一种面向时敏业务的空间信息网数据传输方法

摘要

本发明提供一种面向时敏业务的空间信息网数据传输方法。首先对卫星节点的编码缓存队列进行建模，根据不同时间敏感业务对时延的要求计算出可容忍时延，然后提出一种面向业务的流间网络编码策略，当需要等待其他数据流进行编码时根据业务对时延的要求决定是否等待，自动判断能否对该业务寻求网络编码的机会。同时，考虑到空间信息网的链路时延较大，为了减少重传次数，将流内网络编码也应用于数据传输中，与流间网络编码相结合，进一步提升传输效率以及提高网络的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及空间信息网数据传输领域，具体涉及一种面向时敏业务的空间信息网数据传输方法。

背景技术

空间信息网是以空天平台为载体，实时获取、传输和处理空天信息的网络系统。该系统通过将不同轨道卫星、承担不同种类业务的卫星、卫星之外的其余各种空间通信设备与地面通信网络相联系，从而完成不同的业务。空间信息网与地面网络对比下有下列特点：网络的拓扑结构复杂、链路误码率高以及空间资源有限的特点。

2000年网络编码概念的提出，主要是用于提升网络的吞吐量，将其应用于空间信息网中不仅可以提高网络的吞吐量，而且由于减少了数据传输的次数，从而减少了传输时延，进一步提升了网络的有效性。此外，网络编码采用存储、携带(编码)、转发的工作机制，接收节点可以根据不同的失效情况及对数据的需求，进行不同的解码即可，有效地避免重传，适合空天通信链路高误码、断续连通的特点，可提高空间信息网的可靠性；并且，利用网络编码进行数据传输时由于将不同数据流编码在一起，对于其中一条数据流而言相当于进行了加密，网络中的窃听节点无法窃听到原始的数据，将网络编码与防窃听方案相结合，可以提高空间信息网的安全性。因此采用网络编码提高空天信息传输的安全性与可靠性、有效性不存在矛盾，且可实现多个指标的共同提升。

多样化的业务里，时间敏感业务(简称时敏业务)所代表的新服务正在兴起。针对时间敏感的流量，Yang H首先提出了时间敏感的空间信息网络的技术架构。在此基础上，分析了服务，网络，资源三个方面的关键技术(Yang H,Bai W,Zhang J.Research on KeyTechnologies of Time Sensitive Space Information Network[J].RadioCommunications Technology,2017,43(3):08-12.)。最后，总结了时间敏感空间信息网络技术及未来发展前景。

目前大部分基于网络编码的数据传输方案仅仅考虑如何提升网络可靠性和吞吐量，虽然有效地保障业务的可靠性但增加业务时延。并且现有的业务模型主要在延时需求和带宽需求两方面对网络服务提出要求。因此设计一种能提升网络性能同时，降低业务时延等的数据传输算法来满足多样化业务的需求是如今研究趋势。

发明内容

针对现有技术的不足，设计一种大时空尺度约束下、高动态断续条件下空间信息的传输方法，本发明提出一种面向时敏业务的空间信息网数据传输方法，包括：

步骤1：发送数据包时，源节点首先将时敏业务所需要发送的数据分为消息向量，然后将每个消息向量分为线性无关的数据包；

步骤2：根据不同时敏业务对时延的要求计算出在节点的可容忍时延T′

式中，T为时敏业务在节点的可容忍的时延，T

步骤3：根据编码缓存队列中的数据分组的长度计算出每个数据分组在节点的等待时延T

步骤4：判断时敏业务在源节点的可容忍时延T′

步骤5：当中间节点收到来自上一跳节点的数据包后，如果缓存队列数据包来源于不同用户则该节点为流间编码节点，否则不是流间编码节点，如果该节点是流间编码节点，则利用流间网络编码策略进行编码转发，如果该节点不是流间编码节点，则利用流内网络编码策略进行数据传输；

步骤6：对于所有的中间节点，重复执行步骤5直到转发到目的节点，当目的节点收到所有线性无关的数据包后向上一跳节点发送ACK确认信息，然后对数据包进行解码，解码时通过高斯消元求解线性方程组即可解码出原始数据包，并准备接收下一段编码包，直到接收完并解码出所有的数据段。

