[发明专利]卫星网络的高效内容分发技术

说明书

一.技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体来说，本发明给出了一种在卫星信号发射端，信号中转和智能接收端实现高效内容分发和接收的通信方案。

二.背景技术

卫星网络提供全球覆盖和大范围服务，特别适合需要快速而及时的连接场景，或长距离以及有困难障碍物的情形^[1，2]。例如大规模分布式数据库的更新，大量信息如医疗，新闻等的远距离发布^[1，3，4]。卫星的广播特性可以提供为多用户传输信息的效率^[9]。

近来，在^[5]中作者提供了一个特殊系统--SPIDER，用来从单信源向基于Internet和私有网络互联的多个接收节点快速分发大规模文件。然而，其认证机制受到数据传输延迟的严重影响(在地球静止轨道上，如果条件不好可达到500ms)。虽然LEO卫星提供短时间的单轮延迟，但是一般LEO卫星系统都要通过许多处理入口进行运作，并且IRIDIUM卫星基于有固定处理平台，这些都会增大延迟。

然而对于基于GEO的卫星网络上的大规模文件分发，如果采用传统的请求-分发-重发机制，智能终端的等待时间比较长，而且提高信息下载的卫星端或中转站点将需要重传很多次数，特别是在天气恶劣情况下，从而传送鲁棒性以及效率非常差。这类似于Bt下载的首尾效应。

回传信道一般分为两种，双向回传信道和单向无回传信道。作为双向链接，一个简单的传输协议就是错误重传协议，即当接收者收到不能纠正的错误数据包或没有收到数据包时，它们将通过回归信道告诉传输者重新发送。此方式易行。然而，其时延或等待时间将随接收者的增加而迅速增加。

如果仅能接收数据的中转站被用于卫星数据传输，那么必须采用单向卫星通信技术以提供有效的数据传输。由于在单向卫星数据网络中没有可逆信道，数据传输是无线的，它需要采用UDP传输层协议。单向卫星网络主要应用于多播和广播UDP/IP数据包。对于这种情况，前向纠错(FEC)技术可以用来解决传输位错问题，当然必将引入一些传输冗余。此外，系统码，分组码或卷积码也是不错的选择。

当然，在各种应用中，可以利用地面通道来认证，或者利用卫星上的不同信道，或利用发送器划分同一信道技术来认证，作为替代措施。但在本文设计中，主要涉及文件分发，而不考虑这些替代技术。

确认机制

肯定和否定确认被用于各种通信网络。为最小化确认次数，只传输否定确认或与多帧的肯定确认结合传输，此策略对多个接收者非常有效。

重传机制受到传输时延的强烈影响。为适应流控制和错误控制，各种重发机制被广泛用于点对点通信，例如停止-等待(Stop and Wait)，回退-重发(Go Back to N)，选择重发等。

对于非常大的文件(大于100Mbits，1Mbit/s的信道)，可以设计了一些停止-等待(在每帧之后等待确认)来最小化等待时间。对于回退-重发机制，当接收到否定确认时，此丢失帧和它之后的数据帧都将被重传。这样对于一个否定确认而产生的长时间延迟将导致重传大量数据帧，从而降低传输效率。进而，为减少重传帧数，Gopal和Jaffe^[6]设计了全内存的回退-重发协议。此协议进一步被^[7]改进，提高了30％的效率。与回退-重发机制相比，此机制假设接收者具有一定内存，并给定时限或仅对否定确认选择重传。因此它只需传输单个数据帧。此改进协议被用于Nadir计划^[8，9]，并且具有较高的传输效率。

所有这些都适合于带有回执信道的卫星通信。而对于单向卫星通信，一些必要的技术如前向纠错或重复传输机制可以用来提高可靠性。然而，它们也将降低信息传输效率。

网络编码最早见于^[10]中，它作为一种新技术通过允许传输者对输入的信息进行编码操作以提高网络吞吐量，传输鲁棒性和传输效率。随机线性网络编码^[11]和线性网络编码^[12]，是实现网络编码的比较实际的编码方式。此技术已经被应用到各种通信中。

正是在这样的背景下，我们提出本发明。旨在利用网络编码新技术来实现卫星网络上的高效内容分发，提高单向网络通信的鲁棒性和传输效率。

三.发明内容

本发明提供了几种基于网络编码新技术的卫星网络的内容分发技术。所述技术方案如下：