無線不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)下的可靠高效通信技術(shù)

欒明君 王濤 李志 曹孝元

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十五研究所 北京市 100083 2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所 北京市 100094）

1 背景介紹

隨著移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的豐富，未來信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信機(jī)動(dòng)性的需求越來越高。并且對(duì)于一些專用網(wǎng)絡(luò)，還存在長(zhǎng)短波通信手段，因此為實(shí)現(xiàn)端到端跨網(wǎng)的可靠高效信息通信，必須充分考慮無線環(huán)境下的通信適配問題。首先，對(duì)于大部分無線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，其帶寬遠(yuǎn)低于有線網(wǎng)絡(luò)，并且存在信道衰減、環(huán)境干擾等因素影響，造成傳輸?shù)母邥r(shí)延、時(shí)斷時(shí)續(xù)、丟包等共性問題，無線信道實(shí)際吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其最大傳輸速率，且不同鏈路存在較大帶寬差異和傳輸特性，例如衛(wèi)星通信支持2Mbps，各類短波通信支持1.2Kbps～10Kbps 等。同時(shí)，由于無線通信鏈路會(huì)受到多種因素的影響，可能存在非對(duì)稱鏈路或單向鏈路。因而傳輸系統(tǒng)必須根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)適配傳輸才可以達(dá)到最好效能。其次，利用無線環(huán)境進(jìn)行通信時(shí)，短、超短、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)鏈等多種鏈路綜合運(yùn)用中，不可預(yù)期的通信鏈路使用需求和時(shí)效性需求，導(dǎo)致傳統(tǒng)的人工切換不能滿足應(yīng)用需求，需要傳輸系統(tǒng)臨機(jī)籌劃使用多種通信鏈路，即鏈路綜合籌劃問題。因此，面向未來網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和靈活性上的通信需求，需要針對(duì)無線邊緣信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定的傳輸優(yōu)化策略，具備窄帶弱連接條件下的容錯(cuò)與適應(yīng)優(yōu)化能力。本文主要介紹利用網(wǎng)絡(luò)編碼和多徑傳輸兩種技術(shù)手段來提升無線網(wǎng)絡(luò)中的可靠高效通信能力。

2 網(wǎng)絡(luò)編碼

網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)編碼已成功地應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中[1]。目前在數(shù)據(jù)傳輸中，主要有三種誤碼控制的方法，即自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(ARQ)、前向糾錯(cuò)(FEC)和混合糾錯(cuò)(HEC)方式。糾錯(cuò)碼通過在源端對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行編碼，例如增加冗余碼元、冗余數(shù)據(jù)包等方式，再將編碼后的信號(hào)發(fā)送出去，這樣在接收端能夠根據(jù)編碼規(guī)則進(jìn)行解碼，從而自行發(fā)現(xiàn)并糾錯(cuò)，即譯碼過程。

網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)編碼最大的應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)中。無線網(wǎng)絡(luò)不同于有線網(wǎng)絡(luò)，其信道的不可靠性造成傳輸信號(hào)的隨機(jī)誤碼，從而引起更高的丟包。這將導(dǎo)致基于傳統(tǒng)擁塞控制協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)降速和不斷重傳。通過在無線網(wǎng)絡(luò)中使用網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)編碼，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道進(jìn)行補(bǔ)償，從而大大提升網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。

在編碼理論中，噴泉碼（也稱為無碼率抹除碼）是一類抹除碼[2]，主要應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)分發(fā)和可靠信號(hào)廣播等場(chǎng)景。噴泉碼的主要原理是基于一定的編碼規(guī)則從一組源符號(hào)中產(chǎn)生一串理論上可以無限多的編碼符號(hào)序列，在接收端，只需要獲得一定數(shù)量（大于等于源符號(hào)數(shù)量）的任意編碼符號(hào)子集，便可通過譯碼算法恢復(fù)源符號(hào)。

