專利名稱：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高效內(nèi)容分發(fā)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信領(lǐng)域，具體來說，本發(fā)明給出了一種在衛(wèi)星信號發(fā)射端，信號 中轉(zhuǎn)和智能接收端實現(xiàn)高效內(nèi)容分發(fā)和接收的通信方案。
二.
背景技術(shù)：
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供全球覆蓋和大范圍服務(wù)，特別適合需要快速而及時的連接場景，或 長距離以及有困難障礙物的情形[1’2]。例如大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)庫的更新，大量信息如醫(yī)療， 新聞等的遠(yuǎn)距離發(fā)布[1’3’4]。衛(wèi)星的廣播特性可以提供為多用戶傳輸信息的效率[9]。近來，在[5]中作者提供了一個特殊系統(tǒng)一SPIDER，用來從單信源向基于Internet 和私有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的多個接收節(jié)點快速分發(fā)大規(guī)模文件。然而，其認(rèn)證機(jī)制受到數(shù)據(jù)傳輸延 遲的嚴(yán)重影響(在地球靜止軌道上，如果條件不好可達(dá)到500ms)。雖然LEO衛(wèi)星提供短時 間的單輪延遲，但是一般LEO衛(wèi)星系統(tǒng)都要通過許多處理入口進(jìn)行運(yùn)作，并且IRIDIUM衛(wèi)星 基于有固定處理平臺，這些都會增大延遲。然而對于基于GEO的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的大規(guī)模文件分發(fā)，如果采用傳統(tǒng)的請求_分 發(fā)-重發(fā)機(jī)制，智能終端的等待時間比較長，而且提高信息下載的衛(wèi)星端或中轉(zhuǎn)站點將需 要重傳很多次數(shù)，特別是在天氣惡劣情況下，從而傳送魯棒性以及效率非常差。這類似于Bt 下載的首尾效應(yīng)?；貍餍诺酪话惴譃閮煞N，雙向回傳信道和單向無回傳信道。作為雙向鏈接，一個簡 單的傳輸協(xié)議就是錯誤重傳協(xié)議，即當(dāng)接收者收到不能糾正的錯誤數(shù)據(jù)包或沒有收到數(shù)據(jù) 包時，它們將通過回歸信道告訴傳輸者重新發(fā)送。此方式易行。然而，其時延或等待時間將 隨接收者的增加而迅速增加。如果僅能接收數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站被用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸，那么必須采用單向衛(wèi)星通信技 術(shù)以提供有效的數(shù)據(jù)傳輸。由于在單向衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中沒有可逆信道，數(shù)據(jù)傳輸是無線的， 它需要采用UDP傳輸層協(xié)議。單向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于多播和廣播UDP/IP數(shù)據(jù)包。對于 這種情況，前向糾錯(FEC)技術(shù)可以用來解決傳輸位錯問題，當(dāng)然必將引入一些傳輸冗余。 此外，系統(tǒng)碼，分組碼或卷積碼也是不錯的選擇。當(dāng)然，在各種應(yīng)用中，可以利用地面通道來認(rèn)證，或者利用衛(wèi)星上的不同信道，或 利用發(fā)送器劃分同一信道技術(shù)來認(rèn)證，作為替代措施。但在本文設(shè)計中，主要涉及文件分 發(fā)，而不考慮這些替代技術(shù)。確認(rèn)機(jī)制肯定和否定確認(rèn)被用于各種通信網(wǎng)絡(luò)。為最小化確認(rèn)次數(shù)，只傳輸否定確認(rèn)或與 多幀的肯定確認(rèn)結(jié)合傳輸，此策略對多個接收者非常有效。重傳機(jī)制受到傳輸時延的強(qiáng)烈影響。為適應(yīng)流控制和錯誤控制，各種重發(fā)機(jī)制被 廣泛用于點對點通信，例如停止-等待(stop and Wait)，回退-重發(fā)(Go Back to N)，選
