桂永茂，趙寶康，唐 竹，彭 偉，夏 艷，徐 芬

（1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073；2.湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082；3.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽(yáng)621000）

1 引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有天然的廣播特性，具有覆蓋范圍廣和拓?fù)浜?jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使得其非常適合組播業(yè)務(wù)傳輸。然而，衛(wèi)星傳輸鏈路帶寬受限，長(zhǎng)時(shí)延和高誤碼的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)組播傳輸協(xié)議面臨可靠性等難題。數(shù)據(jù)的可靠傳輸涉及到數(shù)據(jù)的重傳，因此，針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種高效的重傳機(jī)制，盡可能地減少反饋重傳的次數(shù)并提高帶寬利用率，具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靠組播協(xié)議［1～4］大多使用ARQ（Automatic Repeating re－Quest）技術(shù)，即自動(dòng)請(qǐng)求重傳來(lái)保證組播數(shù)據(jù)的絕對(duì)可靠性，然而在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)組播接收端數(shù)目過(guò)大時(shí)，單獨(dú)使用ARQ 技術(shù)容易發(fā)生“確認(rèn)風(fēng)暴”問(wèn)題。還有部分可靠組播協(xié)議［5～7］使用了發(fā)送窗口機(jī)制來(lái)最大限度地減少重傳開(kāi)銷，雖然減少了重傳，但是并沒(méi)有減少確認(rèn)次數(shù)，因此仍然存在“確認(rèn)風(fēng)暴”的問(wèn)題，而且在發(fā)送端等待發(fā)送窗口，一定程度上降低了差錯(cuò)恢復(fù)的實(shí)時(shí)性。

另外一些衛(wèi)星可靠組播協(xié)議使用了混合ARQ機(jī)制［8］，雖然混合ARQ 機(jī)制較大程度上減少了反饋重傳的次數(shù)和提高了差錯(cuò)恢復(fù)的實(shí)時(shí)性，但是并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的傳輸。

本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靠組播機(jī)制NCM（Network Coding Mechanism）。該機(jī)制采用結(jié)構(gòu)化的分塊傳輸方法，通過(guò)在發(fā)送端主動(dòng)發(fā)送原始報(bào)文的冗余編碼包，可實(shí)現(xiàn)接收端多個(gè)丟失報(bào)文的本地恢復(fù)，從而大大減少了反饋重傳次數(shù)，提高了差錯(cuò)恢復(fù)的實(shí)時(shí)性；同時(shí)結(jié)合ARQ機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)原始報(bào)文和編碼報(bào)文同時(shí)丟失時(shí)，通過(guò)一次重傳編碼包，即可恢復(fù)多個(gè)丟失報(bào)文，不但減少了重傳次數(shù)，還保證了組播的可靠性。

2 網(wǎng)絡(luò)編碼組播機(jī)制

2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型

圖1描述了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靠組播協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含GEO（GEosynchronous Orbit）衛(wèi)星和若干地面站，地面站包括發(fā)送端地面站和接收端地面站。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)和地面網(wǎng)絡(luò)及用戶終端相連。

Figure 1 Model of satellite networks圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 問(wèn)題描述

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路容易受到天氣等因素的干擾，具有高誤碼和長(zhǎng)時(shí)延的固有特性，這兩個(gè)特性為可靠多播提出了難題。本文提出的NCM 機(jī)制針對(duì)“確認(rèn)風(fēng)暴”、實(shí)時(shí)差錯(cuò)恢復(fù)及結(jié)構(gòu)化傳輸這三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化。

2.3 NCM 機(jī)制描述

NCM 機(jī)制采用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼［9］，主要由兩部分組成：一個(gè)是結(jié)構(gòu)化傳輸，另一個(gè)是本地恢復(fù)結(jié)合ARQ 重傳。

