本發(fā)明屬于衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)領(lǐng)域，適用于衛(wèi)星編隊(duì)中衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)傳輸，具體涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的高吞吐量衛(wèi)星編隊(duì)數(shù)據(jù)傳輸方法。

背景技術(shù)：

在衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中，由于頻譜資源的局限和衛(wèi)星之間的信道衰落，因此，如何提高頻譜利用率、克服無(wú)線信道衰落，從而提升衛(wèi)星編隊(duì)的數(shù)據(jù)傳輸能力便成為衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)急需解決的問(wèn)題。在傳統(tǒng)衛(wèi)星編隊(duì)數(shù)據(jù)傳輸中，針對(duì)接收衛(wèi)星沒(méi)有收到某些數(shù)據(jù)包的情況下，發(fā)送衛(wèi)星一般選擇不使用網(wǎng)絡(luò)的編碼的重傳和使用網(wǎng)絡(luò)編碼的重傳方法。在不使用網(wǎng)絡(luò)編碼的重傳方法中，發(fā)送衛(wèi)星會(huì)一直重傳某個(gè)數(shù)據(jù)包，直到所有的接收衛(wèi)星都能夠正確地接收到這個(gè)數(shù)據(jù)包，才開(kāi)始下一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸，這樣的傳輸方法使傳輸效率十分低下，如果有某個(gè)衛(wèi)星的信道質(zhì)量很差，則會(huì)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。此外，在采用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的方法時(shí)，當(dāng)傳輸結(jié)束以后，可能會(huì)存在如果接收不到足夠的編碼包，就無(wú)法解出數(shù)據(jù)包的情況。因此還需要進(jìn)行更多數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，這樣也會(huì)導(dǎo)致傳輸效率不高。

另一方面，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，反饋對(duì)系統(tǒng)也十分重要，如果采用全反饋。隨著系統(tǒng)的規(guī)模增大，反饋的規(guī)模也會(huì)增大，這樣也會(huì)對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的高吞吐量衛(wèi)星編隊(duì)數(shù)據(jù)傳輸方法。利用網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼發(fā)送，使得接收衛(wèi)星接收到部分編碼包也可以解碼出一些原始數(shù)據(jù)包，并通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制減少反饋復(fù)雜度，自適應(yīng)滑動(dòng)窗口來(lái)提高衛(wèi)星編隊(duì)的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的高吞吐量衛(wèi)星編隊(duì)數(shù)據(jù)傳輸方法，包括一個(gè)發(fā)送衛(wèi)星和K個(gè)接收衛(wèi)星，其中，K＞1，每個(gè)所述接收衛(wèi)星接收到發(fā)送衛(wèi)星的編碼數(shù)據(jù)包后根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制向發(fā)送衛(wèi)星反饋解碼出的數(shù)據(jù)包狀態(tài)，發(fā)送衛(wèi)星根據(jù)所述數(shù)據(jù)包狀態(tài)調(diào)整滑動(dòng)窗口的滑動(dòng)步數(shù)選取下一組編碼數(shù)據(jù)包發(fā)送至接收衛(wèi)星。

優(yōu)選的，所述編碼數(shù)據(jù)包采用下三角隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼。

優(yōu)選的，接收衛(wèi)星解碼所述編碼數(shù)據(jù)包后放入1行和L列的網(wǎng)絡(luò)矩陣中，得到接收衛(wèi)星解出的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目。

優(yōu)選的，所述競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制以獲得最小Time_k的接收衛(wèi)星贏得競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制，進(jìn)行反饋，Time_k具體為：

其中，k為接收衛(wèi)星，C為系統(tǒng)的延遲控制參數(shù)，決定系統(tǒng)的延遲時(shí)間，為原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，δ_k是一個(gè)隨機(jī)的干擾，避免有相同的的接收節(jié)點(diǎn)互相干擾。

優(yōu)選的，所述反饋信息為即時(shí)無(wú)誤信息。

優(yōu)選的，贏得所述競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制進(jìn)行反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)即為原始數(shù)據(jù)包數(shù)目具體為：

其中，n為滑動(dòng)窗口第n次滑動(dòng)，為1行和L列的網(wǎng)絡(luò)矩陣，b為贏得競(jìng)爭(zhēng)反饋的接收衛(wèi)星。

優(yōu)選的，所述反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)為解碼出最少數(shù)據(jù)包的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，滑動(dòng)窗口根據(jù)解碼出最少數(shù)據(jù)包的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目滑動(dòng)選取可以解碼最多的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目。

