空間通信中的一種滑動(dòng)窗口BATS碼傳輸方案研究

曾 柯,劉曉東,卓永寧*,呂夢(mèng)昭,王 思

(1.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都611731；2.空軍裝備部,北京100032；3.上海航天技術(shù)研究院北京研發(fā)中心,北京100048)

1 引言

在人類空間探索中,空間通信數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)對(duì)傳輸?shù)目煽啃院蜁r(shí)效性有很高的要求,例如在載人航天、衛(wèi)星對(duì)地探測(cè)、航天器著陸和對(duì)接等任務(wù)中,艙室監(jiān)控視頻、航天員身體狀態(tài)、科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)、控制指令等數(shù)據(jù)可靠和及時(shí)的傳輸必須得到保證,而空間環(huán)境下傳輸鏈路的長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼率、低帶寬、多級(jí)中繼使得傳統(tǒng)上依靠反饋確認(rèn)實(shí)現(xiàn)的可靠傳輸性能大為降低,傳輸及時(shí)性也由于多級(jí)中繼受到很大限制,需要在編碼和通信協(xié)議上提出新的方案。

BATS碼(分批稀疏碼,Batched Sparse Code,BATS)[1-2]是近幾年提出的一種結(jié)合了噴泉碼和網(wǎng)絡(luò)編碼優(yōu)點(diǎn)的新型編碼技術(shù),既有噴泉碼無需反饋、適合單向長(zhǎng)延時(shí)信道的特點(diǎn),又有網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)點(diǎn),能夠在中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接編碼,特別適合空間(深空)通信中長(zhǎng)延時(shí)、多中繼、高丟包率的鏈路特點(diǎn)[2]。與之相比,噴泉碼在中繼節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行譯碼后再重新編碼,或中繼節(jié)點(diǎn)直接轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)在源節(jié)點(diǎn)上采用更多的編碼冗余以抵抗多級(jí)鏈路的累積丟包,這些都會(huì)降低編碼效率,增大處理和傳輸延時(shí)。已進(jìn)行的地面視頻傳輸實(shí)驗(yàn)證明,多級(jí)鏈路中的有限長(zhǎng)BATS碼比有限長(zhǎng)噴泉碼有更好的傳輸流暢性、可靠性[2-3]。

BATS碼雖然在多中繼環(huán)境表現(xiàn)出一些優(yōu)越的性能,但其研究和應(yīng)用尚處于初級(jí)階段,許多應(yīng)用還主要針對(duì)地面高速數(shù)據(jù)傳輸[4-5],如何針對(duì)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化尚未見深入的研究。另一方面,空間通信既要求較高可靠性,又要求較高傳輸時(shí)效性。已有針對(duì)無反饋可靠傳輸?shù)难芯縖6-8],通常利用數(shù)據(jù)包的冗余傳輸保證可靠性,但實(shí)際上仍然無法保證數(shù)據(jù)的快速及時(shí)傳輸?；诖?本文提出一種BATS碼的滑動(dòng)窗口傳輸方案,相對(duì)于一般的窗口連續(xù)重疊滑動(dòng)方式[7-9],利用BATS碼中小度值Batch具有更高可解概率的特點(diǎn),以多個(gè)小度值Batch對(duì)滑動(dòng)窗口的非重疊區(qū)域進(jìn)行編碼傳輸,同時(shí)將滑動(dòng)步長(zhǎng)改為不等步長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口滑動(dòng)前后的重疊區(qū)域和非重疊區(qū)域數(shù)據(jù)的均衡保護(hù),從而較好地解決空間通信中可靠傳輸與及時(shí)傳輸這一對(duì)矛盾,實(shí)現(xiàn)較高效率的傳輸。

2 BATS碼基本原理

2.1 BATS碼的編碼方法

BATS碼編解碼中具有分批處理(Batch)的概念。假設(shè)待編碼的數(shù)據(jù)包數(shù)量為K,集合B=(1,…,K)表示所有數(shù)據(jù)包的集合,將該集合劃分為n個(gè)子集(可有重疊),子集Bi?B,i=1,…,n。 每一個(gè)集合Bi經(jīng)編碼后得到M個(gè)編碼數(shù)據(jù)包,稱為一個(gè)分批(Batch)。編碼后得到的n個(gè)Batch表示為X1,X2,…,Xn, 每個(gè) Batch 可表示為式(1)[1]：