（1）結(jié)構(gòu)化傳輸。

混合ARQ 機(jī)制通過(guò)采用前向糾錯(cuò)編碼FEC（Forward Error Correction）機(jī)制，雖然能較大程度上減少重傳，但是并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)化傳輸。NCM 機(jī)制采用分塊的結(jié)構(gòu)化傳輸方法，塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，每塊包含k個(gè)原始報(bào)文和一個(gè)編碼包，其中定義第i塊為Bi，第i塊中的第m個(gè)報(bào)文表示為第i塊的原始報(bào)文的編碼包為Ui。組播源將待發(fā)送的數(shù)據(jù)分成n塊，對(duì)于每塊Bi，平均分成k個(gè)原始數(shù)據(jù)包，然后將這k個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)k次編碼組合，得到k個(gè)編碼報(bào)文，最后把這k個(gè)編碼報(bào)文壓縮成一個(gè)編碼包Ui，根據(jù)隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼原理，對(duì)于第i塊，設(shè)隨機(jī)產(chǎn)生的k個(gè)編碼系數(shù)為［ai，1，ai，2，…，ai，k］，則有接收端在接收到編碼包后，先解壓縮還原出編碼報(bào)文，然后通過(guò)高斯消元法［9，10］，即可解碼出原始報(bào)文。

（2）本地恢復(fù)結(jié)合ARQ 重傳。

NCM 主要分為三個(gè)過(guò)程：檢測(cè)、恢復(fù)、反饋重傳。三個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)換如圖3所示。

Figure 2 Block structure圖2 塊結(jié)構(gòu)

Figure 3 Process switching圖3 過(guò)程轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)ARQ 主要缺少過(guò)程①，所以NCM 相比ARQ，提升性能的關(guān)鍵在于①。

（1）檢測(cè)→恢復(fù)：對(duì)應(yīng)于圖3中的狀態(tài)①，為本地恢復(fù)過(guò)程。當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)塊Bi之后，進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)到一個(gè)或者多個(gè)原始報(bào)文（0＜j＜k＋1）丟失，而編碼包Ui未丟失，則通過(guò)在本地解碼Ui即可實(shí)現(xiàn)丟失報(bào)文本地恢復(fù)，從而大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)恢復(fù)的實(shí)時(shí)性，減少了反饋重傳。

（2）檢測(cè)→反饋重傳→恢復(fù)：對(duì)應(yīng)于圖3中的狀態(tài)②，即傳統(tǒng)ARQ 重傳過(guò)程。當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)塊Bi之后，進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)到原始報(bào)文丟失，編碼包Ui也丟失，則接收端通過(guò)反饋鏈路向組播源發(fā)送反饋報(bào)文NACK，請(qǐng)求重傳丟失編碼包Ui。當(dāng)接收端正確接收到編碼包Ui之后，通過(guò)在本地解碼Ui，即可實(shí)現(xiàn)一次重傳，恢復(fù)多個(gè)丟失報(bào)文。

（3）檢測(cè)→檢測(cè)：對(duì)應(yīng)圖3中的狀態(tài)③，用于處理上述（1）和（2）之外的情況。比如出現(xiàn)編碼包Ui丟失，而原始報(bào)文Kji未丟失，這種情況是不需要處理的。

3 理論分析

定義組播組大小為s（s＞0），設(shè)接收端丟包率均為p（0＜p＜1），丟失報(bào)文數(shù)記為D，平均重傳次數(shù)記為E，考慮端到端即s＝1，傳輸一塊數(shù)據(jù)Bi的情況。

（1）ARQ 機(jī)制。

傳統(tǒng)的ARQ 機(jī)制主要包含兩個(gè)過(guò)程：反饋、重傳。即當(dāng)接收端檢測(cè)到報(bào)文丟失時(shí)，向發(fā)送端發(fā)送反饋信息，接收端接收到反饋信息后，重傳對(duì)應(yīng)的丟失報(bào)文。

ARQ 機(jī)制不需要傳輸編碼包，對(duì)于一塊數(shù)據(jù)Bi，包含k個(gè)原始報(bào)文，則丟失報(bào)文數(shù)為D＝pk，對(duì)任意一個(gè)丟失報(bào)文而言，平均需要重傳的次數(shù)記為Ee，則Ee＝1/（1－p），故可以得到E＝D＊Ee＝pk/（1－p）。

