專利名稱：深空文件傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種文件傳輸方法，尤其涉及一種深空文件傳輸方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的深空通信文件傳輸根據(jù)重傳機(jī)制的不同，主要分為TCP/IP協(xié)議及空間數(shù)據(jù)咨詢委員會(huì)的文件傳輸協(xié)議(CFDP，CCSDS File Delivery Protocol)兩類
深空通信與傳統(tǒng)地面通信有巨大的差別，它所特有的動(dòng)態(tài)長(zhǎng)延時(shí)、高誤碼率、間斷可用鏈路、不對(duì)稱信道等特點(diǎn)，使得TCP/IP協(xié)議直接應(yīng)用到深空通信系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)很多問題。 首先，深空通信中傳播延時(shí)巨大，例如火星到地球的往返延遲根據(jù)星體的軌道位置不同通常在8. 5到40分鐘之間，如果往返延遲大于通信持續(xù)時(shí)間，那么應(yīng)用數(shù)據(jù)根本沒有傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)。其次，上行與下行鏈路的信息速率不對(duì)稱對(duì)TCP的吞吐量影響非常大。2015年預(yù)計(jì)可達(dá)到的地月通信上行速率為41A/S，下行速率為lOMb/s，而火星通信上行速率為41A/S， 下行速率為4 6Mb/S。由于信道速率的不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致較大的線速率突發(fā)錯(cuò)誤，加重下行緩存擁塞，吞吐量隨非對(duì)稱性成指數(shù)衰減。再次，TCP協(xié)議分辨擁塞和數(shù)據(jù)丟失的策略決定其吞吐量隨往返傳播時(shí)延及信息丟失概率的增加而迅速惡化。TCP協(xié)議通過ARQ機(jī)制保證按順序發(fā)送文件信息，任一丟失的數(shù)據(jù)包將引起該數(shù)據(jù)包之后的所有數(shù)據(jù)重新發(fā)送。深空信道的誤碼率(BER)通常比地面信道的誤碼率大，典型的深空通信誤碼率為10-5，且由于星體軌道運(yùn)行對(duì)探測(cè)器的遮擋，深空通信鏈路會(huì)產(chǎn)生周期性中斷。另外，TCP協(xié)議的差錯(cuò)檢測(cè)和恢復(fù)策略不適合深空高誤碼率環(huán)境首先，TCP協(xié)議通過重傳定時(shí)器計(jì)時(shí)溢出對(duì)數(shù)據(jù)包的丟失進(jìn)行判斷；其次，TCP協(xié)議無法區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失的原因是網(wǎng)絡(luò)擁塞還是信道誤碼，TCP 協(xié)議主要通過降低報(bào)文發(fā)送速率以避免擁塞的策略來處理誤碼。此外，吞吐量會(huì)隨著確認(rèn)信息(ACK，Acknowledge Character)的丟失進(jìn)一步惡化。由于TCP協(xié)議是基于端到端重傳的協(xié)議，緩存只有在接收端向發(fā)送端確認(rèn)正確接收所有信息后才會(huì)釋放用于重傳的通信資源；傳輸過程丟失的信息需要重傳，進(jìn)一步延長(zhǎng)資源占用緩存的時(shí)間，不適用于對(duì)于緩存空間和處理能力有限的深空探測(cè)器。而且TCP/IP的路由協(xié)議對(duì)于深空通信操作環(huán)境未來的可能路由缺乏預(yù)見性。另外，深空通信環(huán)境很難對(duì)時(shí)間間隔做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此對(duì)狀態(tài)信息更新時(shí)間間隔的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性很敏感的分布式路由算法不適合。綜上所述，現(xiàn)有的TCP/IP 協(xié)議體系在深空通信的傳播時(shí)延長(zhǎng)、誤碼率高、非對(duì)稱鏈路、鏈路兼容以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等問題上面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在鏈路時(shí)延或者時(shí)延帶寬積較大的深空網(wǎng)絡(luò)，各種TCP改進(jìn)協(xié)議相差不大且性能很差，在地球-火星之間TCP協(xié)議甚至無法通信。CFDP協(xié)議目前沒有開發(fā)出成熟的前向分組糾刪技術(shù)，CFDP確認(rèn)模式下的NAK重傳算法并未采用對(duì)PDU的前向分組保護(hù)。CFDP協(xié)議將數(shù)據(jù)鏈路層的端到端通信信道視為數(shù)據(jù)單元的二元?jiǎng)h除信道，接收端對(duì)到達(dá)物理層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼，然后向傳輸協(xié)議反饋通信數(shù)據(jù)包的完整性。