目前可實(shí)際使用的噴泉碼主要有兩類：LT 碼和Raptor 碼[3]。LT 碼是第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的噴泉碼，Raptor 碼通過在LT 碼的基礎(chǔ)上加入預(yù)編碼階段，將編解碼的時(shí)間復(fù)雜度降為線性，但加入了額外的開銷，因而對(duì)于窄帶網(wǎng)絡(luò)而言，需要在效率和復(fù)雜度方面做權(quán)衡。基于LT/Raptor 的噴泉碼，在發(fā)送端以數(shù)據(jù)包為基本單位進(jìn)行編碼，編碼通常基于一定的概率隨機(jī)分布（如魯棒孤波分布）。具體的，通過一定的編碼規(guī)則（如對(duì)隨機(jī)數(shù)量個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或操作），將k 個(gè)原始數(shù)據(jù)包生成編碼后的編碼分組，過程中源節(jié)點(diǎn)無需接收反饋信號(hào)，并且理論上可以源源不斷的產(chǎn)生編碼數(shù)據(jù)包和持續(xù)發(fā)送。而接收端只要收到k(1+ε)個(gè)編碼數(shù)據(jù)包便有較高概率成功譯碼并恢復(fù)全部原始數(shù)據(jù)包，ε 稱為冗余度。當(dāng)接收端成功完整的接收到所有源數(shù)據(jù)包后向發(fā)送端反饋ACK，發(fā)送端停止發(fā)送。

噴泉碼的工作過程可以形象地用如下比喻解釋。源節(jié)點(diǎn)S 如同噴泉一般源源不斷產(chǎn)生水滴（編碼后的數(shù)據(jù)包），并不停地滴向一個(gè)（端到端）或多個(gè)水桶K（多播或廣播）。每個(gè)水滴是噴泉中一些數(shù)據(jù)包的隨機(jī)組合，隨機(jī)選擇保證了每次發(fā)送的信息對(duì)接收節(jié)點(diǎn)是有用的。桶在裝滿水之后（接收足夠數(shù)量的水滴），即可達(dá)到飲用（成功譯碼）的目的，而不必關(guān)心具體是哪一滴水（編碼分組）流入桶中。精心設(shè)計(jì)的數(shù)字噴泉碼不僅擁有很小的譯碼開銷ε，而且具有簡(jiǎn)單的編譯碼方法和很小的編譯碼復(fù)雜度。同時(shí)噴泉碼還可以有效提高信道容量，使得網(wǎng)絡(luò)更加健壯。

本文在LT 碼基礎(chǔ)上，在編碼和解碼過程中，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景做出相應(yīng)的改進(jìn)，以提升編解碼策略的效率，具體的方案如下：

定義每個(gè)源數(shù)據(jù)包為輸入符號(hào)，每個(gè)編碼后的數(shù)據(jù)包為輸出符號(hào)。

定義LT 碼的度分布ρ(d)(d≥1)：一個(gè)輸出符號(hào)結(jié)點(diǎn)的度等于d 的概率。

2.1 網(wǎng)絡(luò)編碼過程

（1）在發(fā)送端將k 個(gè)原始輸入數(shù)據(jù)包作為一組，按魯棒孤波分布Ω（稱為編碼度分布），在1～k 范圍內(nèi)隨機(jī)選取一個(gè)整數(shù)d（d稱為編碼的度）；

（2）在k 個(gè)原始數(shù)據(jù)包中隨機(jī)選取d 個(gè)不同包。除了隨機(jī)選取的d 個(gè)數(shù)據(jù)包，再加入當(dāng)前對(duì)應(yīng)序列號(hào)的數(shù)據(jù)包，之后對(duì)d+1 個(gè)包做異或操作，以保證所有的原始數(shù)據(jù)包均能在編碼后的數(shù)據(jù)包中體現(xiàn)和包含，消除隨機(jī)產(chǎn)生的不確定性，減少因隨機(jī)性帶來的原始數(shù)據(jù)包信息缺失而造成的接收端解碼失敗。

（3）編碼后，數(shù)據(jù)報(bào)頭加入編碼過程中使用的隨機(jī)函數(shù)生成種子，在接收端利用該種子恢復(fù)隨機(jī)函數(shù)，這樣可大大減少為了解碼而需要在數(shù)據(jù)報(bào)頭中攜帶的信息，從而極大的減少了控制報(bào)頭開銷，提升了傳輸效率。

2.2 網(wǎng)絡(luò)解碼過程

LT 碼的譯碼算法有兩種，BP（后向傳播）譯碼算法和GE（高斯消元）譯碼算法，本方案中我們采用后者。高斯消元譯碼可以通過求解多元一次方程的形式得出矩陣的可行解，相比BP 譯碼具有更簡(jiǎn)潔的代碼實(shí)現(xiàn)和可操作性。