（2）NCM 機(jī)制。

NCM 機(jī)制在ARQ 機(jī)制的基礎(chǔ)上，主動(dòng)發(fā)送了冗余編碼包，當(dāng)檢測(cè)到報(bào)文丟失時(shí)，并不立即向發(fā)送端發(fā)送反饋信息，而是先檢測(cè)對(duì)應(yīng)的編碼包是否丟失，如果沒(méi)有丟失，則嘗試本地恢復(fù)，否則進(jìn)行反饋重傳。

對(duì)于任意一塊數(shù)據(jù)Bi，包含k個(gè)原始報(bào)文和1個(gè)編碼包，所以傳輸?shù)膱?bào)文總數(shù)為k＋1，丟包數(shù)D＝p（k＋1）。假設(shè)D＞1，事件X＝｛編碼包Ui未丟失｝，每塊數(shù)據(jù)平均需要重傳的次數(shù)記為Re，則有P（X），其中k＞0，0＜p＜1。對(duì)于編碼包Ui未丟失的情況，可以通過(guò)在接收端解碼編碼包，本地還原出丟失報(bào)文，此時(shí)不需要重傳，故Re（X）＝0；若編碼包丟失，則只需要重傳一次編碼包，因此則使用NCM 機(jī)制，發(fā)送端每發(fā)送一塊數(shù)據(jù)，平均需要的重傳次數(shù)可以表示為：

其中，k＞0，0＜p＜1，D＞1。

考慮組播組大小為s、傳輸n塊的情況。假設(shè)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分成n塊，則傳輸?shù)挠行?bào)文的總數(shù)為nk，設(shè)組播發(fā)送端和接收端使用單播反饋和修復(fù)，且不使用退避機(jī)制和反饋抑制機(jī)制［11］。

（1）ARQ 機(jī)制。

ARQ 機(jī)制，由于組播系統(tǒng)不使用反饋抑制機(jī)制，即使不同接收端出現(xiàn)相同丟包，都需要反饋和重傳一次，因此平均重傳次數(shù)和組播組大小s成正比，使用ARQ 機(jī)制傳輸n塊數(shù)據(jù)時(shí)平均需要的重傳次數(shù)為：

（2）NCM 機(jī)制。

使用NCM 機(jī)制，對(duì)于n塊數(shù)據(jù)，傳輸?shù)膱?bào)文總數(shù)為n（k＋1），重傳次數(shù)最多為n次。設(shè)需要重傳i次的概率為Pi（0＜i＜n＋1），則Pi服從n和P（） 的二項(xiàng)分布，即Pi～B（n，P（）） ，在不使用反饋抑制的情況下，重傳次數(shù)和組播組大小正比，所以：

取n＝400，k＝5，s＝5，p∈（0，0.2），用Matlab繪出公式（1）、公式（2）中E隨p變化的曲線，如圖4 所示。從圖4 可以看出，理論上講，ARQ 機(jī)制和NCM 機(jī)制的平均重傳次數(shù)隨丟包率的增加而增大；在丟包率較高，即傳輸鏈路狀況不佳的情況下，相比NCM 機(jī)制，ARQ 機(jī)制需要的平均重傳次數(shù)急劇增加，很容易發(fā)生“確認(rèn)風(fēng)暴”，而NCM 機(jī)制通過(guò)采用網(wǎng)絡(luò)編碼本地恢復(fù)策略，雖然引入了一定的冗余，但是即使在高丟包的環(huán)境，也很大程度上減少了反饋重傳次數(shù)，有效避免了“確認(rèn)風(fēng)暴”的發(fā)生，從而提高了差錯(cuò)恢復(fù)的實(shí)時(shí)性和組播的可靠性。

