网络编码技术在卫星通信中的应用

张艳鑫 刘文续 刘志国 鲁心宇 王慧 岑小双

摘要：网络编码技术是一种新的网络通信技术，其主要思想是认为网络节点既可以存储转发，同时还能够进行编码处理，对于网络传输性能的优化而言有着十分积极的作用，与传统路由的传输方式相比有了巨大的进步。本文主要就是对网络编码技术在卫星通信中的应用情况进行探讨，通过分析网络编码的概念与特点，分析网络编码在卫星通信中的应用及其存在的一些问题，从而归纳出网络编码技术在卫星通信中应用的未来研究方向进行了展望。

关键词：网络编码技术 卫星通信 应用情况

中图分类号：TN915.02 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0024-02

编码和路由相结合，是网络编码的主要特点，为网络节点实现数据传输和数据存储提供了必要支持的同时，提供了基础性的编码支持，与传统路由的传输方式有着很大的区别。卫星通信具有一系列的突出优势，包括无缝隙覆盖范围大、通信质量好，以及广播特性好等，促使网络编码发展成为通信网络中不可替代的技术。卫星频道作为一个信息传递的主要渠道，必然会应用大量的信息的传输和转发，这就要求通信卫星在未来不仅应该有传统的中继功能，其传输效率也必须达到一个新的高度[1]。卫星通信网络编码技术在卫星通信中的应用，不仅可以解决传统的路由问题，而且可以极大地提高通信的可靠性和效率。

1 网络编码概念和特点

1.1 网络编码技术的概念

本文以“蝶网”模型为例，分析了网络编码技术的基本概念。如图1所示：假设各链路的容量为1，Y与Z都是信宿节点，S为信源节点，其余的都是中间节点。图1（a）中使用的是传统路由传输方式，节点W只负责存储与转发的操作工作。图1（b）中使用的是网络编码方法，节点W主要负责的是对所输入的信息进行编码，再将编码所得的结果b1与b2进行模2加，将操作结果b1 b2传输到节点X中，在通过链路XZ与XY将操作结果最终传输到节点Y与Z中。节点Y受到信息b1与信息b1 b2之后能够对b1（b1 b2）进行译码操作，从而就可以解出信息b2。同样的，节点Z也能通过这种方式将完整的信息解码出来，如此得到的传输的容量就为2。由此可见，将网络编码技术应用到卫星通信中能够在理论上实现最大的信息传输量[2]。在宿节点，这可以通过执行解码的逆过程，并最终将能够从原始数据的源被发送。

1.2 网络编码技术的特点

从本质上来说，本文所重点研究的网络编码是一种通过融合编码和路由功能而实现信息交互操作的编码方式。在实际应用过程中，通过节点对信道所提供信息的线形、非线性处理来实现信息的转发，中间节点在这一过程中实际上承担着编码器或者信号处理器的作用。针对这一问题，在R Ahlswede等人的研究成果中强调，网络编码技术的集中应用，为多菠萝油传输最大流界的实现提供了有效的支持，从而显著提高信息传输效率，因此，在整个现代网络通信领域中，网络编码占有非常重要的地位

网络编码技术的提出与应用促使多播传输在理论上实现了最大的传输容量，与路由多播相比而言，得到了更加良好的网络吞吐量[3]。随着对网络编码技术研究力度的加大，网络编码技术的更多优势被逐渐发掘出来，比如提升了宽带的利用率、对网络负载起到了均衡作用等等。将网络编码技术与一些其他的应用之间进行有机结合能够使该应用系统的各种性能得到更进一步的提升。但是同时也要意识到网络编码技术也不可避免的存在着一些不足，如导致计算过程过于复杂、整体计算量增加以及缓存需求增加所导致的时延问题等等。同时信息同步以及编译码等问题的客观存在的，对于该技术在实时信息系统中的按规模应用增加了难度，在今后的研究中必须要加快解决同步问题[4]。

