網(wǎng)絡(luò)編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用

屈天剛

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)從平臺(tái)中心戰(zhàn)正向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)[1]轉(zhuǎn)變，大量小型傳感器、單兵通信設(shè)備、電子對(duì)抗設(shè)備等都加入到全球信息網(wǎng)格(GIG，Global information Grid)，使得網(wǎng)絡(luò)通信速率需求越來(lái)越大。這種需求將給現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，從傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)安全性、傳輸延遲、誤碼率等指標(biāo)上都提出了新的要求。

1 網(wǎng)絡(luò)編碼背景

近年來(lái)研究顯示網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)[2-3]能夠極大的提高網(wǎng)絡(luò)速率、安全性[4-5]和可靠性[6]。特別是網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)，因其不需要改變網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，僅需要進(jìn)行軟件升級(jí)。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)最初在有線多播網(wǎng)絡(luò)中提出，并證明了可以改善網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性和傳輸時(shí)間[7]。在有線網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的路由器和交換機(jī)只是對(duì)報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)操作，而采用網(wǎng)絡(luò)編碼后，將對(duì)到達(dá)的報(bào)文進(jìn)行線性的編碼合并，這樣輸出不再是所有輸入報(bào)文之和，而只是最大輸入報(bào)文大小的編碼報(bào)文。當(dāng)接收端接收到足夠多的編碼報(bào)文構(gòu)造出一組相互獨(dú)立的線性方程組便可解出所有原始報(bào)文。由于無(wú)線鏈路的不可靠性和物理層廣播特性非常適合采用網(wǎng)絡(luò)編碼，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)編碼首先被應(yīng)用的領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中主要提供以下好處：

1）網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，尤其是組播吞吐量。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣播特性使其非常適合使用網(wǎng)絡(luò)編碼，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包給它的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，它的其它鄰居節(jié)點(diǎn)也可以接收到這個(gè)數(shù)據(jù)包。因此，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)不同的數(shù)據(jù)包感興趣時(shí)，可以將這些數(shù)據(jù)包編碼后再一起傳輸，這樣子可以使其所有的鄰居節(jié)點(diǎn)都收到感興趣的數(shù)據(jù)包并可以節(jié)約無(wú)線資源，提高傳輸速率。

2）網(wǎng)絡(luò)編碼將收到的原始信息包進(jìn)行編碼后發(fā)送出去，但不同的是網(wǎng)絡(luò)編碼中各編碼后的包具有相同的重要性，接收端只要接收到足夠數(shù)量的包就能進(jìn)行解碼，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和適應(yīng)性。

3）網(wǎng)絡(luò)編碼提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全性，網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)在對(duì)收到的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼的過(guò)程，是一個(gè)融合來(lái)自不同源不同類別的信息的過(guò)程，即使不使用額外的加密算法，也提高了信息截取者成功譯碼的難度。

本文將以戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信鏈為背景，研究網(wǎng)絡(luò)編碼的在Link-16數(shù)據(jù)鏈中的潛在應(yīng)用。

2 網(wǎng)絡(luò)編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信鏈的應(yīng)用

以美軍Link-16數(shù)據(jù)鏈[8]為例，在時(shí)分多址模式(TDMA)下采用半雙工無(wú)線中繼的多跳視距通信來(lái)達(dá)到超視距通信的覆蓋。Link-16采用預(yù)先分配好的時(shí)隙構(gòu)成幀，每個(gè)幀中時(shí)隙也是采用提前分配原則指定使用的節(jié)點(diǎn)。這樣每個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)可能有三種工作模式：

1）發(fā)送模式：屬于信源發(fā)送數(shù)據(jù)，需要注意的是一個(gè)幀里面可能存在多個(gè)發(fā)送時(shí)隙。

2）中繼模式：非信源發(fā)送數(shù)據(jù)，用于幫助其他節(jié)點(diǎn)傳輸，只有具備中繼功能的節(jié)點(diǎn)才能設(shè)置為該模式。