傳輸協(xié)議選擇接受成功譯碼的完整數(shù)據(jù)包，或者丟棄一個(gè)無法恢復(fù)誤碼的數(shù)據(jù)包。隨著信道誤碼率的惡化，文件傳輸過程由于頻繁丟包需要多次的確認(rèn)重傳以保證數(shù)據(jù)的正確接收，深空大時(shí)延環(huán)境下的頻繁重傳使得往返傳播時(shí)延在整個(gè)文件傳輸過程中的開銷很大。當(dāng)信道誤碼率超過10_5時(shí)，文件傳輸?shù)难訒r(shí)檢測(cè)過程由于頻繁丟包需要多次的確認(rèn)重傳以保證數(shù)據(jù)的正確接收。當(dāng)誤碼率接近10_4時(shí)，CFDP文件傳輸時(shí)延期望的仿真曲線顯示其性能已經(jīng)嚴(yán)重惡化。深空大時(shí)延環(huán)境下的頻繁重傳使得往返傳播時(shí)延在整個(gè)文件傳輸過程中的開銷很大，尤其是地球一火星通信中平均的單次傳播時(shí)延接近20分鐘。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種深空文件傳輸方法。一種深空文件傳輸方法，包括以下步驟，
步驟1)，在發(fā)送端，根據(jù)可靠性編碼理論，將整個(gè)原文件拆成若干數(shù)據(jù)包； 步驟2)，對(duì)其中固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包進(jìn)行逐位異或運(yùn)算，獲得若干個(gè)新處理的交織數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行發(fā)送、傳輸；
步驟3)，在傳輸層，接收端通過接收足夠多的交織數(shù)據(jù)包，自動(dòng)恢復(fù)全部原始數(shù)據(jù)包； 步驟4)，恢復(fù)出整個(gè)原文件。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的深空文件傳輸方法，通過精心設(shè)計(jì)的噴泉交織算法利用發(fā)送端引入的交織冗余信息為文件分組提供糾刪保護(hù)，提高通信可靠性，避免頻繁的反饋確認(rèn)。有效減少因丟包而導(dǎo)致的重傳，保證通信可靠性和有效性。為使深空通信文件傳輸協(xié)議具備前向糾刪能力，進(jìn)一步考慮在CCSDS文件傳輸協(xié)議非確認(rèn)傳輸模式基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種具有前向糾刪功能的數(shù)據(jù)包交織傳輸協(xié)議(PI-CFDP， Packets Interleaving File Delivery Protocol)，利用發(fā)送端引入的交織冗余信息保證接收端能夠通過BP譯碼自動(dòng)恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)分組并最終恢復(fù)原文件，避免頻繁的反饋確認(rèn)，在保證通信可靠性的前提下縮短文件傳輸時(shí)延和提高吞吐量。


圖1是本發(fā)明深空文件傳輸方法使用流程示意圖。圖2是本發(fā)明深空文件傳輸方法的弱魯棒性交織分布的譯碼失敗概率10_4的編碼冗余開銷示意圖。圖3地月通信文件傳輸速率為0. 5Mb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。圖4地月通信文件傳輸速率為IMb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。圖5地月通信文件傳輸速率為2Mb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。圖6地月通信文件傳輸速率為lOMb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。圖7地火通信文件傳輸速率為0. 5Mb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。圖8地火通信文件傳輸速率為IMb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。圖9地火通信文件傳輸速率為2Mb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。圖10地火通信文件傳輸速率為lOMb/s時(shí)的傳輸時(shí)延仿真對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種深空文件傳輸方法。包括以下步驟
在發(fā)送端，根據(jù)可靠性編碼理論，將整個(gè)原文件拆成若干數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)包交織傳輸協(xié)議
4(PI-CFDP, Packet-Interleaving CCSDS File Delivery Protocol)引入噴泉編碼技術(shù)，將原始數(shù)據(jù)分為若干個(gè)數(shù)據(jù)包；
