网络编码在战术数据链中的应用

屈天刚

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

现代战争从平台中心战正向网络中心战[1]转变，大量小型传感器、单兵通信设备、电子对抗设备等都加入到全球信息网格(GIG，Global information Grid)，使得网络通信速率需求越来越大。这种需求将给现在通信网络带来巨大的挑战，从传输速率、网络安全性、传输延迟、误码率等指标上都提出了新的要求。

1 网络编码背景

近年来研究显示网络编码技术[2-3]能够极大的提高网络速率、安全性[4-5]和可靠性[6]。特别是网络编码技术在网络层的应用成为研究热点，因其不需要改变网络硬件设备，仅需要进行软件升级。网络编码技术最初在有线多播网络中提出，并证明了可以改善网络容量、可靠性和传输时间[7]。在有线网络中，传统的路由器和交换机只是对报文进行存储转发操作，而采用网络编码后，将对到达的报文进行线性的编码合并，这样输出不再是所有输入报文之和，而只是最大输入报文大小的编码报文。当接收端接收到足够多的编码报文构造出一组相互独立的线性方程组便可解出所有原始报文。由于无线链路的不可靠性和物理层广播特性非常适合采用网络编码，无线网络环境应该是网络编码首先被应用的领域。网络编码技术无线通信网络中主要提供以下好处：

1）网络编码在无线网络中的应用可以提高网络的吞吐量，尤其是组播吞吐量。无线网络的广播特性使其非常适合使用网络编码，当一个节点传输一个数据包给它的一个邻居节点时，它的其它邻居节点也可以接收到这个数据包。因此，当一个节点的邻居节点对不同的数据包感兴趣时，可以将这些数据包编码后再一起传输，这样子可以使其所有的邻居节点都收到感兴趣的数据包并可以节约无线资源，提高传输速率。

2）网络编码将收到的原始信息包进行编码后发送出去，但不同的是网络编码中各编码后的包具有相同的重要性，接收端只要接收到足够数量的包就能进行解码，从而提高了网络的鲁棒性和适应性。

3）网络编码提高无线网络安全性，网络中间节点在对收到的信息进行网络编码的过程，是一个融合来自不同源不同类别的信息的过程，即使不使用额外的加密算法，也提高了信息截取者成功译码的难度。

本文将以战术数据通信链为背景，研究网络编码的在Link-16数据链中的潜在应用。

2 网络编码在战术数据通信链的应用

以美军Link-16数据链[8]为例，在时分多址模式(TDMA)下采用半双工无线中继的多跳视距通信来达到超视距通信的覆盖。Link-16采用预先分配好的时隙构成帧，每个帧中时隙也是采用提前分配原则指定使用的节点。这样每个时隙对应的节点可能有三种工作模式：

1）发送模式：属于信源发送数据，需要注意的是一个帧里面可能存在多个发送时隙。

2）中继模式：非信源发送数据，用于帮助其他节点传输，只有具备中继功能的节点才能设置为该模式。

3）接收模式：在节点不处于发送或者中继模式，则必须设置为接收模式。

在每个时隙，只能有一个节点处于发送模式或者中继模式，其他节点处于接收模式。

2.1 基本思想

在战术数据通信网的链路层引入网络编码思想，每个时隙传送的数据将是合并之后的接收数据，而不是原来的中继数据或者信源数据。以下将分别考虑固定时隙合并和机会时隙合并方案，以及仅在中继合并和所有节点可进行时隙合并的方案。

在固定时隙合并方案中，传输由提前分配好的时隙分配决定。当网络初始化的时候，每个时隙每个节点的动作将作为网络参数传递给每个节点。在什么时候进行信息合并也可以提前预知，这样做的好处是不需要任何网络编码开销，因为在网络初始化的时候，可编码时隙就已经确定，译码利用提前已知的编码时隙分配便可以完成原始数据提取。

