CN108966259A - 一种基于网络编码的抗干扰传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的抗干扰传输方法，包括：(1)从待传输的以太网帧中获取原始数据信息；(2)将原始数据信息拆分为多个切片，并将多个切片经过网络编码形成多个网络编码切片；(3)将网络编码切片的头部添加网络层协议报头、传输层协议报头、网络编码标识头、切片总数量、当前网络编码切片序号和网络编码序号，在尾部添加帧校验数据，形成网络编码数据帧；(4)依照最小宽带准则或最小延时准则，选取优选链路；(5)采用所述优选链路对网络编码数据帧进行传输。本发明能够在链路误帧率很高的情况下极大地提升信息正确接收概率，确保信息可靠接收。

Description

一种基于网络编码的抗干扰传输方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于网络编码的抗干扰传输方法。
背景技术
战术通信环境以无线传输为主，信道环境的高动态、弱连接、开放性等DIL(Dynamic Intermittent Link)特性导致信息传输不稳定、不可靠且易受敌方干扰和截获。战术通信环境的抗干扰传输技术包含信号层、网络层、信息层等多个层面的处理，通过***化、体系化的综合运用，达到作战信息在战术通信环境下可靠传输的目的。信号层的处理手段包括跳频、跳时、定向波束、码分多址等空、时、频、码域的处理技术；网络层的处理手段包括报文重传、断点续传、重路由、多路径等处理技术；信息层的处理手段主要对报文进行处理，通过增加一定的冗余提升信息交付的成功率，如本文提及的网络编码技术。目前，战术通信环境下的抗干扰传输主要集中在信号层和网络层，对于信息层面的处理少有涉及。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种适用于战术通信环境下的基于网络编码的抗干扰传输方法，该方法通过将待传输的作战信息数据切片划分、网络编码、链路选择，提升作战业务数据正确接收概率，提高抗干扰能力，确保战术窄带、弱连接、强对抗通信环境下的通信保障能力。
技术方案：本发明所述的基于网络编码的抗干扰传输方法包括：
(1)从待传输的以太网帧中获取原始数据信息；
(2)将原始数据信息拆分为多个切片，并将多个切片经过网络编码形成多个网络编码切片；
(3)将网络编码切片的头部添加网络层协议报头、传输层协议报头、网络编码标识头、切片总数量、当前网络编码切片序号和网络编码序号，在尾部添加帧校验数据，形成网络编码数据帧；
(4)依照最小宽带准则或最小延时准则，选取优选链路；
(5)采用所述优选链路对网络编码数据帧进行传输。
进一步的，该方法还包括：
(6)采用优选链路传输的同时，还采用冗余传输和多径传输方式传输网络编码数据。
进一步的，步骤(3)形成网络编码数据帧之后，将网络编码数据帧经过HARQ进行处理，再进行传输。
进一步的，步骤(2)具体包括：
(2-1)将原始数据信息拆分为K个切片，标记为d1,d2,…,dK；
(2-2)对于K个切片，采用网络编码矩阵C进行编码，得到M个网络编码切片y1,y2,…,yM，其中，网络编码公式为：
Y＝DC
式中，Y＝(y1 y2 … yM)，D＝(d1 d2 … dK)，网络编码矩阵C满足以下要求：元素Cij全部是整数，且Cij∈GF(28)＝{0 1 … 255}，且C在GF(28)上满足任意K列形成的矩阵不相关。
进一步的，所述网络编码矩阵C具体为一个K行M列的矩阵V或者V经过初等变换得到的矩阵，其中，矩阵V具体为：
式中，q1,q2,...,qM为互不相同的实数。
进一步的，步骤(3)中的网络编码数据帧的帧格式具体为：
窄带网络编码数据帧格式如下表：
CH NCH FN Fseq Nseq Coded FDU FCS
宽带网络编码数据帧格式如下表：
IPH UDPH NCH FN Fseq Nseq Coded FDU FCS
其中，CH表示窄带通信环境下的帧头；NCH表示网络编码标识头，长度1个字节；FN表示切片总数量，长度1个字节；FSeq表示当前网络编码切片序号序号，长度1个字节；NSeq表示网络编码序号，即原始数据信息的报文序号，长度1个字节；Coded FDU表示网络编码切片的具体数据，长度为S字节；IPH表示宽带通信环境下的IP头；UDPH表示宽带通信环境下的UDP头；FCS表示帧校验，长度为2字节。
进一步的，步骤(4)中采用最小宽带准则选取优选链路的具体步骤为：
将所有出口链路按照效用度量E从大到小排序，将传输数据的带宽需求从第1条链路开始分配，直至到第m条链路分配完毕，其中，前m条链路效用度量之和大于网络编码数据帧的带宽之和。
进一步的，步骤(4)中采用最小延时准则选取优选链路的具体步骤为：
