馮玉龍

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 引言

在傳統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中，為了解決雨衰等因素對文件分發(fā)可靠性的影響，一般采用基于端到端的分組級FEC(Forward Error Control)技術(shù)。但由于衛(wèi)星接收站所在的地理位置跨度較大，所處區(qū)域不同，降雨等級不同，降雨對衛(wèi)星下行鏈路的影響往往呈現(xiàn)異構(gòu)性的特點(diǎn)，而端到端的FEC技術(shù)采用統(tǒng)一的糾錯(cuò)碼率，對于處在不同降雨區(qū)域的接收端來說，帶寬公平利用的問題一直無法很好地解決，進(jìn)而影響了衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的整體性能。

目前，關(guān)于改善衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)性能的方法大致有兩類，一類是選擇新的FEC編碼方式，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率，如 Raptor碼［1］、LDPC 碼［2］，缺點(diǎn)是增加了編譯碼的復(fù)雜度;一類是優(yōu)化現(xiàn)有的FEC技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率，如文獻(xiàn)［3］中提出了一種包組聯(lián)合的自適應(yīng)FEC技術(shù)，依托該技術(shù)網(wǎng)絡(luò)吞吐率有所提高，但關(guān)聯(lián)冗余包丟失時(shí)，性能將急劇惡化;文獻(xiàn)［4］給出了一種冗余遞增的分組級FEC策略，一定程度上改善了吞吐率，但并未考慮到下行鏈路的異構(gòu)性問題;文獻(xiàn)［5］給出了一種基于FEC+ARQ的解決策略，通過接收端對誤碼率的檢測并定時(shí)向發(fā)送端進(jìn)行報(bào)告，自適應(yīng)改變FEC糾錯(cuò)碼率，但過大的回傳時(shí)延忽略了用戶對多媒體數(shù)據(jù)的視聽效果。以上兩類方法，都是基于端到端的FEC技術(shù)進(jìn)行的優(yōu)化改善，因?yàn)槿哂喾纸M占用上行共享鏈路，所以都無法根本解決降雨對下行鏈路的異構(gòu)性影響。文獻(xiàn)［6］中提出了一種采用預(yù)測估值思想來調(diào)整碼率的動(dòng)態(tài)控制策略，但由于不同區(qū)域降雨規(guī)律變化較大，預(yù)先估值的不確定性同樣可能產(chǎn)生冗余開銷，降低網(wǎng)絡(luò)吞吐率。針對下行鏈路的異構(gòu)性問題，本文提出基于星上自適應(yīng)FEC的數(shù)據(jù)分發(fā)解決策略，即依托再生轉(zhuǎn)發(fā)器和多波束技術(shù)建立衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)，在星上采用分組級FEC技術(shù)，通過觸發(fā)式回傳信令獲取不同下行波束的降雨等級，根據(jù)降雨等級選擇糾錯(cuò)碼率，從而實(shí)現(xiàn)對下行鏈路差錯(cuò)控制的動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率。

2 基于再生轉(zhuǎn)發(fā)器和多波束技術(shù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)模型

為了解決下行鏈路的異構(gòu)性問題，構(gòu)建如圖1所示的基于再生轉(zhuǎn)發(fā)器和多波束技術(shù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)模型。

圖1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)模型Fig.1 Satellite data distribution system model

圖1中，Pu表示上行共享鏈路的分組出錯(cuò)率，假定有m個(gè)下行波束，各下行波束內(nèi)的分組出錯(cuò)率為Pdm，波束內(nèi)接收端密度為每波束t個(gè)接收端，接收端配有降雨檢測傳感器。星上再生處理器設(shè)有碼率轉(zhuǎn)換開關(guān)，根據(jù)回傳信令自適應(yīng)調(diào)整糾錯(cuò)碼率，如沒有收到回傳信令，則直接轉(zhuǎn)發(fā)。

由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)通常工作在Ku、Ka等頻段，降雨衰耗是造成分組出錯(cuò)的主要因素。其中降雨對上行鏈路的影響通常采用自動(dòng)上行鏈路功率控制的方式來消除，所以這里主要針對降雨等因素對下行鏈路造成的異構(gòu)性影響，因?yàn)樾l(wèi)星是不會因?yàn)榫植繀^(qū)域降雨而進(jìn)行星上功率調(diào)節(jié)的［7］。假設(shè)各波束內(nèi)接收端受到降雨影響相同，我們參照文獻(xiàn)［7］給出了下行鏈路信道差錯(cuò)模型，其中，當(dāng)降雨等級在暴雨以上時(shí)，數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)將無法正常工作，因而沒有給出取樣值。

