学术：图像在战术数据链中的可靠传输协议研究

Original 2016-12-20 ☞ 信息与电子前沿

今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科技集团公司电子科学研究院专家王兆伟，李秉权，李洋，徐山峰。本篇节选自论文《图像在战术数据链中的可靠传输协议研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第4期。下面和小编一起开始学习吧~

引言

现代信息化战争中，战场信息的获取和处理能力成为军队能否在战争中取得信息优势，并将信息优势转化为对敌人打击优势的关键。以传感技术、通信技术、计算技术为代表的现代信息技术的快速发展，使军队获取、共享和处理战场态势信息的方式和手段变得越来越丰富，信息的表现形式也日趋多样化。

图像作为最直观的信息表现形式，在承载战场战术信息的应用中越发重要，如雷达成像、红外图像和可见光图像等等。这些图像承载的信息量大，共享传输对链路带宽要求高。图像信息的传输一般是由情报侦察数据链完成的，情报链传输数据量大，传输速率高，一般都在2Mbps以上。

我军针对图像传输的情报数据链体系建设尚不完善，尤其是空中武器平台使用最广泛的是战术数据链，仅支持格式化消息形式的信息共享。传统战术数据链属于低速数据链，速率只有几十到上百k数量级，但是战场传输的图像文件通常达到几兆、几十兆的数量级，传输图像时延大。同时空-空、空-地传输信道受大尺度衰落和小尺度衰落的影响，易产生突发错误，传输大数据量图像很不稳定。因此，研究在传统战术数据链上快速、可靠地传输图像文件具有重要的意义。

为了保证数据传输的可靠性，战术数据链采取了相应的重传机制，如美军MIL-STD-2045-47001C[6~7]和MIL-STD-6016D协议中均有选择性重传机制的设计，接收端使用否认应答(NAK，Negative Acknowledgement)告知发送端重传指定的丢失或错误数据报文，直到所有数据报文全部被接收端被正确接收，结束数据传输。该机制要求所有数据报文必须在一定时间内全部被正确接收，否则认为传输失败，发送端和接收端清除本地缓存。为了保证数据传输成功，只能对丢失或错误的报文进行不断重传，既增加了数据传输的时延，也降低了信道传输效率。

一般情况下，为了避免大数据量文件过长时间占用信道，传输协议会设置报文重传次数上限。报文重传次数超过上限后仍未被正确接收，通信双方则认为此次传输失败，终止传输过程，降低了传输成功率。针对该问题，本文在图像传输中引入分数阶傅里叶变换算法：发送端将图像文件进行分数阶傅里叶变换，传输其分数阶域信息，接收端通过逆变换恢复图像，可以容忍无线链路有部分丢包，一定程度上保证战术图像信息完整性，提高图像传输成功率。基于该变换处理算法，本文提出了一种选择性放弃重传的可靠传输协议。其基本思想是接收端根据当前的接收报文的比例，以一定的概率对丢失报文进行重传请求，保证接收端的正确接收比例不小于某阈值。在图像传输初期数据报文接收比例较小时，要求重传的概率趋近于1，随着数据报文接收比例的上升，要求重传的概率逐渐下降趋近于阈值ρ。而经过分数阶傅里叶变换处理后的图像，只要接收端正确接收比例大于阈值ρ，即可恢复图形，并且图像失真控制在可接受范围内，不影响战术图像信息的完整性。这样“先紧后松”式的选择性放弃重传协议可以保证接收端报文正确接收比例在ρ以上，能够成功解析图像，确保信息的完整性，同时，减少数据报文的重传数量，提高信道传输效率，降低数据传输时延。

1、分数阶傅里叶变换图像处理

分数阶傅里叶变换(FRFT)图像处理方法是利用两个随机相位矩阵分别给图像和一次处理图像进行相位调整，调整后进行两次分数阶傅里叶变换，并将两次处理使用到的随机相位矩阵作为密钥进行传输。FRFT图像变换已经能够通过硬件装置实现快速处理，不会增加通信设备软件处理负担。具体实现方法不属于本文研究范围，将在以后的研究工作中具体讨论。基于分数阶傅里叶变换的图像处理流程如图1所示。

图1基于分数阶傅里叶变换的图像处理流程

设图像X=（x_n,m）_N*M，具体基于分数傅里叶图像变换（图1(a)）如下所示：

步骤一：取任意相位矩阵β₁(n, m)作为随机相位矩阵；

步骤二：利用矩阵β₁(n, m)进行第一次相位编码得到，其中表示Hadamard积；

步骤三：对图像进行(α_L β_L)阶FRFT得到；

步骤四：取任意相位矩阵β₂(n, m)作为随机相位矩阵，对图像进行第二次相位编码，得到；

步骤五：对第二次相位编码图像进行α_R β_R 阶FRFT，得到最终图像；

接收端逆变换过程（图1(b)）与变换过程相反，对接收到的图像Q’做相应的逆处理。分数阶傅里叶变换的方法，将图像变换到分数阶域内，可以将分数阶傅里叶域图像成分进行传输，有效地解决图像频率成分集中的问题。因为分数阶傅里叶变换可以将图像的高频成分分散到分数阶傅里叶域内较宽区域，这样就可以增加图像传输的可靠性，同时分数阶傅里叶变换的阶数还可以作为密钥，对图像进行双随机相位加密，增加图像传输可靠性同时也增加了传输的安全性。传输分数阶域数据，会增加了传输数据量，该问题可以通过频域压缩算法进行解决。该类型压缩算法已经非常成熟，压缩后数据量不超过变换前图像的数据量。压缩算法性能不属于本文研究内容，将在以后的研究工作中具体讨论。