本文提出的網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)編碼技術(shù)的應(yīng)用范圍主要可以概括為如下幾個(gè)方面：

（1）在有線和無線網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行高速大文件傳輸。基于噴泉碼的傳輸基于UDP 協(xié)議[4]，傳輸效率高，并且速率不受反饋信號(hào)影響，適用于大帶寬的文件傳輸。

（2）無反饋信道的可靠數(shù)據(jù)多播或廣播。由于無需處理反饋信息，可支持任意數(shù)量的用戶增長(zhǎng)。

3 多徑傳輸

利用無線環(huán)境進(jìn)行通信時(shí)，短、超短、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)鏈等多種鏈路綜合運(yùn)用中，不可預(yù)期的通信鏈路使用需求和時(shí)效性需求，導(dǎo)致傳統(tǒng)的人工切換不能滿足應(yīng)用需求，需要傳輸系統(tǒng)臨機(jī)籌劃使用多種通信鏈路[5]。

針對(duì)某些無線邊緣網(wǎng)絡(luò)或者無線終端存在多種無線通信方式，如某些通信節(jié)點(diǎn)同時(shí)裝備衛(wèi)星通信終端以及短波通信終端，同時(shí)多種通信方式可能存在時(shí)斷時(shí)續(xù)的情況，提出采用多徑傳輸技術(shù)，在點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸中使用多徑傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)在多條路徑中按比例分片傳輸加快傳輸速度或者在多條路徑同時(shí)傳送相同數(shù)據(jù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在邊緣網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，限于邊緣網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定性，為了使得端對(duì)端的數(shù)據(jù)傳輸速率更高、可靠性更好，此時(shí)，應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)根據(jù)上層應(yīng)用的需要，根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥壿嬫溌芬约案鱾€(gè)鏈路的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，選擇多條較優(yōu)的傳輸鏈路，從而實(shí)現(xiàn)端對(duì)端數(shù)據(jù)的多路徑同步高速傳輸，如圖1所示。

圖1：多徑傳輸示意圖

圖1中位于節(jié)點(diǎn)1 的用戶的上層應(yīng)用通過應(yīng)用層傳輸協(xié)議獲取了部分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜螅l(fā)出請(qǐng)求獲取位于節(jié)點(diǎn)6 的內(nèi)容服務(wù)器上的內(nèi)容，此時(shí)傳輸層應(yīng)用協(xié)議給出了兩條并行的傳輸鏈路，一條為1->3->5->6，一條為1->2->4->6，兩條鏈路的帶寬分別為100M bps 和10M bps，位于節(jié)點(diǎn)6 的應(yīng)用層傳輸協(xié)議獲取數(shù)據(jù)后，可按照兩條路徑的帶寬比例將數(shù)據(jù)分成兩個(gè)部分，分別選擇相應(yīng)的路徑進(jìn)行消息傳遞，即帶寬更大的路徑傳輸更多的數(shù)據(jù)部分。節(jié)點(diǎn)1 同時(shí)接受來自兩條路徑的數(shù)據(jù)并整合，從而通過同時(shí)利用多條傳輸路徑，大大提高了傳輸效率。另一方面，當(dāng)某條路徑因網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致傳遞過程中斷后，在多條路徑中可選擇另一條路徑進(jìn)行消息傳遞，提供給節(jié)點(diǎn)1 的上層應(yīng)用，從而提高了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

多徑傳輸可進(jìn)一步與網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合，在發(fā)送端基于噴泉碼進(jìn)行編碼，并同時(shí)在多條路徑上組播發(fā)送，一方面提高了傳輸效率，另一方面也提高了編碼效率。

4 總結(jié)

本文針對(duì)無線不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)穩(wěn)定的傳輸優(yōu)化策略，具備窄帶弱連接條件下的容錯(cuò)與適應(yīng)優(yōu)化能力，主要包括利用網(wǎng)絡(luò)編碼和多徑傳輸兩種技術(shù)手段來提升無線網(wǎng)絡(luò)中的可靠高效通信能力。基于改進(jìn)的LT 碼對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編解碼，可在無需反饋的情況下實(shí)現(xiàn)大文件在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)下的可靠傳輸。基于多徑傳輸技術(shù)，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，可同時(shí)利用多條傳輸路徑對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行分片、分路同步傳輸，提高了傳輸效率和可靠性。