網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應用

張艷鑫 劉文續(xù) 劉志國 魯心宇 王慧 岑小雙

摘要：網(wǎng)絡編碼技術(shù)是一種新的網(wǎng)絡通信技術(shù)，其主要思想是認為網(wǎng)絡節(jié)點既可以存儲轉(zhuǎn)發(fā)，同時還能夠進行編碼處理，對于網(wǎng)絡傳輸性能的優(yōu)化而言有著十分積極的作用，與傳統(tǒng)路由的傳輸方式相比有了巨大的進步。本文主要就是對網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應用情況進行探討，通過分析網(wǎng)絡編碼的概念與特點，分析網(wǎng)絡編碼在衛(wèi)星通信中的應用及其存在的一些問題，從而歸納出網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中應用的未來研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡編碼技術(shù) 衛(wèi)星通信 應用情況

中圖分類號：TN915.02 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0024-02

編碼和路由相結(jié)合，是網(wǎng)絡編碼的主要特點，為網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲提供了必要支持的同時，提供了基礎(chǔ)性的編碼支持，與傳統(tǒng)路由的傳輸方式有著很大的區(qū)別。衛(wèi)星通信具有一系列的突出優(yōu)勢，包括無縫隙覆蓋范圍大、通信質(zhì)量好，以及廣播特性好等，促使網(wǎng)絡編碼發(fā)展成為通信網(wǎng)絡中不可替代的技術(shù)。衛(wèi)星頻道作為一個信息傳遞的主要渠道，必然會應用大量的信息的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)，這就要求通信衛(wèi)星在未來不僅應該有傳統(tǒng)的中繼功能，其傳輸效率也必須達到一個新的高度[1]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應用，不僅可以解決傳統(tǒng)的路由問題，而且可以極大地提高通信的可靠性和效率。

1 網(wǎng)絡編碼概念和特點

1.1 網(wǎng)絡編碼技術(shù)的概念

本文以“蝶網(wǎng)”模型為例，分析了網(wǎng)絡編碼技術(shù)的基本概念。如圖1所示：假設(shè)各鏈路的容量為1，Y與Z都是信宿節(jié)點，S為信源節(jié)點，其余的都是中間節(jié)點。圖1（a）中使用的是傳統(tǒng)路由傳輸方式，節(jié)點W只負責存儲與轉(zhuǎn)發(fā)的操作工作。圖1（b）中使用的是網(wǎng)絡編碼方法，節(jié)點W主要負責的是對所輸入的信息進行編碼，再將編碼所得的結(jié)果b1與b2進行模2加，將操作結(jié)果b1 b2傳輸?shù)焦?jié)點X中，在通過鏈路XZ與XY將操作結(jié)果最終傳輸?shù)焦?jié)點Y與Z中。節(jié)點Y受到信息b1與信息b1 b2之后能夠?qū)1（b1 b2）進行譯碼操作，從而就可以解出信息b2。同樣的，節(jié)點Z也能通過這種方式將完整的信息解碼出來，如此得到的傳輸?shù)娜萘烤蜑?。由此可見，將網(wǎng)絡編碼技術(shù)應用到衛(wèi)星通信中能夠在理論上實現(xiàn)最大的信息傳輸量[2]。在宿節(jié)點，這可以通過執(zhí)行解碼的逆過程，并最終將能夠從原始數(shù)據(jù)的源被發(fā)送。

1.2 網(wǎng)絡編碼技術(shù)的特點

從本質(zhì)上來說，本文所重點研究的網(wǎng)絡編碼是一種通過融合編碼和路由功能而實現(xiàn)信息交互操作的編碼方式。在實際應用過程中，通過節(jié)點對信道所提供信息的線形、非線性處理來實現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，中間節(jié)點在這一過程中實際上承擔著編碼器或者信號處理器的作用。針對這一問題，在R Ahlswede等人的研究成果中強調(diào)，網(wǎng)絡編碼技術(shù)的集中應用，為多菠蘿油傳輸最大流界的實現(xiàn)提供了有效的支持，從而顯著提高信息傳輸效率，因此，在整個現(xiàn)代網(wǎng)絡通信領(lǐng)域中，網(wǎng)絡編碼占有非常重要的地位

