黄 亮，陈康妮，钱丽萍，陈庆章

1(浙江工业大学 信息工程学院，杭州 310023) 2(浙江工业大学 计算机学院，杭州 310023)

1 引 言

深空探测是本世纪人类三大航天活动之一，也是我国十三五规划重点发展的研究领域.其中，长距离通信是深空探测活动顺利展开亟需攻克的难题[1,2].深空通信具有高误码率、长时延等特点，单链路传输协议很难保证数据的有效传输，例如传统的ARQ机制为保证数据包的正确接收，需对每个丢失的数据包进行逐一的确认，易引发反馈风暴[3,4].在实际的深空通信环境中，单链路通信系统存在明显的不足，如果链路发生事故将会导致数据无法正常传输，极有可能导致最终的通信失败.中继协作传输是无线通信中重要的传输方式之一，通过中继节点之间相互协作实现两端之间的信息传输，在系统能耗、误码特性、中断概率、覆盖范围等方面改善系统性能[5].

喷泉编码[6-10]无需预计信道状态，能够以其无码率的编码特点适应信道的时变性,适用于多链路传输的深空通信系统.文献[9] 提出了一种基于喷泉编码和并行路径的无反馈数据传输协议,通过避免发送端和接收端之间反复的握手过程,缩短数据传输时间.然而，由于深空通信的高误码率特性，编码包在中继过程的任一阶段的丢失都需要源节点不断地补充更多的编码包，这将增加源节点的编码负担，深空通信系统的传输性能严重依赖于前几个中继节点的通信环境.

为了提高深空通信系统的可靠性，在中继协作传输过程中引入反馈机制显得愈发重要.文献[11,12]通过采用独立的喷泉码来确保每一跳中继节点的可靠传输，每个中继节点需对接收到编码包进行译码转发，并向上级节点发送ACK进行确认.该方法虽然确保了数据的可靠性，但是也恶化了传输时延.文献[13]采用级联编码方式，即中继节点对接收到的编码包进行二次编码，但是级联编码方案增加了目的节点的译码复杂度.反馈式喷泉编码[14,15]，在传输过程中适当地引入反馈信息，实现节点之间相关编译码状态信息的共享，达到改善度分布，优化编码性能的目的.文献[15]针对深空单链路通信模型，研究基于反馈式喷泉码的深空传输协议，该方法可以提高编码有效性、减少文件传输时间.然后，单链路中继通信系统有其局限性，一旦某个中继链路发生故障，整个深空通信系统将中断.因此，研究基于反馈式喷泉码的多链路深空多级中继协作传输系统，不仅可以提高通信系统稳定性，而且可以增加并行传输路径以提高传输容量、减少传输时延.

综上所述，本文提出了面向深空中继协作通信系统的采用多级反馈式喷泉码的深空中继协作传输协议.本协议合理地利用有限的反馈信号，调整喷泉码的编码方案，通过基于反馈的多级中继协作编码方案，实现中继节点协助源节点进行编码工作，提高编码包的传递效率，提升深空通信系统整体传输性能.本文对比采用多级反馈式喷泉码和非反馈喷泉码的深空中继协作传输协议，通过理论分析和仿真实验，证明了所提出的传输协议缓解了源节点的编码负担，缩短了传输时间，提高了传输效率.

2 深空协作中继传输协议设计

2.1 深空协作中继网络模型

本文考虑单对单通信的深空协作中继网络系统模型，信息从单一源节点(S)、经过多个平行中继节点(R##)，抵达目的节点(D)，如图1所示.该系统通过多级中继协作通信，实现适合长距离、误码率的深空数据传输协议.

图1 深空多级协作中继系统模型
Fig.1 Cooperative relaying model for

deep space communications

在图1所示的深空多级中继协作网络系统中，在非反馈喷泉码传输协议环境下，仅有源节点(S)具有编码能力，所有分支链路的中继节点(R##)只接收和转发数据.高误码、长时延的深空环境将会严重影响该传输协议的传输性能.因此，本文提出在中继协作传输协议中引入多级反馈式喷泉码[15]，具体协议设计框架如图2所示.中继节点在阶段一时期不断地积累度1包[5]，从而在阶段二时期可以向上反馈信息和向下传递数据包，提高中继节点有效利用率，降低初始节点的数据包传输负担.并通过多级通信链路相互合作进一步提高系统稳定性.

图2 采用多级反馈式喷泉码中继协作传输协议框架

2.2 基于反馈的多级中继协作编码设计

阶段1.