Figure 4 Comparison of retransmission in theory value圖4 兩種方法平均重傳次數(shù)理論值的比較

4 仿真分析

4.1 仿真場(chǎng)景和參數(shù)設(shè)置

為了評(píng)估NCM 機(jī)制的有效性，針對(duì)ARQ 和NCM 分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)使用的操作系統(tǒng)是Ubuntu，在自研網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。仿真實(shí)驗(yàn)的拓?fù)淙鐖D5所示，包含一個(gè)GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和若干組成員接收節(jié)點(diǎn)。其中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模擬組播源和衛(wèi)星，組成員接收節(jié)點(diǎn)模擬地面接收網(wǎng)關(guān)。實(shí)驗(yàn)仿真的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

Figure 5 Simulation topology圖5 仿真拓?fù)?/p>

Table 1 Simulation parameter settings表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 性能評(píng)估指標(biāo)

在本文中，主要使用如下兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)NCM 機(jī)制的性能：

（1）重傳次數(shù)：定義可靠組播系統(tǒng)實(shí)際需要的重傳次數(shù)為每個(gè)地面站需要的重傳次數(shù)之和。重傳次數(shù)是衡量組播協(xié)議可靠性最為重要的指標(biāo)，同時(shí)也是NCM 方法優(yōu)勢(shì)的最直觀體現(xiàn)。

（2）吞吐量：吞吐量是通信鏈路利用率的重要衡量指標(biāo)。在本文中，吞吐量的計(jì)算方法為單位時(shí)間內(nèi)接收端接收到的有效數(shù)據(jù)量。NCM 機(jī)制雖然引入了冗余，但是卻減少了數(shù)據(jù)修復(fù)的時(shí)延，從而在一定程度上可獲得較好的吞吐量增益。

4.3 性能分析

下面在不同丟包率、數(shù)據(jù)量和組播組大小的情況下，分別使用ARQ 和NCM 兩種機(jī)制對(duì)可靠組播系統(tǒng)的實(shí)際重傳次數(shù)和吞吐量性能比較。

4.3.1 丟包率對(duì)性能的影響

仿真實(shí)驗(yàn)在設(shè)置組播組大小為5 個(gè)，發(fā)送2 000個(gè)報(bào)文的情況下，測(cè)試了兩種機(jī)制在不同丟包率下對(duì)衛(wèi)星可靠組播系統(tǒng)性能的影響。

（1）重傳次數(shù)。

圖6a給出了在不同丟包率下，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)兩種機(jī)制所獲得的實(shí)際重傳次數(shù)的比較。對(duì)比圖4，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值和理論值基本一致，說(shuō)明本文提出的NCM 機(jī)制是可行而且有效的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的ARQ 反饋重傳方式，NCM 能很大程度上減少反饋重傳次數(shù)，提高鏈路的可靠性；同時(shí)也證明了NCM 機(jī)制非常適合在高丟包率和高誤碼率的衛(wèi)星傳輸鏈路中使用，有效地提高了組播的可靠性。

Figure 6 Comparison of retransmission and throughput under different loss rates圖6 不同丟包率下重傳次數(shù)和吞吐量的比較

（2）吞吐量。

圖6b給出了不同丟包率下，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)所獲得的系統(tǒng)吞吐量的對(duì)比。從圖6b中我們可以看出隨著丟包率的增加，吞吐量都是呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诟邅G包率的環(huán)境下，要保證組播的可靠性，重傳是不可避免的。丟包率越高，需要重傳的次數(shù)越多，從而引起整個(gè)鏈路吞吐量的下降。相比傳統(tǒng)ARQ 機(jī)制，NCM 機(jī)制在高丟包率的環(huán)境下能獲得很好的吞吐量增益。但是，在鏈路狀況較好的情況下，由于NCM 引入了冗余編碼包，占用了部分帶寬，所以吞吐量性能不如ARQ。

4.3.2 數(shù)據(jù)量對(duì)性能的影響

仿真實(shí)驗(yàn)在設(shè)置組播組大小為5個(gè)、丟包率為10%的情況下，測(cè)試了兩種機(jī)制在不同數(shù)據(jù)量下對(duì)衛(wèi)星可靠組播系統(tǒng)性能的影響。