其中,令di=|Bi|,即Bi中包含di個(gè)原始數(shù)據(jù)包,稱di是BatchXi的度。di(i=1,…,n) 是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量,稱其分布Ψ=(Ψ1,…,Ψk)為度分布(Degree distribution),即Pr{di=k}=Ψk。Gi是di×M的隨機(jī)矩陣,稱為生成矩陣。理論上,編碼后的Batch數(shù)目n可以是無限的。BATS碼的編碼和傳輸過程如圖1所示,生成矩陣Gi處的虛框表示生成的Batch,虛框內(nèi)的實(shí)心方塊表示每個(gè)Batch內(nèi)的M個(gè)編碼數(shù)據(jù)包。

圖1 BATS碼的編碼和傳輸過程示意圖Fig.1 The encoding and transmission process of BATS code

傳輸數(shù)據(jù)包時(shí),由于存在丟包現(xiàn)象,每個(gè)Batch到達(dá)中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)量可能少于M。中間節(jié)點(diǎn)對(duì)屬于同一Batch的數(shù)據(jù)包使用網(wǎng)絡(luò)編碼(文獻(xiàn)[1]中使用線性隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼),重新產(chǎn)生M個(gè)數(shù)據(jù)包,并轉(zhuǎn)發(fā)給下一節(jié)點(diǎn)。到達(dá)接收端的第i個(gè)Batch可表示為式(2)。

式中,Hi是一個(gè)M行的隨機(jī)矩陣,稱為傳輸矩陣。Hi的列數(shù)等于第i個(gè)Batch到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。對(duì)于不同的分組,該值不一定相同,但一定小于等于M。

2.2 BATS碼的解碼方法

BATS碼常用的解碼方法是置信傳輸(Belief Propagation,BP)解碼。經(jīng)過編碼和傳輸之后,接收端收到的信息是BatchYi(i=1,…,n),數(shù)據(jù)包頭信息中包含的傳輸矩陣H,以及通過收發(fā)端協(xié)商得到的生成矩陣G。 于是,解碼器可使用的解碼信息是 (Yi,GiHi)(i=1,…,n),解碼即相當(dāng)于求解線性方程組。對(duì)于一個(gè) Batch,當(dāng)秩 rank(GH)等于這個(gè)Batch包含的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目(即Batch的度)時(shí),該Batch可解,對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)包稱為可解的數(shù)據(jù)包。顯然,當(dāng)一個(gè)Batch中包含的原始信息包的數(shù)量較少時(shí),傳輸中的丟包對(duì)其影響較小,該Batch有更高的可解概率。

BP解碼包含多次迭代,每次迭代時(shí),選擇一個(gè)可解數(shù)據(jù)包,將其帶入與之關(guān)聯(lián)且不可解的Batch中。帶入后,該數(shù)據(jù)包被標(biāo)記已解,此時(shí)不可解的Batch可能會(huì)變得可解,然后進(jìn)入下一次迭代。當(dāng)沒有任何可解的數(shù)據(jù)包時(shí),解碼結(jié)束。

當(dāng)BP解碼無法進(jìn)行下去時(shí),還可通過高斯消去法對(duì)剩余的Batch進(jìn)行解碼,即BP-GE算法[4]。

2.3 傳輸性能與Batch度分布的設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中,源信息包和BATS編碼包數(shù)量有限,因此是有限長(zhǎng)BATS碼。我們希望傳輸盡量少的編碼包就能完全恢復(fù)原始信息包。與噴泉碼類似,有限長(zhǎng)BATS碼是否可譯以及其傳輸效率與Batch的度分布有很大關(guān)系。由于Batch在傳輸中出現(xiàn)隨機(jī)的丟包,對(duì)應(yīng)到傳輸矩陣H中是隨機(jī)的列矢量丟失,而BATS碼是否可譯取決于矩陣GH的秩,因此好的度分布需要基于傳輸矩陣H的秩的分布情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。令：

稱矢量h=[h1,h2,…,hM]為H的秩分布。秩分布反應(yīng)出數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間鏈路的隨機(jī)丟包情況。

發(fā)送端Batch度分布在設(shè)計(jì)時(shí),直接獲取適應(yīng)信道丟包情況的最優(yōu)Batch度分布是一個(gè)較為困難的問題。文獻(xiàn)[1]、[4]證明,最優(yōu)度分布可通過漸進(jìn)優(yōu)化的方法來得到。首先通過求解一個(gè)有限長(zhǎng)BATS碼的可達(dá)編碼率的線性最優(yōu)化問題,來獲得一個(gè)初始的度分布：

