作者簡介：潘晏濤（1977-），男， 上海人，高級工程師，博士，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò) （E-mail：pytmail@126.com）；鮑振華（1968-），男， 貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：高性能數(shù)據(jù)處理。

摘要：針對氣象信息分發(fā)業(yè)務(wù)中存在的衛(wèi)星廣播信道不可靠問題，在現(xiàn)有的業(yè)務(wù)應(yīng)用層和傳輸信道層之間插入可靠廣播會話層和差錯控制傳輸層，形成面向多信道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可靠廣播體系結(jié)構(gòu)，整合前饋控制和反饋控制方法，利用基于異網(wǎng)反饋的自適應(yīng)前向糾錯和基于智能策略的多信道反饋差錯控制等方法，在VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上提供可靠性可控的廣播分發(fā)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；可靠廣播

中圖分類號：TP 393文獻標識碼：A

1研究背景

衛(wèi)星廣播與地面分發(fā)相比，具有播發(fā)范圍大，系統(tǒng)維護量小，信道帶寬穩(wěn)定，接收靈活機動等獨特優(yōu)勢，是氣象部門進行信息廣域分發(fā)的主要手段。目前，我氣象部門使用的某型VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為單向數(shù)據(jù)廣播和雙向數(shù)據(jù)傳輸兩個獨立系統(tǒng)。其中單向數(shù)據(jù)廣播網(wǎng)絡(luò)采用DVB廣播信道，是承載數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)的主要平臺。單向廣播信道不具備反饋差錯控制能力，信息以一種盡力而為的方式傳輸，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的可靠分發(fā)。在實際應(yīng)用中暴露出以下3個問題。

1）在上層應(yīng)用和廣播網(wǎng)絡(luò)之間缺少負責(zé)報文檢錯和糾錯的可靠傳輸層，需要人工檢測傳輸差錯并申請重傳。系統(tǒng)自動化程度低，人工干預(yù)量大，反饋依賴帶外手段，差錯修復(fù)過程慢。

2）重復(fù)播發(fā)開銷大，反復(fù)重傳也無法保證可靠接收。為了提高傳輸可靠性，現(xiàn)有系統(tǒng)采用了FEC（前向糾錯編碼）和多次廣播等手段。但是前饋控制本質(zhì)上不提供可靠保證，而且在缺少接收端反饋的情況下，很難確定合適的FEC編碼冗余度。過低的冗余度無法達到必要的可靠性，過高的冗余度則會占用較多帶寬資源，從而限制了分發(fā)業(yè)務(wù)的擴展，也影響了分發(fā)的實時性。而簡單進行多次廣播的做法雖然能夠修復(fù)了一些錯誤文件，但也會導(dǎo)致新的錯誤文件覆蓋已正確接收的文件，以致無法達到提高可靠性的效果。以上情況說明在缺少反饋信息的情況下，現(xiàn)有的前饋控制方法無法提供有效的可靠傳輸保障。

3）隨著單個數(shù)據(jù)文件長度增加，數(shù)據(jù)集的應(yīng)用耦合度提高和文件加密等應(yīng)用層機制的建立，廣播數(shù)據(jù)幀丟失所造成的應(yīng)用問題變得更為突出，具體表現(xiàn)在3個方面。首先，過去通過衛(wèi)星廣播分發(fā)的文件一般較小，成幀量少，正確傳輸并組裝的成功率較高。但是隨著衛(wèi)星遙感圖像等大文件增多，文件傳輸成功率不斷下降。其次，過去分發(fā)的信息主要是實況報、傳真圖一類的松耦合數(shù)據(jù)，文件間的關(guān)聯(lián)性不強，因此單個文件丟失一般不影響對其它文件的處理和使用。但是隨著數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品等以數(shù)據(jù)集形式下發(fā)和應(yīng)用的文件不斷增多，部分丟失或損壞對應(yīng)用造成的影響越來越大。目前，某型數(shù)值產(chǎn)品日均下發(fā)1萬余個文件，經(jīng)3次廣播正確接收的比例仍經(jīng)常低于80%。再次，隨著文件加密等應(yīng)用層機制的建立，廣播幀丟失造成文件無法恢復(fù)的情況顯得更加棘手。

針對業(yè)務(wù)應(yīng)用中存在的上述問題，我們利用VSAT雙向信道作為廣播信道的反饋途徑，研究建立基于異網(wǎng)反饋的前向糾錯機制和基于多網(wǎng)協(xié)同的智能化修復(fù)機制，解決廣播信道上的可靠傳輸問題。

