高可靠衛星數據廣播技術框架研究

作者簡介：潘晏濤（1977-），男， 上海人，高級工程師，博士，研究方向：計算機網絡 （E-mail：pytmail@126.com）；鮑振華（1968-），男， 貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：高性能數據處理。

摘要：針對氣象信息分發業務中存在的衛星廣播信道不可靠問題，在現有的業務應用層和傳輸信道層之間插入可靠廣播會話層和差錯控制傳輸層，形成面向多信道衛星網絡的可靠廣播體系結構，整合前饋控制和反饋控制方法，利用基于異網反饋的自適應前向糾錯和基于智能策略的多信道反饋差錯控制等方法，在VSAT衛星網絡上提供可靠性可控的廣播分發服務。

關鍵詞：衛星網絡；可靠廣播

中圖分類號：TP 393文獻標識碼：A

1研究背景

衛星廣播與地面分發相比，具有播發范圍大，系統維護量小，信道帶寬穩定，接收靈活機動等獨特優勢，是氣象部門進行信息廣域分發的主要手段。目前，我氣象部門使用的某型VSAT衛星通信系統分為單向數據廣播和雙向數據傳輸兩個獨立系統。其中單向數據廣播網絡采用DVB廣播信道，是承載數據分發業務的主要平臺。單向廣播信道不具備反饋差錯控制能力，信息以一種盡力而為的方式傳輸，無法實現數據文件的可靠分發。在實際應用中暴露出以下3個問題。

1）在上層應用和廣播網絡之間缺少負責報文檢錯和糾錯的可靠傳輸層，需要人工檢測傳輸差錯并申請重傳。系統自動化程度低，人工干預量大，反饋依賴帶外手段，差錯修復過程慢。

2）重復播發開銷大，反復重傳也無法保證可靠接收。為了提高傳輸可靠性，現有系統采用了FEC（前向糾錯編碼）和多次廣播等手段。但是前饋控制本質上不提供可靠保證，而且在缺少接收端反饋的情況下，很難確定合適的FEC編碼冗余度。過低的冗余度無法達到必要的可靠性，過高的冗余度則會占用較多帶寬資源，從而限制了分發業務的擴展，也影響了分發的實時性。而簡單進行多次廣播的做法雖然能夠修復了一些錯誤文件，但也會導致新的錯誤文件覆蓋已正確接收的文件，以致無法達到提高可靠性的效果。以上情況說明在缺少反饋信息的情況下，現有的前饋控制方法無法提供有效的可靠傳輸保障。

3）隨著單個數據文件長度增加，數據集的應用耦合度提高和文件加密等應用層機制的建立，廣播數據幀丟失所造成的應用問題變得更為突出，具體表現在3個方面。首先，過去通過衛星廣播分發的文件一般較小，成幀量少，正確傳輸并組裝的成功率較高。但是隨著衛星遙感圖像等大文件增多，文件傳輸成功率不斷下降。其次，過去分發的信息主要是實況報、傳真圖一類的松耦合數據，文件間的關聯性不強，因此單個文件丟失一般不影響對其它文件的處理和使用。但是隨著數值預報產品等以數據集形式下發和應用的文件不斷增多，部分丟失或損壞對應用造成的影響越來越大。目前，某型數值產品日均下發1萬余個文件，經3次廣播正確接收的比例仍經常低于80%。再次，隨著文件加密等應用層機制的建立，廣播幀丟失造成文件無法恢復的情況顯得更加棘手。

針對業務應用中存在的上述問題，我們利用VSAT雙向信道作為廣播信道的反饋途徑，研究建立基于異網反饋的前向糾錯機制和基于多網協同的智能化修復機制，解決廣播信道上的可靠傳輸問題。

2研究背景

目前國內外針對衛星信道可靠廣播或組播方面的研究主要有兩種技術路線。

第一種是基于FEC或ALC（異步分層編碼，Asynchronous Layered Coding）的前饋控制方法。ALC是對FEC的改進，主要是通過在多個速率不同的衛星廣播信道上一次或多次播發原始數據幀和冗余數據幀，并對各信道的播發內容和速率進行控制。這一改進能夠優化FEC方法的信道利用率。文獻[1]提出在VSAT衛星通信系統中采用應用層FEC技術來提高傳輸的可靠性，其仿真實驗說明這一思路在技術上是可行的。文獻[2]引入FEC幀亂續發送機制，為緩解衛星通信中由于連續丟包造成的FEC糾錯效率下降問題提供了一個可行的解決方法，使FEC方法更加適應衛星網的傳輸特性。文獻[3]基于ALC協議框架研究衛星可靠廣播問題，采用的CRC32校驗和基于文件的MD5校驗彌補了原有ALC協議對于文件層校驗的不足，進一步完善了基于前饋控制方法的整體解決方案。