式(4)中可達(dá)編碼率θ=K/n,為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),n為Batch的數(shù)量。Ψ為Batch的度分布,D是最大度值,x是取值在[0,1]間的離散參數(shù)。函數(shù)Ω(x,Ψ,h)由下式給定：

由式(5)獲得的初始度分布基礎(chǔ)上,通過迭代貪心算法[4],獲得性能更好的度分布值,貪心算法的具體步驟為：

1)找到一個(gè)初始度分布Ψ(0)；

2)找到一個(gè)或多個(gè)可能好于初始度分布的新度分布Ψ(1)；

3)計(jì)算譯碼失敗概率,選擇性能最好的度分布,并重復(fù)步驟2、3。

文獻(xiàn)[4]中尋找新的度分布使用下述擾動(dòng)方法：

其中δ是一個(gè)很小的實(shí)數(shù)值,ed-1是一個(gè)某一元素為1、其他元素為0的d維矢量。

3 滑動(dòng)窗口BATS碼傳輸方案

3.1 傳統(tǒng)滑動(dòng)窗口傳輸方案分析

滑動(dòng)窗口是一種在流媒體傳輸中用于提高傳輸可靠性的方法,在噴泉碼、RS糾刪碼(Reed Solomon,RS碼)傳輸中獲得了廣泛的研究[7-9]。其基本方法如圖2所示。

將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為長(zhǎng)度為L(zhǎng)的分段,稱為一個(gè)窗口。對(duì)窗口W1內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼傳輸,然后將窗口的起點(diǎn)向后移動(dòng)S個(gè)符號(hào),稱為滑動(dòng)S步長(zhǎng),然后將該起點(diǎn)以后的新窗口W2內(nèi)的L個(gè)符號(hào)進(jìn)行編碼傳輸。圖2中的P為前后兩個(gè)窗口的重疊部分。

圖2 基本滑動(dòng)窗口傳輸Fig.2 The basic sliding window transmission

上述窗口滑動(dòng)方法是一種重疊滑動(dòng),以數(shù)據(jù)的冗余傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口滑動(dòng)前后重疊部分的增強(qiáng)保護(hù),這部分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸可靠性高于不重疊部分。如果窗口連續(xù)滑動(dòng),則將出現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)重疊,其中對(duì)不同重疊程度的數(shù)據(jù)保護(hù)程度也不同。例如當(dāng)滑動(dòng)步長(zhǎng)S小于重疊部分P的長(zhǎng)度時(shí),如果連續(xù)重疊滑動(dòng),則可能出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)有三重重疊,導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)被過度保護(hù),而其他部分保護(hù)的程度較低或沒有保護(hù),如圖3所示。如果對(duì)所有數(shù)據(jù)連續(xù)采用這種方式進(jìn)行滑動(dòng),將會(huì)導(dǎo)致較多的不必要數(shù)據(jù)冗余,同時(shí)也會(huì)造成窗口滑動(dòng)太慢,數(shù)據(jù)傳輸耗時(shí)過長(zhǎng)。

圖3 窗口連續(xù)滑動(dòng)造成的不同重疊區(qū)域P2：二重重疊,P3：三重重疊Fig.3 The overlapping field of a data section caused by consecutive sliding window transmission P2： Double overlapped part P3：Triple overlapped part

3.2 均衡保護(hù)的滑動(dòng)窗口BATS碼傳輸方案

BATS碼是將數(shù)據(jù)分批編碼,有限長(zhǎng)BATS碼的編碼長(zhǎng)度固定,不同分批的BATS碼可以進(jìn)行聯(lián)合譯碼。根據(jù)前面BATS碼編譯碼過程分析,可知BATS碼中度值較小的Batch具有更高的可解概率?；诖颂攸c(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)一種均衡保護(hù)滑動(dòng)窗口傳輸中重疊與非重疊數(shù)據(jù)的傳輸方案。流程如下：

1)發(fā)送方首先根據(jù)鏈路情況得到秩分布,并根據(jù)秩分布得到一個(gè)期望秩rankexpt,設(shè)定每個(gè)Batch的尺寸M大于rankexpt；

