采用反饋式多級噴泉碼的深空中繼協作傳輸協議研究

黃 亮，陳康妮，錢麗萍，陳慶章

1(浙江工業大學 信息工程學院，杭州 310023) 2(浙江工業大學 計算機學院，杭州 310023)

1 引 言

深空探測是本世紀人類三大航天活動之一，也是我國十三五規劃重點發展的研究領域.其中，長距離通信是深空探測活動順利展開亟需攻克的難題[1,2].深空通信具有高誤碼率、長時延等特點，單鏈路傳輸協議很難保證數據的有效傳輸，例如傳統的ARQ機制為保證數據包的正確接收，需對每個丟失的數據包進行逐一的確認，易引發反饋風暴[3,4].在實際的深空通信環境中，單鏈路通信系統存在明顯的不足，如果鏈路發生事故將會導致數據無法正常傳輸，極有可能導致最終的通信失敗.中繼協作傳輸是無線通信中重要的傳輸方式之一，通過中繼節點之間相互協作實現兩端之間的信息傳輸，在系統能耗、誤碼特性、中斷概率、覆蓋范圍等方面改善系統性能[5].

噴泉編碼[6-10]無需預計信道狀態，能夠以其無碼率的編碼特點適應信道的時變性,適用于多鏈路傳輸的深空通信系統.文獻[9] 提出了一種基于噴泉編碼和并行路徑的無反饋數據傳輸協議,通過避免發送端和接收端之間反復的握手過程,縮短數據傳輸時間.然而，由于深空通信的高誤碼率特性，編碼包在中繼過程的任一階段的丟失都需要源節點不斷地補充更多的編碼包，這將增加源節點的編碼負擔，深空通信系統的傳輸性能嚴重依賴于前幾個中繼節點的通信環境.

為了提高深空通信系統的可靠性，在中繼協作傳輸過程中引入反饋機制顯得愈發重要.文獻[11,12]通過采用獨立的噴泉碼來確保每一跳中繼節點的可靠傳輸，每個中繼節點需對接收到編碼包進行譯碼轉發，并向上級節點發送ACK進行確認.該方法雖然確保了數據的可靠性，但是也惡化了傳輸時延.文獻[13]采用級聯編碼方式，即中繼節點對接收到的編碼包進行二次編碼，但是級聯編碼方案增加了目的節點的譯碼復雜度.反饋式噴泉編碼[14,15]，在傳輸過程中適當地引入反饋信息，實現節點之間相關編譯碼狀態信息的共享，達到改善度分布，優化編碼性能的目的.文獻[15]針對深空單鏈路通信模型，研究基于反饋式噴泉碼的深空傳輸協議，該方法可以提高編碼有效性、減少文件傳輸時間.然后，單鏈路中繼通信系統有其局限性，一旦某個中繼鏈路發生故障，整個深空通信系統將中斷.因此，研究基于反饋式噴泉碼的多鏈路深空多級中繼協作傳輸系統，不僅可以提高通信系統穩定性，而且可以增加并行傳輸路徑以提高傳輸容量、減少傳輸時延.

綜上所述，本文提出了面向深空中繼協作通信系統的采用多級反饋式噴泉碼的深空中繼協作傳輸協議.本協議合理地利用有限的反饋信號，調整噴泉碼的編碼方案，通過基于反饋的多級中繼協作編碼方案，實現中繼節點協助源節點進行編碼工作，提高編碼包的傳遞效率，提升深空通信系統整體傳輸性能.本文對比采用多級反饋式噴泉碼和非反饋噴泉碼的深空中繼協作傳輸協議，通過理論分析和仿真實驗，證明了所提出的傳輸協議緩解了源節點的編碼負擔，縮短了傳輸時間，提高了傳輸效率.