上述研究[1][2][3]通過在應用層使用冗余編碼進行前向糾錯來提供可靠性保證，能夠在一定程度上提高單向信道廣播的可靠性。但是前饋控制本質上不能提供完全的可靠保證，而且在缺少接收端狀態信息的情況下，也很難確定合適的編碼冗余度。在誤碼率下降時，可能無法向用戶提供滿足閾值的可靠性保證；在誤碼率穩定時，可能造成不必要的帶寬浪費。

第二種技術途徑是采用基于反饋控制的方法。主要是利用反向信道，通過差錯控制提供可靠保證。文獻[4]提出利用地面網絡與衛星網絡組成天地網平臺，通過地面網絡反饋差錯信息，并在發送端利用反饋信息進行FEC編碼的自適應調整。文獻[5]針對具有雙向信道的衛星通信系統，研究現有可靠組播協議在衛星網中的適應性改造問題。主要方法是選舉接收情況較好的組成員作為Agent，負責收集其它組成員的接收狀態并反饋給發送端，同時盡可能進行本地修復。由于沒有充分考慮衛星網絡中物理層的星型結構和數據鏈路層的廣播本質，該設計中設置本地代理的做法效果并不明顯，表現在3個方面：（1）選舉Agent的協議過程具有較高消息復雜度；（2）組成員與Agent交互并不比直接與發送端交互具有更多優勢；（3）由Agent負責修復的做法在通信代價和修復延遲上不具有本地化的效果。但文獻[5]提出的接收端延遲一段時間再進行反饋的機制在減少基于衛星鏈路進行反饋時的內爆（Feedback Implosion）問題方面是值得借鑒的。上述研究[4][5]的利用反向信道進行差錯控制，可以從根本上提供可靠保證。特別是文獻[4]利用異網反饋進行差錯控制的思想和本文的研究思路是一致的。

在氣象通信中利用衛星網絡進行數據廣播，主要是利用其不受限于地面通信基礎設施的優勢，對偏遠和機動接收站形成有效覆蓋。我們拋棄了[4]提出的使用地面有線網絡作為反饋信道的做法，在反饋信道選擇，異網邏輯關聯，以及對廣播流、反饋流和修復流的引導和控制等方面，進行了更為深入的探討。

3總體設計

根據對業務背景和研究現狀的分析，我們認為應在現有的業務應用層和傳輸信道層之間插入可靠廣播會話層和差錯控制傳輸層，形成面向多信道衛星網絡的可靠廣播體系結構，整合前饋控制和反饋控制方法，在VSAT衛星網絡上提供可靠性可控的廣播或組播。

在可靠廣播會話層，研究可靠廣播會話接口，提供面向業務應用的程序調用接口，完善基于共享文件池的松耦合接口，便于應用程序以多種方式靈活使用衛星廣播信道；研究應用層可靠性要求的建模和標記方法，以及這一可靠性要求到傳輸差錯控制層具體傳輸手段和傳輸策略的映射方法；研究分發文件的唯一性標識和完整性驗證方法，為文件層檢錯糾錯提供基礎。

在差錯控制傳輸層研究多層次自適應前饋控制技術、異網信息反饋技術和多信道策略化智能修復技術。

1）基于反饋信息的多層次自適應前饋控制技術

建立多層次前饋控制機制，在文件層采用FEC編碼，在幀層采用參數化復傳技術。在接收端計算FEC塊冗余量和重復率兩個指標，建立相應的統計方法、反饋方法和分析方法，形成基于反饋信息的前饋控制參數自適應調節機制。進一步建立雙向信道誤碼率獲取途徑，研究它與廣播信道誤碼率的相關關系模型和轉換算法，建立基于信道誤碼率估計的前饋控制參數調節機制。

