網絡編碼技術在衛星通信中的應用

張艷鑫 劉文續 劉志國 魯心宇 王慧 岑小雙

摘要：網絡編碼技術是一種新的網絡通信技術，其主要思想是認為網絡節點既可以存儲轉發，同時還能夠進行編碼處理，對于網絡傳輸性能的優化而言有著十分積極的作用，與傳統路由的傳輸方式相比有了巨大的進步。本文主要就是對網絡編碼技術在衛星通信中的應用情況進行探討，通過分析網絡編碼的概念與特點，分析網絡編碼在衛星通信中的應用及其存在的一些問題，從而歸納出網絡編碼技術在衛星通信中應用的未來研究方向進行了展望。

關鍵詞：網絡編碼技術 衛星通信 應用情況

中圖分類號：TN915.02 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0024-02

編碼和路由相結合，是網絡編碼的主要特點，為網絡節點實現數據傳輸和數據存儲提供了必要支持的同時，提供了基礎性的編碼支持，與傳統路由的傳輸方式有著很大的區別。衛星通信具有一系列的突出優勢，包括無縫隙覆蓋范圍大、通信質量好，以及廣播特性好等，促使網絡編碼發展成為通信網絡中不可替代的技術。衛星頻道作為一個信息傳遞的主要渠道，必然會應用大量的信息的傳輸和轉發，這就要求通信衛星在未來不僅應該有傳統的中繼功能，其傳輸效率也必須達到一個新的高度[1]。衛星通信網絡編碼技術在衛星通信中的應用，不僅可以解決傳統的路由問題，而且可以極大地提高通信的可靠性和效率。

1 網絡編碼概念和特點

1.1 網絡編碼技術的概念

本文以“蝶網”模型為例，分析了網絡編碼技術的基本概念。如圖1所示：假設各鏈路的容量為1，Y與Z都是信宿節點，S為信源節點，其余的都是中間節點。圖1（a）中使用的是傳統路由傳輸方式，節點W只負責存儲與轉發的操作工作。圖1（b）中使用的是網絡編碼方法，節點W主要負責的是對所輸入的信息進行編碼，再將編碼所得的結果b1與b2進行模2加，將操作結果b1 b2傳輸到節點X中，在通過鏈路XZ與XY將操作結果最終傳輸到節點Y與Z中。節點Y受到信息b1與信息b1 b2之后能夠對b1（b1 b2）進行譯碼操作，從而就可以解出信息b2。同樣的，節點Z也能通過這種方式將完整的信息解碼出來，如此得到的傳輸的容量就為2。由此可見，將網絡編碼技術應用到衛星通信中能夠在理論上實現最大的信息傳輸量[2]。在宿節點，這可以通過執行解碼的逆過程，并最終將能夠從原始數據的源被發送。

1.2 網絡編碼技術的特點

從本質上來說，本文所重點研究的網絡編碼是一種通過融合編碼和路由功能而實現信息交互操作的編碼方式。在實際應用過程中，通過節點對信道所提供信息的線形、非線性處理來實現信息的轉發，中間節點在這一過程中實際上承擔著編碼器或者信號處理器的作用。針對這一問題，在R Ahlswede等人的研究成果中強調，網絡編碼技術的集中應用，為多菠蘿油傳輸最大流界的實現提供了有效的支持，從而顯著提高信息傳輸效率，因此，在整個現代網絡通信領域中，網絡編碼占有非常重要的地位

網絡編碼技術的提出與應用促使多播傳輸在理論上實現了最大的傳輸容量，與路由多播相比而言，得到了更加良好的網絡吞吐量[3]。隨著對網絡編碼技術研究力度的加大，網絡編碼技術的更多優勢被逐漸發掘出來，比如提升了寬帶的利用率、對網絡負載起到了均衡作用等等。將網絡編碼技術與一些其他的應用之間進行有機結合能夠使該應用系統的各種性能得到更進一步的提升。但是同時也要意識到網絡編碼技術也不可避免的存在著一些不足，如導致計算過程過于復雜、整體計算量增加以及緩存需求增加所導致的時延問題等等。同時信息同步以及編譯碼等問題的客觀存在的，對于該技術在實時信息系統中的按規模應用增加了難度，在今后的研究中必須要加快解決同步問題[4]。