2研究背景

目前國內(nèi)外針對衛(wèi)星信道可靠廣播或組播方面的研究主要有兩種技術(shù)路線。

第一種是基于FEC或ALC（異步分層編碼，Asynchronous Layered Coding）的前饋控制方法。ALC是對FEC的改進，主要是通過在多個速率不同的衛(wèi)星廣播信道上一次或多次播發(fā)原始數(shù)據(jù)幀和冗余數(shù)據(jù)幀，并對各信道的播發(fā)內(nèi)容和速率進行控制。這一改進能夠優(yōu)化FEC方法的信道利用率。文獻[1]提出在VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用應(yīng)用層FEC技術(shù)來提高傳輸?shù)目煽啃裕浞抡鎸嶒炚f明這一思路在技術(shù)上是可行的。文獻[2]引入FEC幀亂續(xù)發(fā)送機制，為緩解衛(wèi)星通信中由于連續(xù)丟包造成的FEC糾錯效率下降問題提供了一個可行的解決方法，使FEC方法更加適應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)的傳輸特性。文獻[3]基于ALC協(xié)議框架研究衛(wèi)星可靠廣播問題，采用的CRC32校驗和基于文件的MD5校驗彌補了原有ALC協(xié)議對于文件層校驗的不足，進一步完善了基于前饋控制方法的整體解決方案。

上述研究[1][2][3]通過在應(yīng)用層使用冗余編碼進行前向糾錯來提供可靠性保證，能夠在一定程度上提高單向信道廣播的可靠性。但是前饋控制本質(zhì)上不能提供完全的可靠保證，而且在缺少接收端狀態(tài)信息的情況下，也很難確定合適的編碼冗余度。在誤碼率下降時，可能無法向用戶提供滿足閾值的可靠性保證；在誤碼率穩(wěn)定時，可能造成不必要的帶寬浪費。

第二種技術(shù)途徑是采用基于反饋控制的方法。主要是利用反向信道，通過差錯控制提供可靠保證。文獻[4]提出利用地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成天地網(wǎng)平臺，通過地面網(wǎng)絡(luò)反饋差錯信息，并在發(fā)送端利用反饋信息進行FEC編碼的自適應(yīng)調(diào)整。文獻[5]針對具有雙向信道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，研究現(xiàn)有可靠組播協(xié)議在衛(wèi)星網(wǎng)中的適應(yīng)性改造問題。主要方法是選舉接收情況較好的組成員作為Agent，負責(zé)收集其它組成員的接收狀態(tài)并反饋給發(fā)送端，同時盡可能進行本地修復(fù)。由于沒有充分考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中物理層的星型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)鏈路層的廣播本質(zhì)，該設(shè)計中設(shè)置本地代理的做法效果并不明顯，表現(xiàn)在3個方面：（1）選舉Agent的協(xié)議過程具有較高消息復(fù)雜度；（2）組成員與Agent交互并不比直接與發(fā)送端交互具有更多優(yōu)勢；（3）由Agent負責(zé)修復(fù)的做法在通信代價和修復(fù)延遲上不具有本地化的效果。但文獻[5]提出的接收端延遲一段時間再進行反饋的機制在減少基于衛(wèi)星鏈路進行反饋時的內(nèi)爆（Feedback Implosion）問題方面是值得借鑒的。上述研究[4][5]的利用反向信道進行差錯控制，可以從根本上提供可靠保證。特別是文獻[4]利用異網(wǎng)反饋進行差錯控制的思想和本文的研究思路是一致的。

在氣象通信中利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)廣播，主要是利用其不受限于地面通信基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)勢，對偏遠和機動接收站形成有效覆蓋。我們拋棄了[4]提出的使用地面有線網(wǎng)絡(luò)作為反饋信道的做法，在反饋信道選擇，異網(wǎng)邏輯關(guān)聯(lián)，以及對廣播流、反饋流和修復(fù)流的引導(dǎo)和控制等方面，進行了更為深入的探討。

3總體設(shè)計

根據(jù)對業(yè)務(wù)背景和研究現(xiàn)狀的分析，我們認為應(yīng)在現(xiàn)有的業(yè)務(wù)應(yīng)用層和傳輸信道層之間插入可靠廣播會話層和差錯控制傳輸層，形成面向多信道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可靠廣播體系結(jié)構(gòu)，整合前饋控制和反饋控制方法，在VSAT衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上提供可靠性可控的廣播或組播。