将所有出口链路按照效用度量E从大到小排序，将传输数据的带宽需求按比例分配到所有出口链路之上。
其中，所述出口链路的效用度量E的计算公式为：
式中，p＝1-γn，γ表示误帧率，n表示重传次数，R表示链路带宽。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)面向作战信息的应用层抗干扰处理技术，与传统抗干扰技术相辅相成、互相补充；(2)以数据帧为处理单位，适用于不同传输链路、不同网络类型；(3)具备多链路综合利用能力，尤其适用于固定指挥所、机动指挥所等具有多出口链路的应用场景；(4)编码效率和编码效能灵活可变，可方便构造[1/2～1)范围内不同效率的网络编码方案。
附图说明
图1为本发明提供的基于网络编码的抗干扰传输方法的流程示意图；
图2为网络编码数据帧的格式示意图；
图3为网络编码***性能比较图；
图4为网络编码效率50％时正确接收概率示意图；
图5为网络编码平均延时示意图。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于网络编码的抗干扰传输方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)从待传输的以太网帧中获取原始数据信息。
(2)将原始数据信息拆分为多个切片，并将多个切片经过网络编码形成多个网络编码切片。
网络编码时，设待传输的原始数据长度为L0，网络编码支持的数据切片长度为S，则一个原始数据可以拆分成K＝L0/S个数据切片，为d1,d2,…,dK。假设经过冗余编码，形成M个长度为S的数据切片，为y1,y2,…,yM，则编码的效率为K/M。编码方案如下：yi＝ci1d1+ci2d2+…+ciKdK＝(d1 d2 … dK)(ci1 ci2 … ciK)T，i＝1,2,…,K，即每一个编码后的数据帧切片均由所有原始切片线性组合而成。理想的网络编码希望达到如下的性能：
A编码效率尽可能高；
B接收端正确接收任何k个编码数据切片，均可以正确解码原始数据帧；
C原始数据的传输延时最小。
令Y＝(y1 y2 … yM)，则
其中D＝(d1 d2 … dK)为S×K维矩阵，C为K×M维(K＜M)网络编码矩阵，每一列对应一次网络编码的线性组合权值向量。显然，如果想要完全恢复原始数据帧，要求矩阵C的任意K列形成的矩阵不相关。此时其中为Y对应的K列形成的矩阵。如果没有任何约束，C可以取自张成K维空间的M个均匀分布的向量，类似于码本空间矢量。由于对数据帧的运算限制在GF(28)上，故C的元素必须全部是整数，满足Cij∈GF(28)＝{0 1 …255}，且C必须在GF(28)上满足任意K列形成的矩阵不相关。
Vandermonde矩阵符合以上要求，给定一个向量q＝(q1 q2 … qM)，其构造方法如下：
当取向量q＝(1 2 … 16)时，8×16维网络编码矩阵如表1所示：
表1 GF(28)域编码矩阵
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 4 5 16 17 20 21 64 65 68 69 80 81 84 85 29
1 8 15 64 85 120 107 58 115 146 221 231 186 127 36 205
1 16 17 29 28 13 12 205 204 221 220 208 209 192 193 76
1 32 51 116 108 46 36 38 226 1 215 169 116 244 59 180
1 64 85 205 193 228 252 45 161 10 146 191 62 241 100 143
1 128 255 19 226 98 206 117 192 68 79 87 43 199 38 24
据此可以得到一个普适的网络编码方案，它由不同Galois域的Vandermonde矩阵形成，具体如表2所示。
表2不同Galois域网络编码方案
表中加黑部分对应的运算单位恰好是半个字节、1个字节和2个字节，对网络编码和网络解码来说相对好处理；同时加黑部分对应的M值、K值(对应于Vandermonde矩阵的维数和具体的某一列)正好可以用整数字节数表示，对于切片数据帧的内容提取相对好处理。
对Vandermonde矩阵做相应的初等变换，所得到的矩阵也可以作为网络编码矩阵；除此之外，也可以通过其它构造方法产生网络编码矩阵。
(3)将网络编码切片的头部添加网络层协议报头、传输层协议报头、网络编码标识头、切片总数量、当前网络编码切片序号和网络编码序号，在尾部添加帧校验数据，形成网络编码数据帧。具体格式如图2所示。
NCH：Network Coding Header，1个字节；