網(wǎng)絡編碼技術(shù)的提出與應用促使多播傳輸在理論上實現(xiàn)了最大的傳輸容量，與路由多播相比而言，得到了更加良好的網(wǎng)絡吞吐量[3]。隨著對網(wǎng)絡編碼技術(shù)研究力度的加大，網(wǎng)絡編碼技術(shù)的更多優(yōu)勢被逐漸發(fā)掘出來，比如提升了寬帶的利用率、對網(wǎng)絡負載起到了均衡作用等等。將網(wǎng)絡編碼技術(shù)與一些其他的應用之間進行有機結(jié)合能夠使該應用系統(tǒng)的各種性能得到更進一步的提升。但是同時也要意識到網(wǎng)絡編碼技術(shù)也不可避免的存在著一些不足，如導致計算過程過于復雜、整體計算量增加以及緩存需求增加所導致的時延問題等等。同時信息同步以及編譯碼等問題的客觀存在的，對于該技術(shù)在實時信息系統(tǒng)中的按規(guī)模應用增加了難度，在今后的研究中必須要加快解決同步問題[4]。

2 網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的應用

基于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的特性，網(wǎng)絡編碼技術(shù)特別適用于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡領(lǐng)域。換句話說，如果一個節(jié)點對相鄰節(jié)點的不同數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生興趣，則可以通過編碼這些不同的數(shù)據(jù)包，使得它和相鄰的所有節(jié)點都能夠接收它們中的數(shù)據(jù)分組的信息，從而有效地節(jié)約了衛(wèi)星通信資源。因此，將網(wǎng)絡編碼技術(shù)應用到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，能夠使網(wǎng)絡性能得到實質(zhì)性的提高，解決傳統(tǒng)路由技術(shù)，以及跨層設(shè)計技術(shù)無法解決的問題[5]。此外，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中網(wǎng)絡編碼技術(shù)的應用還促使網(wǎng)絡的吞吐量得到了大幅度的提高，其中特別是組播的吞吐量更是達到了一個新的高度；并且還能夠明顯減少傳播數(shù)據(jù)包的次數(shù)，使得發(fā)送能耗大大降低，就算衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的部分節(jié)點或者鏈路失去效用時還可以通過隨機網(wǎng)絡編碼，保證在目的節(jié)點仍舊能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)恢復。以某種網(wǎng)絡編碼協(xié)作模式的設(shè)計與應用為例，將信道糾錯編碼與譯碼轉(zhuǎn)發(fā)模式相結(jié)合就能夠得到編碼的協(xié)作模式，其中可根據(jù)檢測所得的結(jié)果來判定協(xié)作節(jié)點是都具有參與協(xié)作的條件，防止在傳播中出現(xiàn)差錯，使協(xié)作通信模型的可靠性得到充分的保障。除此之外，在編碼寫作模型中有機結(jié)合信道糾錯編碼，大大提升了整個系統(tǒng)的編碼增益。如圖2所示，為編碼協(xié)作模型的示意圖，圖中UE1與UE2都是地面用戶，S是衛(wèi)星，其中S是目的節(jié)點，UE1是源節(jié)點，UE2是UE1的協(xié)作中繼節(jié)點。

用1與2來表示用戶UE1與用戶UE2發(fā)送的初始數(shù)據(jù)，在經(jīng)過信道糾錯編碼之后，分別得到了數(shù)據(jù)X1與X2，具體的可以用以下的形式來表示：X1=1.G1=[N11N12]，X2=2.G1=[N21N22]，其中G1、G2表示的是對應的生成矩陣，N11表示的是編碼后的信息位數(shù)據(jù)，N12表示的是編碼后檢驗位數(shù)據(jù)?？梢詫⒄麄€編碼寫作分成四個時隙，前兩個時隙是廣播階段，后兩個時隙是轉(zhuǎn)發(fā)階段[6]。

網(wǎng)絡編碼技術(shù)的應用，極大地提高了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的性能，尤其是顯著提高了吞吐量，但同時它的弊端是使得網(wǎng)絡的復雜性更為明顯。與傳統(tǒng)方法相比，在網(wǎng)絡狀態(tài)良好的情況下，網(wǎng)絡編碼大大提高了組播吞吐量；在網(wǎng)絡狀況較差的情況下，網(wǎng)絡編碼的組播吞吐量則無明顯增強，僅降低了網(wǎng)絡的復雜度，在動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡編碼算法的基礎(chǔ)上提供了充分的可能性[7]。