1)源节点根据深空通信系统的架构特征以及具体的信息传输需求，向下游各个中继节点(图1中的R11，R21，和R31)广播一定量的编码数据包，即度1包.确保发送结束后，所有节点都拥有一定数量的度1包，且同层各中继节点在一定程度上含有相对重复的度1包.之后，源节点广播通知信息，告知下游节点进入反馈阶段.

2)在深空中继协作传输系统中，各分支链路独立工作.为加快中继节点度1包的积累，中继节点在接收上级传递的度1包的同时也接收同层中继传递的度1包，并将接收到的数据包传递到下级节点，各中继以此类推，直至传递到目的节点.阶段一的反馈和通知信息被个节点广播和重复转发，允许数据包发生丢失.

阶段2.

1)经过阶段一，所有节点都拥有一定数量的度1包，且同层各中继节点在一定程度上含有相对重复的度1包.为加快中继节点度1包的积累，首先源节点根据LT码鲁棒解的分布挑选需要进行编码的数据包，紧接着对于少数下级中继节点拥有或者未知的数据包进行编码，多数中继拥有的数据包将由后续中继负责完成编码[15].

2)中继节点对新接收到的编码包首先进行检验，如能获取"新的度1包"，则中继存储该度1包并告知到上级节点.如果新收到的编码包中包含后续节点未知的数据包标识，即包含后续节点的"新的度1包"，则进一步完善未完全编码包，并向下发送，剩余编码工作将由后续中继完成.

3)目的节点先合并从上级各中继节点接收到的编码包，然后进行喷泉译码，并将译码信息反馈给上级深空通信链路的各中继节点以及源节点，从而在后续的编码传输中已成功译码信息的重复传输.由于反馈数据包小而且多个协作链路传输相同的反馈信息，丢包概率可以忽略，假设阶段二的反馈信息工作于全双工模式，且只需发送一次，上级节点无需等待.

图3 阶段一各节点接收数据示意图

以图1为例，假设源节点在阶段一发送一轮度1包(p1-p10)后，在发送完成后，所有的中继节点以及目标节点都存储了一定数量的度1包，具体如图3所示.

源节点接收到反馈信息后进入编码，假设新产生一个度4包(p1、p2、p5、p7)，因为第一层的各中继节点R11,R12,R13已经分别存储了(p2、p5、p7、p8、p9)，(p1、p3、p7、p8、p10)，(p1、p2、p4、p7、p9)，其中包p1、p2、p7、p8、p9在第一层中继被反复存储，源节点根据第一层中继的反馈信息只对选中的度4包(p1、p2、p5、p7)中的p5进行编码(p5对后续中继有更大的使用价值)，产生一个未完全编码包交由第一层中继节点进一步编码完善剩余编码.以中继R11为例，中继R11根据中继R12的反馈，对未完全编码包(p1、p2、p5、p7)中的p2进行编码，其中p7存储在目的节点，则不对该编码包进行编码.中继R12对接收到的未完全编码包进行如中继R11的操作，后续中继对接收到的未完全编码包也进行如中继R11的编码操作.基于反馈的多级协作中继编码的编码与转发过程如图4所示，其中实线表示已编码数据包，虚线表示待编码数据包.

图4 基于反馈的多级协作中继编码过程
Fig.4 Feedback-based multi-stage cooperative coding

在中继协作传输协议中采用多级编码方式可以提高传输过程中度1包的比例，促使中继节点存储更多度1包，提升中继参与编码工作的能力，更好地减轻源节点编码负担，为中继协作传输协议的补充编码方案的实现提供了有力条件.在严峻的深空通信环境下，采用多级反馈式编码方式可以在一定程度上释放源节点存储空间，提高源节点的编码效率.

2.3 中继协作补充编码设计

深空通信的长时延、高误码率严重影响了数据的传输性能，主要原因在于源节点需要周而复始的发送编码包以确保数据能够正确到达目的端，在这样的传输环境下，数据丢失情况非常严重，且丢失的数据只能依靠源节点进行补充，即新补充的编码包需要从头开始传递，因此在一定程度上恶化了传输效率.为降低源节点编码负担，加快补充流失的数据，本节提出了协作中继补充编码.

1)每经过一次传输，中继节点都将保存少数先前发送过的编码包.如果在某一传输时隙内，中继未接收到编码包，则随机选择一个存储在该中继的未完全编码包对未编码部分进行重构.

2)编码包替换方案即先从当前中继存储的度1包中进行随机选择，并将选中的度1包的相关标识信息编入到当前编码包中，并进行传输.倘若中继存储的可替换的度1包数量小于未编码部分，则将产生一个度数更小的编码包.由RSD特性可知，度数高的编码包的数量非常有限，因此对整体的度分布影响很小.