（1）重傳次數(shù)。

圖7a給出了在不同數(shù)據(jù)量下，分別使用ARQ和NCM 機(jī)制，實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)際重傳次數(shù)的比較。圖7a中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同組播組大小和丟包率的情況下，單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越多，兩種機(jī)制下重傳次數(shù)也增多。但是，NCM 機(jī)制相比ARQ 機(jī)制，二者需要重傳的次數(shù)相差越來(lái)越大，NCM 機(jī)制獲得的可靠性增益變得越來(lái)越明顯。NCM 機(jī)制在發(fā)送4 000個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，重傳報(bào)文數(shù)量約占發(fā)送的原始數(shù)據(jù)量的5%，相比ARQ 機(jī)制，重傳比例降低了近10倍，很大程度上抑制了“確認(rèn)風(fēng)暴”的發(fā)生。

Figure 7 Comparison of retransmission and throughput under different amount of data圖7 不同數(shù)據(jù)量下重傳次數(shù)和吞吐量的比較

（2）吞吐量。

圖7b給出了在相同丟包率和組播組大小、不同數(shù)據(jù)量下，通過(guò)仿真ARQ 和NCM 機(jī)制，實(shí)驗(yàn)獲得的系統(tǒng)吞吐量的對(duì)比。從圖7b中可以看出，隨著單次發(fā)送的數(shù)據(jù)量增加，兩種機(jī)制下組播系統(tǒng)的吞吐量基本上保持穩(wěn)定。這主要是因?yàn)榘l(fā)送的數(shù)據(jù)量越多，數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)延越大，在相同丟包率下，單位時(shí)間內(nèi)需要重傳的報(bào)文數(shù)量維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。由于NCM 機(jī)制雖然引入了一定的冗余，但是相比ARQ 機(jī)制，很大程度上減少了重傳次數(shù)，獲得了發(fā)送時(shí)延上的增益，所以NCM 機(jī)制的吞吐量性能表現(xiàn)更優(yōu)。

4.3.3 組播組大小對(duì)性能的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在單次發(fā)送的數(shù)據(jù)量為2 000個(gè)報(bào)文、丟包率為10%的情況下，分別使用ARQ 和NCM 機(jī)制，組播組大小對(duì)衛(wèi)星可靠組播系統(tǒng)性能的影響。

（1）重傳次數(shù)。

圖8a給出了在不同組播組大小的情況下重傳次數(shù)的比較。隨著組播組規(guī)模的增大，重傳次數(shù)也在增加。但是，NCM 機(jī)制增加的速度遠(yuǎn)小于ARQ 機(jī)制。由于本文重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)編碼本地恢復(fù)機(jī)制的可靠性增益，實(shí)驗(yàn)中僅使用單播反饋和修復(fù)，所以即使不同地面站出現(xiàn)了相同丟包，都只需要反饋和重傳一次，重傳次數(shù)和組播組大小呈正比，與理論推導(dǎo)相符。此外，NCM 機(jī)制的可靠性增益非常明顯，說(shuō)明它更適合組播組規(guī)模較大的可靠組播系統(tǒng)。

Figure 8 Comparison of retransmission and throughput under different group sizes圖8 不同組播組大小下重傳次數(shù)和吞吐量的比較

（2）吞吐量。

圖8b給出了在不同組播組大小的情況下吞吐量的對(duì)比?？梢钥吹?，吞吐量隨著組播組規(guī)模的增大而增加。這是因?yàn)樵诮M播系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量是每個(gè)組播組成員吞吐量的疊加，因此吞吐量與組播組大小呈正比。而且，在相同丟包率下，NCM 機(jī)制比ARQ 機(jī)制獲得了更好的吞吐量增益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靠組播機(jī)制NCM，該機(jī)制可有效減少反饋重傳的次數(shù)，提高衛(wèi)星傳輸鏈路的利用率和可靠性，增強(qiáng)了丟失數(shù)據(jù)恢復(fù)的實(shí)時(shí)性。下一步將重點(diǎn)考慮不同的編碼方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響等，對(duì)NCM 進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

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