在可靠廣播會話層，研究可靠廣播會話接口，提供面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的程序調(diào)用接口，完善基于共享文件池的松耦合接口，便于應(yīng)用程序以多種方式靈活使用衛(wèi)星廣播信道；研究應(yīng)用層可靠性要求的建模和標記方法，以及這一可靠性要求到傳輸差錯控制層具體傳輸手段和傳輸策略的映射方法；研究分發(fā)文件的唯一性標識和完整性驗證方法，為文件層檢錯糾錯提供基礎(chǔ)。

在差錯控制傳輸層研究多層次自適應(yīng)前饋控制技術(shù)、異網(wǎng)信息反饋技術(shù)和多信道策略化智能修復(fù)技術(shù)。

1）基于反饋信息的多層次自適應(yīng)前饋控制技術(shù)

建立多層次前饋控制機制，在文件層采用FEC編碼，在幀層采用參數(shù)化復(fù)傳技術(shù)。在接收端計算FEC塊冗余量和重復(fù)率兩個指標，建立相應(yīng)的統(tǒng)計方法、反饋方法和分析方法，形成基于反饋信息的前饋控制參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)機制。進一步建立雙向信道誤碼率獲取途徑，研究它與廣播信道誤碼率的相關(guān)關(guān)系模型和轉(zhuǎn)換算法，建立基于信道誤碼率估計的前饋控制參數(shù)調(diào)節(jié)機制。

2）多信道策略化智能修復(fù)技術(shù)

研究重傳請求的相關(guān)性分析方法和基于FEC編碼的最小修復(fù)集計算方法，建立以較少的重傳量修復(fù)較多受損報文的最優(yōu)化修復(fù)機制。綜合考慮修復(fù)申請的數(shù)量、時空分布、修復(fù)層次和相關(guān)性等多種因素，研究基于策略的信道選擇、編碼冗余度調(diào)整和復(fù)傳因子調(diào)整機制，提供綜合利用單播和廣播多種信道，且重發(fā)可靠性可調(diào)節(jié)的智能化修復(fù)機制。

4架構(gòu)流程

高可靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播總體架構(gòu)和工作流程如圖2所示。主要包括發(fā)送端和接收端兩大部分，各5個功能單元：文件管理、前向糾錯、數(shù)據(jù)復(fù)傳、廣播分發(fā)、傳輸管控和雙向代理。

文件管理功能單元向上層應(yīng)用提供可靠廣播的服務(wù)接口：發(fā)送應(yīng)用可通過該接口指定需要的可靠性級別，并通過調(diào)用程序發(fā)送接口或使用共享的發(fā)送文件池發(fā)送文件；對可靠性級別進行映射，將其翻譯為系統(tǒng)可理解的可靠性標識，并根據(jù)該標識啟動盡力而為、前向糾錯、反饋控制等相應(yīng)的傳輸機制；文件到達接受方后，被唯一性標識所識別并以索引形式保存到數(shù)據(jù)庫中成為備份，同時以程序接口和接收文件池兩種形式供接收應(yīng)用使用。

前向糾錯功能單元對有可靠性要求的文件，按照其可靠性標識、播發(fā)范圍和反饋的信道特征統(tǒng)計結(jié)果，選擇適合的編碼冗余度，進行FEC編碼，緩存和發(fā)送；接收端對受到的FEC編碼塊進行校驗和緩存，對滿足最小恢復(fù)數(shù)量的編碼塊序列進行解碼復(fù)原，統(tǒng)計本地的編碼塊冗余量反饋給發(fā)送端；對超時而未達到最小恢復(fù)數(shù)量門限的塊序列，檢查其可靠性要求，若對應(yīng)文件的可靠度標識為1，則啟動重傳申請。申請時需向發(fā)送端提供塊接收位圖。

數(shù)據(jù)復(fù)傳功能單元根據(jù)信道誤碼率估計值和上層指定的傳輸成功率計算單個FEC編碼塊的復(fù)傳因子，以便以要求的概率將其成功傳輸?shù)浇邮斩?；接收端接收?shù)據(jù)塊時對重復(fù)率進行統(tǒng)計，并反饋給發(fā)送端，以便后者進行復(fù)傳因子的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

