专利名称：深空文件传输方法
技术领域：
本发明涉及一种文件传输方法，尤其涉及一种深空文件传输方法。
背景技术：
现有的深空通信文件传输根据重传机制的不同，主要分为TCP/IP协议及空间数据咨询委员会的文件传输协议(CFDP，CCSDS File Delivery Protocol)两类
深空通信与传统地面通信有巨大的差别，它所特有的动态长延时、高误码率、间断可用链路、不对称信道等特点，使得TCP/IP协议直接应用到深空通信系统中会出现很多问题。 首先，深空通信中传播延时巨大，例如火星到地球的往返延迟根据星体的轨道位置不同通常在8. 5到40分钟之间，如果往返延迟大于通信持续时间，那么应用数据根本没有传输的机会。其次，上行与下行链路的信息速率不对称对TCP的吞吐量影响非常大。2015年预计可达到的地月通信上行速率为41A/S，下行速率为lOMb/s，而火星通信上行速率为41A/S， 下行速率为4 6Mb/S。由于信道速率的不对称会导致较大的线速率突发错误，加重下行缓存拥塞，吞吐量随非对称性成指数衰减。再次，TCP协议分辨拥塞和数据丢失的策略决定其吞吐量随往返传播时延及信息丢失概率的增加而迅速恶化。TCP协议通过ARQ机制保证按顺序发送文件信息，任一丢失的数据包将引起该数据包之后的所有数据重新发送。深空信道的误码率(BER)通常比地面信道的误码率大，典型的深空通信误码率为10-5，且由于星体轨道运行对探测器的遮挡，深空通信链路会产生周期性中断。另外，TCP协议的差错检测和恢复策略不适合深空高误码率环境首先，TCP协议通过重传定时器计时溢出对数据包的丢失进行判断；其次，TCP协议无法区分数据包丢失的原因是网络拥塞还是信道误码，TCP 协议主要通过降低报文发送速率以避免拥塞的策略来处理误码。此外，吞吐量会随着确认信息(ACK，Acknowledge Character)的丢失进一步恶化。由于TCP协议是基于端到端重传的协议，缓存只有在接收端向发送端确认正确接收所有信息后才会释放用于重传的通信资源；传输过程丢失的信息需要重传，进一步延长资源占用缓存的时间，不适用于对于缓存空间和处理能力有限的深空探测器。而且TCP/IP的路由协议对于深空通信操作环境未来的可能路由缺乏预见性。另外，深空通信环境很难对时间间隔做出准确预测，因此对状态信息更新时间间隔的预测准确性很敏感的分布式路由算法不适合。综上所述，现有的TCP/IP 协议体系在深空通信的传播时延长、误码率高、非对称链路、链路兼容以及异构网络等问题上面临严峻的挑战。在链路时延或者时延带宽积较大的深空网络，各种TCP改进协议相差不大且性能很差，在地球-火星之间TCP协议甚至无法通信。CFDP协议目前没有开发出成熟的前向分组纠删技术，CFDP确认模式下的NAK重传算法并未采用对PDU的前向分组保护。CFDP协议将数据链路层的端到端通信信道视为数据单元的二元删除信道，接收端对到达物理层的数据包进行译码，然后向传输协议反馈通信数据包的完整性。传输协议选择接受成功译码的完整数据包，或者丢弃一个无法恢复误码的数据包。随着信道误码率的恶化，文件传输过程由于频繁丢包需要多次的确认重传以保证数据的正确接收，深空大时延环境下的频繁重传使得往返传播时延在整个文件传输过程中的开销很大。当信道误码率超过10_5时，文件传输的延时检测过程由于频繁丢包需要多次的确认重传以保证数据的正确接收。当误码率接近10_4时，CFDP文件传输时延期望的仿真曲线显示其性能已经严重恶化。深空大时延环境下的频繁重传使得往返传播时延在整个文件传输过程中的开销很大，尤其是地球一火星通信中平均的单次传播时延接近20分钟。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种深空文件传输方法。一种深空文件传输方法，包括以下步骤，
步骤1)，在发送端，根据可靠性编码理论，将整个原文件拆成若干数据包； 步骤2)，对其中固定长度的数据包进行逐位异或运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；
步骤3)，在传输层，接收端通过接收足够多的交织数据包，自动恢复全部原始数据包； 步骤4)，恢复出整个原文件。相较于现有技术，本发明的深空文件传输方法，通过精心设计的喷泉交织算法利用发送端引入的交织冗余信息为文件分组提供纠删保护，提高通信可靠性，避免频繁的反馈确认。有效减少因丢包而导致的重传，保证通信可靠性和有效性。为使深空通信文件传输协议具备前向纠删能力，进一步考虑在CCSDS文件传输协议非确认传输模式基础上，设计一种具有前向纠删功能的数据包交织传输协议(PI-CFDP， Packets Interleaving File Delivery Protocol)，利用发送端引入的交织冗余信息保证接收端能够通过BP译码自动恢复丢失的数据分组并最终恢复原文件，避免频繁的反馈确认，在保证通信可靠性的前提下缩短文件传输时延和提高吞吐量。