優(yōu)選的，所述滑動(dòng)窗口根據(jù)對(duì)原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行滑動(dòng)選擇，其中，為最優(yōu)滑動(dòng)事件，s^*為滑動(dòng)的具體值，L為滑動(dòng)窗口選取的原始數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)矩陣下解碼出的原始數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，α_i+s為滑動(dòng)s個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的第i個(gè)原始數(shù)據(jù)包。

優(yōu)選的，每個(gè)所述編碼數(shù)據(jù)包分別占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行廣播，每個(gè)所述時(shí)隙的長(zhǎng)度一致。

優(yōu)選的，所述方法包括以下步驟：

S1：發(fā)送節(jié)點(diǎn)從M個(gè)原始數(shù)據(jù)包中選取滑動(dòng)窗口里的L個(gè)原始數(shù)據(jù)包，進(jìn)行下三角隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，得到L個(gè)編碼包，L個(gè)原始數(shù)據(jù)包為從編號(hào)i到編號(hào)i+L-1的數(shù)據(jù)包，用表示，其中n代表這是第n次滑動(dòng)；

S2：發(fā)送節(jié)點(diǎn)將步驟S1中的L個(gè)編碼包廣播給K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)解碼后，得到一個(gè)有1行和L列的網(wǎng)絡(luò)矩陣得到接收節(jié)點(diǎn)解出的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目

S3：每一輪編碼包發(fā)送完畢以后，K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的反饋，解碼出原始數(shù)據(jù)包最少的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)聵信息(ACK/NACK)報(bào)告給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制遵循獲得最小的Time_k的接收節(jié)點(diǎn)贏得競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制，進(jìn)行反饋；

S4：發(fā)送衛(wèi)星接收步驟S3發(fā)送的反饋信息，發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的滑動(dòng)窗口發(fā)生滑動(dòng),滑動(dòng)了多少個(gè)數(shù)據(jù)包遵循贏得所述競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制進(jìn)行反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)即為原始數(shù)據(jù)包數(shù)目

S5：當(dāng)步驟S4中滑動(dòng)窗口根據(jù)反饋發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，如果_i＞M，即L個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完畢，否則滑動(dòng)窗口繼續(xù)滑動(dòng)重復(fù)以上步驟。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

網(wǎng)絡(luò)中的信道存在不可靠性，但是這種不可靠性只對(duì)發(fā)送衛(wèi)星傳輸給接收衛(wèi)星的編碼包有影響，而對(duì)接收衛(wèi)星對(duì)發(fā)送衛(wèi)星的反饋信息沒(méi)有影響。本發(fā)明采用競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制，通過(guò)滑動(dòng)窗口選取編碼數(shù)據(jù)包的傳輸機(jī)制，減少了重傳已經(jīng)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并減少反饋次數(shù)，自適應(yīng)滑動(dòng)窗口避免對(duì)已經(jīng)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)重復(fù)編碼，減少了冗余。反饋采取競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制避免隨著接收衛(wèi)星數(shù)目上升，復(fù)雜度也隨之上升的問(wèn)題。

編碼數(shù)據(jù)包采用下三角隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，一定條件下保證了即使接收到部分編碼包也可以解碼出一定的數(shù)據(jù)包，采用分時(shí)隙廣播能夠有效避免數(shù)據(jù)包傳輸?shù)幕ハ喔蓴_，反饋的信息是即時(shí)且無(wú)誤的，有效提升了傳輸性能，傳輸步驟簡(jiǎn)單，有效提高系統(tǒng)通信效率。

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

【附圖說(shuō)明】

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖；

圖2為本發(fā)明滑動(dòng)窗口的滑動(dòng)示意圖；

圖3為本發(fā)明滑動(dòng)窗口不同次數(shù)滑動(dòng)傳輸階段的傳輸數(shù)據(jù)包示意圖；

圖4為本發(fā)明滑動(dòng)窗口滑動(dòng)后編碼包的變化示意圖。

【具體實(shí)施方式】

本發(fā)明所述的重傳方法采用的是基于隨機(jī)線性組合的方法，其中給要組合的數(shù)據(jù)包隨機(jī)的分配一個(gè)系數(shù)，這樣可以使這些系數(shù)都是不相等的，因此根據(jù)線性代數(shù)理論，所有的這些編碼包的系數(shù)形成的矩陣是滿秩的，因此可以解出全部的丟失的數(shù)據(jù)包。