2）多信道策略化智能修復技術

研究重傳請求的相關性分析方法和基于FEC編碼的最小修復集計算方法，建立以較少的重傳量修復較多受損報文的最優化修復機制。綜合考慮修復申請的數量、時空分布、修復層次和相關性等多種因素，研究基于策略的信道選擇、編碼冗余度調整和復傳因子調整機制，提供綜合利用單播和廣播多種信道，且重發可靠性可調節的智能化修復機制。

4架構流程

高可靠衛星數據廣播總體架構和工作流程如圖2所示。主要包括發送端和接收端兩大部分，各5個功能單元：文件管理、前向糾錯、數據復傳、廣播分發、傳輸管控和雙向代理。

文件管理功能單元向上層應用提供可靠廣播的服務接口：發送應用可通過該接口指定需要的可靠性級別，并通過調用程序發送接口或使用共享的發送文件池發送文件；對可靠性級別進行映射，將其翻譯為系統可理解的可靠性標識，并根據該標識啟動盡力而為、前向糾錯、反饋控制等相應的傳輸機制；文件到達接受方后，被唯一性標識所識別并以索引形式保存到數據庫中成為備份，同時以程序接口和接收文件池兩種形式供接收應用使用。

前向糾錯功能單元對有可靠性要求的文件，按照其可靠性標識、播發范圍和反饋的信道特征統計結果，選擇適合的編碼冗余度，進行FEC編碼，緩存和發送；接收端對受到的FEC編碼塊進行校驗和緩存，對滿足最小恢復數量的編碼塊序列進行解碼復原，統計本地的編碼塊冗余量反饋給發送端；對超時而未達到最小恢復數量門限的塊序列，檢查其可靠性要求，若對應文件的可靠度標識為1，則啟動重傳申請。申請時需向發送端提供塊接收位圖。

數據復傳功能單元根據信道誤碼率估計值和上層指定的傳輸成功率計算單個FEC編碼塊的復傳因子，以便以要求的概率將其成功傳輸到接收端；接收端接收數據塊時對重復率進行統計，并反饋給發送端，以便后者進行復傳因子的自適應調節。

廣播分發功能單元對來自文件管理功能單元的文件和來自復傳子系同的FEC編碼塊進行UDP/IP/MPEG-2多重協議封裝，將有效載荷插入MPEG-2幀中向接收端發送。

雙向代理功能單元利用雙向信道在廣播的收發兩端建立可靠信道，制定和采用約定編碼封裝和反饋接收端的統計信息和重傳申請；根據傳輸管控功能單元的調度實施點對點修復；向發送端傳輸管控功能單元提供雙向信道誤碼率。

傳輸管控功能單元接收文件管理功能單元提供的分發文件id、文件名、可靠性標識、唯一性標志和分發時間等信息，制作分發文件目錄并下發給各個接收端；接收和匯總反饋的統計信息，將冗余量、復傳成功率和雙向信道誤碼率提供給前向糾錯和數據復傳功能單元；接收前向糾錯功能單元的FEC塊接收結果位圖，確定FEC數據塊級傳輸差錯，向發送端提出重傳申請；比對分發目錄和文件管理功能單元發來的收文情況統計，確定文件級傳輸差錯，向發送端提出重傳申請；發送端傳輸控制功能單元接收和匯總FEC數據塊級重傳申請，分析其中的相關性，確定最優的修復數據集；根據修復范圍、修復內容和修復本身所需要的可靠度等因素選擇適合的修復信道和修復方法，確定傳輸參數的建議值。

5關鍵技術

5.1基于異網反饋的混合差錯控制

傳統FEC技術通過在原有的信息分組上加上冗余的奇偶分組，使得在出現分組丟失情況下，只要收到足夠數量的分組，接收方就可以恢復出完整數據而不需要重傳。這一特性在單向信道或在時延較大的信道中極具吸引力，特別適合衛星廣播應用。

但是，傳統FEC依然存在著一些問題，首先是因為需要發送冗余而浪費了帶寬；其次，單純的FEC并不足以實現完全的可靠分發，當網絡條件太差或因突發的原因（如主干線路的突然短暫阻塞或斷開）造成丟包率過高時，FEC將無法正確恢復原始數據包，而又由于其不能實現重傳，從而不能提供完全的可靠性保證。

從確保可靠的角度來講，必須采用反饋重發技術。因此，在傳統FEC技術的基礎上結合反饋控制，使兩者互補，利用反饋控制解決高可靠問題，利用單向信道上的前饋控制克服雙向信道吞吐量低的缺陷，就能在衛星廣播分發中形成了一種較為高效和靈活的差錯控制機制，具體包括3個方面。

