屈天剛

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭從平臺中心戰(zhàn)正向網(wǎng)絡中心戰(zhàn)[1]轉(zhuǎn)變，大量小型傳感器、單兵通信設(shè)備、電子對抗設(shè)備等都加入到全球信息網(wǎng)格(GIG，Global information Grid)，使得網(wǎng)絡通信速率需求越來越大。這種需求將給現(xiàn)在通信網(wǎng)絡帶來巨大的挑戰(zhàn)，從傳輸速率、網(wǎng)絡安全性、傳輸延遲、誤碼率等指標上都提出了新的要求。

1 網(wǎng)絡編碼背景

近年來研究顯示網(wǎng)絡編碼技術(shù)[2-3]能夠極大的提高網(wǎng)絡速率、安全性[4-5]和可靠性[6]。特別是網(wǎng)絡編碼技術(shù)在網(wǎng)絡層的應用成為研究熱點，因其不需要改變網(wǎng)絡硬件設(shè)備，僅需要進行軟件升級。網(wǎng)絡編碼技術(shù)最初在有線多播網(wǎng)絡中提出，并證明了可以改善網(wǎng)絡容量、可靠性和傳輸時間[7]。在有線網(wǎng)絡中，傳統(tǒng)的路由器和交換機只是對報文進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)操作，而采用網(wǎng)絡編碼后，將對到達的報文進行線性的編碼合并，這樣輸出不再是所有輸入報文之和，而只是最大輸入報文大小的編碼報文。當接收端接收到足夠多的編碼報文構(gòu)造出一組相互獨立的線性方程組便可解出所有原始報文。由于無線鏈路的不可靠性和物理層廣播特性非常適合采用網(wǎng)絡編碼，無線網(wǎng)絡環(huán)境應該是網(wǎng)絡編碼首先被應用的領(lǐng)域。網(wǎng)絡編碼技術(shù)無線通信網(wǎng)絡中主要提供以下好處：

1）網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)絡中的應用可以提高網(wǎng)絡的吞吐量，尤其是組播吞吐量。無線網(wǎng)絡的廣播特性使其非常適合使用網(wǎng)絡編碼，當一個節(jié)點傳輸一個數(shù)據(jù)包給它的一個鄰居節(jié)點時，它的其它鄰居節(jié)點也可以接收到這個數(shù)據(jù)包。因此，當一個節(jié)點的鄰居節(jié)點對不同的數(shù)據(jù)包感興趣時，可以將這些數(shù)據(jù)包編碼后再一起傳輸，這樣子可以使其所有的鄰居節(jié)點都收到感興趣的數(shù)據(jù)包并可以節(jié)約無線資源，提高傳輸速率。

2）網(wǎng)絡編碼將收到的原始信息包進行編碼后發(fā)送出去，但不同的是網(wǎng)絡編碼中各編碼后的包具有相同的重要性，接收端只要接收到足夠數(shù)量的包就能進行解碼，從而提高了網(wǎng)絡的魯棒性和適應性。

3）網(wǎng)絡編碼提高無線網(wǎng)絡安全性，網(wǎng)絡中間節(jié)點在對收到的信息進行網(wǎng)絡編碼的過程，是一個融合來自不同源不同類別的信息的過程，即使不使用額外的加密算法，也提高了信息截取者成功譯碼的難度。

本文將以戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信鏈為背景，研究網(wǎng)絡編碼的在Link-16數(shù)據(jù)鏈中的潛在應用。

2 網(wǎng)絡編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信鏈的應用

以美軍Link-16數(shù)據(jù)鏈[8]為例，在時分多址模式(TDMA)下采用半雙工無線中繼的多跳視距通信來達到超視距通信的覆蓋。Link-16采用預先分配好的時隙構(gòu)成幀，每個幀中時隙也是采用提前分配原則指定使用的節(jié)點。這樣每個時隙對應的節(jié)點可能有三種工作模式：

1）發(fā)送模式：屬于信源發(fā)送數(shù)據(jù)，需要注意的是一個幀里面可能存在多個發(fā)送時隙。

2）中繼模式：非信源發(fā)送數(shù)據(jù)，用于幫助其他節(jié)點傳輸，只有具備中繼功能的節(jié)點才能設(shè)置為該模式。

3）接收模式：在節(jié)點不處于發(fā)送或者中繼模式，則必須設(shè)置為接收模式。

在每個時隙，只能有一個節(jié)點處于發(fā)送模式或者中繼模式，其他節(jié)點處于接收模式。

2.1 基本思想

在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的鏈路層引入網(wǎng)絡編碼思想，每個時隙傳送的數(shù)據(jù)將是合并之后的接收數(shù)據(jù)，而不是原來的中繼數(shù)據(jù)或者信源數(shù)據(jù)。以下將分別考慮固定時隙合并和機會時隙合并方案，以及僅在中繼合并和所有節(jié)點可進行時隙合并的方案。