本發(fā)明一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的高吞吐量衛(wèi)星編隊(duì)數(shù)據(jù)傳輸方法，在衛(wèi)星編隊(duì)中，有一個(gè)發(fā)送衛(wèi)星和K個(gè)接收衛(wèi)星，其中，K＞1，每個(gè)接收衛(wèi)星接收到發(fā)送衛(wèi)星采用下三角隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼數(shù)據(jù)包后，根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制向發(fā)送衛(wèi)星反饋解碼出的數(shù)據(jù)包狀態(tài)，發(fā)送衛(wèi)星根據(jù)所述數(shù)據(jù)包狀態(tài)調(diào)整滑動(dòng)窗口的滑動(dòng)步數(shù)選取下一組編碼數(shù)據(jù)包發(fā)送至接收衛(wèi)星。其中，反饋信息優(yōu)選即時(shí)且無(wú)誤的信息，反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)為解碼出最少數(shù)據(jù)包的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，滑動(dòng)窗口根據(jù)解碼出最少數(shù)據(jù)包的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目滑動(dòng)選取可以解碼最多的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，每個(gè)編碼數(shù)據(jù)包分別占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行廣播，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度一致。

在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，發(fā)送衛(wèi)星設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送緩存滑動(dòng)窗口，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，先將這些處于滑動(dòng)窗口里的原始數(shù)據(jù)包按照下三角網(wǎng)絡(luò)編碼模式編碼后得到編碼包進(jìn)行發(fā)送。由于無(wú)線信道的不可靠性，有些接收衛(wèi)星將不會(huì)接收到足夠的編碼包來(lái)解碼出原始數(shù)據(jù)包。為了使所有的接收節(jié)點(diǎn)都能解碼出相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，就需要發(fā)送衛(wèi)星重傳編碼包。在這個(gè)重傳過(guò)程中，發(fā)送衛(wèi)星根據(jù)最差接收衛(wèi)星的接收狀態(tài)反饋以及滑動(dòng)窗口的位置，仍舊采用下三角網(wǎng)絡(luò)編碼模式編碼出相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，發(fā)送出去。然后繼續(xù)根據(jù)最差性能接收衛(wèi)星的狀態(tài)反饋，滑動(dòng)窗口會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，對(duì)窗口中的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼再傳輸。

請(qǐng)參閱圖1所示，圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)模型，其中S是發(fā)送節(jié)點(diǎn)(發(fā)送衛(wèi)星)，R₁,R₂,...,R_K是K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)(接收衛(wèi)星)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)S要發(fā)送M個(gè)數(shù)據(jù)包α₁,α₂,...α_M，然后K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)都能夠接收到。由于信道的不可靠性，發(fā)送的數(shù)據(jù)可能會(huì)有丟失。

具體步驟如下：

(1)在多播網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，有K個(gè)(K＞1)個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)總共要發(fā)送M個(gè)數(shù)據(jù)包，讓發(fā)送節(jié)點(diǎn)從M個(gè)原始數(shù)據(jù)包中選取滑動(dòng)窗口里的L個(gè)原始數(shù)據(jù)包(從編號(hào)為i的到編號(hào)為i+L-1的數(shù)據(jù)包，用表示，其中n代表這是第n次滑動(dòng))進(jìn)行下三角隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，得到L個(gè)編碼包，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)編碼包的發(fā)送是分時(shí)隙的，每個(gè)編碼包發(fā)送占用一個(gè)固定的時(shí)隙。

(2)發(fā)送節(jié)點(diǎn)將L個(gè)編碼包廣播給K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)解碼后，得到一個(gè)有1行和L列的網(wǎng)絡(luò)矩陣(k代表第R_k個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，n代表第n次滑動(dòng))，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)矩陣計(jì)算出接收節(jié)點(diǎn)解出的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目

(3)每一輪編碼包發(fā)送完畢以后，K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的反饋，解碼出原始數(shù)據(jù)包最少的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)聵信息(ACK/NACK)報(bào)告給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，反饋信息是即時(shí)的且無(wú)誤的，競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制遵循公式：獲得最小的Time_k的接收節(jié)點(diǎn)贏得競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制，進(jìn)行反饋，其中，C是系統(tǒng)的延遲控制參數(shù)，決定系統(tǒng)的延遲時(shí)間，為原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，δ_k是一個(gè)隨機(jī)的干擾，避免有相同的的接收節(jié)點(diǎn)互相干擾。

(4)根據(jù)反饋，發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的滑動(dòng)窗口發(fā)生滑動(dòng),滑動(dòng)了多少個(gè)數(shù)據(jù)包遵循公式：