2 深空協作中繼傳輸協議設計

2.1 深空協作中繼網絡模型

本文考慮單對單通信的深空協作中繼網絡系統模型，信息從單一源節點(S)、經過多個平行中繼節點(R##)，抵達目的節點(D)，如圖1所示.該系統通過多級中繼協作通信，實現適合長距離、誤碼率的深空數據傳輸協議.

圖1 深空多級協作中繼系統模型
Fig.1 Cooperative relaying model for

deep space communications

在圖1所示的深空多級中繼協作網絡系統中，在非反饋噴泉碼傳輸協議環境下，僅有源節點(S)具有編碼能力，所有分支鏈路的中繼節點(R##)只接收和轉發數據.高誤碼、長時延的深空環境將會嚴重影響該傳輸協議的傳輸性能.因此，本文提出在中繼協作傳輸協議中引入多級反饋式噴泉碼[15]，具體協議設計框架如圖2所示.中繼節點在階段一時期不斷地積累度1包[5]，從而在階段二時期可以向上反饋信息和向下傳遞數據包，提高中繼節點有效利用率，降低初始節點的數據包傳輸負擔.并通過多級通信鏈路相互合作進一步提高系統穩定性.

圖2 采用多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議框架

2.2 基于反饋的多級中繼協作編碼設計

階段1.

1)源節點根據深空通信系統的架構特征以及具體的信息傳輸需求，向下游各個中繼節點(圖1中的R11，R21，和R31)廣播一定量的編碼數據包，即度1包.確保發送結束后，所有節點都擁有一定數量的度1包，且同層各中繼節點在一定程度上含有相對重復的度1包.之后，源節點廣播通知信息，告知下游節點進入反饋階段.

2)在深空中繼協作傳輸系統中，各分支鏈路獨立工作.為加快中繼節點度1包的積累，中繼節點在接收上級傳遞的度1包的同時也接收同層中繼傳遞的度1包，并將接收到的數據包傳遞到下級節點，各中繼以此類推，直至傳遞到目的節點.階段一的反饋和通知信息被個節點廣播和重復轉發，允許數據包發生丟失.

階段2.

1)經過階段一，所有節點都擁有一定數量的度1包，且同層各中繼節點在一定程度上含有相對重復的度1包.為加快中繼節點度1包的積累，首先源節點根據LT碼魯棒解的分布挑選需要進行編碼的數據包，緊接著對于少數下級中繼節點擁有或者未知的數據包進行編碼，多數中繼擁有的數據包將由后續中繼負責完成編碼[15].

2)中繼節點對新接收到的編碼包首先進行檢驗，如能獲取"新的度1包"，則中繼存儲該度1包并告知到上級節點.如果新收到的編碼包中包含后續節點未知的數據包標識，即包含后續節點的"新的度1包"，則進一步完善未完全編碼包，并向下發送，剩余編碼工作將由后續中繼完成.

3)目的節點先合并從上級各中繼節點接收到的編碼包，然后進行噴泉譯碼，并將譯碼信息反饋給上級深空通信鏈路的各中繼節點以及源節點，從而在后續的編碼傳輸中已成功譯碼信息的重復傳輸.由于反饋數據包小而且多個協作鏈路傳輸相同的反饋信息，丟包概率可以忽略，假設階段二的反饋信息工作于全雙工模式，且只需發送一次，上級節點無需等待.

圖3 階段一各節點接收數據示意圖

以圖1為例，假設源節點在階段一發送一輪度1包(p1-p10)后，在發送完成后，所有的中繼節點以及目標節點都存儲了一定數量的度1包，具體如圖3所示.

