返延遲、信息丟失概率的增加而降低。由于TCP協(xié)議是基于端到端重傳的協(xié)議，只有信息正確到達接收端后，發(fā)送端才能釋放用于重傳的通信資源，因此當傳輸不可靠而導(dǎo)致重傳后，資源占用的時間會進一步延長，這種要求對存儲容量、處理能力有限的航天器極為不合理。在不同的仿真背景下，TCP協(xié)議文件傳輸時延隨傳輸速率R變化有差異月球_地球通信中，由于單向傳播時延較短，為秒量級，傳輸速率的提高有利于縮短PDU在發(fā)送端和接收端的處理和傳輸時延，因而文件的傳輸時延減少。而在火星-地球通信中，傳播延時巨大，傳輸速率的提高對縮短文件傳輸時延貢獻很小。在深空通信中，距離過長是造成文件傳輸時延大的主要原因，而信噪比低、丟包率大也對時延、吞吐量產(chǎn)生影響。TCP協(xié)議提出的背景與深空通信的特點差別巨大，因而其不適合應(yīng)用于深空通信中來。隨著深空通信距離的增加，TCP協(xié)議的性能會惡化，直至無法正常工作。根據(jù)CFDP協(xié)議各個模式的特點，將這四種可靠傳輸方式分為兩類第一類只包括延遲否定確認(DNM:DeferredNAKModel)CFDP;第二類包括立即否定確認(INM:ImmediateNAKModel)CFDP、提示否定確認(PNM:PromptedNAKModel)CFDP和異步否定確認(ANM-AsynchronousNAKModel)CFDP。以火星-地球最遠距離為例，CFDP協(xié)議中文件傳輸延時隨誤碼率Pe變化情況見表III。在深空通信中誤碼率越大文件傳輸延時也越大，而且當誤碼率達到10—4數(shù)量級時，文件傳輸延時會急劇增大，嚴重影響文件數(shù)據(jù)的正常傳輸?？梢奀FDP協(xié)議可以保證在較大的傳輸延時下正確傳輸文件，對誤碼率的要求也降低了，但是為了保證鏈路的效率(鏈路不能長時間被一個文件占用)誤碼率應(yīng)保證在10—s數(shù)量級及以下。否則誤碼率的增加會造成頻繁的差錯重傳，文件傳輸時延將大大增加，系統(tǒng)有效性難以保證。文件傳輸延時隨著PDU個數(shù)的增大而增大。但隨著PDU個數(shù)的增加，PDU個數(shù)的變化對傳輸延時的影響減小，可見CFDP協(xié)議能夠在相對較小的傳輸延時下能夠正確傳輸大文件。文件傳輸延時隨傳輸速率增大而減小，但傳輸速率的變化對傳輸延時的影響逐漸減小。在滿足假定條件下，當傳輸速率達到5Mbit/s以上時，傳輸速率的變化對文件傳輸延時影響很小。因此在給定的鏈路中，誤碼率一定時可以用較低的傳輸速率就可以達到較小的文件傳輸延時，而不必選用太高的傳輸速率。深空通信采用CFDP協(xié)議，在四種可靠傳輸方式下，文件傳輸延時都將隨著PDU個數(shù)和長度的增加而增大，會隨著傳輸速率的提高而降低，會隨著外部觸發(fā)事件的觸發(fā)頻率增高而降低。總的重傳次數(shù)跟所采用的可靠傳輸方式和外部觸發(fā)事件的頻率有關(guān)。在深空通信中傳輸文件數(shù)據(jù)，利用CFDP協(xié)議可以在大延時下正確傳輸文件，對誤碼率的要求相對較低，但是不宜大于10—5數(shù)量級，能夠滿足系統(tǒng)可靠性要求。傳輸速率的提高可減小文件傳輸延時，但增大到一定值后傳輸速率的提高對文件傳輸延時的減小沒有幫助。PUD大小一定時，PUD個數(shù)越多，相應(yīng)的文件越大，文件傳輸延時也越大；PUD數(shù)量一定時，PUD越大，文件傳輸延時也越大；在文件大小一定時，選擇較小的數(shù)據(jù)單元有利于減小傳輸延時。在上下行鏈路都同時、連續(xù)可用時，采用INM方式有利于減小文件傳輸延時，但帶來相對較多重傳。當上行鏈路只在文件傳輸?shù)淖詈箅A段可用時，可以采用DNM方式避免頻繁的反饋重傳。當上行鏈路只在文件傳輸?shù)哪承r刻可用或者需要發(fā)送方/接收方對重傳進行控制時，可以采用PNM/ANM方式。
發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的空間數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的文件傳輸方法的存在鏈路丟包、可靠性差、傳輸時延較大、吞吐量受限的不足，本發(fā)明提供一種有效避免鏈路丟包、傳輸可靠性強、縮短文件傳輸時延、增大吞吐量的適用于空間通信系統(tǒng)的容失文件傳輸控制方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種適用于空間通信系統(tǒng)的容失文件傳輸控制方法，所述容失文件傳輸控制方法包括以下步驟1)、數(shù)據(jù)編織過程以發(fā)送端的節(jié)點數(shù)據(jù)為編碼對象，具體過程為(1.1)、選取一個階d;(1.2)、從N個原始數(shù)據(jù)塊中隨機選取d個數(shù)據(jù)塊，記為S'2，...，S'd;(1.3)、對的d個數(shù)據(jù)塊進行逐位異或運算，定義階的表達式為/H0+M'〕(1)|>0.)+〃(0)卩/w,!'=i(2)ll/(/.("l)),,-=2,..,W:S/(!'.W),!、1,2，…,[W/S]-1f3)S.ln(S/。/W,!'