其中，為最優(yōu)滑動(dòng)事件，s^*為滑動(dòng)的具體值，L為滑動(dòng)窗口選取的原始數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)矩陣下解碼出的原始數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，α_i+s為滑動(dòng)s個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的第i個(gè)原始數(shù)據(jù)包，在矩陣中0表示性能最差接收節(jié)點(diǎn)沒(méi)有正確接收到數(shù)據(jù)包，1表示接收節(jié)點(diǎn)成功接收到了數(shù)據(jù)包。

贏得所述競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制進(jìn)行反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)即為原始數(shù)據(jù)包數(shù)目具體為：

其中，n為滑動(dòng)窗口第n次滑動(dòng)，為通過(guò)Time_k的公式得到的1行和L列的反饋網(wǎng)絡(luò)矩陣，b為贏得競(jìng)爭(zhēng)反饋的接收衛(wèi)星，s代表滑動(dòng)窗口滑動(dòng)的數(shù)目。

這個(gè)公式表示針對(duì)解出最少原始數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的接收節(jié)點(diǎn)，嘗試滑動(dòng)s個(gè)數(shù)據(jù)包數(shù)，滑動(dòng)s后在進(jìn)行解碼，看解碼出的原始數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，選取能解碼出最多的原始數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的s。

請(qǐng)參閱圖2所示，是滑動(dòng)窗口滑動(dòng)示意圖，圖中是s＝2的情況；圖3是滑動(dòng)次數(shù)n到n+1的傳輸階段的示意圖。滑動(dòng)完后，中的i變?yōu)閕+s，滑動(dòng)窗口滑動(dòng)s個(gè)原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，n＝n+1傳輸次數(shù)n發(fā)生變化。

(5)滑動(dòng)窗口在根據(jù)反饋發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，檢驗(yàn)_i＞M，如果大于，即L個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完畢，如果沒(méi)有，滑動(dòng)窗口繼續(xù)滑動(dòng)進(jìn)行傳輸，從(1)開(kāi)始重復(fù)這個(gè)過(guò)程。

具體的算法流程如下所示：

實(shí)施例

系統(tǒng)里有1個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，K＝2個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，M＝10個(gè)需要廣播的原始數(shù)據(jù)包α₁，α₂，...，α_M，滑動(dòng)窗口的大小L＝3。

具體步驟如下：

(1)讓發(fā)送節(jié)點(diǎn)將M個(gè)原始數(shù)據(jù)包中選取滑動(dòng)窗口里的3個(gè)原始數(shù)據(jù)包α_i+1，α_i+2，α_i+3進(jìn)行下三角隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼，此時(shí)i＝0，則編碼包為：

c₁＝β₁₁α₁

c₂＝β₂₁α₁+β₂₂α₂

c₃＝β₃₁α₁+β₃₂α₂+β₃₃α₃

β_ij是從有限域F中選取的隨機(jī)數(shù)。

(2)發(fā)送節(jié)點(diǎn)將c₁，c₂，c₃這3個(gè)編碼包廣播給K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)解碼后，得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)矩陣假設(shè)此時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)矩陣計(jì)算出接收節(jié)點(diǎn)的解出的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目可知

這里計(jì)算節(jié)點(diǎn)解出的原始數(shù)據(jù)包不僅要計(jì)算已經(jīng)解出把原始數(shù)據(jù)包都解出來(lái)，所以加上0.5，如果需要再傳輸2個(gè)編碼包就可以吧原始數(shù)據(jù)包都解出來(lái)，加上0.25，如果需要再傳輸3個(gè)編碼包就可以吧原始數(shù)據(jù)包都解出來(lái)，加上0.125，以此類推。

(3)K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的反饋，競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制遵循公式：

這是一個(gè)隨變化的函數(shù)，因?yàn)樗訲ime₁＜Time₂。獲得最小的Time_k的接收節(jié)點(diǎn)贏得競(jìng)爭(zhēng)反饋機(jī)制，進(jìn)行反饋，所以接收節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行反饋。

(4)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)1的反饋，發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的滑動(dòng)窗口發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)了多少個(gè)數(shù)據(jù)包遵循公式：

這里s＝2，對(duì)于情況，通過(guò)公式得到滑動(dòng)窗口由變?yōu)榫幋a包的情況如圖4所示。

(5)檢驗(yàn)i＞10嗎，如果大于，數(shù)據(jù)傳輸完畢，如果沒(méi)有，繼續(xù)進(jìn)行傳輸，從(1)開(kāi)始重復(fù)這個(gè)過(guò)程。