源節點接收到反饋信息后進入編碼，假設新產生一個度4包(p1、p2、p5、p7)，因為第一層的各中繼節點R11,R12,R13已經分別存儲了(p2、p5、p7、p8、p9)，(p1、p3、p7、p8、p10)，(p1、p2、p4、p7、p9)，其中包p1、p2、p7、p8、p9在第一層中繼被反復存儲，源節點根據第一層中繼的反饋信息只對選中的度4包(p1、p2、p5、p7)中的p5進行編碼(p5對后續中繼有更大的使用價值)，產生一個未完全編碼包交由第一層中繼節點進一步編碼完善剩余編碼.以中繼R11為例，中繼R11根據中繼R12的反饋，對未完全編碼包(p1、p2、p5、p7)中的p2進行編碼，其中p7存儲在目的節點，則不對該編碼包進行編碼.中繼R12對接收到的未完全編碼包進行如中繼R11的操作，后續中繼對接收到的未完全編碼包也進行如中繼R11的編碼操作.基于反饋的多級協作中繼編碼的編碼與轉發過程如圖4所示，其中實線表示已編碼數據包，虛線表示待編碼數據包.

圖4 基于反饋的多級協作中繼編碼過程
Fig.4 Feedback-based multi-stage cooperative coding

在中繼協作傳輸協議中采用多級編碼方式可以提高傳輸過程中度1包的比例，促使中繼節點存儲更多度1包，提升中繼參與編碼工作的能力，更好地減輕源節點編碼負擔，為中繼協作傳輸協議的補充編碼方案的實現提供了有力條件.在嚴峻的深空通信環境下，采用多級反饋式編碼方式可以在一定程度上釋放源節點存儲空間，提高源節點的編碼效率.

2.3 中繼協作補充編碼設計

深空通信的長時延、高誤碼率嚴重影響了數據的傳輸性能，主要原因在于源節點需要周而復始的發送編碼包以確保數據能夠正確到達目的端，在這樣的傳輸環境下，數據丟失情況非常嚴重，且丟失的數據只能依靠源節點進行補充，即新補充的編碼包需要從頭開始傳遞，因此在一定程度上惡化了傳輸效率.為降低源節點編碼負擔，加快補充流失的數據，本節提出了協作中繼補充編碼.

1)每經過一次傳輸，中繼節點都將保存少數先前發送過的編碼包.如果在某一傳輸時隙內，中繼未接收到編碼包，則隨機選擇一個存儲在該中繼的未完全編碼包對未編碼部分進行重構.

2)編碼包替換方案即先從當前中繼存儲的度1包中進行隨機選擇，并將選中的度1包的相關標識信息編入到當前編碼包中，并進行傳輸.倘若中繼存儲的可替換的度1包數量小于未編碼部分，則將產生一個度數更小的編碼包.由RSD特性可知，度數高的編碼包的數量非常有限，因此對整體的度分布影響很小.

圖5 中繼協作編碼重構過程

以圖3為例，假設中繼節點R11選擇了一個未完全編碼包進行重構，例如一個度為4的包(p1、p2、p5、p9).采用多級協作中繼編碼方式可知p2、p9為未編碼信息，p1、p5為已編碼信息.中繼R11將未編碼部分即p2、p9替換成R11已存儲的信息，例如p7、p8，然后對未完全編碼根據后續節點的反饋信息進行多級編碼.由于中繼R12存儲了p7、p8包，因此，中繼R11將不對替換包進行重新編碼，直接發送給中繼R12，如圖5所示.R11后續中繼節點采用類似的操作，直至數據包傳至目的節點.

中繼協作補充編碼方案雖以增加中繼節點開銷為代價，但實現了對流失的編碼包的補充，減輕了由高誤碼率引起的源節點的編碼負擔.中繼補充編碼承擔了大部分的編碼工作，由于中繼存儲度1包數量有限，導致補充編碼包中相似編碼包占比上升，在一定程度上增加了目的節點的譯碼工作.在深空環境中，相較于縮短的總體傳輸時延，增加的這部分譯碼時間是非常值得的.

3 深空中繼協作傳輸協議性能分析

3.1 傳輸過程中發包情況分析

我們考慮一個如圖1所示的協作中繼通信系統，源節點需發送n個數據包給目的節點，共有α條鏈路可以支持數據傳輸.我們假設每條鏈路分別有m-1個轉發中繼(m≥2)，而且鏈路信道誤碼率為pb.若數據包大小的均值為L，則單條鏈路的丟包率為p=1-(1-pb)L.