在机会时隙合并方案中，从合适大小的伽罗华域(Galois field)中随机选择合并系数，对接收到的数据和自身可能产生的新数据进行合并处理。但是在接收端译码原始信息时，需要额外的编码信息作为边信息(side information)。因为编码决策过程在收到数据后执行，因此这种方案具备根据网络状况自适应调整的能力。

2.2 固定时隙合并

下面举例说明网络编码在战术数据通信应用实例，考虑N1～N4个节点想要互相交换信息，但是它们之间无直接链路，需要中继节点转发。其中N1～N4可以工作在发送和接收模式，中继节点可以工作在发送和中继模式。采用固定时隙方案，仅考虑中继节点进行编码操作。

传统方式下，需要8个时隙完成通信：

时隙1:N1向R发送数据x1

时隙2:N2向R发送数据x2

时隙3:N3向R发送数据x3

时隙4:N4向R发送数据x4

时隙5:R向所有节点广播x1

时隙6:R向所有节点广播x2

时隙7:R向所有节点广播x3

时隙8:R向所有节点广播x4

固定时隙合并方式下，考虑节省时隙方案，则仅需要7个时隙便可完成通信：

时隙1:N1向R发送数据x1

时隙2:N2向R发送数据x2

时隙3:N3向R发送数据x3

时隙4:N4向R发送数据x4

时隙5:R向所有节点广播x1⊕x2

时隙6:R向所有节点广播x2⊕x3

时隙7:R向所有节点广播x3⊕x4

如图1所示，固定时隙合并仅在中继节点处完成，中继发送x1⊕x2，x2⊕x3和x3⊕x4，其中⊕表示GF(2)上的求和。由于发送时隙和合并方式固定，那么当N1节点收到x1⊕x2时，通过 x1⊕(x1⊕x2)便可得到 x2，以此类推，每个节点都可以译码出需求的原始信息。体现到性能上便是传输时隙的减少，中继节点对应输入输出的数学表达式为：

其中A表示网络编码合并矩阵，由时隙分配方案决定。

图14 源节点，1中继场景

考虑固定时隙合并的提高可靠性方案时，可以利用节省的时隙8来提升网络传输的可靠性：

时隙8:R向所有节点广播x1⊕x4。

利用冗余的传输来提高战术通信网络中一些重要数据传输也是一种必要考虑。对应数学表达式中编码矩阵A将表示为：

可以观察到，矩阵最下面一行便是额外增加传输的数据，可以用来增加网络可靠性，但是缺点是不能节约带宽。

2.3 机会时隙合并

与固定时隙合并不同，机会时隙合并需要节点有机会监听到其他节点发送的数据，比如 N1发送x1时，N2会监听到x1，并成功译码。因此，每个节点都可以进行编码操作，即每个节点都将发送自己时隙数据和监听到的其他节点时隙数据的线性组合。这样的操作意味着每个节点必须通知接收端它进行合并操作的时隙。下面以一种特例说明机会时隙合并方案，具体流程如下：

时隙1:N1向R发送数据x1；N2，N3，N4监听到N1并译码出x1

时隙2:N2向R发送数据b21x1⊕x2；N3，N4监听到N2并译码出x2

时隙3:N3向 R发送数据 b31x1⊕b32x2⊕x3；N4监听到N3并译码出x3

时隙4:N4向 R发送数据 b41x1⊕b42x2⊕b43x3⊕x4；无其它节点监听到N4

时隙5:R向所有节点广播y1

时隙6:R向所有节点广播y2

时隙7:R向所有节点广播y3

时隙8:R向所有节点广播y4

此时网络编码的作用将提高网络可靠性，中继节点对应输入输出的数学表达式为：

所有的参数都从合适的伽罗华域中选取，并且能够保产生满秩的矩阵A和B。具体参数选择根据不同实际场景而定。

下面给出一些结论以便帮助理解网络编码技术在基于TDMA的Link-16数据链中的优势和限制：

1）对于N的源节点（即有N的产生原始数据的时隙）和R跳中继节点的网络，完成一个周期的信息交换需要总计N(R+1)的时隙。如果仅在中继节点进行编码工作，那么网络编码操作将带来R个时隙的节省。对应单中继网络，那么将节省的带宽为1/2N。