2 网络编码技术在卫星通信网络中的应用

基于卫星通信网络的特性，网络编码技术特别适用于卫星通信网络领域。换句话说，如果一个节点对相邻节点的不同数据分组产生兴趣，则可以通过编码这些不同的数据包，使得它和相邻的所有节点都能够接收它们中的数据分组的信息，从而有效地节约了卫星通信资源。因此，将网络编码技术应用到卫星通信网络中，能够使网络性能得到实质性的提高，解决传统路由技术，以及跨层设计技术无法解决的问题[5]。此外，卫星通信网络中网络编码技术的应用还促使网络的吞吐量得到了大幅度的提高，其中特别是组播的吞吐量更是达到了一个新的高度；并且还能够明显减少传播数据包的次数，使得发送能耗大大降低，就算卫星通信网络中的部分节点或者链路失去效用时还可以通过随机网络编码，保证在目的节点仍旧能够将原始数据恢复。以某种网络编码协作模式的设计与应用为例，将信道纠错编码与译码转发模式相结合就能够得到编码的协作模式，其中可根据检测所得的结果来判定协作节点是都具有参与协作的条件，防止在传播中出现差错，使协作通信模型的可靠性得到充分的保障。除此之外，在编码写作模型中有机结合信道纠错编码，大大提升了整个系统的编码增益。如图2所示，为编码协作模型的示意图，图中UE1与UE2都是地面用户，S是卫星，其中S是目的节点，UE1是源节点，UE2是UE1的协作中继节点。

用1与2来表示用户UE1与用户UE2发送的初始数据，在经过信道纠错编码之后，分别得到了数据X1与X2，具体的可以用以下的形式来表示：X1=1.G1=[N11N12]，X2=2.G1=[N21N22]，其中G1、G2表示的是对应的生成矩阵，N11表示的是编码后的信息位数据，N12表示的是编码后检验位数据。可以将整个编码写作分成四个时隙，前两个时隙是广播阶段，后两个时隙是转发阶段[6]。

网络编码技术的应用，极大地提高了卫星通信网络的性能，尤其是显著提高了吞吐量，但同时它的弊端是使得网络的复杂性更为明显。与传统方法相比，在网络状态良好的情况下，网络编码大大提高了组播吞吐量；在网络状况较差的情况下，网络编码的组播吞吐量则无明显增强，仅降低了网络的复杂度，在动态调整网络编码算法的基础上提供了充分的可能性[7]。

3 网络编码技术在卫星通信应用中存在的一些问题

网络编码技术的出现极大的改变了现阶段的网络。网络编码的出现，最开始主要是为了接有线网络中数据传输和数据广播中的相关问题，而发展至今已经成为一种针对有效网络与无线网络提高组播吞吐量，在能量节省的方面发挥出了巨大的作用。但是必须要注意到，网络编码技术在卫星通信中的应用尚存在着一些需要改进的地方，其面临的最主要的问题就是网络编码的具体实现方法和怎样降低网络编码的复杂性。就目前来说，有多种网络编码方法都已经被提出来了，主要有分布式随机网络编码与集中式线性网络编码，但是怎样在具体的通信网络中将网络编码真正实现尚且还需要对许多实际应用的问题进行考虑，比如开销、同步控制等等[8]。网络编码技术的使用虽然极大的提高了网络的性能，但是也增加了其在设计与实现上面的复杂程度。地面段有比较充足的资源和功率支撑，所以网络编码技术的使用能够有效的加强信息传输的有效性，然而在卫星空间段中，由于资源十分有限，加上网络编码一般都需要消耗较大的功能，对CPU等也有着极高的要求，使得网络编码与卫星中继传输的有效性之间有了各种不同的冲突与矛盾[9]。

4 网络编码技术在卫星通信中应用的未来研究方向

网络编码作为一种在近年来才兴起的新兴技术，在卫星通信中得到了很大的应用，在经过不断的的发展后，其在信息传输效率的优化与网络吞吐量的提高等方面发挥出了重要的作用与巨大的影响。与网络编码技术的分析相结合，可以得知在网络中在未来卫星通信的应用的编码技术有两个方向分别是：（1）基于卫星通信的特点，采用一种方法来实现网络编码设计，在多路径存在着多种不同的速率，而不同的速率对应于不同的网络编码方法，因此，有必要研究最低成本的网络编码。（2）网络编码技术在多媒体应用中的研究。当今，卫星通信多媒体服务的范围在不断地扩大，比如气象云图拍摄、卫星电视、国家语音通信、视频会议等，这些都迫切需要卫星通信网络的发展，从而提高宽带多媒体服务的质量。然而，由于网络节点增多，网络延迟将增大，这会对服务质量造成严重的影响。在网络中增加编码技术将减少代码操作延迟，所以将网络编码技术应用于多媒体领域中，将提高多媒体服务的质量[10]。

5 结语

综上可知，随着卫星通信网络的不断发展与创新，使得卫星通信的应用范围在不断扩大，在不同领域都得到了广泛的应用并发挥出了重要的影响，因此，有必要加快推广危险和有效载荷的，以使系统的容量可以得到提高。网络编码技术是在通信网络中传输的理论和信息处理研究的重大突破，它具有非常高的理论值，这是信息的通信网络中的传输非常重要的。以及如何改变网络中的卫星通信从理论到实践方面的应用编码技术，还需要更加全面和深入，今后的实践和研究。

参考文献

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