专利名称：：一种适用于空间通信系统的容失文件传输控制方法
技术领域：
：本发明涉及适用于长距离空间通信系统的文件传输协议技术，尤其是一种容失文件传输控制方法。
背景技术：
：深空通信与地面通信差异很大，深空通信典型特点是长变时延、链路易中断、上下行链路非对称、信噪比极低。星际互联网络(IPN:InterPlaNetaryInternet)中的星际主干链路(如火星到地球的深空链路)上，这些特点尤为明显。TCP(Transmissioncontrolprotocol)协议以Internet为背景设计，以可忽略的时延、上下行链路带宽对称、链路持续有效和低误码率为特点，TCP协议在时延带宽积较大的网络中(如IPN)性能很差、无法正常工作。空间数据传输系统的国际标准组织CCSDS(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems)提出了能够支持空间和地面网络的文件传输协议(CFDP:CCSDSFileDeliveryProtocol)，其主要目标是解决各种协议在空间链路环境应用的各种传输问题，保证数据在长延时、多跳环境中的可靠传输。CFDP协议具有如下特点在单工、半双工和双工链路都能有效工作；在多个地球站之间切换时，以及链路时断时需时仍能正常工作；上下行链路带宽非对称情况下能有效使用；链路信息量最小化、通过缓存共享技术对星上存储器资源占用最小化；在多跳链路上正常工作、自动的存储_传输操作和端到端的特性等。Baek和Gao等就延迟否定确认型和立即否定确认型CFDP协议进行了性能仿真，但对CFDP协议的其它两种类型提示否定确认型和异步否定确认型没有分析，CCSDS对这两种模式也未做详细规定，未进行协议性能比较。在火星_地球和月球_地球场景下，本文对后两种确认模式的CFDP协议性能进行了仿真，对CFDP与TCP协议进行了仿真比较。本文提出了一种容失协议，在时延较长、误码率较高的链路上进行单向传输，不需要反馈确认信息并保证传输的可靠性。以Internet为背景的TCP协议假定传输时延可以忽略，而且链路误码很小、上下行链路带宽对称。TCP协议要求发送双方先进行协商建立TCP连接，经过三次握手之后才开始传输数据。TCP协议采用自动重传过程来保证所传信息按照顺序传输，因此任意一段数据的丢失都意味着之后所有的数据都要重新发送，这在传输延时很大、误码率较高的深空环境中大大降低文件传输效率。发送与接收信息速率的不对称会影响了TCP协议的吞吐量。TCP协议处理数据丢失和网络拥塞的策略决定其吞吐量随着往返延迟、信息丢失概率的增加而降低。由于TCP协议是基于端到端重传的协议，只有信息正确到达接收端后，发送端才能释放用于重传的通信资源，因此当传输不可靠而导致重传后，资源占用的时间会进一步延长，这种要求对存储容量、处理能力有限的航天器极为不合理。在不同的仿真背景下，TCP协议文件传输时延随传输速率R变化有差异月球_地球通信中，由于单向传播时延较短，为秒量级，传输速率的提高有利于縮短PDU在发送端和接收端的处理和传输时延，因而文件的传输时延减少。而在火星-地球通信中，传播延时巨大，传输速率的提高对縮短文件传输时延贡献很小。在深空通信中，距离过长是造成文件传输时延大的主要原因，而信噪比低、丢包率大也对时延、吞吐量产生影响。TCP协议提出的背景与深空通信的特点差别巨大，因而其不适合应用于深空通信中来。随着深空通信距离的增加，TCP协议的性能会恶化，直至无法正常工作。根据CFDP协议各个模式的特点，将这四种可靠传输方式分为两类第一类只包括延迟否定确认(DNM:DeferredNAKModel)CFDP;第二类包括立即否定确认(INM:ImmediateNAKModel)CFDP、提示否定确认(PNM:PromptedNAKModel)CFDP和异步否定确认(ANM-AsynchronousNAKModel)CFDP。以火星-地球最远距离为例，CFDP协议中文件传输延时随误码率Pe变化情况见表III。在深空通信中误码率越大文件传输延时也越大，而且当误码率达到10—4数量级时，文件传输延时会急剧增大，严重影响文件数据的正常传输。可见CFDP协议可以保证在较大的传输延时下正确传输文件，对误码率的要求也降低了，但是为了保证链路的效率(链路不能长时间被一个文件占用)误码率应保证在10—s数量级及以下。否则误码率的增加会造成频繁的差错重传，文件传输时延将大大增加，系统有效性难以保证。文件传输延时随着PDU个数的增大而增大。但随着PDU个数的增加，PDU个数的变化对传输延时的影响减小，可见CFDP协议能够在相对较小的传输延时下能够正确传输大文件。文件传输延时随传输速率增大而减小，但传输速率的变化对传输延时的影响逐渐减小。在满足假定条件下，当传输速率达到5Mbit/s以上时，传输速率的变化对文件传输延时影响很小。因此在给定的链路中，误码率一定时可以用较低的传输速率就可以达到较小的文件传输延时，而不必选用太高的传输速率。深空通信采用CFDP协议，在四种可靠传输方式下，文件传输延时都将随着PDU个数和长度的增加而增大，会随着传输速率的提高而降低，会随着外部触发事件的触发频率增高而降低。总的重传次数跟所采用的可靠传输方式和外部触发事件的频率有关。在深空通信中传输文件数据，利用CFDP协议可以在大延时下正确传输文件，对误码率的要求相对较低，但是不宜大于10—5数量级，能够满足系统可靠性要求。传输速率的提高可减小文件传输延时，但增大到一定值后传输速率的提高对文件传输延时的减小没有帮助。PUD大小一定时，PUD个数越多，相应的文件越大，文件传输延时也越大；PUD数量一定时，PUD越大，文件传输延时也越大；在文件大小一定时，选择较小的数据单元有利于减小传输延时。在上下行链路都同时、连续可用时，采用INM方式有利于减小文件传输延时，但带来相对较多重传。当上行链路只在文件传输的最后阶段可用时，可以采用DNM方式避免频繁的反馈重传。当上行链路只在文件传输的某些时刻可用或者需要发送方/接收方对重传进行控制时，可以采用PNM/ANM方式。