=[W"]、乂編織過程階的均值為^=2>^=0=^-編織需要N*3Ldata次異或運算，其中Ldata為每個數(shù)據(jù)塊的長度；2)、數(shù)據(jù)解織過程；接收端數(shù)據(jù)的還原過程過程為(2.1)、找到階(1=1的數(shù)據(jù)塊，如果接收到的數(shù)據(jù)塊中沒有(1=1的數(shù)據(jù)塊，再接收更多的數(shù)據(jù)，直到接收到d=1的數(shù)據(jù)；(2.2)、還原Sk，令Sk=tn;(2.3)、按照生成矩陣找到與Sk有關(guān)的、接收到的其他數(shù)據(jù)塊ti，i^n，且取(2.4)、刪除與Sk相連的所有"邊"；(2.5)、如果所有的Si都被還原，得到原始文件；否則返回步驟(2.1)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為在深空通信中，距離過長、信噪比低是影響文件傳輸時延最主要原因，而鏈路中斷、誤碼率大、丟包率大是影響吞吐量的重要原因。根據(jù)可靠性編碼理論，可以將整個文件拆成若干數(shù)據(jù)塊后，對原始數(shù)據(jù)塊進行相關(guān)運算，得到相關(guān)處理后的數(shù)據(jù)塊，而不論是TCP協(xié)議還是CFDP協(xié)議都未將多個數(shù)據(jù)塊進行相關(guān)處理，本文提出一種"容失文件傳輸協(xié)議(LTFDP:Loss-tolerantfiledeliveryprotocol)"應(yīng)用于深空通信中。容失協(xié)議借鑒編譯碼的思想對原始數(shù)據(jù)塊進行編織處理然后再打包、傳輸，即使由于鏈路中斷造成一部分數(shù)據(jù)丟失或者未能正確接收被丟棄，接收端仍然能夠根據(jù)接收到的、足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)中含有的相關(guān)信息還原出整個原始文件。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在LTFDP協(xié)議引入可靠性編碼理論，解決了鏈路丟包的問題，保證了傳輸可靠性；LTFDP協(xié)議單向可靠傳輸、不需要反饋重傳，縮短了整個文件傳輸時延，增大了吞吐量。P("')=其中M"='')=圖1表示容失文件傳輸協(xié)議單向可靠傳輸過程。圖2表示容失文件傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)編織過程。圖3表示容失文件傳輸協(xié)議的編織器結(jié)構(gòu)。圖4表示容失文件傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)解織過程。圖5表示深空通信中容失文件傳輸協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。參照圖1圖5，一種適用于空間通信系統(tǒng)的容失文件傳輸控制方法，所述容失文件傳輸控制方法包括以下步驟1)、數(shù)據(jù)編織過程以發(fā)送端的節(jié)點數(shù)據(jù)為編碼對象，具體過程為(1.D、選取一個階d;(1.2)、從N個原始數(shù)據(jù)塊中隨機選取d個數(shù)據(jù)塊，記為S'2，.(1.3)、對的d個數(shù)據(jù)塊進行逐位異或運算，定義階的表達式為+〃(')(1)S'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>編織過程階的均值為^》？("=')=^-編織需要N3Ldata次異或運算，其,.=1中Ldata為每個數(shù)據(jù)塊的長度；2)、數(shù)據(jù)解織過程；接收端數(shù)據(jù)的還原過程過程為(2.1)、找到階(1=1的數(shù)據(jù)塊，如果接收到的數(shù)據(jù)塊中沒有(1=1的數(shù)據(jù)塊，再接收更多的數(shù)據(jù)，直到接收到d=1的數(shù)據(jù)；(2.2)、還原Sk，令Sk=tn;(2.3)、按照生成矩陣找到與Sk有關(guān)的、接收到的其他數(shù)據(jù)塊ti，i^n，且取f!-5"k(2.4)、刪除與Sk相連的所有"邊"；(2.5)、如果所有的Si都被還原，得到原始文件；否則返回步驟(2.1)。本實施例中，在非規(guī)則低密度校驗碼的基礎(chǔ)上，噴泉編碼將發(fā)送端的節(jié)點(單個或一串碼元)逐位異或處理，在階的一定分布基礎(chǔ)上構(gòu)造出了噴泉編碼，并將低密度校驗碼和LT(Lubytransform)碼級聯(lián)構(gòu)造出Raptor碼。噴泉編碼可以應(yīng)用在各種信道上，如二元刪除信道、對稱信道、加性高斯白噪聲信道、衰落信道等。編碼后的數(shù)據(jù)包由于具有相關(guān)性，接收端不必接收到所有數(shù)據(jù)包，只要接收的數(shù)據(jù)包足數(shù)量夠多，就能夠恢復(fù)原文件，不需要反饋過程，LTFDP協(xié)議文件單向傳輸過程如附圖1所示。由編譯碼理論可知，數(shù)據(jù)塊編織深度約大(每一次編織參與的數(shù)據(jù)塊數(shù)量越多)，編織后每個數(shù)據(jù)塊包含原始數(shù)據(jù)塊的信息就越多，協(xié)議對抗丟包的能力越強，可靠性越強；但是接收端解織的復(fù)雜度也就越大，解織時間越長。