2 網絡編碼技術在衛星通信網絡中的應用

基于衛星通信網絡的特性，網絡編碼技術特別適用于衛星通信網絡領域。換句話說，如果一個節點對相鄰節點的不同數據分組產生興趣，則可以通過編碼這些不同的數據包，使得它和相鄰的所有節點都能夠接收它們中的數據分組的信息，從而有效地節約了衛星通信資源。因此，將網絡編碼技術應用到衛星通信網絡中，能夠使網絡性能得到實質性的提高，解決傳統路由技術，以及跨層設計技術無法解決的問題[5]。此外，衛星通信網絡中網絡編碼技術的應用還促使網絡的吞吐量得到了大幅度的提高，其中特別是組播的吞吐量更是達到了一個新的高度；并且還能夠明顯減少傳播數據包的次數，使得發送能耗大大降低，就算衛星通信網絡中的部分節點或者鏈路失去效用時還可以通過隨機網絡編碼，保證在目的節點仍舊能夠將原始數據恢復。以某種網絡編碼協作模式的設計與應用為例，將信道糾錯編碼與譯碼轉發模式相結合就能夠得到編碼的協作模式，其中可根據檢測所得的結果來判定協作節點是都具有參與協作的條件，防止在傳播中出現差錯，使協作通信模型的可靠性得到充分的保障。除此之外，在編碼寫作模型中有機結合信道糾錯編碼，大大提升了整個系統的編碼增益。如圖2所示，為編碼協作模型的示意圖，圖中UE1與UE2都是地面用戶，S是衛星，其中S是目的節點，UE1是源節點，UE2是UE1的協作中繼節點。

用1與2來表示用戶UE1與用戶UE2發送的初始數據，在經過信道糾錯編碼之后，分別得到了數據X1與X2，具體的可以用以下的形式來表示：X1=1.G1=[N11N12]，X2=2.G1=[N21N22]，其中G1、G2表示的是對應的生成矩陣，N11表示的是編碼后的信息位數據，N12表示的是編碼后檢驗位數據。可以將整個編碼寫作分成四個時隙，前兩個時隙是廣播階段，后兩個時隙是轉發階段[6]。

網絡編碼技術的應用，極大地提高了衛星通信網絡的性能，尤其是顯著提高了吞吐量，但同時它的弊端是使得網絡的復雜性更為明顯。與傳統方法相比，在網絡狀態良好的情況下，網絡編碼大大提高了組播吞吐量；在網絡狀況較差的情況下，網絡編碼的組播吞吐量則無明顯增強，僅降低了網絡的復雜度，在動態調整網絡編碼算法的基礎上提供了充分的可能性[7]。

3 網絡編碼技術在衛星通信應用中存在的一些問題

網絡編碼技術的出現極大的改變了現階段的網絡。網絡編碼的出現，最開始主要是為了接有線網絡中數據傳輸和數據廣播中的相關問題，而發展至今已經成為一種針對有效網絡與無線網絡提高組播吞吐量，在能量節省的方面發揮出了巨大的作用。但是必須要注意到，網絡編碼技術在衛星通信中的應用尚存在著一些需要改進的地方，其面臨的最主要的問題就是網絡編碼的具體實現方法和怎樣降低網絡編碼的復雜性。就目前來說，有多種網絡編碼方法都已經被提出來了，主要有分布式隨機網絡編碼與集中式線性網絡編碼，但是怎樣在具體的通信網絡中將網絡編碼真正實現尚且還需要對許多實際應用的問題進行考慮，比如開銷、同步控制等等[8]。網絡編碼技術的使用雖然極大的提高了網絡的性能，但是也增加了其在設計與實現上面的復雜程度。地面段有比較充足的資源和功率支撐，所以網絡編碼技術的使用能夠有效的加強信息傳輸的有效性，然而在衛星空間段中，由于資源十分有限，加上網絡編碼一般都需要消耗較大的功能，對CPU等也有著極高的要求，使得網絡編碼與衛星中繼傳輸的有效性之間有了各種不同的沖突與矛盾[9]。

4 網絡編碼技術在衛星通信中應用的未來研究方向

網絡編碼作為一種在近年來才興起的新興技術，在衛星通信中得到了很大的應用，在經過不斷的的發展后，其在信息傳輸效率的優化與網絡吞吐量的提高等方面發揮出了重要的作用與巨大的影響。與網絡編碼技術的分析相結合，可以得知在網絡中在未來衛星通信的應用的編碼技術有兩個方向分別是：（1）基于衛星通信的特點，采用一種方法來實現網絡編碼設計，在多路徑存在著多種不同的速率，而不同的速率對應于不同的網絡編碼方法，因此，有必要研究最低成本的網絡編碼。（2）網絡編碼技術在多媒體應用中的研究。當今，衛星通信多媒體服務的范圍在不斷地擴大，比如氣象云圖拍攝、衛星電視、國家語音通信、視頻會議等，這些都迫切需要衛星通信網絡的發展，從而提高寬帶多媒體服務的質量。然而，由于網絡節點增多，網絡延遲將增大，這會對服務質量造成嚴重的影響。在網絡中增加編碼技術將減少代碼操作延遲，所以將網絡編碼技術應用于多媒體領域中，將提高多媒體服務的質量[10]。

5 結語

綜上可知，隨著衛星通信網絡的不斷發展與創新，使得衛星通信的應用范圍在不斷擴大，在不同領域都得到了廣泛的應用并發揮出了重要的影響，因此，有必要加快推廣危險和有效載荷的，以使系統的容量可以得到提高。網絡編碼技術是在通信網絡中傳輸的理論和信息處理研究的重大突破，它具有非常高的理論值，這是信息的通信網絡中的傳輸非常重要的。以及如何改變網絡中的衛星通信從理論到實踐方面的應用編碼技術，還需要更加全面和深入，今后的實踐和研究。

參考文獻

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