3）接收模式：在節(jié)點(diǎn)不處于發(fā)送或者中繼模式，則必須設(shè)置為接收模式。

在每個(gè)時(shí)隙，只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送模式或者中繼模式，其他節(jié)點(diǎn)處于接收模式。

2.1 基本思想

在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的鏈路層引入網(wǎng)絡(luò)編碼思想，每個(gè)時(shí)隙傳送的數(shù)據(jù)將是合并之后的接收數(shù)據(jù)，而不是原來(lái)的中繼數(shù)據(jù)或者信源數(shù)據(jù)。以下將分別考慮固定時(shí)隙合并和機(jī)會(huì)時(shí)隙合并方案，以及僅在中繼合并和所有節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行時(shí)隙合并的方案。

在固定時(shí)隙合并方案中，傳輸由提前分配好的時(shí)隙分配決定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)初始化的時(shí)候，每個(gè)時(shí)隙每個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作將作為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)傳遞給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。在什么時(shí)候進(jìn)行信息合并也可以提前預(yù)知，這樣做的好處是不需要任何網(wǎng)絡(luò)編碼開銷，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)初始化的時(shí)候，可編碼時(shí)隙就已經(jīng)確定，譯碼利用提前已知的編碼時(shí)隙分配便可以完成原始數(shù)據(jù)提取。

在機(jī)會(huì)時(shí)隙合并方案中，從合適大小的伽羅華域(Galois field)中隨機(jī)選擇合并系數(shù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)和自身可能產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理。但是在接收端譯碼原始信息時(shí)，需要額外的編碼信息作為邊信息(side information)。因?yàn)榫幋a決策過(guò)程在收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行，因此這種方案具備根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況自適應(yīng)調(diào)整的能力。

2.2 固定時(shí)隙合并

下面舉例說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用實(shí)例，考慮N1～N4個(gè)節(jié)點(diǎn)想要互相交換信息，但是它們之間無(wú)直接鏈路，需要中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。其中N1～N4可以工作在發(fā)送和接收模式，中繼節(jié)點(diǎn)可以工作在發(fā)送和中繼模式。采用固定時(shí)隙方案，僅考慮中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼操作。

傳統(tǒng)方式下，需要8個(gè)時(shí)隙完成通信：

時(shí)隙1:N1向R發(fā)送數(shù)據(jù)x1

時(shí)隙2:N2向R發(fā)送數(shù)據(jù)x2

時(shí)隙3:N3向R發(fā)送數(shù)據(jù)x3

時(shí)隙4:N4向R發(fā)送數(shù)據(jù)x4

時(shí)隙5:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x1

時(shí)隙6:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x2

時(shí)隙7:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x3

時(shí)隙8:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x4

固定時(shí)隙合并方式下，考慮節(jié)省時(shí)隙方案，則僅需要7個(gè)時(shí)隙便可完成通信：

時(shí)隙1:N1向R發(fā)送數(shù)據(jù)x1

時(shí)隙2:N2向R發(fā)送數(shù)據(jù)x2

時(shí)隙3:N3向R發(fā)送數(shù)據(jù)x3

時(shí)隙4:N4向R發(fā)送數(shù)據(jù)x4

時(shí)隙5:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x1⊕x2

時(shí)隙6:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x2⊕x3

時(shí)隙7:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x3⊕x4

如圖1所示，固定時(shí)隙合并僅在中繼節(jié)點(diǎn)處完成，中繼發(fā)送x1⊕x2，x2⊕x3和x3⊕x4，其中⊕表示GF(2)上的求和。由于發(fā)送時(shí)隙和合并方式固定，那么當(dāng)N1節(jié)點(diǎn)收到x1⊕x2時(shí)，通過(guò) x1⊕(x1⊕x2)便可得到 x2，以此類推，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以譯碼出需求的原始信息。體現(xiàn)到性能上便是傳輸時(shí)隙的減少，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸入輸出的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中A表示網(wǎng)絡(luò)編碼合并矩陣，由時(shí)隙分配方案決定。

