分批稀疏码在空间通信中的应用展望

第XX卷第X期飞行器测控学报Vol.XXNo.Xxxxx年xx月JournalofSpacecraftTT&CTechnologyXxx.xxxx*收稿日期：2015-XX-XX；修回日期：2015-XX-XX；网络出版时间：2015-XX-XX网络出版地址：基金项目：项目名称（项目编号）第一作者简介：董光亮（1966-），男，学士，研究员，主要研究方向:TODOE-mail：[e-mail]通信作者简介：赵华凯（1991-），男，学士，主要研究方向为容延迟与容中断网络；E-mail：[e-mail]分批稀疏码在空间通信中的应用展望董光亮，赵华凯+，冯贵年（北京跟踪与通信技术研究所•北京•100094）摘要：随着深空探测任务的不断发展，空间多跳链路的应用情景越来越多，对丢包率较高的空间通信提出了更高的要求。分批稀疏码是一种新型的编码技术，结合喷泉码和网络编码的优势，具有很强的抗丢包能力，计算和存储开销较小，在空间通信中具有广阔的应用前景。介绍了空间通信发展情况和丢包问题，阐述了分批稀疏码的原理和优势，指出了分批稀疏码在空间通信中的应用前景和待解决问题。关键词：分批稀疏码；网络编码；空间通信；星间链路中图分类号：TN919;TP393文献标志码：A文章编号：ProspectofBATScodesforSpaceCommunicationDONGGuangliang,ZHAOHuakai+,FENGGuinian（BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology,Beijing100094）Abstract：Withthedevelopmentofdeepspaceexplorations,therequirementsofspacemulti-hoplinksareincreasing,whichchallengethespacecommunicationwithhighpacketlossrate.Batchedsparse(BATS)codeshavebeenproposedforcommunicationthroughnetworkswithpacketloss,whichincludeamatrixgeneralizationoffountaincodesastheoutercodeandrandomlinearnetworkcodingattheintermediatenetworknodesastheinnercode.Thesecodescanreducethepacketlossrate,whiletherequiredcomputationandstoragearesmall,whichmakesithavewideapplicationprospectsinspacecommunications.Thispaperintroducestheproblemofthespacecommunications,especiallytheproblemofpacketloss,andintroducesthecharacteristicsandadvantagesofBATScodes.TheapplicationprospectforspacecommunicationandtheproblemstobesolvedofBATScodesisdiscussed.Keywords：batchedsparsecodes；networkcoding；spacecommunication；inter-satellitelink0引言随着测控通信技术的不断发展，人类的触角早已伸向遥远的太空，主要航天国家的空间探测活动正蓬勃发展。我国探月工程进展顺利，已获取大量科学数据和高清影像，下一步将以火星探测为中心开展我国的深空探测任务[1]。美国国家宇航局提出建立一个为运行在太阳系及更远太空中的航天器提供通信服务的体系结构[2]，并通过远程链路将地球、月球和火星周围的联网业务与地球相连接，形成覆盖太阳系内的行星际导航通信网络。欧空局在长期的太空探索中，逐步建立相对完善的测控通信设施，其深空站、数据中继系统正在迅速发展[3]。通过航天器之间组网，建立星间链路，是接下来空间通信的重要发展方向。本世纪初，美国建成的“铱星”通信星座系统中，位于同一轨道平面的卫星可以建立星间链路，传输地面语音数据。2008年，我国发射数据中继卫星“天链一号01星”，实现了两跳星间链路；在建的北斗导航系统中，将实现基于光通信的星间链路，以实现高速数据传输。星间链路的丢包率较高，且存在累积丢包现象，对空间通信带来不利影响。目前常用的反馈重传和纠删码技术一定程序上克服了丢包问题，但难以解决累积丢包问题。分批稀疏码结合喷泉码无需反馈、网络编码允许中间节点参与数据处理的有点，较好地解决了累积丢包的问题，且对存储和计算的要求较低，在空间通信中具有良好的应用前景。飞行器测控学报第XX卷21分批稀疏码的空间应用背景相比于地面互联网，空间通信面临着更多的挑战[4]：极高的误码率；极长且可变的传输时延；频繁的连接中断；变化的网络拓扑等。以火星—地球通信具体说明空间通信的特点，如图1所示。火星表面的漫游器和火星轨道器之间，面临着火星大气、火星沙尘、山脉遮挡、轨道器距离变化等干扰，这些因素会导致信号变化、通信中断等问题；火星轨道器到地球深空站的距离在5500万千米到4亿千米之间变化，通信时延为3~22分钟，前向通信速率较低，地球表面的不利天气和太阳的电磁干扰等因素，也会导致通信异常。地球深空站（DSS）火星轨道器（Orbiters）火星漫游器（Rovers）0.5-4亿公里，3-22分钟地球不利天气，太阳电磁干扰火星大气火星沙尘山脉遮挡远近变化图1影响地球火星通信的因素Fig.1FactorsaffectingtheEarth-Marscommunications空间通信面对的问题会导致数据包无法被接收端正确接收，出现较高的丢包率。