2)發(fā)送方建立一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的發(fā)送窗口,根據(jù)窗口長(zhǎng)度及秩分布,通過求解式(1)中的漸進(jìn)優(yōu)化問題得到Batch的度分布、編碼率和每個(gè)窗口需發(fā)送的編碼包數(shù)量；

3)每次發(fā)送時(shí),根據(jù)Batch度分布隨機(jī)選取一個(gè)度值Degree。如果Degree的數(shù)值小于rankexpt,則在窗口未重疊區(qū)域中順序選擇Degree個(gè)數(shù)據(jù),進(jìn)行Batch編碼并發(fā)送；如果Degree值大于rankexpt,則在當(dāng)前整個(gè)窗口中隨機(jī)選擇Degree個(gè)數(shù)據(jù)形成Batch編碼并發(fā)送。當(dāng)本窗口中所有編碼數(shù)據(jù)包數(shù)量達(dá)到第2步中確定的編碼包數(shù)量時(shí),本窗口中的數(shù)據(jù)停止發(fā)送；

4)將窗口進(jìn)行滑動(dòng)：當(dāng)本窗口數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,如果本窗口還未與其他窗口發(fā)生重疊,則只順序滑動(dòng)所有小度值Batch的度值之和的長(zhǎng)度；如果本窗口與前一窗口已發(fā)生重疊(即是一個(gè)已經(jīng)滑動(dòng)的窗口),則前移一個(gè)完整的窗口長(zhǎng)度,從本窗口結(jié)束位置后重新選擇L個(gè)新數(shù)據(jù)作為新的窗口,開始第3、4步的發(fā)送流程,直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

上述數(shù)據(jù)發(fā)送過程見圖4。圖中第一個(gè)窗口為W1,該窗口中的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),如果隨機(jī)選擇的度值小于rankexpt,則順序選擇窗口中前面的Degree個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)送,如果超過或等于rankexpt,則在整個(gè)窗口內(nèi)隨機(jī)選擇Degree個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)送,這一過程重復(fù)直到所發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)包數(shù)量達(dá)到第2步確定的編碼包數(shù)量；隨后窗口滑動(dòng)所有小度值之和的步長(zhǎng)S1,成為窗口W2。在W2中的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),當(dāng)選擇的度值小于rankexpt值時(shí),從W2與W1重疊的部分P1之后的數(shù)據(jù)中順序選擇Degree個(gè)數(shù)進(jìn)行編碼發(fā)送；當(dāng)選擇的Degree值大于rankexpt時(shí),則在整個(gè)W2窗口中隨機(jī)選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼發(fā)送,直到整個(gè)W2中的編碼數(shù)據(jù)包數(shù)量達(dá)到要求。然后,選擇新的數(shù)據(jù)形成新窗口W3,重復(fù)上述過程。上述過程中,兩個(gè)窗口重疊的部分P1、P3得到冗余發(fā)送的保護(hù),增大了譯碼成功的概率；未被重疊窗口覆蓋的數(shù)據(jù)S1、S2、S3、S4,由于采用小度值進(jìn)行編碼,也具有較高的譯碼成功概率,因此,所有編碼數(shù)據(jù)都得到了較高的譯碼成功率,從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖4 均衡保護(hù)的滑動(dòng)窗口傳輸方式Fig.4 Sliding window transmission with balanced protection mode

3.3 Batch度分布優(yōu)化算法

分析上述策略,數(shù)據(jù)包的發(fā)送效率和發(fā)送速度取決于整體Batch度分布。假設(shè)數(shù)據(jù)包總數(shù)為1024,窗口長(zhǎng)度wnd_len為256,通信鏈路為互相獨(dú)立的多跳鏈路,鏈路長(zhǎng)度為2,每一跳的丟包率p為0.2,取M=16,鏈路拓?fù)淙鐖D5所示。

通過2項(xiàng)式分布擬合,得到的秩分布如圖6所示。其中秩期望值rankexpt的值為12.87。基于上述秩分布,通過求解前述式(4)關(guān)于編碼率的優(yōu)化問題得到的度分布如圖7所示。

根據(jù)上述策略,每次選取的度值小于rankexpt的概率較小,最后將會(huì)導(dǎo)致窗口移動(dòng)速率過慢。這種情況可能在優(yōu)化問題式(4)的求解中經(jīng)常出現(xiàn)。因此,本文提出一種基于貪心算法的窗口滑動(dòng)度分布生成算法,用以提高小度值的選擇概率。算法描述如下：

