一種適合衛(wèi)星可靠組播的差錯恢復(fù)方案

摘要：針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高誤碼率、長延時等特點，提出了一種適合衛(wèi)星可靠組播的差錯恢復(fù)方案。該方案采用異或（XOR）編譯碼的方法，可以一次重傳恢復(fù)多個丟失的數(shù)據(jù)包；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于重傳矩陣預(yù)處理的最優(yōu)重傳策略來實現(xiàn)重傳數(shù)量最小化。仿真結(jié)果證明了該可靠組播差錯恢復(fù)方案在衛(wèi)星環(huán)境中的有效性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信； 可靠組播； 差錯恢復(fù)

中圖分類號：TP393.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0352-02

從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，下一代互聯(lián)網(wǎng)將是一個天地一體化的綜合網(wǎng)絡(luò)。由于地面網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)成本、覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)配置靈活性等方面的局限性，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)天基部分的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)開始受到越來越廣泛的關(guān)注。與地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面積廣、信道廣播性等優(yōu)點，因而在IP組播應(yīng)用中具有得天獨厚的優(yōu)勢。IP組播是一種盡力而為型的服務(wù)，不能保證組播數(shù)據(jù)報文的可靠傳輸。為此，近年來科研人員對可靠高效的IP組播傳輸協(xié)議進(jìn)行了深入研究并取得顯著成果^[1，2]。然而這些可靠組播協(xié)議都是針對地面有線網(wǎng)絡(luò)提出的。如果直接應(yīng)用到衛(wèi)星環(huán)境，長往返時間、高誤碼率、帶寬非對稱性以及特殊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將造成系統(tǒng)性能的下降^[3，4]。為此，需要研究適合衛(wèi)星環(huán)境的可靠組播協(xié)議。在可靠組播協(xié)議中，差錯恢復(fù)方案的設(shè)計是一個關(guān)鍵問題。在高誤碼率的衛(wèi)星信道條件下，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中損壞和丟失的概率較大。如果采用傳統(tǒng)的選擇性重傳策略，每次重傳只能恢復(fù)一個丟失的數(shù)據(jù)包，則平均每個數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過多次重傳才能被所有接收者成功接收，造成了系統(tǒng)端到端延時的增加和吞吐量的下降。當(dāng)接收者數(shù)量很多時，性能下降更加嚴(yán)重。衛(wèi)星鏈路的長傳播延時特性決定了每次重傳需要很長的時間，進(jìn)一步加重了高誤碼率帶來的性能下降。

1衛(wèi)星可靠組播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在一些文獻(xiàn)中，衛(wèi)星組播中多采用地面網(wǎng)絡(luò)支持的方案：通過地面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成結(jié)構(gòu)化組播樹，利用地面網(wǎng)絡(luò)傳遞確認(rèn)包。但是在地面網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的廣大、稀路由地區(qū)，這是一種比較嚴(yán)格的條件。本文考慮沒有地面網(wǎng)絡(luò)支持的direct－to－h(huán)ome衛(wèi)星組播結(jié)構(gòu)，如圖1所示。組播源通過網(wǎng)關(guān)向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)包，衛(wèi)星收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行復(fù)制，然后向組播組成員組播該數(shù)據(jù)包。接收者通過衛(wèi)星反向鏈路向信源發(fā)送反饋信息。衛(wèi)星帶有OBP(on－board processing，星上處理)和OBB(on－board buffering，星上緩存)。如果衛(wèi)星下行鏈路發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失，則首先利用星上緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行差錯恢復(fù)；只有當(dāng)星上緩沖區(qū)中沒有所需要的數(shù)據(jù)包時，才向地面網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個NAK消息，要求重傳所需的數(shù)據(jù)包。

2方案描述

2．1基于異或(XOR)編譯碼的差錯恢復(fù)