导致丢包的主要原因有两个。一是误码率过高，导致数据包中的误码过多，超过底层纠错码的纠错能力。二是状态转换、太阳干扰、通信距离远近变化等，导致通信闪断和信道突然恶化。丢包问题难以避免，常用的解决方案是反馈重传技术，如TCP/IP协议的自动反馈重传（ARQ）技术。反馈重传技术依赖于接收端的反馈信息，反馈信息表明已成功接收到的数据包或者尚未接收到的数据包。根据反馈信息，发送端确定并重新发送丢失的数据包。反馈重传的缺点是网络利用率不高，且反馈信息增加了网络负担。特别是当丢包率较高时，会出现反馈风暴。另一方面，空间传输时延较大，如地球—火星的反馈重传往返最多需要44分钟，反馈重传效率很低且难以实现。纠删码技术是国际空间数据系统咨询委员会建议解决突发丢包的技术[5]。纠删码的原理是包间冗余。发送端对原始数据包进行编码，得到有冗余的数据包，接收端收到一定数量的数据包就可以恢复数据。纠删码有3种：RS码，LDPC码和喷泉码。三种纠删码各有优劣，RS码简单成熟，但译码复杂度随着编码数据包数量的增大而急剧增加。二进制LDPC码在码块长度在500至2000时，具有较好的纠错性能和较低的实现复杂度；多进制LDPC码的实现复杂度略高，但对于n500以下的短码块条件下，也有较好的纠删性能。两者的共同缺点是不能方便地改变编码参数，纠错能力固定。喷泉码是无码率纠删码。喷泉码包括LT码[6]、Raptor码[7]和online码[8]等。传输k个原始数据包时，首先不断组合原始数据包，得到编码数据包并发送，理论上可以生成无穷多个编码数据包（即无码率）。接收端收到任意n个编码数据包（n略大于k）后，就能以高概率恢复k个原始数据包。喷泉码具有抗突发丢包的能力，不依赖反馈信息，使其在长时延的空间通信中有良好的应用前景。将喷泉码等纠删码应用到空间通信时，需要考虑多跳链路带来的累积丢包问题。不妨假设信道的丢包率为p，经过L跳后，到达接收端的数据包期望数量为原始数据包的(1)L-p，该现象如图2所示，其导致丢包率迅速上升。SDRpp图2空间通信两跳链路示意图Fig.2Two-hopcommunicationindeepspace.常用的解决累积丢包的方法是解码转发，即网络中间节点恢复数据包的冗余。对于纠删码，解码转发的缺点是计算量大，缓存占用较大，对计算和存储能力受限的航天器来说，代价较高，且带来较大的传输时延。2000年，Ahlswede等提出基于网络信息流的网络编码概念[9]。相比于传统网络中节点不参与信息处理，网络编码中节点可进行信息处理，生成新的数据包。网络编码技术可以用来解决累计丢包问题。中间节点将收到的数据包进行线性组合，恢复数据包数量。接收端根据收到的数据包和组合系数，恢复原始数据包。网络编码对中间节点的计算和缓存要求较低，缺点是组合系数在数据包中占用很大存储，减少了数据包中的有效数据。分批稀疏码（BatchedSparsecodes,BATScodes）是由杨升浩教授等人提出，针对网络中存在丢包现象而设计的编码方案[10][11]。BATS码结合了喷泉码无需反馈、网络编码允许中间节点参与数据处理的优势，且降低了组合系数向量的开销。相比于一般的线性网络编码方案[12][13][14]，BATS码具有较小的编解码复杂度，数据包头较小，网络中间节点所需缓存较少。相比于低复杂性的随机线性网络第X期第一作者，等：中文题名3编码，如EC码[15]，Gamma码[16]，L-chunked码[17]，BATS码有更高的传输速率且是无码率的。在BATS码被提出的这几年里，其应用正逐渐增多[18][19][20]。2BATS码编解码原理2.1BATS码的编解码原理编码。BATS码编解码中所有符号和运算均在有限域Fqq（q一般为256）上进行。假设待编码的数据包数量为K，分批（batch）数量为n，每个batch包含M个编码数据包。待编码（原始）数据包编号为1,,KL，集合(1)=,,KΒ表示所有数据包集合，集合1⊂i,i=,,nΒΒ表示部分数据包的集合。编码后得到n个batch为12n,,,XXX，其表示为：iii=XBG其中，令iid=B，即iB中包含id个原始数据包，称id是batchiX的度。度1id,i,,n=L是独立同分布的随机变量，称其分布1()K=Ψ,,ΨΨ为度分布（degreedistribution），即Pr{}=ikd=kΨ。iG是idM的随机矩阵，称为生成矩阵。理论上，编码后的batch数目n可以是无限的。BATS码的编码传输过程如图3所示，生成矩阵iG处的虚框表示生成的batch，虚框内的实心方块表示每个batch内的M个编码数据包。G2G1G3H2H1H3b2b1b4b3b6b5b8b7b9图3BATS码的编码和传输过程示意图Fig.3TheencodingandtransmissionofBATScodes.传输。传输数据包时，由于存在丢包现象，每个batch到达中间节点的数据包数量可能少于M。中间节点对属于同一batch的数据包使用网络编码，重新产生M个数据包，并转发给下一节点。到达接收端的第i个batch可表示为：iiiiii==YXHBGH这里，iH是一个M行的随机矩阵，称为传输矩阵。iH的列数等于第i个batch到达接收端的数据包数母。对于不同的分组，该值不一定相同，但一定小于M。对传输矩阵H，令Pr{()}khrank=kH，称()0M=h,,hh为传输矩阵的秩分布，简称秩分布。秩分布反映出网络的丢包特性。2.2BATS码的BP解码和Inactivation解码BATS码常用的解码方法是置信传输（BeliefPropagation，BP）解码和置活（Inactivation）解码。经过编码和传输之后，接收端收到的信息是：n个batch1i,i=,,nY，数据包头信息中包含的传输矩阵H，通过收发端协商得到的生成矩阵G。于是，解码器