在非反饋噴泉碼協作中繼傳輸協議中[9]，目的節點成功譯碼需要的編碼包數目為：

P=n(1+ε)(1+β)

(1)

其中，ε為譯碼開銷，β為中繼協作傳輸過程中增加的傳遞開銷.由于信道的誤碼率為p，系統在α條鏈路和m-1個轉發中繼間的協作傳輸，系統發包總量為：

(2)

同理，在我們提出的多級反饋式協作中繼傳輸協議中，令ε′為所提出傳輸協議的譯碼開銷，β′為所提出協議中協作傳輸過程中增加傳遞開銷，則目的節點成功譯碼所需要的編碼包為：

P′=n(1+ε′)(1+β′)

(3)

假設每條鏈路的每級中繼補充編碼包的數目與丟失編碼包的數目相等，那么系統總發包量為：

(4)

從式(1)和式(3)可以看出兩種傳輸協議在譯碼包數量P和P′的主要影響因素是β和β′，β(β′)可以理解為協作傳輸過程中中繼節點協作傳輸的數目.本文提出的傳輸協議中設計中繼協作補充編碼方案，在傳輸的過程中不僅加快了編碼包的傳遞，也在一定程度上增加了編碼包的完整性,從而可以得出β>β′.從式(2)和式(4)中可以看出，非反饋噴泉碼協作中繼傳輸協議的總發包量W與傳輸距離相關，距離越遠，W增長越快，接近指數增長；而本文所提出的傳輸協議的總發包量W′的增長速度更接近于線性增長.因此，本文提出的采用多級反饋式噴泉碼協作中繼傳輸協議更加適用于遠距離傳輸.

3.2 傳輸時間分析

在深空通信過程中，數據包需要先編碼再發送，系統的總傳輸時延包括各個節點的編碼與發送時延和數據傳播時延兩部分.考慮到各節點的處理器性能，令單個數據包的編碼與發送時延為TPDU.假設源節點與目的節點的距離相對固定，無線數據傳播時延為T.非反饋噴泉碼協作中繼傳輸協議的總傳輸時延為：

(5)

同理，在我們所提出的采用多級反饋式噴泉碼傳輸協議中，源節點的編碼發送時延包括階段一數據包廣播時期的時延和階段二時期的編碼發送時延，若無線數據傳播時延仍為T，則系統的總傳輸時延為：

(6)

其中，t為兩節點之間的傳輸時延，2t為階段一時期等待反饋的時間開銷.

4 仿真性能分析

通過仿真實驗對比分析適用于深空通信的三種不同傳輸協議性能，包括傳統的基于噴泉碼的譯碼轉發中繼協作傳輸協議[4]、非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議[9]，和我們所提出的采用多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議.其中，基于噴泉碼的譯碼轉發中繼協作傳輸協議由源節點負責編碼，目的節點執行譯碼操作，中繼節點對接收到編碼包先進行譯碼操作，譯碼出的數據包實行重新編碼轉發.非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議由源節點負責編碼，中繼節點協作轉發，目的節點譯碼.本文提出的采用多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議，利用中繼節點的編碼能力協作源節點進行編碼.

在OPNET仿真平臺上，構建深空通信系統模型，仿真實驗分析在不同深空環境下三種深空傳輸協議的傳輸性能，包括發包總量和傳輸時間.我們以地月通信距離為參考，假設相鄰兩個節點之間的傳輸時延為1s，且具有相同的丟包率.實驗模擬源節點在刪除信道下的以1Mbps的傳輸速率發送10MB數據給目的節點.總的10MB數據被分為1000組，分組長度為10KB.