圖5 中繼鏈路拓?fù)銯ig.5 The topology of multi-relay transmission

圖6 矩陣GH的秩分布Fig.6 The rank distribution of GH

圖7 求解(4)式優(yōu)化問題得到的BATS碼分批Batch的度分布Fig.7 The distribution of Batch degree obtained by solving the optimization problem of formula(4)

loop_times//定義迭代次數(shù)adjust_value//定義每次調(diào)整的度分布值fori=1：loop_times//循環(huán)loop_times次計(jì)算給定度下的譯碼失敗概率；

If本次譯碼失敗概率在可接受范圍內(nèi)隨機(jī)從度分布中挑一個(gè)大于rankexpt的度數(shù)減去adjust_value；

再隨機(jī)從度分布中挑一個(gè)小于rankexpt的度數(shù)加上adjust_value；

else

break；

end if

end for

通過這種方式生成的滑窗度分布見圖8。由圖8可見,小度值(小于12)的概率大大提高了,這將有利于提高數(shù)據(jù)整體的發(fā)送速度,提高數(shù)據(jù)發(fā)送效率。

圖8 經(jīng)過調(diào)整的適于滑動(dòng)傳輸?shù)腂ATS碼分批Batch的度分布Fig.8 Adjusted distribution of Batch degree suitable for sliding window transmission

4 仿真分析

仿真具體場(chǎng)景為三點(diǎn)兩跳鏈路,每一跳的丟包率p在效率仿真中設(shè)為0.2,在可靠性仿真中設(shè)為可變,源數(shù)據(jù)包總數(shù)為1024,鏈路無反饋。為了比較有無滑窗和不同滑窗方式的傳輸性能,對(duì)比以下4種策略：

1)編碼方式采用經(jīng)典噴泉碼,即LT碼(Luby Transform,LT碼),采用有限碼長(zhǎng),譯碼方式為高斯消元GE譯碼算法,對(duì)原始數(shù)據(jù)順序分段編碼發(fā)送(即分段之間無重疊),分段長(zhǎng)度256,每分段編碼包長(zhǎng)度480。本策略模擬無滑窗的LT噴泉碼傳輸；

2)編碼方式為BATS碼,譯碼方式采用BP譯碼算法,有限域大小為Fq=256,采用對(duì)原始數(shù)據(jù)順序分段編碼發(fā)送,分段之間無重疊,Batch尺寸為M=16,分段長(zhǎng)度為256,每分段編碼包長(zhǎng)度為480,其Batch度分布為圖7所示的度分布。本策略模擬無滑窗的BATS碼傳輸；

3)編碼方式為BATS碼,譯碼方式采用BP譯碼算法,有限域大小為Fq=256,發(fā)送策略采用順序重疊滑動(dòng)方式(即圖3中的發(fā)送方式),Batch尺寸為M=16,編碼包的窗口長(zhǎng)度為480。本策略模擬傳統(tǒng)的連續(xù)重疊滑窗BATS碼傳輸；

4)編碼方式為BATS碼,譯碼方式采用BP譯碼算法,有限域大小為Fq=256,發(fā)送策略采用本文提出的均衡滑動(dòng)方式,Batch尺寸為M=16,每窗口中源碼包數(shù)量為256,每窗口發(fā)送編碼包數(shù)量480,采用圖8所示的度分布。本策略模擬本文提出的均衡保護(hù)滑窗BATS碼傳輸。

圖9是數(shù)據(jù)成功恢復(fù)比例隨發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量的變化情況。從圖9可以看到,在成功恢復(fù)率方面,滑動(dòng)窗口方式的成功恢復(fù)率均高于無滑窗方式。無滑窗方式時(shí),當(dāng)發(fā)送相同數(shù)量的數(shù)據(jù)包時(shí),BATS碼的成功恢復(fù)率高于LT碼,當(dāng)達(dá)到100%恢復(fù)率時(shí),LT碼約需發(fā)送2500個(gè)數(shù)據(jù)包,而BATS碼需要發(fā)送約2300個(gè)數(shù)據(jù)包；采用滑動(dòng)窗口的兩種BATS碼方式中,均衡保護(hù)滑窗的成功恢復(fù)率都高于連續(xù)滑窗的成功恢復(fù)率,且隨著發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量增多,這種優(yōu)勢(shì)越來越大。當(dāng)數(shù)據(jù)包達(dá)到100%恢復(fù)率時(shí),連續(xù)滑動(dòng)BATS碼方式約需傳送1980個(gè)數(shù)據(jù)包,而均衡滑動(dòng)BATS碼約需發(fā)送1750個(gè)數(shù)據(jù)包。