擇重發(fā)等。對于非常大的文件(大于lOOMbits，IMbit/s的信道)，可以設(shè)計了一些停止-等待(在每幀之后等待確認(rèn))來最小化等待時間。對于回退-重發(fā)機(jī)制，當(dāng)接收到否定確認(rèn) 時，此丟失幀和它之后的數(shù)據(jù)幀都將被重傳。這樣對于一個否定確認(rèn)而產(chǎn)生的長時間延遲 將導(dǎo)致重傳大量數(shù)據(jù)幀，從而降低傳輸效率。進(jìn)而，為減少重傳幀數(shù)，Gopal和Jaffe[6]設(shè)計 了全內(nèi)存的回退-重發(fā)協(xié)議。此協(xié)議進(jìn)一步被[7]改進(jìn)，提高了 30%的效率。與回退-重發(fā) 機(jī)制相比，此機(jī)制假設(shè)接收者具有一定內(nèi)存，并給定時限或僅對否定確認(rèn)選擇重傳。因此它 只需傳輸單個數(shù)據(jù)幀。此改進(jìn)協(xié)議被用于Nadir計劃[8’9]，并且具有較高的傳輸效率。所有這些都適合于帶有回執(zhí)信道的衛(wèi)星通信。而對于單向衛(wèi)星通信，一些必要的 技術(shù)如前向糾錯或重復(fù)傳輸機(jī)制可以用來提高可靠性。然而，它們也將降低信息傳輸效率。網(wǎng)絡(luò)編碼最早見于_中，它作為一種新技術(shù)通過允許傳輸者對輸入的信息進(jìn)行 編碼操作以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，傳輸魯棒性和傳輸效率。隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼[11]和線性網(wǎng)絡(luò)編 碼[12]，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼的比較實際的編碼方式。此技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各種通信中。正是在這樣的背景下，我們提出本發(fā)明。旨在利用網(wǎng)絡(luò)編碼新技術(shù)來實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng) 絡(luò)上的高效內(nèi)容分發(fā)，提高單向網(wǎng)絡(luò)通信的魯棒性和傳輸效率。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了幾種基于網(wǎng)絡(luò)編碼新技術(shù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容分發(fā)技術(shù)。所述技術(shù)方 案如下根據(jù)隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，針對雙向衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，并無中心第三方，構(gòu)造高效 內(nèi)容分發(fā)方式。其中系統(tǒng)參數(shù)包括編碼方式，編碼系數(shù)，數(shù)據(jù)塊標(biāo)識等。此技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星 通信的優(yōu)點在于(1)它非常適合于分布式和移動網(wǎng)絡(luò)。(2)傳輸效率高。在此傳輸中，衛(wèi) 星不需要每次都等待來自接收者的回執(zhí)信息，并且接收者僅需要回執(zhí)丟失的數(shù)據(jù)塊數(shù)而不 是所有的數(shù)據(jù)塊的具體指標(biāo)。而且衛(wèi)星也不需要找出特殊的數(shù)據(jù)塊來重傳，只需重傳與回 執(zhí)數(shù)目的相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)塊。(3)傳輸延遲小。(4)傳輸冗余小，傳輸魯棒性好。根據(jù)確定線性網(wǎng)絡(luò)編碼以及最大距離可區(qū)分碼理論，針對雙向衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu) 造高效內(nèi)容分發(fā)方式。其中系統(tǒng)參數(shù)包括編碼方式。此技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信的優(yōu)點在于 (1)傳輸冗余小，傳輸效率高。(2)終端智能要求不高。(3)傳輸魯棒性好。(4)傳輸延遲 小。根據(jù)確定線性網(wǎng)絡(luò)編碼，最大距離可區(qū)分碼理論以及Gibert-Elliot錯誤模型， 針對單向衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造高效內(nèi)容分發(fā)方式。其中系統(tǒng)參數(shù)包括編碼方式。此技術(shù)應(yīng) 用于衛(wèi)星通信的優(yōu)點在于(1)適應(yīng)好。此方案能用于帶有多種類型的接收者的單向通信， 譬如具有不同訪問時間，以及不同位置的接收者。在這種情況下，衛(wèi)星不需要考慮接收者 到達(dá)的時間和到達(dá)的數(shù)目。而是在有需求的時候，衛(wèi)星廣播組合數(shù)據(jù)包給所有接收者。(2) 此模式不同于傳統(tǒng)傳輸模式，只要當(dāng)接收者得到η個線性無關(guān)數(shù)據(jù)包，他們就能夠重組原 始數(shù)據(jù)。這將大大降低傳輸次數(shù)和等待時間。因此，節(jié)約了能量和帶寬。
四.