圖14 源節(jié)點(diǎn)，1中繼場(chǎng)景

考慮固定時(shí)隙合并的提高可靠性方案時(shí)，可以利用節(jié)省的時(shí)隙8來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

時(shí)隙8:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播x1⊕x4。

利用冗余的傳輸來(lái)提高戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中一些重要數(shù)據(jù)傳輸也是一種必要考慮。對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式中編碼矩陣A將表示為：

可以觀察到，矩陣最下面一行便是額外增加傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以用來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)可靠性，但是缺點(diǎn)是不能節(jié)約帶寬。

2.3 機(jī)會(huì)時(shí)隙合并

與固定時(shí)隙合并不同，機(jī)會(huì)時(shí)隙合并需要節(jié)點(diǎn)有機(jī)會(huì)監(jiān)聽到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，比如 N1發(fā)送x1時(shí)，N2會(huì)監(jiān)聽到x1，并成功譯碼。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行編碼操作，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將發(fā)送自己時(shí)隙數(shù)據(jù)和監(jiān)聽到的其他節(jié)點(diǎn)時(shí)隙數(shù)據(jù)的線性組合。這樣的操作意味著每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須通知接收端它進(jìn)行合并操作的時(shí)隙。下面以一種特例說(shuō)明機(jī)會(huì)時(shí)隙合并方案，具體流程如下：

時(shí)隙1:N1向R發(fā)送數(shù)據(jù)x1；N2，N3，N4監(jiān)聽到N1并譯碼出x1

時(shí)隙2:N2向R發(fā)送數(shù)據(jù)b21x1⊕x2；N3，N4監(jiān)聽到N2并譯碼出x2

時(shí)隙3:N3向 R發(fā)送數(shù)據(jù) b31x1⊕b32x2⊕x3；N4監(jiān)聽到N3并譯碼出x3

時(shí)隙4:N4向 R發(fā)送數(shù)據(jù) b41x1⊕b42x2⊕b43x3⊕x4；無(wú)其它節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到N4

時(shí)隙5:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播y1

時(shí)隙6:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播y2

時(shí)隙7:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播y3

時(shí)隙8:R向所有節(jié)點(diǎn)廣播y4

此時(shí)網(wǎng)絡(luò)編碼的作用將提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸入輸出的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

所有的參數(shù)都從合適的伽羅華域中選取，并且能夠保產(chǎn)生滿秩的矩陣A和B。具體參數(shù)選擇根據(jù)不同實(shí)際場(chǎng)景而定。

下面給出一些結(jié)論以便幫助理解網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在基于TDMA的Link-16數(shù)據(jù)鏈中的優(yōu)勢(shì)和限制：

1）對(duì)于N的源節(jié)點(diǎn)（即有N的產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)的時(shí)隙）和R跳中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，完成一個(gè)周期的信息交換需要總計(jì)N(R+1)的時(shí)隙。如果僅在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼工作，那么網(wǎng)絡(luò)編碼操作將帶來(lái)R個(gè)時(shí)隙的節(jié)省。對(duì)應(yīng)單中繼網(wǎng)絡(luò)，那么將節(jié)省的帶寬為1/2N。

2）對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中僅具備接收功能的節(jié)點(diǎn)，由于不能進(jìn)行編碼操作，它們不能節(jié)省任何帶寬，中繼節(jié)點(diǎn)必須保證發(fā)送線性無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)給這些節(jié)點(diǎn)，來(lái)保證正確譯碼。同樣，在多跳網(wǎng)絡(luò)中，下一跳中繼如果僅進(jìn)行所有非本地時(shí)隙的重傳，那么也不能達(dá)到節(jié)省帶寬的目的。

3）通過(guò)重傳時(shí)隙的線性組合可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，這種可靠性的增加將在仿真部分討論。