圖9 不同傳輸策略下的數(shù)據(jù)成功恢復(fù)比例Fig.9 The data recover rate of different transmission schemes

圖10是實(shí)時(shí)發(fā)送效率的變化情況,此處實(shí)時(shí)發(fā)送效率定義為：實(shí)時(shí)發(fā)送效率=正確接收的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)/發(fā)送編碼比特?cái)?shù)。從圖10可以看到,無滑窗方式由于成功解碼的過程大部分集中在分段的末尾,因此實(shí)時(shí)能力波動(dòng)較大,且一直在一個(gè)較低的水平；連續(xù)重疊滑窗方式由于滑動(dòng)窗口的特性,保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸性能,將實(shí)時(shí)性能維持在一個(gè)平衡的狀態(tài),但其傳輸效率指標(biāo)并不是很高；均衡保護(hù)滑窗方式相對(duì)無滑窗方式以及連續(xù)重疊滑窗方式來說,不僅結(jié)合了滑動(dòng)窗口的特性保證了實(shí)時(shí)性能的穩(wěn)定,同時(shí)利用雙段窗的特性提升了數(shù)據(jù)傳輸效率,將實(shí)時(shí)傳輸效率一直維持在一個(gè)相對(duì)較高的水平,這說明本文的發(fā)送策略有較高的效率,從而也具有較高的時(shí)效性。從圖10也可以看到,在穩(wěn)定狀態(tài)下,均衡保護(hù)滑窗方式的效率約為60%,相對(duì)于連續(xù)重疊滑窗方式的約50%,提高了約20%。

圖10 不同滑動(dòng)方式下的實(shí)時(shí)發(fā)送效率Fig.10 The real time transmission efficiency of different sliding window modes

圖11是在不同的信道丟包率下,發(fā)送固定數(shù)據(jù)包數(shù)量情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)成功率。圖中發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)包數(shù)量固定為2700。從圖11可見,不同傳輸方案在不同丟包率情況下的成功恢復(fù)率也不同,該指標(biāo)可反映各方案的傳輸可靠性。圖中當(dāng)鏈路丟包率低于0.3時(shí),各傳輸方案都可以成功恢復(fù)數(shù)據(jù),但當(dāng)丟包率達(dá)到0.4以上時(shí),無滑窗方式的成功恢復(fù)率很快下降至0,而滑窗方式還可以維持在較高水平。其中連續(xù)滑窗方式的成功恢復(fù)率水平略高于均衡保護(hù)方式,這表明均衡保護(hù)滑窗方式的可靠性雖低于連續(xù)重疊滑窗方式,但仍然維持在較高的水平,可適用于最大丟包率達(dá)到0.4的情況。

圖11 不同丟包率下的數(shù)據(jù)成功恢復(fù)率Fig.11 The data recover rate of different packet loss rates

5 結(jié)論

本文針對(duì)空間通信中鏈路傳輸時(shí)延大、丟包率高、中繼傳輸多的問題,利用BAST碼的良好中繼傳輸特性,提出了一種兼顧傳輸效率和可靠性的傳輸方法,其主要特點(diǎn)是：

1)充分利用BAST碼分批處理的概念,利用滑動(dòng)窗口進(jìn)行具有一定冗余的傳輸,提高了在高丟包情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)成功率,提高了可靠性；

2)傳輸中利用了BAST碼小度值編碼包的高恢復(fù)率,合理安排了小度值編碼包在滑動(dòng)窗口中的位置,使其減少冗余傳輸次數(shù),同時(shí)使高度值的編碼包得到更多的傳輸機(jī)會(huì),從而控制了數(shù)據(jù)的總的冗余傳輸次數(shù),有利于提高傳輸?shù)男剩?/p>

3)通過上述方法,實(shí)現(xiàn)了在空間通信中高丟包率情況下,既具有較高的傳輸可靠性,又具有較高的傳輸效率,打破了傳統(tǒng)上依靠冗余傳輸來提高可靠性與提高效率之間難以兼顧的困境。通過仿真實(shí)驗(yàn)表明,本方案在維持與傳統(tǒng)的連續(xù)重疊滑窗相近的可靠性同時(shí),傳輸效率提高約20%。