表1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)下行信道差錯(cuò)模型Table 1 Satellite data distribution system downlink channel error model

3 星上自適應(yīng)FEC的方法描述

結(jié)合圖1建立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)模型，星上自適應(yīng)FEC的方法描述如下:初始狀態(tài)，發(fā)送端將文件按照默認(rèn)糾錯(cuò)碼率(對應(yīng)大部分接收端的多云和晴朗的信道環(huán)境)進(jìn)行編碼發(fā)送，衛(wèi)星收到數(shù)據(jù)后實(shí)行直接轉(zhuǎn)發(fā)，接收端以默認(rèn)碼率解碼;如果衛(wèi)星收到任何波束內(nèi)接收端的回傳信令，則表示該波束受降雨影響，接收端可能因此無法正確恢復(fù)文件，進(jìn)行同步確認(rèn)后，停止對相應(yīng)波束直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是對后續(xù)文件進(jìn)行解碼，并以新碼率重新編碼發(fā)送到指定波束覆蓋的接收端中，其他未受降雨影響的波束仍實(shí)行直接轉(zhuǎn)發(fā)。該策略采用觸發(fā)式回傳，回傳信令開銷只在降雨開始和結(jié)束之后，幾乎可以忽略不計(jì)。

其中，碼率調(diào)整算法描述如下:假定發(fā)送端采用(n，k)RSE 編碼［8，3］，當(dāng)接收端傳感器檢測到降雨時(shí)，會根據(jù)降雨等級產(chǎn)生相應(yīng)的碼率調(diào)整指令回傳給衛(wèi)星，以提高糾錯(cuò)效果，星上處理器收到指令后以α為梯度進(jìn)行碼率調(diào)整，其中梯度α的定義是冗余率的提高比例，調(diào)整后編碼為(x，k)，則

梯度α的值不能太小，因?yàn)樘〔荒軡M足糾錯(cuò)效果，而梯度過大會降低傳輸效率，α范圍應(yīng)在［0.2，0.5］區(qū)間內(nèi)。對照下行信道的差錯(cuò)模型，表2給出了降雨等級和碼率調(diào)整的對應(yīng)關(guān)系。

表2 降雨等級和碼率調(diào)整關(guān)系表Table 2 Relation between rain level and code rate changing

從表中還可以看出，碼率調(diào)整指令只有2 b開銷，所以回傳信令幾乎就等于1個(gè)IP報(bào)頭開銷，由于是觸發(fā)式回傳，只在降雨前后產(chǎn)生a(a=接收端到衛(wèi)星的傳輸時(shí)延×接收端的回傳信令速率×2)個(gè)回傳信令開銷，和傳輸總文件大小相比幾乎可以忽略不計(jì)。

4 算法性能分析

假設(shè)發(fā)送文件大小為f(單位B)，分組中信息長度為I(單位B)，則一個(gè)文件打包為「f/I?個(gè)分組，分組長度為s(單位B)，下行波束數(shù)量為r個(gè)，每波束接收機(jī)數(shù)量為t個(gè)，受降雨影響的波束為yw(w∈{1，2}，分別對應(yīng)弱降雨、強(qiáng)降雨)個(gè)，上行鏈路分組出錯(cuò)率用pu表示，未受降雨影響的波束分組出錯(cuò)率相同均用pd表示，受降雨影響的分組出錯(cuò)率用pdw表示。在評價(jià)算法的性能時(shí)，我們主要針對文件正確分發(fā)率β和網(wǎng)絡(luò)吞吐率T兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

要想使文件成功被分發(fā)，則必須使所有r個(gè)波束內(nèi)的接收機(jī)都成功接收到文件的全部分組，所以在沒有采用FEC的情況下，文件正確分發(fā)率β為

當(dāng)采用基于端到端的FEC策略(下文簡稱“普通FEC”)，即(n，k)RSE編碼，則一個(gè)文件被分割成「「f/I?/k?個(gè)FEC塊。要想使文件成功被分發(fā)，必須使所有r個(gè)波束的接收機(jī)都能成功收到每個(gè)FEC塊的任意k個(gè)分組，因而文件正確分發(fā)率βF為

當(dāng)采用星上自適應(yīng)FEC策略(下文簡稱“自適應(yīng)FEC”)，發(fā)送端采用(n，k)RSE編碼，星上采用(nw，k)RSE編碼，則文件正確分發(fā)率βZF為