图1是本发明深空文件传输方法使用流程示意图。图2是本发明深空文件传输方法的弱鲁棒性交织分布的译码失败概率10_4的编码冗余开销示意图。图3地月通信文件传输速率为0. 5Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。图4地月通信文件传输速率为IMb/s时的传输时延仿真对比示意图。图5地月通信文件传输速率为2Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。图6地月通信文件传输速率为lOMb/s时的传输时延仿真对比示意图。图7地火通信文件传输速率为0. 5Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。图8地火通信文件传输速率为IMb/s时的传输时延仿真对比示意图。图9地火通信文件传输速率为2Mb/s时的传输时延仿真对比示意图。图10地火通信文件传输速率为lOMb/s时的传输时延仿真对比示意图。
具体实施例方式下面结合
及具体实施方式
对本发明进一步说明。如图1所示，本发明提供了一种深空文件传输方法。包括以下步骤
在发送端，根据可靠性编码理论，将整个原文件拆成若干数据包；数据包交织传输协议
4(PI-CFDP, Packet-Interleaving CCSDS File Delivery Protocol)引入喷泉编码技术，将原始数据分为若干个数据包；
对其中固定长度的数据包进行相关运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；将发送端的数据包按逐位异或处理，将一定数量的数据包进行交织处理，产生若干个冗余的数据包。根据可靠性编码理论将整个文件拆成若干数据包，每k个固定长度的 PDU (PDU, Protocol Data Unit，协议数据单元)进行相关运算，得到N个新处理的数据包然后传输，类似于分组码的k个输入符号接续N-k个校验符号。接收端在物理层译码时无法恢复的错误编码包当做丢失来处理。而传输层可以通过接收一定数量的包，利用发送端引入的冗余包保证接收端能够自动恢复丢失的数据单元，最终恢复原文件，不需要反馈确认过程，在保证通信可靠性的前提下缩短文件传输时延和提高吞吐量。Luby针对LT码设计的鲁棒孤波分布(RSD, Robust Soliton Distribution)编码复杂度在码长增加时不能满足线性，对于文件长度较大时应用效果受限。因此本发明在深空信道条件参数下参考鲁棒孤波分布重新设计文件交织的喷泉码度分布，以降低交织复杂度。对于一个(k，Ω (χ))的喷泉码，由二部图构造理论分析，输出度分布为ω (χ)，输入度分布为υ (X)，有:
权利要求
1.一种深空文件传输方法，其特征在于包括以下步骤，步骤1)，在发送端，将整个原文件拆成若干相同长度的数据包； 步骤2)，按给定的概率分布随机选取若干数据包进行逐位异或运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；步骤3)，在传输层，接收端通过接收足够多的交织数据包，自动恢复全部原始数据包； 步骤4)，恢复出整个原文件。
2.根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于步骤2)中，所述文件交织的喷泉编码度分布参照鲁棒孤波分布设计进行随机选取。
3.根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于所述深空文件传输方法还包括以下步骤，接收端在物理层译码时将无法恢复的错误编码包当做丢失处理。
4.根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于所述发送端进行交织处理时处理延时约为0. 17ms/Kbyte。
5.根据权利要求1所述深空文件传输方法，其特征在于所述交织分布使用弱鲁棒性交织分布。
全文摘要
本发明提供一种深空文件传输方法，包括以下步骤步骤1)在发送端，将整个原文件拆成若干相同长度数据包；步骤2)按给定的概率分布随机选取若干数据包进行逐位异或运算，获得若干个新处理的交织数据包，并进行发送、传输；步骤3)，在传输层，接收端通过接收足够多的交织数据包，自动恢复全部原始数据包；步骤4)，恢复出整个原文件。相较于现有技术，本发明的深空文件传输方法，通过精心设计的喷泉交织算法利用发送端引入的交织冗余信息为文件分组提供纠删保护，提高通信可靠性，避免频繁的反馈确认。有效减少因丢包而导致的重传，保证通信可靠性和有效性。
文档编号H04L1/00GK102209072SQ20111013198
公开日2011年10月5日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者张钦宇, 杨志华, 焦健, 顾术实 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院