圖1兩狀態(tài)Markov鏈模型?！?ρ是從Good狀態(tài)向Bad狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率?！?q是從Bad狀態(tài)到自身的轉(zhuǎn)移概率。
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圖2UDP數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)。-Source Port_16位。源端口是可選字段。當(dāng)使用時，它表示發(fā)送程序的端口，同 時它還被認(rèn)為是沒有其它信息的情況下需要被尋址的答復(fù)端口。如果不使用，設(shè)置值為0。-Destination Port-16位。目標(biāo)端口在特殊因特網(wǎng)目標(biāo)地址的情況下具有意義。Iength-Ie位。該用戶數(shù)據(jù)報的八位長度，包括協(xié)議頭和數(shù)據(jù)。長度最小值為8?！?Checksum-16位。IP協(xié)議頭、UDP協(xié)議頭和數(shù)據(jù)位，最后用0填補(bǔ)的信息假協(xié)議 頭總和。如果必要的話，可以由兩個八位復(fù)合而成?！?Data-包含上層數(shù)據(jù)信息· Coding coefficients-隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼或確定網(wǎng)絡(luò)編碼系數(shù)。圖3分別為發(fā)送端，接收端結(jié)構(gòu)模塊。
五.
具體實施例方式在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，由于噪音或傳輸錯誤產(chǎn)生位錯是不可避免的。幸運(yùn)的是，糾 錯碼(Reed-Solomon碼，MDS碼等)和卷積碼可以用來糾正解決此問題，這也不是本文的重 點。與平均很小的位錯率(BER) (10_7)相比，由于各種原因如信道錯誤或烏云，雨，雪等障 礙所引起的隨機(jī)錯誤率很高，其中，這些障礙被稱為雨衰。雨衰分為上行和下行兩種，上行 雨衰主要影響分享鏈路，可以通過上行能力控制(UPC)來減少影響。然而，對于下行雨衰， 衛(wèi)星必須調(diào)整能量以適應(yīng)于某些有障礙的區(qū)域，這將惡化傳輸條件，從而增加丟包率。為解 決此問題，我們利用Gilbert-Elliot模型[13]來刻畫帶有隨機(jī)丟包錯誤的點對點衛(wèi)星傳輸 網(wǎng)絡(luò)。具體來講，丟包模型可表示為兩狀態(tài)(Good和Bad)Markov鏈，參見圖1.每一個狀態(tài) 假設(shè)具有獨立的不變丟包率，cG代表Good態(tài)，cB代表Bad態(tài)的丟包率，且ce < < cB。一個 2X2的隨機(jī)的態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可以完全刻畫此離散模型。此轉(zhuǎn)移矩陣由ρ和q確定(其中P代 表從Good態(tài)到Bad態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，而q代表從Bad態(tài)到Good態(tài)的轉(zhuǎn)移概率)。表1.兩狀態(tài)Markov鏈的轉(zhuǎn)移概率
權(quán)利要求
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的高效的大規(guī)模文件分發(fā)方法，充分利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來提供個人通信服務(wù)的可行性、強(qiáng)大的信息處理能力、高效便捷的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，通過借助于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，在衛(wèi)星信號發(fā)射端口、中轉(zhuǎn)站點以及智能終端配置合適的通信協(xié)議來實現(xiàn)。該通信協(xié)議實現(xiàn)了衛(wèi)星單向點對點通信，以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)，內(nèi)容下載。其工作流程如下所示假設(shè)衛(wèi)星是信源節(jié)點，大規(guī)模文件被分為大塊進(jìn)而再分成單個幀。具體來講，衛(wèi)星將文件分為n個數(shù)據(jù)塊，每塊用向量表示，其中q是素數(shù)方冪，s是整數(shù)。我們僅需要考慮傳輸這些向量。以下假設(shè)衛(wèi)星僅需要廣播消息或在傳輸前已經(jīng)找到傳輸路徑?