階的概率分布影響LTFDP協(xié)議的性能——階的分布不夠理想，將不能夠完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，類似于編譯碼理論中的部分譯碼失敗或"差錯平板"現(xiàn)象，而且還決定了發(fā)送端和接收端的計算量和處理時延。定義階的分布符合魯棒孤波分布，其表達式為刷+〃(')射〃W=!.)l/TV,!.=11/(H':1)),'.=2,..,W57(!--A0，!'=l,2，...，[W/S]_1S.ln(57《)/W,!-=[W/S]0,,'=[W/S]+1,...,W]表示取整，S表示為了d其中，C為一合適的常數(shù)，滿足(2)(3)其中[l的數(shù)據(jù)塊數(shù)』(4)1S"—1#2In(7W》編織過程階的均值為^》？("'):力舊)+〃(/))，因此編織需要N3Ldata次異或運》)算，其中Ld^為每個數(shù)據(jù)塊的長度。為恢復(fù)原文件需要接收的數(shù)據(jù)塊為w=w.+//(,.))(6)參數(shù)的取值范圍如表I。設(shè)定M=10Mbit，L=2kbit，Pe=1X10—5，R=1Mbit/s，S=o.01，p(k=3)=3.8433X10—4<S。根據(jù)PDU丟失概率，異步否定確認型CFDP協(xié)議僅需要一次外部事件觸發(fā)，就能夠保證99%的文件完整率。參數(shù)c=0.01時，魯棒孤波分布下的LTFDP協(xié)議需要發(fā)送至少5173個數(shù)據(jù)塊以保證接收端能夠正確解織。本文就LTFDP協(xié)議、異步否定確認型CFDP協(xié)議和TCP協(xié)議性能展開比較研究。協(xié)議類型月球-地球火星-地球延時(s)吞吐量(bit/s)延時(s)吞吐量(bit/s)TCP5.74xlOj17415.54xlOb1.80異步否定確認型CFDP16.7659665912080.82828魯棒孤波分布下的LTP14.406944444023.332486表I由表I可以看出TCP協(xié)議在深空背景下幾乎無法使用，特別是隨著通信距離的增大TCP協(xié)議所表現(xiàn)出來的性能大幅度下降。由于TCP協(xié)議性能太差，下面僅就異步否定確認型CFDP和LTFDP協(xié)議進行比較。在地球-火星通信中，由于距離遠、傳播時延大，若采用CFDP協(xié)議，發(fā)送端需要等7待外部事件觸發(fā)NAK信息，額外的傳播時延增大了數(shù)據(jù)傳輸時延。而由于LTFDP協(xié)議不需要接收端反饋ACK或NAK信息，使得深空通信中的傳播時延大大減小。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)計算，如表V所示，在月球和火星與地球通信中，LTFDP協(xié)議比CFDP協(xié)議效率分別提高14.08%和66.70%。為了比較協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸能力，地面站的數(shù)據(jù)處理和解織時延不計算在文件傳輸時延內(nèi)。魯棒孤波分布下LTFDP協(xié)議和ANM_CFDP協(xié)議時延和有效吞吐量隨誤碼率、文件大小、傳輸速率、PDU大小和文件閾值變化<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表IV<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表VI由表IIVI得出由于地月之間傳播時延和數(shù)據(jù)傳輸時延具有相同量級，文件傳輸總時延受文件大小和傳輸速率變化的影響較大；而地球_火星之間的傳播時延遠遠大于數(shù)據(jù)傳輸時延，所以文件傳輸總時延主要由傳播時延決定，其他因素影響較小。深空通信中LTFDP可能的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如附圖5所示?？紤]到空間網(wǎng)絡(luò)與地面Internet的，可以將LTFDP層與集束層合并，設(shè)計LTFDP/集束層，用以規(guī)范不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包，使得整個深空通信網(wǎng)絡(luò)不同類型的鏈路和節(jié)點之間能夠通信。權(quán)利要求一種適用于空間通信系統(tǒng)的容失文件傳輸控制方法，其特征在于所述容失文件傳輸控制方法包括以下步驟1)、數(shù)據(jù)編織過程以發(fā)送端的節(jié)點數(shù)據(jù)為編碼對象，具體過程為(1.1)、選取一個階d；(1.2)、從N個原始數(shù)據(jù)塊中隨機選取d個數(shù)據(jù)塊，記為S′1，S′2，…，S′d；(1.3)、對的d個數(shù)據(jù)塊進行逐位異或運算，定義階的表達式為<mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mundero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