4）對(duì)于固定時(shí)隙合并方案，來(lái)之GF(2)域的系數(shù)已經(jīng)足夠保證完成線性合并，并且通過(guò)先驗(yàn)的時(shí)隙分配能夠提前分配好系數(shù)。

3 網(wǎng)絡(luò)編碼的性能評(píng)估

在本小結(jié)將對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信鏈中的性能進(jìn)行評(píng)估，仿真采用圖1所示4個(gè)源節(jié)點(diǎn)1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景。對(duì)于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，將態(tài)勢(shì)感知和偵查圖像等重要信息發(fā)送到每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于作戰(zhàn)任務(wù)至關(guān)重要，因此這里我們將以所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率作為衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的指標(biāo)。

圖2演示了中繼節(jié)點(diǎn)僅充當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能時(shí)，固定時(shí)隙合并對(duì)應(yīng)的節(jié)省時(shí)隙方案和提高可靠性方案的性能。根據(jù)前面描述，可以很輕易的得到固定時(shí)隙合并的節(jié)省時(shí)隙方案節(jié)省 1/8帶寬的結(jié)論。通過(guò)仿真可以觀察到，網(wǎng)絡(luò)編碼固定時(shí)隙合并方案下，所有數(shù)據(jù)發(fā)送到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率大大優(yōu)于非網(wǎng)絡(luò)編碼方案。甚至是節(jié)省時(shí)隙方案時(shí)的性能都優(yōu)于非網(wǎng)絡(luò)編碼方案，這是由于節(jié)省時(shí)隙方案降低了發(fā)送次數(shù)，從而使得累積的不能到達(dá)次數(shù)減少。而采用網(wǎng)絡(luò)編碼固定時(shí)隙的提高可靠性方案后，從仿真可以進(jìn)一步觀察到其所有數(shù)據(jù)發(fā)送到每個(gè)節(jié)點(diǎn)概率增加。充分驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)編碼固定時(shí)隙分配方案對(duì)于提高戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。

圖2 4源節(jié)點(diǎn)，1中繼場(chǎng)景，固定時(shí)隙合并方案

圖3 4源節(jié)點(diǎn)，1中繼場(chǎng)景，機(jī)會(huì)時(shí)隙合并方案

圖3演示了4源節(jié)點(diǎn)和1中繼節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下的機(jī)會(huì)時(shí)隙合并和固定時(shí)隙合并方案。這里考慮 4個(gè)源節(jié)點(diǎn)有不同的機(jī)率監(jiān)聽到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，仿真中采用概率為 p=0.25。從仿真可以觀察到當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有機(jī)會(huì)監(jiān)聽到其它節(jié)點(diǎn)信息的時(shí)候(p=0.25)，機(jī)會(huì)時(shí)隙合并方案的性能優(yōu)于固定時(shí)隙合并方案。當(dāng)然機(jī)會(huì)時(shí)隙合并方案也會(huì)帶來(lái)一定的額外網(wǎng)絡(luò)管理開銷，由于開銷相比數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)屬于一個(gè)較小值，因此仿真中忽略該開銷并不影響曲線走勢(shì)和分析。

4 結(jié)語(yǔ)

在基于TDMA的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中，網(wǎng)絡(luò)編碼使用的基本原則就是對(duì)時(shí)隙數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼合并。本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信特點(diǎn)，歸納了網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信可能帶來(lái)節(jié)約帶寬和提高可靠性的優(yōu)勢(shì)。并仿真分析了提出的固定時(shí)隙合并和機(jī)會(huì)時(shí)隙合并方案的性能，證明了歸納結(jié)論的正確性。在未來(lái)的工作中，將進(jìn)一步考慮網(wǎng)絡(luò)開銷和隨機(jī)信道模型下網(wǎng)絡(luò)編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信中的使用，以便將網(wǎng)絡(luò)編碼推廣到工程實(shí)踐。

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