发明内容为了克服已有的空间数据传输系统的文件传输方法的存在链路丢包、可靠性差、传输时延较大、吞吐量受限的不足，本发明提供一种有效避免链路丢包、传输可靠性强、縮短文件传输时延、增大吞吐量的适用于空间通信系统的容失文件传输控制方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是—种适用于空间通信系统的容失文件传输控制方法，所述容失文件传输控制方法包括以下步骤1)、数据编织过程以发送端的节点数据为编码对象，具体过程为(1.1)、选取一个阶d;(1.2)、从N个原始数据块中随机选取d个数据块，记为S'2，...，S'd;(1.3)、对的d个数据块进行逐位异或运算，定义阶的表达式为/H0+M'〕(1)|>0.)+〃(0)卩/w,!'=i(2)ll/(/.("l)),,-=2,..,W:S/(!'.W),!、1,2，…,[W/S]-1f3)S.ln(S/。/W,!'=[W"]、乂编织过程阶的均值为^=2>^=0=^-编织需要N*3Ldata次异或运算，其中Ldata为每个数据块的长度；2)、数据解织过程；接收端数据的还原过程过程为(2.1)、找到阶(1=1的数据块，如果接收到的数据块中没有(1=1的数据块，再接收更多的数据，直到接收到d=1的数据；(2.2)、还原Sk，令Sk=tn;(2.3)、按照生成矩阵找到与Sk有关的、接收到的其他数据块ti，i^n，且取(2.4)、删除与Sk相连的所有"边"；(2.5)、如果所有的Si都被还原，得到原始文件；否则返回步骤(2.1)。本发明的技术构思为在深空通信中，距离过长、信噪比低是影响文件传输时延最主要原因，而链路中断、误码率大、丢包率大是影响吞吐量的重要原因。根据可靠性编码理论，可以将整个文件拆成若干数据块后，对原始数据块进行相关运算，得到相关处理后的数据块，而不论是TCP协议还是CFDP协议都未将多个数据块进行相关处理，本文提出一种"容失文件传输协议(LTFDP:Loss-tolerantfiledeliveryprotocol)"应用于深空通信中。容失协议借鉴编译码的思想对原始数据块进行编织处理然后再打包、传输，即使由于链路中断造成一部分数据丢失或者未能正确接收被丢弃，接收端仍然能够根据接收到的、足够数量的数据中含有的相关信息还原出整个原始文件。本发明的有益效果主要表现在LTFDP协议引入可靠性编码理论，解决了链路丢包的问题，保证了传输可靠性；LTFDP协议单向可靠传输、不需要反馈重传，縮短了整个文件传输时延，增大了吞吐量。P("')=其中M"='')=图1表示容失文件传输协议单向可靠传输过程。图2表示容失文件传输协议的数据编织过程。图3表示容失文件传输协议的编织器结构。图4表示容失文件传输协议的数据解织过程。图5表示深空通信中容失文件传输协议栈结构。具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图1图5，一种适用于空间通信系统的容失文件传输控制方法，所述容失文件传输控制方法包括以下步骤1)、数据编织过程以发送端的节点数据为编码对象，具体过程为(1.D、选取一个阶d;(1.2)、从N个原始数据块中随机选取d个数据块，记为S'2，.(1.3)、对的d个数据块进行逐位异或运算，定义阶的表达式为+〃(')(1)S'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>编织过程阶的均值为^》？("=')=^-编织需要N3Ldata次异或运算，其,.=1中Ldata为每个数据块的长度；2)、数据解织过程；接收端数据的还原过程过程为(2.1)、找到阶(1=1的数据块，如果接收到的数据块中没有(1=1的数据块，再接收更多的数据，直到接收到d=1的数据；(2.2)、还原Sk，令Sk=tn;(2.3)、按照生成矩阵找到与Sk有关的、接收到的其他数据块ti，i^n，且取f!-5"k(2.4)、删除与Sk相连的所有"边"；(2.5)、如果所有的Si都被还原，得到原始文件；否则返回步骤(2.1)。本实施例中，在非规则低密度校验码的基础上，喷泉编码将发送端的节点(单个或一串码元)逐位异或处理，在阶的一定分布基础上构造出了喷泉编码，并将低密度校验码和LT(Lubytransform)码级联构造出Raptor码。喷泉编码可以应用在各种信道上，如二元删除信道、对称信道、加性高斯白噪声信道、衰落信道等。编码后的数据包由于具有相关性，接收端不必接收到所有数据包，只要接收的数据包足数量够多，就能够恢复原文件，不需要反馈过程，LTFDP协议文件单向传输过程如附图1所示。