所述步骤3具体表述为：

步骤3.1：根据每个编码节点的链路条数h将所述编码节点等价为h个独立缓存队列，根据马尔科夫过程，计算所有独立缓存队列中的数据分组数H(L)；

式中，π

步骤3.2：利用公式(3)计算出所有数据分组在节点的等待时延T

T

式中，t表示每个编码节点中所有数据包从进入缓存队列到成功发送出去所用时间。

所述步骤5中的流间编码策略，具体表述为：

步骤5.1：接收到数据包后，中间节点根据数据包属不属于同个用户来判断是否为流间编码包，如果属于不同用户，则是流间编码包，进入步骤5.2；否则，进入步骤5.3；

步骤5.2：判断该数据包是否是已经编码的数据包，如果能进行解码则解码出需要的原始流内编码包，进入步骤5.3，若不能解码直接丢弃该数据包；

步骤5.3：判断该节点缓存队列的数据包是否来源于不同用户，如果是则该节点是流间编码节点，进入步骤5.4，如果不是进行流内编码，进入步骤5.6；

步骤5.4：判断该节点缓存队列中是否有其他数据流的数据包到达，如果有则进行编码后进入步骤5.6，如果没有则进入步骤5.5；

步骤5.5：将数据包放入缓存队列中，并根据不同时敏业务对时延的要求计算出在中间节点可容忍时延T′

步骤5.6：直接将数据包转发到下一跳节点。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种面向时敏业务的空间信息网数据传输方法，首先对卫星节点的编码缓存队列进行建模，然后提出一种面向业务的流间网络编码策略，当需要等待其他数据流进行编码时根据业务对时延的要求决定是否等待，考虑到空间信息网的链路时延较大，为了减少重传次数，将流内网络编码也应用于数据传输中，与流间网络编码相结合，进一步提升传输效率以及提高网络的可靠性。

附图说明

图1为本发明中的面向时敏业务的空间信息网数据传输方法流程图；

图2为本发明中的编码缓存队列模型图，其中(a)为实际缓存队列，(b)为等价后的缓存队列；

图3为本发明中的流间网络编码策略流程图；

图4为本发明中的流内网络编码的数据传输示意图；

图5为本发明中的仿真编码结构图；

图6为本发明方法与传统COPE传输算法平均端到端时延比较图；

图7为本发明方法与传统COPE传输算法编码率比较图；

图8为本发明方法与传统COPE传输算法平均端到端吞吐量比较图；

图9为本发明方法与传统COPE传输算法丢包率比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，主要解决空间信息网的数据传输问题，目的是提高空间信息网的网络服务能力，高效的完成在轨任务。本发明中的数据传输协议为HNCSITA(Hybrid Network Coding based Space Information TransmissionAlgorithm简称HNCSITA)。

空间信息网中每个节点有一个缓存队列，存着来自不同数据流的数据分组，为了方便分析问题，将其等价为节点为每条数据流都管理一个独立的缓存队列，如图2所示，则该节点对数据的转发方式有以下几种：

(1)如果队列Q

(2)如果Q

对数据的转发方式的分析中可知，队列Q

其中，S

则该马尔科夫过程的稳态概率为：

其中，定义S

马尔科夫过程的平衡方程组为：

将(6)代入下面式中，即可计算出该结果：

所以，对于链路条数为2条的节点，缓存队列里的数据分组数为：

同理，如果节点的链路条数有h条，则缓存队列里的数据分组数为：

式中，π

考虑到空间信息网中链路时延较大，不同参与网络编码的数据流无法同时到达同一编码节点，此时就涉及到了编码时机问题，由于先到达的数据流在编码节点等待另一未到达的数据流的时间对于网络性能有着很大的影响。所以需要一种方式在编码机会与等待时延中做一个折中，从而使网络性能的提升达到最优。

如图1所示，一种面向时敏业务的空间信息网数据传输方法，包括：

步骤1：发送数据包时，源节点首先将时敏业务所需要发送的数据分为消息向量，然后将每个消息向量分为线性无关的数据包；

步骤2：根据不同时敏业务对时延的要求计算出在节点的可容忍时延T′

式中，T为时敏业务可容忍的时延，T

步骤3：根据编码缓存队列中的数据分组的长度计算出每个数据分组在节点的等待时延T

步骤3.1：根据每个编码节点的链路条数h将所述编码节点等价为h个独立缓存队列，根据马尔科夫过程，计算所有独立缓存队列中的数据分组数H(L)；

式中，π

步骤3.2：利用公式(3)计算出所有数据分组在节点的等待时延T

T

式中，t表示每个编码节点中所有数据包从进入缓存队列到成功发送出去所用时间。

本发明利用时敏业务在节点的可容忍时延T′

步骤4：判断时敏业务在源节点的可容忍时延T′

随机线性网络编码的基本思想是，在进行网络编码时将所有数据分组进行线性组合，并且组合时所使用的编码系数随机选取，解码时通过高斯消元求解线性方程组即可解码出原始数据分组。

现假设发送节点需要发送同一数据流的m'个消息向量，记为X

当中间节点收到k个消息向量并对其进行线性组合：

其中，v

当接收节点收到m'个线性不相关的消息向量后组成一个矩阵：

其中，(p

目的节点进行解码操作：

进一步地，本发明利用空间信息网的广播特性，更有效的在空间信息网中进行随机线性网络编码。如图4所示，当用发送节点选出来的传输路径进行数据传输时，传输路径中的上一跳节点B不停地向下一跳节点C发送数据。由于广播特性，上一跳和下一跳节点的共同邻居节点M和N都会收到这些数据包。当这些邻居节点收到传输路径上的编码包后，与之前收到的编码包进行编码后也转发给传输路径中的下一跳节点C，当下一跳节点C收到k个线性无关的数据包后向上一跳节点B发送一个ACK确认消息，让上一跳节点知道下一跳节点收到了这k个线性无关的数据包，从而不用可以避免进行数据包的重传，提高了传输效率。