下面我們來分析一下網(wǎng)絡(luò)吞吐率。影響網(wǎng)絡(luò)吞吐率的主要有編碼引起的冗余包開銷、分組報(bào)頭開銷和丟包開銷，因此，采用普通FEC的網(wǎng)絡(luò)吞吐率TF為［9］

采用自適應(yīng)FEC后的吞吐率TZF為

5 仿真與分析

下面我們來看一下算法的仿真性能，首先設(shè)置仿真共性參數(shù)，考慮到硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度引起的時(shí)延問題，一個(gè)FEC塊的分組數(shù)量取k=10，RSE碼長取8 b，參照文獻(xiàn)［9］的仿真結(jié)論，RSE碼的最佳分組長度為128 B，因而這里我們?nèi)》纸M長度為 s=128 B，IP報(bào)頭長度為s－I=24 B，上行共享鏈路誤比特率取樣值為1×10－11，下行鏈路誤比特率對應(yīng)不同的降雨程度取樣值參照表1。以受降雨影響的下行波束值變化來反映異構(gòu)性帶來的影響，參照表1的降雨時(shí)間分布，假定受弱降雨和強(qiáng)降雨影響的波束比例為2∶1，其他未受降雨影響的下行波束誤比特率相同。

圖2給出了沒有采用FEC、采用普通FEC和自適應(yīng)FEC 3種策略下文件正確分發(fā)率隨受降雨影響波束值變化的情況。從圖2中可以得出如下結(jié)論:

(1)沒有采用FEC的分發(fā)系統(tǒng)在有強(qiáng)降雨影響時(shí)，無法正常工作;

(2)初始糾錯(cuò)碼率相同時(shí)，自適應(yīng)FEC的正確分發(fā)率明顯高于普通FEC，但要想保證99%以上的正確分發(fā)率以確保系統(tǒng)正常工作，初始糾錯(cuò)碼率必須達(dá)到n－k=6;

(3)隨著降雨影響波束的增多，普通FEC文件正確分發(fā)率的衰落速度明顯高于自適應(yīng)FEC。

圖2 3種策略下文件正確分發(fā)率與受降雨影響波束的關(guān)系(f=128 kB，α=0.2)Fig.2 The relation between the file right distributing rate and the beams affected by rain(f=128 kB，α=0.2)under three tatics

圖3給出了在保證同樣文件正確分發(fā)率下，采用普通FEC和采用自適應(yīng)FEC的網(wǎng)絡(luò)吞吐率比較。從圖3中可以看出:

(1)普通FEC要想達(dá)到和自適應(yīng)FEC同樣的99%以上的文件正確分發(fā)率，其糾錯(cuò)碼率選擇至少要達(dá)到n－k=10以上，這與算法的理論結(jié)果是一致的;

(2)在保證同樣的文件正確分發(fā)率條件下，采用自適應(yīng)FEC的網(wǎng)絡(luò)吞吐率明顯高于普通FEC;

(3)隨著降雨波束增多，采用自適應(yīng)FEC的網(wǎng)絡(luò)吞吐率趨近于普通FEC，這是因?yàn)楫?dāng)降雨波束越多時(shí)，糾錯(cuò)碼的冗余率越高，越接近普通FEC的糾錯(cuò)碼率，當(dāng)降雨區(qū)域覆蓋所有波束時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整策略幾乎失效，兩者吞吐率接近一致，但實(shí)際中，這種情況是極其少見的，否則異構(gòu)性問題也不會產(chǎn)生，據(jù)氣象經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，較合理的降雨區(qū)域概率應(yīng)該在5%～40%之間，這種情況下，從圖中可看出，自適應(yīng)FEC的網(wǎng)絡(luò)吞吐率提高至少在15%以上。

圖3 在保證同樣的正確分發(fā)率下普通FEC和自適應(yīng)FEC的吞吐率比較(f=128 kB，α=0.2)Fig.3 The throughput comparison between normal FEC and adaptive FEC(f=128 kB，α=0.2)under the same right distributing rate

由圖3可知，當(dāng)文件大小在128 kB時(shí)，自適應(yīng)FEC需要初始糾錯(cuò)碼率達(dá)到n－k=6才能保證99%以上的文件正確分發(fā)率，而普通FEC必須達(dá)到n－k=10，那么隨著分發(fā)文件的增大，兩者的情況又如何呢?圖4給出了降雨波束5%為時(shí)，兩種策略下文件正確分發(fā)率隨著文件f大小變化的情況。