在固定時隙合并方案中，傳輸由提前分配好的時隙分配決定。當網(wǎng)絡初始化的時候，每個時隙每個節(jié)點的動作將作為網(wǎng)絡參數(shù)傳遞給每個節(jié)點。在什么時候進行信息合并也可以提前預知，這樣做的好處是不需要任何網(wǎng)絡編碼開銷，因為在網(wǎng)絡初始化的時候，可編碼時隙就已經(jīng)確定，譯碼利用提前已知的編碼時隙分配便可以完成原始數(shù)據(jù)提取。

在機會時隙合并方案中，從合適大小的伽羅華域(Galois field)中隨機選擇合并系數(shù)，對接收到的數(shù)據(jù)和自身可能產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)進行合并處理。但是在接收端譯碼原始信息時，需要額外的編碼信息作為邊信息(side information)。因為編碼決策過程在收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行，因此這種方案具備根據(jù)網(wǎng)絡狀況自適應調(diào)整的能力。

2.2 固定時隙合并

下面舉例說明網(wǎng)絡編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信應用實例，考慮N1～N4個節(jié)點想要互相交換信息，但是它們之間無直接鏈路，需要中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。其中N1～N4可以工作在發(fā)送和接收模式，中繼節(jié)點可以工作在發(fā)送和中繼模式。采用固定時隙方案，僅考慮中繼節(jié)點進行編碼操作。

傳統(tǒng)方式下，需要8個時隙完成通信：

時隙1:N1向R發(fā)送數(shù)據(jù)x1

時隙2:N2向R發(fā)送數(shù)據(jù)x2

時隙3:N3向R發(fā)送數(shù)據(jù)x3

時隙4:N4向R發(fā)送數(shù)據(jù)x4

時隙5:R向所有節(jié)點廣播x1

時隙6:R向所有節(jié)點廣播x2

時隙7:R向所有節(jié)點廣播x3

時隙8:R向所有節(jié)點廣播x4

固定時隙合并方式下，考慮節(jié)省時隙方案，則僅需要7個時隙便可完成通信：

時隙1:N1向R發(fā)送數(shù)據(jù)x1

時隙2:N2向R發(fā)送數(shù)據(jù)x2

時隙3:N3向R發(fā)送數(shù)據(jù)x3

時隙4:N4向R發(fā)送數(shù)據(jù)x4

時隙5:R向所有節(jié)點廣播x1⊕x2

時隙6:R向所有節(jié)點廣播x2⊕x3

時隙7:R向所有節(jié)點廣播x3⊕x4

如圖1所示，固定時隙合并僅在中繼節(jié)點處完成，中繼發(fā)送x1⊕x2，x2⊕x3和x3⊕x4，其中⊕表示GF(2)上的求和。由于發(fā)送時隙和合并方式固定，那么當N1節(jié)點收到x1⊕x2時，通過 x1⊕(x1⊕x2)便可得到 x2，以此類推，每個節(jié)點都可以譯碼出需求的原始信息。體現(xiàn)到性能上便是傳輸時隙的減少，中繼節(jié)點對應輸入輸出的數(shù)學表達式為：

其中A表示網(wǎng)絡編碼合并矩陣，由時隙分配方案決定。

圖14 源節(jié)點，1中繼場景

考慮固定時隙合并的提高可靠性方案時，可以利用節(jié)省的時隙8來提升網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

時隙8:R向所有節(jié)點廣播x1⊕x4。

利用冗余的傳輸來提高戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡中一些重要數(shù)據(jù)傳輸也是一種必要考慮。對應數(shù)學表達式中編碼矩陣A將表示為：

可以觀察到，矩陣最下面一行便是額外增加傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以用來增加網(wǎng)絡可靠性，但是缺點是不能節(jié)約帶寬。

2.3 機會時隙合并

與固定時隙合并不同，機會時隙合并需要節(jié)點有機會監(jiān)聽到其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，比如 N1發(fā)送x1時，N2會監(jiān)聽到x1，并成功譯碼。因此，每個節(jié)點都可以進行編碼操作，即每個節(jié)點都將發(fā)送自己時隙數(shù)據(jù)和監(jiān)聽到的其他節(jié)點時隙數(shù)據(jù)的線性組合。這樣的操作意味著每個節(jié)點必須通知接收端它進行合并操作的時隙。下面以一種特例說明機會時隙合并方案，具體流程如下：

