一种基于网络编码的抗干扰传输方法与流程

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(dynamicintermittentlink)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，通过系统化、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。技术实现要素：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＝(y1y2…ym)，d＝(d1d2…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)＝{01…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：chnchfnfseqnseqcodedfdufcs宽带网络编码数据帧格式如下表：iphudphnchfnfseqnseqcodedfdufcs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；codedfdu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为网络编码系统性能比较图；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＝(d1d2…dk)(ci1ci2…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＝(y1y2…ym)，则其中d＝(d1d2…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)＝{01…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＝(q1q2…qm)，其构造方法如下：当取向量q＝(12…16)时，8×16维网络编码矩阵如表1所示：表1gf(28)域编码矩阵11111111111111111234567891011121314151614516172021646568698081848529181564851201075811514622123118612736205116172928131220520422122020820919219376132511161084636382261215169116244591801648520519322825245161101461916224110014311282551922698206117192687987431993824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：networkcodingheader，1个字节；fn：fragmentnumber，gf(28)时1个字节，切片数量k，最大256；fseq：fragmentsequence，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：networkcodingsequence，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；codedfdus：网络编码后的切片数据，长度为sbytes；ch：channelheader，窄带战术通信下帧头；udph：udpheader，宽带通信环境下的udp头；iph：ipheader，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(linkselectalgorithm)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,...,llsa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(efficiencymeasurement)，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系统的误帧率为γ，则未编码系统、网络编码系统和简单重传系统的抗干扰能力(正确接收概率)分别为：pr0＝(1-γ)kprd＝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。当前第1页12