接收者檢測到錯誤后，向衛(wèi)星發(fā)送NAK要求重傳；衛(wèi)星接收到NAK后，并不馬上重傳該數(shù)據(jù)包，而是等待一個重傳窗口之后，再對重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行XOR編碼，從而減小重傳的次數(shù)。接收者正確接收數(shù)據(jù)包后，不是馬上送往應(yīng)用層，而是緩存那些信源發(fā)出還未得到確認(rèn)的數(shù)據(jù)包，以備XOR譯碼之用。

將所有接收者發(fā)送的重傳請求組成一個重傳矩陣。矩陣的第i行表示接收者i丟失數(shù)據(jù)包的情況；第j列表示所有接收者對數(shù)據(jù)包d+j（d為已確認(rèn)的數(shù)據(jù)包序號）的接收情況；0表示收到，1表示丟失。得到的重傳矩陣如表1所示。

圖2給出了不同誤碼率下，采用傳統(tǒng)選擇性重傳和本文提出的差錯恢復(fù)方案的重傳數(shù)量比較。從圖中可以看出，在誤碼率較低時（低于10^-7），兩種差錯恢復(fù)方案的差別不大，但是當(dāng)誤碼率高于10^-6時，采用本文提出的差錯恢復(fù)方案可以顯著減少重傳數(shù)量。

圖3給出了不同接收者時，采用傳統(tǒng)選擇性重傳和本文提出的差錯恢復(fù)方案的重傳數(shù)量比較。從圖中可以看出，在接收者數(shù)量較多的情況下，本文方案的優(yōu)勢更為明顯；同時可以看出，隨著接收者數(shù)量的增加，本文提出的差錯恢復(fù)方案的重傳數(shù)量增加緩慢，表現(xiàn)出良好的可擴展性。圖4顯示，由于本文方案對重傳矩陣進(jìn)行了預(yù)處理，可以得到更好的性能；重傳窗口越大，矩陣預(yù)處理帶來的性能改善越明顯。

星上緩沖區(qū)大小對端到端時延的影響如圖5所示。從圖中可以看出，隨著星上緩沖區(qū)尺寸的增加，平均端到端延時明顯減小。這是由于利用OBB進(jìn)行差錯恢復(fù)可以節(jié)省一半的衛(wèi)星回路延時，而大的星上緩沖區(qū)尺寸就意味著更多需要重傳的數(shù)據(jù)包可以由衛(wèi)星直接恢復(fù)，而不用將丟包信息返回到上行關(guān)口站。當(dāng)OBB的尺寸大于1 MB時，絕大多數(shù)的丟包均可以由衛(wèi)星直接恢復(fù)，所以時延曲線趨于平緩。

4結(jié)束語

衛(wèi)星信道具有廣播性，特別適用于組播應(yīng)用，但是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高誤碼率、長傳播時延等特點，為衛(wèi)星可靠組播帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。針對這一問題，本文設(shè)計了一種適合于衛(wèi)星可靠組播的差錯恢復(fù)方案。該方案采用基于星上緩存和處理的XOR重傳機制，通過一種重傳矩陣最優(yōu)重傳策略來實現(xiàn)重傳數(shù)量最小化。仿真結(jié)果顯示，在長延時、高誤碼率的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，本文提出的可靠組播差錯控制方案與傳統(tǒng)的選擇性重傳策略相比，可以大大減少數(shù)據(jù)包重傳數(shù)量，從而減小平均端到端延時，提高系統(tǒng)吞吐量；特別是當(dāng)接收者數(shù)量較大時，本方案帶來的性能提高更加明顯。采用重傳矩陣重新排序和預(yù)處理的方法，可以進(jìn)一步使重傳數(shù)量最小化。仿真結(jié)果還說明，星上緩沖區(qū)的尺寸對系統(tǒng)性能有比較明顯的影響，而當(dāng)星上緩沖區(qū)尺寸達(dá)到一定值時，平均端到端時延曲線趨于平緩，這就為星上緩沖區(qū)的設(shè)置提供了依據(jù)。本文的研究工作為衛(wèi)星可靠組播協(xié)議的設(shè)計和改進(jìn)提供了一種有效的解決思路。

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