FN：Fragment Number，GF(28)时1个字节，切片数量K，最大256；
FSeq：Fragment Sequence，GF(28)时1个字节，切片序号(取值1～M)，代表一个特定网络编码切片，对应Vandermonde矩阵的一列，最大256；
NSeq：Network Coding Sequence，1个字节，网络编码序号，即原始数据报文序号，最大256，循环使用。参照表所列的原始报文长度，1个字节的NSeq支持的报文长度达到256*25.6Kbytes＝6.55Mbytes和256*64Kbytes＝16.4Mbytes，对应的传输时延达到5461Sec和13653Sec(链路带宽19.2Kbps)，因此1个字节循环使用可以满足传输要求；
Coded FDUs：网络编码后的切片数据，长度为S Bytes；
CH：Channel Header，窄带战术通信下帧头；
UDPH：UDP Header，宽带通信环境下的UDP头；
IPH：IP Header，宽带通信环境下的IP头；
FCS：帧校验，长度为2Bytes。
此外，得到网络编码数据帧之后还可以选择采用混合ARQ，即HARQ，进行处理。
(4)依照最小宽带准则或最小延时准则，选取优选链路。
LSA(Link Select Algorithm)是用于在具备多个出口链路时，选取一个或多个特定链路进行传输的算法，通常与传输优化协议密切相关。对于一个出口链路，最常见的属性包括链路带宽R和误帧率γ，其中前者和传输延时相关联；后者和抗干扰能力有关联，即如果抗干扰能力强，误帧率就低；如果抗干扰能力弱，误帧率就高。因此，对于一个固定/机动指挥所，其具备的出口链路可以用以下数学集合来描述：
{(Ri,γi)},i＝1,2,...,L
LSA的目标就是在各出口链路指标的约束下，合理分配经过网络编码后的切片数据包到相应的出口链路，使得信息传输成功率最高，或者信息传输时延最小，或者信息传输被截获篡改的可能性最低，等等。
对于多变量约束的优化问题，直接求解相对困难，通常的做法是将其转换为单变量优化问题。在此提出链路的效用度量(Efficiency Measurement)，即在特定的误帧率下，考虑到重传、错帧等因素时链路的实际可用带宽。
在误帧率γ时，假设达到p(如99％)即认为能够可靠传输信息，则在重传策略下，重传次数n符合以下公式：
p＝1-γn
此时，链路的效用度量E定义为：
基于效用度量E，就可以对网络编码数据帧进行链路选择。在抗干扰传输模式下，信息传输正确率是首要优化目标，时延则是附加条件，因此可以采用以下几种分配方。
A、LSA-B
最小带宽准则LSA。将所有出口链路按照效用度量E从大到小排序，将传输数据的带宽需求从第1条链路开始分配，直至到第m条链路分配完毕，其中，前m条链路效用度量之和大于网络编码数据帧的带宽之和。即，如果最大的1条满足要求，则仅通过该链路进行传输；如果效用度量不够，则计算网络编码数据帧带宽与效用度量的差值，如果第2条链路满足要求，则将差值部分的切片数据在第2条链路上传输，以此类推。
B、LSA-T
最小时延准则LSA。将所有出口链路按照效用度量E从大到小排序，将传输数据的带宽需求按比例分配到所有出口链路之上，类似于通信理论中的注水算法。
(5)采用所述优选链路对网络编码数据帧进行传输。
(6)采用优选链路传输的同时，还采用冗余传输和多径传输方式传输网络编码数据。
下面对于以上方法进行性能分析。
(1)正确接收概率
假设传输***的误帧率为γ，则未编码***、网络编码***和简单重传***的抗干扰能力(正确接收概率)分别为：
pr0＝(1-γ)K
prd＝1-(1-pr0)2＝pr0(2-pr0)
图3给出了在相同的误帧率情况下，以上三种传输方案正确接收概率的比较。可见，本发明所提网络编码方案有较大的性能增益。图4给出了相同编码效率下，不同的网络编码参数带来的性能差异。当(K,M)＝(256,512)时，误帧率在45％时依然可以达到约99％的正确传输，而在同样误帧率下，当(K,M)＝(128,256)时的传输正确率约96％。由仿真曲线可以得出以下结论：
A、采用GF(28)域上的编码方案在误帧率小于0.5时，优于未编码和重复传输方案；
B、在同样的编码效率下，网络编码的性能增益随着K和M的增加而提高，且增益逐渐减小；
B、在误帧率大于0.5时，重复传输的性能更好；
D、可以推测，当K,M→∞时，正确接收概率曲线逼近阶梯函数，跳变点在γ＝0.5处，即在同样的编码效率、误帧率小于50％情况下，当K(M)增大，正确接收概率趋向于1。
(2)延时分析
表3给出了50％网络编码效率、典型切片长度时，网络编码前后数据长度的变化。因为在GF(28)内共有256种可能的编码向量，且用一个字节即可表示，故在50％效率时最多可以支持128个数据切片，支持的原始数据长度分为为25.6Kbytes和64Kbytes，这一长度已经远远大于以太网的MTU长度。