4.03.02.01.00×1040.10.20.30.40.5丟包率基于多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議基于噴泉碼的譯碼轉發中繼協作傳輸協議源節點發包總量中繼數基于多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議基于噴泉碼的譯碼轉發中繼協作傳輸協議80007000600050004000300020001000012345678源節點發包總量4.03.02.01.00×1040.10.20.30.40.5丟包率基于多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議基于噴泉碼的譯碼轉發中繼協作傳輸協議傳輸過程中總體發包總量圖6 不同丟包率下的源圖7 不同通信距離下的圖8 不同丟包率下的傳輸節點發包問題源節點發包總量過程中總發包量Fig．6 NumberofpacketstransmittedFig．7 NumberofpacketstransmittedfromFig．8 Totaltransmittedpacketsforfromsourcenodefordifferenetsourcenodefordifferentcommunicationdifferentpacketpacketerrorratesdistanceserrorrates

通過仿真實驗，對比了三種協議在不同深空通信環境下源節點發包總量的變化情況，如圖6和圖7所示.非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議在源節點產生的編碼包數量隨著丟包率和通信距離的增加而快速增加.相對而言，在基于噴泉碼的譯碼轉發協作中繼傳輸協議中，由于逐級編碼譯碼，性能不會隨著通信距離的增加而快速惡化，因此源節點的發包量比較穩定.我們所提出的采用多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議，所有中繼節點協助源節點進行編碼，同時協作傳輸在一定程度上加快了數據包的傳遞，進一步降低了傳輸過程中的丟包量，使得源節點的發包量變化趨勢較為平緩.

4.03.02.01.00×104基于多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議基于噴泉碼的譯碼轉發中繼協作傳輸協議傳輸過程中總體發包總量中繼數12345678圖9 不同通信距離下的傳輸圖10 不同時延和丟包率下圖11 不同時延和通信距離過程中總發包量的傳輸時間下的傳輸時間Fig．9 TotaltransmittedpacketsforFig．10 TransmissiontimeunderdifferentFig．11 Transmissiontimeunderdifferentdifferentcommunicationdistancesdelayandpacketerrorrateconstraintsdelayandcommunicationdistances

上頁圖8、圖9分析比較了在不同深空環境下，傳輸過程中總發包量的變化情況.從圖8可以看出，采用多級反饋式噴泉碼的中繼協作傳輸協議的總發包量相對比較穩定，并沒有似非反饋噴泉碼的中繼協作傳輸協議，隨著丟包率的不斷地惡化.從圖9可以看出，傳輸距離越遠，基于噴泉碼的譯碼轉發中繼協作傳輸協議性能越差，由于每條鏈路的每級中繼都參與到編譯轉發工作中去，隨著距離的增加，編譯轉發次數也隨之上升，整體發包總量也不斷地遞增.

上頁圖10、圖11分析比較了在不同深空環境下，傳輸時間的變化情況.在每級時延分別為1s，5s，10s的通信環境下，從圖10中可以看出，采用多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議在一定程度上加快了數據包的傳遞以及中繼節點對數據包的積累，減少了所提出的傳輸協議在階段一時期的所需時間代價.圖11分析比較了在丟包率一定，傳輸距離對不同傳輸協議的傳輸時間性能的影響，采用多級反饋式噴泉碼的中繼協作傳輸協議在遠距離的深空通信中時延優勢明顯.

5 結 論

基于深空通信高誤碼率、長時延等特性，針對深空單鏈路通信模型的局限性，提出了一種采用多級反饋式噴泉碼的深空中繼協作傳輸協議.相較于非反饋噴泉碼中繼協作傳輸協議，所提出的傳輸協議能夠有效降低編碼負擔、降低傳輸時延.通過基于反饋的多級中繼協作編碼方案中的階段一時期的傳輸以及中繼協作傳輸方式加快數據包的編碼與轉發，相較于單鏈路系統，有效降低源節點的編碼與傳輸負擔，提高系統傳輸穩定性.理論分析和仿真實驗表明，采用多級反饋式噴泉碼中繼協作傳輸協議能有效降低傳輸時間，尤其在高誤碼率和長時延的深空通信中性能提升顯著.