廣播分發(fā)功能單元對來自文件管理功能單元的文件和來自復(fù)傳子系同的FEC編碼塊進行UDP/IP/MPEG-2多重協(xié)議封裝，將有效載荷插入MPEG-2幀中向接收端發(fā)送。

雙向代理功能單元利用雙向信道在廣播的收發(fā)兩端建立可靠信道，制定和采用約定編碼封裝和反饋接收端的統(tǒng)計信息和重傳申請；根據(jù)傳輸管控功能單元的調(diào)度實施點對點修復(fù)；向發(fā)送端傳輸管控功能單元提供雙向信道誤碼率。

傳輸管控功能單元接收文件管理功能單元提供的分發(fā)文件id、文件名、可靠性標識、唯一性標志和分發(fā)時間等信息，制作分發(fā)文件目錄并下發(fā)給各個接收端；接收和匯總反饋的統(tǒng)計信息，將冗余量、復(fù)傳成功率和雙向信道誤碼率提供給前向糾錯和數(shù)據(jù)復(fù)傳功能單元；接收前向糾錯功能單元的FEC塊接收結(jié)果位圖，確定FEC數(shù)據(jù)塊級傳輸差錯，向發(fā)送端提出重傳申請；比對分發(fā)目錄和文件管理功能單元發(fā)來的收文情況統(tǒng)計，確定文件級傳輸差錯，向發(fā)送端提出重傳申請；發(fā)送端傳輸控制功能單元接收和匯總FEC數(shù)據(jù)塊級重傳申請，分析其中的相關(guān)性，確定最優(yōu)的修復(fù)數(shù)據(jù)集；根據(jù)修復(fù)范圍、修復(fù)內(nèi)容和修復(fù)本身所需要的可靠度等因素選擇適合的修復(fù)信道和修復(fù)方法，確定傳輸參數(shù)的建議值。

5關(guān)鍵技術(shù)

5.1基于異網(wǎng)反饋的混合差錯控制

傳統(tǒng)FEC技術(shù)通過在原有的信息分組上加上冗余的奇偶分組，使得在出現(xiàn)分組丟失情況下，只要收到足夠數(shù)量的分組，接收方就可以恢復(fù)出完整數(shù)據(jù)而不需要重傳。這一特性在單向信道或在時延較大的信道中極具吸引力，特別適合衛(wèi)星廣播應(yīng)用。

但是，傳統(tǒng)FEC依然存在著一些問題，首先是因為需要發(fā)送冗余而浪費了帶寬；其次，單純的FEC并不足以實現(xiàn)完全的可靠分發(fā)，當網(wǎng)絡(luò)條件太差或因突發(fā)的原因（如主干線路的突然短暫阻塞或斷開）造成丟包率過高時，F(xiàn)EC將無法正確恢復(fù)原始數(shù)據(jù)包，而又由于其不能實現(xiàn)重傳，從而不能提供完全的可靠性保證。

從確保可靠的角度來講，必須采用反饋重發(fā)技術(shù)。因此，在傳統(tǒng)FEC技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合反饋控制，使兩者互補，利用反饋控制解決高可靠問題，利用單向信道上的前饋控制克服雙向信道吞吐量低的缺陷，就能在衛(wèi)星廣播分發(fā)中形成了一種較為高效和靈活的差錯控制機制，具體包括3個方面。

1）多終端最小修復(fù)集選擇機制。由于采用了FEC編碼，當多個終端無法收到所需數(shù)量的FEC數(shù)據(jù)塊時，可以在各種可能的修復(fù)方案中選取交集，從而通過重傳最少數(shù)量的FEC塊，修復(fù)盡可能多的接收節(jié)點。

2） 基于異網(wǎng)反饋的FEC編碼冗余度調(diào)節(jié)機制。由于采用的異網(wǎng)信息反饋，發(fā)送端可以根據(jù)接收端收到FEC數(shù)據(jù)塊的冗余程度，對編碼參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。這樣既保證了大多數(shù)節(jié)點可以在首輪傳輸中成功接收報文，又避免了冗余度過大對廣播信道的帶寬占用。

3） 多信道重傳修復(fù)機制。由于通過應(yīng)用層編址將分屬廣播信道和雙向信道的物理主機構(gòu)造為邏輯上統(tǒng)一的節(jié)點，分發(fā)節(jié)點可以在修復(fù)階段根據(jù)申請數(shù)量、時空分布、修復(fù)層次和修復(fù)集相關(guān)性等多種因素，選擇不同的信道和播發(fā)方式，從而提高傳輸網(wǎng)絡(luò)的整體利用效能。