由编译码理论可知，数据块编织深度约大(每一次编织参与的数据块数量越多)，编织后每个数据块包含原始数据块的信息就越多，协议对抗丢包的能力越强，可靠性越强；但是接收端解织的复杂度也就越大，解织时间越长。阶的概率分布影响LTFDP协议的性能——阶的分布不够理想，将不能够完全恢复原始数据，类似于编译码理论中的部分译码失败或"差错平板"现象，而且还决定了发送端和接收端的计算量和处理时延。定义阶的分布符合鲁棒孤波分布，其表达式为刷+〃(')射〃W=!.)l/TV,!.=11/(H':1)),'.=2,..,W57(!--A0，!'=l,2，...，[W/S]_1S.ln(57《)/W,!-=[W/S]0,,'=[W/S]+1,...,W]表示取整，S表示为了d其中，C为一合适的常数，满足(2)(3)其中[l的数据块数』(4)1S"—1#2In(7W》编织过程阶的均值为^》？("'):力舊)+〃(/))，因此编织需要N3Ldata次异或运》)算，其中Ld^为每个数据块的长度。为恢复原文件需要接收的数据块为w=w.+//(,.))(6)参数的取值范围如表I。设定M=10Mbit，L=2kbit，Pe=1X10—5，R=1Mbit/s，S=o.01，p(k=3)=3.8433X10—4<S。根据PDU丢失概率，异步否定确认型CFDP协议仅需要一次外部事件触发，就能够保证99%的文件完整率。参数c=0.01时，鲁棒孤波分布下的LTFDP协议需要发送至少5173个数据块以保证接收端能够正确解织。本文就LTFDP协议、异步否定确认型CFDP协议和TCP协议性能展开比较研究。协议类型月球-地球火星-地球延时(s)吞吐量(bit/s)延时(s)吞吐量(bit/s)TCP5.74xlOj17415.54xlOb1.80异步否定确认型CFDP16.7659665912080.82828鲁棒孤波分布下的LTP14.406944444023.332486表I由表I可以看出TCP协议在深空背景下几乎无法使用，特别是随着通信距离的增大TCP协议所表现出来的性能大幅度下降。由于TCP协议性能太差，下面仅就异步否定确认型CFDP和LTFDP协议进行比较。在地球-火星通信中，由于距离远、传播时延大，若采用CFDP协议，发送端需要等7待外部事件触发NAK信息，额外的传播时延增大了数据传输时延。而由于LTFDP协议不需要接收端反馈ACK或NAK信息，使得深空通信中的传播时延大大减小。根据设定的参数计算，如表V所示，在月球和火星与地球通信中，LTFDP协议比CFDP协议效率分别提高14.08%和66.70%。为了比较协议的数据传输能力，地面站的数据处理和解织时延不计算在文件传输时延内。鲁棒孤波分布下LTFDP协议和ANM_CFDP协议时延和有效吞吐量随误码率、文件大小、传输速率、PDU大小和文件阈值变化<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表IV<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表VI由表IIVI得出由于地月之间传播时延和数据传输时延具有相同量级，文件传输总时延受文件大小和传输速率变化的影响较大；而地球_火星之间的传播时延远远大于数据传输时延，所以文件传输总时延主要由传播时延决定，其他因素影响较小。深空通信中LTFDP可能的协议栈结构如附图5所示。考虑到空间网络与地面Internet的，可以将LTFDP层与集束层合并，设计LTFDP/集束层，用以规范不同协议的数据包，使得整个深空通信网络不同类型的链路和节点之间能够通信。权利要求一种适用于空间通信系统的容失文件传输控制方法，其特征在于所述容失文件传输控制方法包括以下步骤1)、数据编织过程以发送端的节点数据为编码对象，具体过程为(1.1)、选取一个阶d；(1.2)、从N个原始数据块中随机选取d个数据块，记为S′1，S′2，…，S′d；(1.3)、对的d个数据块进行逐位异或运算，定义阶的表达式为<mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mo>(</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中<mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>N</mi><mo>,</mo></mtd><mtd><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>·</mo><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mtd><mtd><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>,</mo><mi>N</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>μ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>S</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>·</mo><mi>N</mi><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