表3网络编码前后报文长度
假设战术通信环境下，链路的传输速率为bKbps，则上表中两种典型切片长度下，网络编码后带来的平均时延可以按以下公式估算：
τi＝i×S×8/b
整理以上三式，可得网络编码时延的平均值为
图5给出了链路传输速率为19.2Kbps时，数据切片K＝128，网络编码数量M＝256，短帧长度S分别为200bytes和500bytes时的平均时延。由图可见，平均时延随着短帧长度的增加而相应增加。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于该方法包括：
(1)从待传输的以太网帧中获取原始数据信息；
(2)将原始数据信息拆分为多个切片，并将多个切片经过网络编码形成多个网络编码切片；
(3)将网络编码切片的头部添加网络层协议报头、传输层协议报头、网络编码标识头、切片总数量、当前网络编码切片序号和网络编码序号，在尾部添加帧校验数据，形成网络编码数据帧；
(4)依照最小宽带准则或最小延时准则，选取优选链路；
(5)采用所述优选链路对网络编码数据帧进行传输。
2.根据权利要求1所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：还包括：
(6)采用优选链路传输的同时，还采用冗余传输和多径传输方式传输网络编码数据。
3.根据权利要求1或2所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：步骤(3)形成网络编码数据帧之后，将网络编码数据帧经过HARQ进行处理，再进行传输。
4.根据权利要求1所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：步骤(2)具体包括：
(2-1)将原始数据信息拆分为K个切片，标记为d1,d2,…,dK；
(2-2)对于K个切片，采用网络编码矩阵C进行编码，得到M个网络编码切片y1,y2,…,yM，其中，网络编码公式为：
Y＝DC
式中，Y＝(y1 y2 … yM)，D＝(d1 d2 … dK)，网络编码矩阵C满足以下要求：元素Cij全部是整数，且Cij∈GF(28)＝{0 1 … 255}，且C在GF(28)上满足任意K列形成的矩阵不相关。
5.根据权利要求4所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：所述网络编码矩阵C具体为一个K行M列的矩阵V或者V经过初等变换得到的矩阵，其中，矩阵V具体为：
式中，q1,q2,...,qM为互不相同的整数。
6.根据权利要求1所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：步骤(3)中的网络编码数据帧的帧格式具体为：
窄带网络编码数据帧格式如下表：
CH NCH FN Fseq Nseq Coded FDU FCS
宽带网络编码数据帧格式如下表：
IPH UDPH NCH FN Fseq Nseq Coded FDU FCS
其中，CH表示窄带通信环境下的帧头；NCH表示网络编码标识头，长度1个字节；FN表示切片总数量，长度1个字节；FSeq表示当前网络编码切片序号序号，长度1个字节；NSeq表示网络编码序号，即原始数据信息的报文序号，长度1个字节；Coded FDU表示网络编码切片的具体数据，长度为S字节；IPH表示宽带通信环境下的IP头；UDPH表示宽带通信环境下的UDP头；FCS表示帧校验，长度为2字节。
7.根据权利要求1所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：步骤(4)中采用最小宽带准则选取优选链路的具体步骤为：
将所有出口链路按照效用度量E从大到小排序，将传输数据的带宽需求从第1条链路开始分配，直至到第m条链路分配完毕，其中，前m条链路效用度量之和大于网络编码数据帧的带宽之和。
8.根据权利要求1所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：步骤(4)中采用最小延时准则选取优选链路的具体步骤为：
将所有出口链路按照效用度量E从大到小排序，将传输数据的带宽需求按比例分配到所有出口链路之上。
9.根据权利要求7或8所述的基于网络编码的抗干扰传输方法，其特征在于：所述出口链路的效用度量E的计算公式为：
式中，p＝1-γn，γ表示误帧率，n表示重传次数，R表示链路带宽。
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