1）多終端最小修復集選擇機制。由于采用了FEC編碼，當多個終端無法收到所需數量的FEC數據塊時，可以在各種可能的修復方案中選取交集，從而通過重傳最少數量的FEC塊，修復盡可能多的接收節點。

2） 基于異網反饋的FEC編碼冗余度調節機制。由于采用的異網信息反饋，發送端可以根據接收端收到FEC數據塊的冗余程度，對編碼參數進行自適應調節。這樣既保證了大多數節點可以在首輪傳輸中成功接收報文，又避免了冗余度過大對廣播信道的帶寬占用。

3） 多信道重傳修復機制。由于通過應用層編址將分屬廣播信道和雙向信道的物理主機構造為邏輯上統一的節點，分發節點可以在修復階段根據申請數量、時空分布、修復層次和修復集相關性等多種因素，選擇不同的信道和播發方式，從而提高傳輸網絡的整體利用效能。

5.2FEC數據塊發送調度方法

衛星廣播網絡和地面IP網絡相比，傳輸帶寬和流量相對穩定，由于帶寬競爭出現的數據丟失很少，造成丟幀的主要原因是信號衰減和線路干擾。這就決定了衛星廣播信道數據丟失的主要特點是：丟幀率較低、連續發生丟幀的概率較高。這種連續丟幀對可靠傳輸的影響很大。因為如果發生連續性丟幀，就可能造成FEC機制無法進行成功恢復。針對此問題需要研究FEC數據塊發送調度方法，基本思路是引入亂序處理[2]，盡量增大屬于同一個文件的FEC數據塊的發送間距。

亂序算法如下：將每m個文件（每個包括n個原始數據塊和k個冗余數據塊），即m（n+k）個數據塊，順序編號為u1，u2，…，um（n+k），進行亂序處理，使原來次序為x的數據塊在發送序列中的次序為（（n+k-x mod（n+k））m）+x%（n+k）。采用這種調度順序能夠使得屬于同一文件的兩個相鄰數據塊的最小間距為m。這樣即使連續丟失m×k個數據塊，也可以利用FEC算法成功恢復文件。容易證明在一個長度為m（n+k）的序列中分布k+k個數據塊時，任意兩個數據塊的距離最小值不大于m。因此該算法可以極大提高傳輸的可靠性。

5.3復傳因子計算方法

定義復傳因子為數據塊可靠傳輸所需的必要重傳次數。對于不同的數據類型和不同規模的分發范圍，復傳因子有所不同，可以分為元類型復傳因子和基于數據塊的復傳因子等。

根據衛星廣播信道特點，當接收站在空間上散布在較大范圍上時，下行鏈路上的丟幀是相互獨立的事件。為了簡化計算，并保證廣播成功概率，不妨做兩個最壞的假設：（1）從發送站到各個接收站的空間段鏈路（包括衛星轉發在內）上，丟幀事件相互獨立；（2）各條鏈路的信道誤碼率按最差小站的信道誤碼率計算。設DVB廣播信道上的接收節點數目為N，到最差小站的報文單次廣播成功率為Pmin，則到所有小站的單次廣播成功率為（Pmin）N。當N=100時，重發次數數學期望E=1.0451。若采用2為復傳因子，則到所有小站的成功廣播概率為99.81%。若eps=0.9999，則需采用3為復傳因子。

6結束語

本文從業務應用的現實需求出發，適應分發數據不斷增加，分發文件不斷增大和數據集耦合度不斷增強的發展趨勢，以解決衛星可靠廣播問題為目標，立足現有衛星信道資源，通過多信道融合利用解決缺少反饋途徑等關鍵技術障礙，在現有研究的基礎上，提出層次較為清晰、結構較為完整的高可靠衛星廣播技術框架，形成綜合多種前饋控制和反饋控制手段的可靠傳輸解決方案，提出基于異網反饋的多層次自適應前饋控制方法、基于重傳請求編碼相關性的最小修復集計算方法和基于重傳請求時空相關性的策略化智能修復方法等若干技術思路和解決途徑，對推動相關技術研究具有一定的學術價值，對提高氣象信息分發正確性和分發效率具有顯著的現實意義。

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