5.2FEC數(shù)據(jù)塊發(fā)送調(diào)度方法

衛(wèi)星廣播網(wǎng)絡(luò)和地面IP網(wǎng)絡(luò)相比，傳輸帶寬和流量相對穩(wěn)定，由于帶寬競爭出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失很少，造成丟幀的主要原因是信號衰減和線路干擾。這就決定了衛(wèi)星廣播信道數(shù)據(jù)丟失的主要特點是：丟幀率較低、連續(xù)發(fā)生丟幀的概率較高。這種連續(xù)丟幀對可靠傳輸?shù)挠绊懞艽?。因為如果發(fā)生連續(xù)性丟幀，就可能造成FEC機制無法進行成功恢復(fù)。針對此問題需要研究FEC數(shù)據(jù)塊發(fā)送調(diào)度方法，基本思路是引入亂序處理[2]，盡量增大屬于同一個文件的FEC數(shù)據(jù)塊的發(fā)送間距。

亂序算法如下：將每m個文件（每個包括n個原始數(shù)據(jù)塊和k個冗余數(shù)據(jù)塊），即m（n+k）個數(shù)據(jù)塊，順序編號為u1，u2，…，um（n+k），進行亂序處理，使原來次序為x的數(shù)據(jù)塊在發(fā)送序列中的次序為（（n+k-x mod（n+k））m）+x%（n+k）。采用這種調(diào)度順序能夠使得屬于同一文件的兩個相鄰數(shù)據(jù)塊的最小間距為m。這樣即使連續(xù)丟失m×k個數(shù)據(jù)塊，也可以利用FEC算法成功恢復(fù)文件。容易證明在一個長度為m（n+k）的序列中分布k+k個數(shù)據(jù)塊時，任意兩個數(shù)據(jù)塊的距離最小值不大于m。因此該算法可以極大提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

5.3復(fù)傳因子計算方法

定義復(fù)傳因子為數(shù)據(jù)塊可靠傳輸所需的必要重傳次數(shù)。對于不同的數(shù)據(jù)類型和不同規(guī)模的分發(fā)范圍，復(fù)傳因子有所不同，可以分為元類型復(fù)傳因子和基于數(shù)據(jù)塊的復(fù)傳因子等。

根據(jù)衛(wèi)星廣播信道特點，當接收站在空間上散布在較大范圍上時，下行鏈路上的丟幀是相互獨立的事件。為了簡化計算，并保證廣播成功概率，不妨做兩個最壞的假設(shè)：（1）從發(fā)送站到各個接收站的空間段鏈路（包括衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)在內(nèi)）上，丟幀事件相互獨立；（2）各條鏈路的信道誤碼率按最差小站的信道誤碼率計算。設(shè)DVB廣播信道上的接收節(jié)點數(shù)目為N，到最差小站的報文單次廣播成功率為Pmin，則到所有小站的單次廣播成功率為（Pmin）N。當N=100時，重發(fā)次數(shù)數(shù)學(xué)期望E=1.0451。若采用2為復(fù)傳因子，則到所有小站的成功廣播概率為99.81%。若eps=0.9999，則需采用3為復(fù)傳因子。

6結(jié)束語

本文從業(yè)務(wù)應(yīng)用的現(xiàn)實需求出發(fā)，適應(yīng)分發(fā)數(shù)據(jù)不斷增加，分發(fā)文件不斷增大和數(shù)據(jù)集耦合度不斷增強的發(fā)展趨勢，以解決衛(wèi)星可靠廣播問題為目標，立足現(xiàn)有衛(wèi)星信道資源，通過多信道融合利用解決缺少反饋途徑等關(guān)鍵技術(shù)障礙，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出層次較為清晰、結(jié)構(gòu)較為完整的高可靠衛(wèi)星廣播技術(shù)框架，形成綜合多種前饋控制和反饋控制手段的可靠傳輸解決方案，提出基于異網(wǎng)反饋的多層次自適應(yīng)前饋控制方法、基于重傳請求編碼相關(guān)性的最小修復(fù)集計算方法和基于重傳請求時空相關(guān)性的策略化智能修復(fù)方法等若干技術(shù)思路和解決途徑，對推動相關(guān)技術(shù)研究具有一定的學(xué)術(shù)價值，對提高氣象信息分發(fā)正確性和分發(fā)效率具有顯著的現(xiàn)實意義。

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