2）对于网络中仅具备接收功能的节点，由于不能进行编码操作，它们不能节省任何带宽，中继节点必须保证发送线性无关的数据给这些节点，来保证正确译码。同样，在多跳网络中，下一跳中继如果仅进行所有非本地时隙的重传，那么也不能达到节省带宽的目的。

3）通过重传时隙的线性组合可以提高网络传输的可靠性，这种可靠性的增加将在仿真部分讨论。

4）对于固定时隙合并方案，来之GF(2)域的系数已经足够保证完成线性合并，并且通过先验的时隙分配能够提前分配好系数。

3 网络编码的性能评估

在本小结将对网络编码在战术数据通信链中的性能进行评估，仿真采用图1所示4个源节点1个中继节点场景。对于战术通信网络，将态势感知和侦查图像等重要信息发送到每个节点对于作战任务至关重要，因此这里我们将以所有数据准确发送到每个节点的概率作为衡量网络质量的指标。

图2演示了中继节点仅充当数据转发功能时，固定时隙合并对应的节省时隙方案和提高可靠性方案的性能。根据前面描述，可以很轻易的得到固定时隙合并的节省时隙方案节省 1/8带宽的结论。通过仿真可以观察到，网络编码固定时隙合并方案下，所有数据发送到每个节点的概率大大优于非网络编码方案。甚至是节省时隙方案时的性能都优于非网络编码方案，这是由于节省时隙方案降低了发送次数，从而使得累积的不能到达次数减少。而采用网络编码固定时隙的提高可靠性方案后，从仿真可以进一步观察到其所有数据发送到每个节点概率增加。充分验证了网络编码固定时隙分配方案对于提高战术通信网络质量的优势。

图2 4源节点，1中继场景，固定时隙合并方案

图3 4源节点，1中继场景，机会时隙合并方案

图3演示了4源节点和1中继节点场景下的机会时隙合并和固定时隙合并方案。这里考虑 4个源节点有不同的机率监听到其它节点发送的数据，仿真中采用概率为 p=0.25。从仿真可以观察到当源节点有机会监听到其它节点信息的时候(p=0.25)，机会时隙合并方案的性能优于固定时隙合并方案。当然机会时隙合并方案也会带来一定的额外网络管理开销，由于开销相比数据来说属于一个较小值，因此仿真中忽略该开销并不影响曲线走势和分析。

4 结语

在基于TDMA的战术数据链中，网络编码使用的基本原则就是对时隙数据进行编码合并。本文针对战术数据链通信特点，归纳了网络编码对战术数据链通信可能带来节约带宽和提高可靠性的优势。并仿真分析了提出的固定时隙合并和机会时隙合并方案的性能，证明了归纳结论的正确性。在未来的工作中，将进一步考虑网络开销和随机信道模型下网络编码在战术数据链通信中的使用，以便将网络编码推广到工程实践。

[1]王钰洁.网络中心战概念及其网络体系结构研究[D].西安:西安电子科技大学,2006.

[2]AHLSWEDE R, CAI N, LI S Y R, et al.Network Information Flow[J].IEEE Transactions on Information Theory,2000,46(04):1204-1216.

[3]LI S Y R, YEUNG R W, CAI N.Linear Network Coding[J].IEEE Transactions on Information Theory,2003,49(02):371-381.

[4]曹张华,唐元生.安全网络编码综述[J].计算机应用,2010,30(02):499-505.

[5]张盛勇,陈世康.网络编码的安全问题初探[J].通信技术,2012,45(01):105-107.

[6]王伟,金明录,曲强.实用网络编码系统的可靠传输策略[J].通信技术,2010,43(03):105-108.

[7]丁昕.无线中继网络编码的最优化解码方案[J].通信技术,2012,45(08):50-52.

[8]赵琪,毛玉泉,王塬琨,等.Link16时隙固定分配算法的时延分析[J].电讯技术,2010(05):8-12.