圖4 降雨波束為5%時(shí)兩種策略的文件正確分發(fā)率隨分發(fā)文件大小變化情況(y=5，α=0.2)Fig.4 The file right distributing rates of the two tactics change as the file size varies(y=5，α=0.2)when the rate of the beams affected by rain is 5%

從圖4中可以看出，在降雨波束為5%時(shí)，要想保證99%以上的文件正確分發(fā)率，普通FEC分發(fā)文件最大是10MB，而自適應(yīng) FEC則可以達(dá)到256 MB，這是因?yàn)楸M管普通FEC的編碼冗余度為10時(shí)表面上大于自適應(yīng)編碼的冗余度6，但自適應(yīng)編碼的冗余度只是初始發(fā)送端的冗余度，當(dāng)有降雨時(shí)，在星上會根據(jù)碼率調(diào)整公式重新編碼發(fā)送至降雨波束，此時(shí)對應(yīng)弱降雨和強(qiáng)降雨的自適應(yīng)編碼的冗余度分別為9和12，因此，在文件較小時(shí)，雖然兩者都能滿足99%的正確分發(fā)率，但隨著分發(fā)文件的增大，普通FEC的性能下降嚴(yán)重;在吞吐率上，由于自適應(yīng)FEC只針對降雨波束進(jìn)行星上二次編碼，不占用上行共享鏈路和未降雨下行鏈路，所以優(yōu)勢明顯。顯然，普通FEC對分發(fā)文件大小更敏感，不能滿足視頻等多媒體文件的分發(fā)要求，否則就需要提高冗余率，而這將進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，影響傳輸質(zhì)量。

由圖4的分析可知，當(dāng)降雨波束為5%時(shí)，普通FEC對于視頻等多媒體文件的傳輸已經(jīng)出現(xiàn)了困難，那么隨著受降雨影響的波束增多，自適應(yīng)FEC的變現(xiàn)如何呢?圖5給出了自適應(yīng)FEC文件正確分發(fā)率隨著降雨波束和文件大小變化的情況。

圖5 自適應(yīng)FEC的文件正確分發(fā)率隨降雨波束和分發(fā)文件大小變化情況Fig.5 The file right distributing rates of the adaptive FEC change as the beams are affected by rain and the file size varies

從圖5中可以看出，采用自適應(yīng)FEC對分發(fā)文件大小的敏感度不大，其分發(fā)正確率主要受降雨波束的影響。圖6(a)通過對圖5進(jìn)行水平投影給出了在保證99%文件正確分發(fā)率下自適應(yīng)FEC對降雨波束和文件大小的要求，更加形象地說明了圖5的結(jié)論。綜合圖5和圖6(a)可以看出，當(dāng)降雨波束超過40%時(shí)，文件正確分發(fā)率衰減很快，系統(tǒng)將無法正常工作，當(dāng)然，通過增加梯度值的方法，仍然可以提高文件正確分發(fā)率，但也會使網(wǎng)絡(luò)的吞吐率有所降低。圖6(b)給出了梯度α增加0.1時(shí)，降雨波束和文件大小對分發(fā)率影響的變化，從圖6(b)中可以看出，當(dāng)梯度值增加0.1時(shí)，降雨波束對分發(fā)率的影響下降了25%。

圖6 保證99%正確分發(fā)率下自適應(yīng)FEC對降雨波束和分發(fā)文件大小的要求Fig.6 The demand of adaptive FEC to the beams affected by rain and the file size(α=0.2，0.3)when the file right distributing rate is assured to99%

6 結(jié)束語

衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)具有距離和通信成本無關(guān)等優(yōu)勢，一直是應(yīng)急通信和軍事通信采用的重要手段。針對降雨對衛(wèi)星下行鏈路的異構(gòu)性影響。本文提出了一種基于星上自適應(yīng)FEC的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)解決策略，并通過仿真和傳統(tǒng)的基于端到端的FEC策略進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，采用自適應(yīng)FEC策略的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)吞吐率明顯提高，且對分發(fā)文件大小不敏感，當(dāng)降雨波束增加時(shí)，魯棒性更強(qiáng)，還可以通過調(diào)整梯度值來進(jìn)一步改善降雨波束的影響，該策略的思想可以為多波束衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供理論參考。下一步需要繼續(xù)研究和解決的問題主要有:該策略和端到端FEC策略的傳輸時(shí)延仿真分析;當(dāng)采用不同編碼方式時(shí)，該策略的可行性如何以及性能變化情況;進(jìn)一步構(gòu)建接近實(shí)際的虛擬仿真環(huán)境，為該策略的硬件實(shí)現(xiàn)方案論證奠定基礎(chǔ)等。

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