；贖ello ACK(Acknowledgements)過程初始初始化鏈接.1)每次衛(wèi)星傳輸組合后的數(shù)據(jù)塊以及ECI和編碼系數(shù){a1，j，L，an，j}，其中ai，j隨機(jī)選于某有限域，i，j＝1，...，n。2)接收者在等待一定時間之后仍沒有收到所有數(shù)據(jù)塊，則傳輸作為ACKa的丟失數(shù)據(jù)塊個數(shù)m。3)衛(wèi)星收到ACK后，傳輸另外的n m個數(shù)據(jù)塊，這里m表示接收到的數(shù)據(jù)塊個數(shù)。a)4重復(fù)2，3步直到接收者收到n個線性獨立的數(shù)據(jù)塊以便恢復(fù)v1，L，vn，從而重構(gòu)文件b。a這里，接收者從編碼系數(shù)中能獲得數(shù)據(jù)塊的個數(shù)，從而得到丟包數(shù)目。b獨立意味著接收到的編碼系數(shù)向量(a1，j，L，an，j)，j∈I是基于某數(shù)域是線性獨立的，其中I為指標(biāo)集。FSA00000287205700011.tif,FSA00000287205700012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容分發(fā)實現(xiàn)方法，為了降低編碼系數(shù)的傳輸 冗余，由范德蒙德行列式的性質(zhì)我們可以選擇確定線性網(wǎng)絡(luò)編碼而不是隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼 技術(shù)。在這種情況下，我們只需傳輸一個編碼系數(shù)，這樣會大大降低傳輸?shù)南?。具體過程 如下。用Hello-ACK過程初始化鏈接。1)每次衛(wèi)星發(fā)送Σ ,/v,，同時附帶它的ECI和指標(biāo)集{j}，j= 1，L，η。2)接收者在等待一定時間之后仍沒有收到所有數(shù)據(jù)塊，則傳輸作為ACK的丟失數(shù)據(jù)塊 個數(shù)m。3)衛(wèi)星收到ACK后，傳輸另外的n-m個數(shù)據(jù)塊。4)重復(fù)2，3步直到接收者收到η個線性獨立的數(shù)據(jù)塊以便恢復(fù)Vl，L，Vn，從而重構(gòu)文件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容分發(fā)實現(xiàn)方法，考慮單通道的點對點通 信。為此，基于網(wǎng)絡(luò)編碼和Gibert-Elliot錯誤模型我們設(shè)計了如下方案。1)用Hello-ACK過程初始化鏈接。2)衛(wèi)星發(fā)送m個組合數(shù)據(jù)塊Σ^,/ν,，同時附帶它的ECI和指標(biāo)集{j}，j= 2，L，m。這 里的m是由數(shù)據(jù)丟失模型計算而來的，它使得接收者至少能接收到η個線性獨立的數(shù)據(jù)塊， 從而能夠恢復(fù)V1, L，νη,重構(gòu)原始文件。
全文摘要
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的高效的大規(guī)模文件分發(fā)方法，充分利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來提供個人通信服務(wù)的可行性、強(qiáng)大的信息處理能力、高效便捷的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，通過借助于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，在衛(wèi)星信號發(fā)射端口、中轉(zhuǎn)站點以及智能終端配置合適的通信協(xié)議來實現(xiàn)。該通信協(xié)議實現(xiàn)了衛(wèi)星單向點對點通信，以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)，內(nèi)容下載。本發(fā)明包括基于隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的，針對雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容分發(fā)問題提出的高效分發(fā)技術(shù)?；诖_定線性網(wǎng)絡(luò)編碼以及最大距離可分碼理論的高效，魯棒的分發(fā)技術(shù)。基于Gibert-Elliot錯誤模型的，針對單通道的點對點衛(wèi)星通信系統(tǒng)，實現(xiàn)高效，適應(yīng)性強(qiáng)的分發(fā)技術(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點在于方便實現(xiàn)，傳輸冗余小，效率高，可適應(yīng)性好等。
文檔編號H04L1/00GK101944974SQ20101029478
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者楊義先, 羅明星, 袁開國, 鈕心忻, 陳秀波 申請人:北京郵電大學(xué)