图5 中继协作编码重构过程

以图3为例，假设中继节点R11选择了一个未完全编码包进行重构，例如一个度为4的包(p1、p2、p5、p9).采用多级协作中继编码方式可知p2、p9为未编码信息，p1、p5为已编码信息.中继R11将未编码部分即p2、p9替换成R11已存储的信息，例如p7、p8，然后对未完全编码根据后续节点的反馈信息进行多级编码.由于中继R12存储了p7、p8包，因此，中继R11将不对替换包进行重新编码，直接发送给中继R12，如图5所示.R11后续中继节点采用类似的操作，直至数据包传至目的节点.

中继协作补充编码方案虽以增加中继节点开销为代价，但实现了对流失的编码包的补充，减轻了由高误码率引起的源节点的编码负担.中继补充编码承担了大部分的编码工作，由于中继存储度1包数量有限，导致补充编码包中相似编码包占比上升，在一定程度上增加了目的节点的译码工作.在深空环境中，相较于缩短的总体传输时延，增加的这部分译码时间是非常值得的.

3 深空中继协作传输协议性能分析

3.1 传输过程中发包情况分析

我们考虑一个如图1所示的协作中继通信系统，源节点需发送n个数据包给目的节点，共有α条链路可以支持数据传输.我们假设每条链路分别有m-1个转发中继(m≥2)，而且链路信道误码率为pb.若数据包大小的均值为L，则单条链路的丢包率为p=1-(1-pb)L.

在非反馈喷泉码协作中继传输协议中[9]，目的节点成功译码需要的编码包数目为：

P=n(1+ε)(1+β)

(1)

其中，ε为译码开销，β为中继协作传输过程中增加的传递开销.由于信道的误码率为p，系统在α条链路和m-1个转发中继间的协作传输，系统发包总量为：

(2)

同理，在我们提出的多级反馈式协作中继传输协议中，令ε′为所提出传输协议的译码开销，β′为所提出协议中协作传输过程中增加传递开销，则目的节点成功译码所需要的编码包为：

P′=n(1+ε′)(1+β′)

(3)

假设每条链路的每级中继补充编码包的数目与丢失编码包的数目相等，那么系统总发包量为：

(4)

从式(1)和式(3)可以看出两种传输协议在译码包数量P和P′的主要影响因素是β和β′，β(β′)可以理解为协作传输过程中中继节点协作传输的数目.本文提出的传输协议中设计中继协作补充编码方案，在传输的过程中不仅加快了编码包的传递，也在一定程度上增加了编码包的完整性,从而可以得出β>β′.从式(2)和式(4)中可以看出，非反馈喷泉码协作中继传输协议的总发包量W与传输距离相关，距离越远，W增长越快，接近指数增长；而本文所提出的传输协议的总发包量W′的增长速度更接近于线性增长.因此，本文提出的采用多级反馈式喷泉码协作中继传输协议更加适用于远距离传输.

3.2 传输时间分析

在深空通信过程中，数据包需要先编码再发送，系统的总传输时延包括各个节点的编码与发送时延和数据传播时延两部分.考虑到各节点的处理器性能，令单个数据包的编码与发送时延为TPDU.假设源节点与目的节点的距离相对固定，无线数据传播时延为T.非反馈喷泉码协作中继传输协议的总传输时延为：

(5)

同理，在我们所提出的采用多级反馈式喷泉码传输协议中，源节点的编码发送时延包括阶段一数据包广播时期的时延和阶段二时期的编码发送时延，若无线数据传播时延仍为T，则系统的总传输时延为：

(6)

其中，t为两节点之间的传输时延，2t为阶段一时期等待反馈的时间开销.

4 仿真性能分析

通过仿真实验对比分析适用于深空通信的三种不同传输协议性能，包括传统的基于喷泉码的译码转发中继协作传输协议[4]、非反馈喷泉码中继协作传输协议[9]，和我们所提出的采用多级反馈式喷泉码中继协作传输协议.其中，基于喷泉码的译码转发中继协作传输协议由源节点负责编码，目的节点执行译码操作，中继节点对接收到编码包先进行译码操作，译码出的数据包实行重新编码转发.非反馈喷泉码中继协作传输协议由源节点负责编码，中继节点协作转发，目的节点译码.本文提出的采用多级反馈式喷泉码中继协作传输协议，利用中继节点的编码能力协作源节点进行编码.