[1] An Jian-ping，Jin Song，Xu Jun，et al.Development and outlook of deep space communication network protocol[J].Journal on Communication，2016，37(7)：50-61.

[2] Bian Z.，Wang R.，Zhao K.，et al.Bundle protocol for data delivery over highly asymmetric deep-space channels[J].IEEE Network，2016，30(5)：68-73.

[3] De C T，Liva G，Calzolari G P.Reliability options for data communications in the future deep-space missions[J].Proceedings of the IEEE，2011，99(11)：2056-2074.

[4] Ying Ting.Research on digital fountain code technology with feedback[D].Hangzhou:Zhejiang University，2014.

[5] Lei Wei-jia，Xie Xian-zhong，Li Guang-jun.The scheme and performance of wireless cooperative relay system using digital fountain codes[J].Electronic Journal，2010，1(38)：228-233.

[6] Zhao Da-heng，Li Xu-dong，Li Chun-yi.Research on application of LT code in deep space communications[J].Radio Communication Technology，2015，41(6)：92-96.

[7] Zhu Kai-yan，Wang Hong-yu，Sun Wen-zhu，et al.A distributed fountain code for cooperative communication[J].Electronic Journal，2014，42(7)：1249-1255.

[8] Mackay D J C.Fountain codes[J].IEEE Proceedings Comm- unications，2005，24(3)：1-5.

[9] Liu Hang，Wang Zheng-huan，Li Xiang-ming，et al.Non-feedback protocol based on fountain codes and parallel paths for deep space communications[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications (Natural Science Edition)，2012，24(5):554-558.

[10] Byers J W，Luby M，Mitzenmacher M.A digital fountain approach to asynchronous reliable multicast[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2002，20(8)：1528-1540.

[11] Castura J，Mao Y.Rateless coding for wireless relay channels[J].IEEE Transactions on Wireless Communi-cations，2007，6(5)：1638-1642.

[12] Liu Xi，Lim J L.Fountain codes over fading relay channels[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8(6)：3278-3287.

[13] Tarable A，Chatzigeorgiou I，Wassel I J.Randomly select and forward：Erasure probability analysis of a probabilistic relay channel model[C].Information Theory Workshop，2009.ITW 2009.IEEE.IEEE，2009：41-45.

[14] Sorensen J H，Koike-Akino T，Orlik P.Rateless feedback code[C].The 2012 IEEE International Symposium on Information Theory，2012：1767-1771.

[15] Chen Kang-ni，Qian Li-ping，Chen Qing-zhang.Muli-stage feedback fountain code for deep space transmission scheme[J].Computer Science，2016，43(9)：140-145.

附中文參考文獻：

[1] 安建平，靳 松，許 軍，等.深空通信網絡協議的發展與展望[J].通信學報，2016，37(7)：50-61.

[4] 應 挺.帶反饋的數字噴泉碼技術研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[5] 雷維嘉，謝顯忠，李廣軍.采用數字噴泉碼的無線協作中繼方案及其性能分析[J].電子學報，2010，1(38)：228-233.

[6] 趙大恒，李旭東，李春祎.LT碼在深空通信中的應用研究[J].無線電通信技術，2015，41(6)：92-96.

[7] 祝開艷，王洪玉，孫文珠，等.一種分布式噴泉碼在協作通信中的應用[J].電子學報，2014，42(7)：1249-1255.

[9] 劉 珩，王正歡，李祥明，等.一種基于噴泉碼和并行路徑的深空通信無反饋協議[J].重慶郵電大學學報，2012，24(5)：554-558.

[15] 陳康妮，錢麗萍，陳慶章.基于多級反饋式噴泉碼的深空傳輸協議研究[J].計算機科學，2016，43(9)：140-145.