3 網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信應用中存在的一些問題

網(wǎng)絡編碼技術(shù)的出現(xiàn)極大的改變了現(xiàn)階段的網(wǎng)絡。網(wǎng)絡編碼的出現(xiàn)，最開始主要是為了接有線網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)廣播中的相關(guān)問題，而發(fā)展至今已經(jīng)成為一種針對有效網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡提高組播吞吐量，在能量節(jié)省的方面發(fā)揮出了巨大的作用。但是必須要注意到，網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中的應用尚存在著一些需要改進的地方，其面臨的最主要的問題就是網(wǎng)絡編碼的具體實現(xiàn)方法和怎樣降低網(wǎng)絡編碼的復雜性。就目前來說，有多種網(wǎng)絡編碼方法都已經(jīng)被提出來了，主要有分布式隨機網(wǎng)絡編碼與集中式線性網(wǎng)絡編碼，但是怎樣在具體的通信網(wǎng)絡中將網(wǎng)絡編碼真正實現(xiàn)尚且還需要對許多實際應用的問題進行考慮，比如開銷、同步控制等等[8]。網(wǎng)絡編碼技術(shù)的使用雖然極大的提高了網(wǎng)絡的性能，但是也增加了其在設(shè)計與實現(xiàn)上面的復雜程度。地面段有比較充足的資源和功率支撐，所以網(wǎng)絡編碼技術(shù)的使用能夠有效的加強信息傳輸?shù)挠行?，然而在衛(wèi)星空間段中，由于資源十分有限，加上網(wǎng)絡編碼一般都需要消耗較大的功能，對CPU等也有著極高的要求，使得網(wǎng)絡編碼與衛(wèi)星中繼傳輸?shù)挠行灾g有了各種不同的沖突與矛盾[9]。

4 網(wǎng)絡編碼技術(shù)在衛(wèi)星通信中應用的未來研究方向

網(wǎng)絡編碼作為一種在近年來才興起的新興技術(shù)，在衛(wèi)星通信中得到了很大的應用，在經(jīng)過不斷的的發(fā)展后，其在信息傳輸效率的優(yōu)化與網(wǎng)絡吞吐量的提高等方面發(fā)揮出了重要的作用與巨大的影響。與網(wǎng)絡編碼技術(shù)的分析相結(jié)合，可以得知在網(wǎng)絡中在未來衛(wèi)星通信的應用的編碼技術(shù)有兩個方向分別是：（1）基于衛(wèi)星通信的特點，采用一種方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡編碼設(shè)計，在多路徑存在著多種不同的速率，而不同的速率對應于不同的網(wǎng)絡編碼方法，因此，有必要研究最低成本的網(wǎng)絡編碼。（2）網(wǎng)絡編碼技術(shù)在多媒體應用中的研究。當今，衛(wèi)星通信多媒體服務的范圍在不斷地擴大，比如氣象云圖拍攝、衛(wèi)星電視、國家語音通信、視頻會議等，這些都迫切需要衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的發(fā)展，從而提高寬帶多媒體服務的質(zhì)量。然而，由于網(wǎng)絡節(jié)點增多，網(wǎng)絡延遲將增大，這會對服務質(zhì)量造成嚴重的影響。在網(wǎng)絡中增加編碼技術(shù)將減少代碼操作延遲，所以將網(wǎng)絡編碼技術(shù)應用于多媒體領(lǐng)域中，將提高多媒體服務的質(zhì)量[10]。

5 結(jié)語

綜上可知，隨著衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，使得衛(wèi)星通信的應用范圍在不斷擴大，在不同領(lǐng)域都得到了廣泛的應用并發(fā)揮出了重要的影響，因此，有必要加快推廣危險和有效載荷的，以使系統(tǒng)的容量可以得到提高。網(wǎng)絡編碼技術(shù)是在通信網(wǎng)絡中傳輸?shù)睦碚摵托畔⑻幚硌芯康闹卮笸黄?，它具有非常高的理論值，這是信息的通信網(wǎng)絡中的傳輸非常重要的。以及如何改變網(wǎng)絡中的衛(wèi)星通信從理論到實踐方面的應用編碼技術(shù)，還需要更加全面和深入，今后的實踐和研究。

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