對(duì)其中固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，獲得若干個(gè)新處理的交織數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行發(fā)送、傳輸；將發(fā)送端的數(shù)據(jù)包按逐位異或處理，將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包進(jìn)行交織處理，產(chǎn)生若干個(gè)冗余的數(shù)據(jù)包。根據(jù)可靠性編碼理論將整個(gè)文件拆成若干數(shù)據(jù)包，每k個(gè)固定長(zhǎng)度的 PDU (PDU, Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到N個(gè)新處理的數(shù)據(jù)包然后傳輸，類似于分組碼的k個(gè)輸入符號(hào)接續(xù)N-k個(gè)校驗(yàn)符號(hào)。接收端在物理層譯碼時(shí)無法恢復(fù)的錯(cuò)誤編碼包當(dāng)做丟失來處理。而傳輸層可以通過接收一定數(shù)量的包，利用發(fā)送端引入的冗余包保證接收端能夠自動(dòng)恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)單元，最終恢復(fù)原文件，不需要反饋確認(rèn)過程，在保證通信可靠性的前提下縮短文件傳輸時(shí)延和提高吞吐量。Luby針對(duì)LT碼設(shè)計(jì)的魯棒孤波分布(RSD, Robust Soliton Distribution)編碼復(fù)雜度在碼長(zhǎng)增加時(shí)不能滿足線性，對(duì)于文件長(zhǎng)度較大時(shí)應(yīng)用效果受限。因此本發(fā)明在深空信道條件參數(shù)下參考魯棒孤波分布重新設(shè)計(jì)文件交織的噴泉碼度分布，以降低交織復(fù)雜度。對(duì)于一個(gè)(k，Ω (χ))的噴泉碼，由二部圖構(gòu)造理論分析，輸出度分布為ω (χ)，輸入度分布為υ (X)，有:
權(quán)利要求
1.一種深空文件傳輸方法，其特征在于包括以下步驟，步驟1)，在發(fā)送端，將整個(gè)原文件拆成若干相同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包； 步驟2)，按給定的概率分布隨機(jī)選取若干數(shù)據(jù)包進(jìn)行逐位異或運(yùn)算，獲得若干個(gè)新處理的交織數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行發(fā)送、傳輸；步驟3)，在傳輸層，接收端通過接收足夠多的交織數(shù)據(jù)包，自動(dòng)恢復(fù)全部原始數(shù)據(jù)包； 步驟4)，恢復(fù)出整個(gè)原文件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述深空文件傳輸方法，其特征在于步驟2)中，所述文件交織的噴泉編碼度分布參照魯棒孤波分布設(shè)計(jì)進(jìn)行隨機(jī)選取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述深空文件傳輸方法，其特征在于所述深空文件傳輸方法還包括以下步驟，接收端在物理層譯碼時(shí)將無法恢復(fù)的錯(cuò)誤編碼包當(dāng)做丟失處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述深空文件傳輸方法，其特征在于所述發(fā)送端進(jìn)行交織處理時(shí)處理延時(shí)約為0. 17ms/Kbyte。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述深空文件傳輸方法，其特征在于所述交織分布使用弱魯棒性交織分布。
全文摘要
本發(fā)明提供一種深空文件傳輸方法，包括以下步驟步驟1)在發(fā)送端，將整個(gè)原文件拆成若干相同長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包；步驟2)按給定的概率分布隨機(jī)選取若干數(shù)據(jù)包進(jìn)行逐位異或運(yùn)算，獲得若干個(gè)新處理的交織數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行發(fā)送、傳輸；步驟3)，在傳輸層，接收端通過接收足夠多的交織數(shù)據(jù)包，自動(dòng)恢復(fù)全部原始數(shù)據(jù)包；步驟4)，恢復(fù)出整個(gè)原文件。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的深空文件傳輸方法，通過精心設(shè)計(jì)的噴泉交織算法利用發(fā)送端引入的交織冗余信息為文件分組提供糾刪保護(hù)，提高通信可靠性，避免頻繁的反饋確認(rèn)。有效減少因丟包而導(dǎo)致的重傳，保證通信可靠性和有效性。
文檔編號(hào)H04L1/00GK102209072SQ20111013198
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者張欽宇, 楊志華, 焦健, 顧術(shù)實(shí) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院