步骤5：当中间节点收到来自上一跳节点的数据包后，如果缓存队列数据包来源于不同用户则该节点为流间编码节点，否则不是流间编码节点，如果该节点是流间编码节点，则利用流间网络编码策略进行编码转发，如果该节点不是流间编码节点，则利用流内网络编码策略进行数据传输；

所述流间网络编码策略，如图3所示，具体表述为：

步骤5.1：接收到数据包后，中间节点根据数据包属不属于同个用户来判断是否为流间编码包，如果属于不同用户，则是流间编码包，进入步骤5.2；否则，进入步骤5.3；

步骤5.2：判断该数据包是否是已经编码的数据包，如果能进行解码则解码出需要的原始流内编码包，进入步骤5.3，若不能解码直接丢弃该数据包；

步骤5.3：判断该节点缓存队列的数据包是否来源于不同用户，如果是则该节点是流间编码节点，进入步骤5.4，如果不是进行流内编码，进入步骤5.6；

步骤5.4：判断该节点缓存队列中是否有其他数据流的数据包到达，如果有则进行编码后进入步骤5.6，如果没有则进入步骤5.5；

步骤5.5：将数据包放入缓存队列中，并根据不同时敏业务对时延的要求计算出在该中间节点可容忍时延T′

步骤5.6：直接将数据包转发到下一跳节点。

步骤6：对于所有的中间节点，重复执行步骤5直到转发到目的节点，当目的节点收到所有线性无关的数据包后向上一跳节点发送ACK确认信息，然后对数据包进行解码，解码时通过高斯消元求解线性方程组即可解码出原始数据包，并准备接收下一段编码包，直到接收完并解码出所有的数据段。

为了突出本发明提出的混合网络编码的数据传输算法的有效性，通过具体仿真实验进行验证，利用OMNeT++网络模拟仿真工具进行仿真。并且使用丢包率、平均端到端吞吐量、平均端到端时延和网络编码率作为性能指标。为了说明主动发现编码机会的好处，利用传统的被动寻找编码机会的网络编码方案COPE与本发明提出的方法进行性能对比。选用图5的拓扑结构对本发明方法进行仿真，其网络场景的设置如表1所示，图5中，假设A和D，B和E可以互相侦听，数据流F

表1仿真参数

图6反映了随着速率的不断增加，基于传统网络编码COPE的传输协议和本发明的HNCSITA传输协议的平均端到端时延的变化情况。从图6中可以看出，两种传输协议的平均端到端时延都随着速率的增加而增加。对于HNCSITA而言，当数据的发送速率超过225kbit/s后，平均端到端时延增速较快，这是由于中间的转发节点的缓存队列中聚集的数据包越多，等待的时间就越多，从而平均端到端时延越来越大。当速率超过275kbit/s后，达到相对稳定的状态，时延增加较平缓。由于HNCSITA比传统的网络编码方案多考虑了链路时延以及队列缓存情况，所以时延性能优于基于传统的网络编码协议的时延性能。

图7反映了在编码节点处的编码百分比。从图7中可以看出如果直接采用传统的基于网络编码数据传输方法，则编码百分比一直1，因为传统网络编码方法没有考虑编码时机问题，即使编码缓存里的数据包无法进行编码也会一直等待下去，直到可以进行编码，而本发明给出的基于混合网络编码的中继传输方法由于考虑了编码时机，如果在节点需要的等待时延与链路时延之和大于业务时延要求，则不会等待编码机会直接进行转发，所以编码百分比小于1。随着业务时延要求的增加，在编码节点处可以等待的时间也就逐渐增多，所以编码百分比随着业务时延要求的增加而逐渐增大，所以可以牺牲编码机会来提升网络的时延和吞吐量性能。

图8反映了随着速率的不断增加，基于传统网络编码COPE的传输协议和本发明的数据传输协议的平均端到端吞吐量的变化情况。从图8中可以知道，当数据发送速率较低时，随速率的增加吞吐量的增加较快，这是由于网络中的数据较少时网络传输较快，且数据增多时编码机会也逐渐增多。当数据发送速率增大到一定程度后吞吐量随速率增加较平缓。由于本发明的传输协议在网络编码增益与节点等待时延之间做了折中，同时考虑了链路的传输时延，在单位时间内比于传统网络编码COPE的传输协议收到更多的数据包，从而具有更高的端到端吞吐量。

图9反映了随着速率的不断增加，基于传统网络编码COPE的传输协议和本发明的传输协议的丢包率的变化情况。从图9中可以看出，随着数据发送速率的增加，丢包率都在增加，这是由于速率越高，数据包在节点的缓存队列里等待时延越长，随着数据包的不断聚集，丢包率就越高。而由于HNCSITA不是盲目的等待编码机会，而是考虑了队列中的缓存情况，同时利用流内网络编码增加了可靠性，所以它的丢包率要低于基于传统网络编码COPE。