在OPNET仿真平台上，构建深空通信系统模型，仿真实验分析在不同深空环境下三种深空传输协议的传输性能，包括发包总量和传输时间.我们以地月通信距离为参考，假设相邻两个节点之间的传输时延为1s，且具有相同的丢包率.实验模拟源节点在删除信道下的以1Mbps的传输速率发送10MB数据给目的节点.总的10MB数据被分为1000组，分组长度为10KB.

4.03.02.01.00×1040.10.20.30.40.5丢包率基于多级反馈式喷泉码中继协作传输协议非反馈喷泉码中继协作传输协议基于喷泉码的译码转发中继协作传输协议源节点发包总量中继数基于多级反馈式喷泉码中继协作传输协议非反馈喷泉码中继协作传输协议基于喷泉码的译码转发中继协作传输协议80007000600050004000300020001000012345678源节点发包总量4.03.02.01.00×1040.10.20.30.40.5丢包率基于多级反馈式喷泉码中继协作传输协议非反馈喷泉码中继协作传输协议基于喷泉码的译码转发中继协作传输协议传输过程中总体发包总量图6 不同丢包率下的源图7 不同通信距离下的图8 不同丢包率下的传输节点发包问题源节点发包总量过程中总发包量Fig．6 NumberofpacketstransmittedFig．7 NumberofpacketstransmittedfromFig．8 Totaltransmittedpacketsforfromsourcenodefordifferenetsourcenodefordifferentcommunicationdifferentpacketpacketerrorratesdistanceserrorrates

通过仿真实验，对比了三种协议在不同深空通信环境下源节点发包总量的变化情况，如图6和图7所示.非反馈喷泉码中继协作传输协议在源节点产生的编码包数量随着丢包率和通信距离的增加而快速增加.相对而言，在基于喷泉码的译码转发协作中继传输协议中，由于逐级编码译码，性能不会随着通信距离的增加而快速恶化，因此源节点的发包量比较稳定.我们所提出的采用多级反馈式喷泉码中继协作传输协议，所有中继节点协助源节点进行编码，同时协作传输在一定程度上加快了数据包的传递，进一步降低了传输过程中的丢包量，使得源节点的发包量变化趋势较为平缓.

4.03.02.01.00×104基于多级反馈式喷泉码中继协作传输协议非反馈喷泉码中继协作传输协议基于喷泉码的译码转发中继协作传输协议传输过程中总体发包总量中继数12345678图9 不同通信距离下的传输图10 不同时延和丢包率下图11 不同时延和通信距离过程中总发包量的传输时间下的传输时间Fig．9 TotaltransmittedpacketsforFig．10 TransmissiontimeunderdifferentFig．11 Transmissiontimeunderdifferentdifferentcommunicationdistancesdelayandpacketerrorrateconstraintsdelayandcommunicationdistances

上页图8、图9分析比较了在不同深空环境下，传输过程中总发包量的变化情况.从图8可以看出，采用多级反馈式喷泉码的中继协作传输协议的总发包量相对比较稳定，并没有似非反馈喷泉码的中继协作传输协议，随着丢包率的不断地恶化.从图9可以看出，传输距离越远，基于喷泉码的译码转发中继协作传输协议性能越差，由于每条链路的每级中继都参与到编译转发工作中去，随着距离的增加，编译转发次数也随之上升，整体发包总量也不断地递增.

上页图10、图11分析比较了在不同深空环境下，传输时间的变化情况.在每级时延分别为1s，5s，10s的通信环境下，从图10中可以看出，采用多级反馈式喷泉码中继协作传输协议在一定程度上加快了数据包的传递以及中继节点对数据包的积累，减少了所提出的传输协议在阶段一时期的所需时间代价.图11分析比较了在丢包率一定，传输距离对不同传输协议的传输时间性能的影响，采用多级反馈式喷泉码的中继协作传输协议在远距离的深空通信中时延优势明显.

5 结 论

基于深空通信高误码率、长时延等特性，针对深空单链路通信模型的局限性，提出了一种采用多级反馈式喷泉码的深空中继协作传输协议.相较于非反馈喷泉码中继协作传输协议，所提出的传输协议能够有效降低编码负担、降低传输时延.通过基于反馈的多级中继协作编码方案中的阶段一时期的传输以及中继协作传输方式加快数据包的编码与转发，相较于单链路系统，有效降低源节点的编码与传输负担，提高系统传输稳定性.理论分析和仿真实验表明，采用多级反馈式喷泉码中继协作传输协议能有效降低传输时间，尤其在高误码率和长时延的深空通信中性能提升显著.

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