時隙1:N1向R發(fā)送數(shù)據(jù)x1；N2，N3，N4監(jiān)聽到N1并譯碼出x1

時隙2:N2向R發(fā)送數(shù)據(jù)b21x1⊕x2；N3，N4監(jiān)聽到N2并譯碼出x2

時隙3:N3向 R發(fā)送數(shù)據(jù) b31x1⊕b32x2⊕x3；N4監(jiān)聽到N3并譯碼出x3

時隙4:N4向 R發(fā)送數(shù)據(jù) b41x1⊕b42x2⊕b43x3⊕x4；無其它節(jié)點監(jiān)聽到N4

時隙5:R向所有節(jié)點廣播y1

時隙6:R向所有節(jié)點廣播y2

時隙7:R向所有節(jié)點廣播y3

時隙8:R向所有節(jié)點廣播y4

此時網(wǎng)絡編碼的作用將提高網(wǎng)絡可靠性，中繼節(jié)點對應輸入輸出的數(shù)學表達式為：

所有的參數(shù)都從合適的伽羅華域中選取，并且能夠保產(chǎn)生滿秩的矩陣A和B。具體參數(shù)選擇根據(jù)不同實際場景而定。

下面給出一些結(jié)論以便幫助理解網(wǎng)絡編碼技術(shù)在基于TDMA的Link-16數(shù)據(jù)鏈中的優(yōu)勢和限制：

1）對于N的源節(jié)點（即有N的產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)的時隙）和R跳中繼節(jié)點的網(wǎng)絡，完成一個周期的信息交換需要總計N(R+1)的時隙。如果僅在中繼節(jié)點進行編碼工作，那么網(wǎng)絡編碼操作將帶來R個時隙的節(jié)省。對應單中繼網(wǎng)絡，那么將節(jié)省的帶寬為1/2N。

2）對于網(wǎng)絡中僅具備接收功能的節(jié)點，由于不能進行編碼操作，它們不能節(jié)省任何帶寬，中繼節(jié)點必須保證發(fā)送線性無關(guān)的數(shù)據(jù)給這些節(jié)點，來保證正確譯碼。同樣，在多跳網(wǎng)絡中，下一跳中繼如果僅進行所有非本地時隙的重傳，那么也不能達到節(jié)省帶寬的目的。

3）通過重傳時隙的線性組合可以提高網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃裕@種可靠性的增加將在仿真部分討論。

4）對于固定時隙合并方案，來之GF(2)域的系數(shù)已經(jīng)足夠保證完成線性合并，并且通過先驗的時隙分配能夠提前分配好系數(shù)。

3 網(wǎng)絡編碼的性能評估

在本小結(jié)將對網(wǎng)絡編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)通信鏈中的性能進行評估，仿真采用圖1所示4個源節(jié)點1個中繼節(jié)點場景。對于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡，將態(tài)勢感知和偵查圖像等重要信息發(fā)送到每個節(jié)點對于作戰(zhàn)任務至關(guān)重要，因此這里我們將以所有數(shù)據(jù)準確發(fā)送到每個節(jié)點的概率作為衡量網(wǎng)絡質(zhì)量的指標。

圖2演示了中繼節(jié)點僅充當數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能時，固定時隙合并對應的節(jié)省時隙方案和提高可靠性方案的性能。根據(jù)前面描述，可以很輕易的得到固定時隙合并的節(jié)省時隙方案節(jié)省 1/8帶寬的結(jié)論。通過仿真可以觀察到，網(wǎng)絡編碼固定時隙合并方案下，所有數(shù)據(jù)發(fā)送到每個節(jié)點的概率大大優(yōu)于非網(wǎng)絡編碼方案。甚至是節(jié)省時隙方案時的性能都優(yōu)于非網(wǎng)絡編碼方案，這是由于節(jié)省時隙方案降低了發(fā)送次數(shù)，從而使得累積的不能到達次數(shù)減少。而采用網(wǎng)絡編碼固定時隙的提高可靠性方案后，從仿真可以進一步觀察到其所有數(shù)據(jù)發(fā)送到每個節(jié)點概率增加。充分驗證了網(wǎng)絡編碼固定時隙分配方案對于提高戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡質(zhì)量的優(yōu)勢。

圖2 4源節(jié)點，1中繼場景，固定時隙合并方案

圖3 4源節(jié)點，1中繼場景，機會時隙合并方案

圖3演示了4源節(jié)點和1中繼節(jié)點場景下的機會時隙合并和固定時隙合并方案。這里考慮 4個源節(jié)點有不同的機率監(jiān)聽到其它節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，仿真中采用概率為 p=0.25。從仿真可以觀察到當源節(jié)點有機會監(jiān)聽到其它節(jié)點信息的時候(p=0.25)，機會時隙合并方案的性能優(yōu)于固定時隙合并方案。當然機會時隙合并方案也會帶來一定的額外網(wǎng)絡管理開銷，由于開銷相比數(shù)據(jù)來說屬于一個較小值，因此仿真中忽略該開銷并不影響曲線走勢和分析。

4 結(jié)語

在基于TDMA的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中，網(wǎng)絡編碼使用的基本原則就是對時隙數(shù)據(jù)進行編碼合并。本文針對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信特點，歸納了網(wǎng)絡編碼對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信可能帶來節(jié)約帶寬和提高可靠性的優(yōu)勢。并仿真分析了提出的固定時隙合并和機會時隙合并方案的性能，證明了歸納結(jié)論的正確性。在未來的工作中，將進一步考慮網(wǎng)絡開銷和隨機信道模型下網(wǎng)絡編碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信中的使用，以便將網(wǎng)絡編碼推廣到工程實踐。

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