2、选择性放弃重传协议

在传统战术数据链报文格式中重传机制相关的选项如图2所示。其中报文类型包括数据报文、请求确认报文、部分确认报文、完全确认报文、放弃发送请求报文、放弃接收请求报文。文件序列号为发送端分配给图像文件的标识，当前数据报文序列号为该报文为数据报文时在图像文件内的标识，最后数据报文序列号为图像文件中数据报文标识的最大值。

图2报文中重传相关选项示意图

报文载荷在不同类型的报文内格式不同。1个数据报文的载荷能够承载L比特图像文件数据。传统战术数据链采用TDMA传输协议，L值为适合单个时隙发送的数据长度。部分确认报文的载荷与当前报文序列号、最后报文序列号三部分选项合并，指示丢失数据报文的分段，如图3所示。每个分段的序列号左右边界指示需要重传的一段连续的丢失或错误的数据报文，1个部分确认报文可以指示N个分段。

图3部分确认报文选项示意图

在丢包率为P的信道中，每个数据报文的传输次数期望值为：

(1)

TDMA传输协议中，每个报文占用1个传输时隙T_slot (包含了报文的传输时延和传播时延)。传统战术数据链采用预规划方式进行时隙分配，在此种静态时隙分配方式下，发送端发送数据报文的时隙与接收端反馈报文的时隙均在系统运行前静态规划完成。协议发送端维持一个定长的发送窗口，当窗口未结束时，连续发送数据报文；当窗口结束时，发送端等待接收端的反馈报文，并根据反馈报文的情况对部分报文进行重传。重传报文在下一个窗口的前段传输。协议窗口机制如图4所示。在这种机制下传输图像文件，M*E(G)＞＞M_NAK，M为图像文件包含的数据报文数量，M_NAK为确认报文传输的总数。

图4窗口机制示意图

因此，在能够成功传输图像文件的时，我们可以忽略确认报文丢失的情况以及忽略确认报文占用时隙的数量，得到传输文件需要的时延期望为：

(2)

其中，E(G-1)为每个报文的重传次数。我们定义信道传输效率期望为：

(3)

从上式中，我们可以看到T_slot、M为固定值，只有减少重传报文次数，才能降低图像文件传输时延，提高信道传输效率。

为解决该问题，本文提出了一种选择性放弃重传协议，以一定的概率λ来对丢失的数据报文进行重传请求，以减少重传报文总数，同时保证战术图像信息完整性。图5给出了重传机制示意图，具体的协议交互机制如下所述。

图5重传机制示意图

发送端处理流程：

1) 将图像X经过分数阶傅里叶变换进行处理，得到文件Q，为文件分配序列号；

2) 将文件Q切分成长度为L比特的数据段，封装成数据报文，给每个报文分配序列号，添加相应的报头信息，存入本地缓存(假设M表示报文总数)，启动发送定时器；

3) 从缓存中按报文序列号从小到大的顺序提取W个数据报文，在发送窗口内向接收端传输。

4) 收到“部分确认报文”后，提取该报文指示重传报文的最大序列号，删除序列号小于提取值的所有报文，但该“部分确认报文”所指示需要重传的报文除外；重置定时器，超时次数清零，转到步骤2)；

5) 收到“完全确认报文”后，清除缓存，取消定时器，结束传输过程；

6) 定时器超时，超时次数加1，如果超时次数不大于R(R为请求确认报文发送最大次数)，发送“请求确认报文”，否则发送“放弃发送请求报文”，清除缓存，取消定时器，结束传输过程；

7) 收到“放弃接收请求报文”，清除缓存，取消定时器，结束传输过程。

接收端处理流程：

1) 首次收到某图像文件序列号的数据报文时，启动定时器，提取文件数据报文总数M，为该图像文件分配缓存空间，为每个数据报文设置重传次数为0；

2) 在发送窗口内接收到数据报文时，定时器重置，如果报文被重复接收，丢弃报文；如果是第一次被正确接收，按照报文序列号存入缓存，使该报文重传次数=R’+1(R’为数据报文被要求重传次数的最大值)；

3) 在确认窗口，检查缓存队列，按报文序列号顺序查找未被正确接收且当前时间之前重传次数不大于R’ 的报文，以式（4）给出的概率标记为当前需要重传，将序列号连续的标记报文映射成段，填入“部分确认报文”(最多添加N段)，发送给发送端，被要求重传的报文重传次数加1；

(4)

其中，ρ表示分数阶傅里叶变换图像处理算法中要求的最小报文正确接收比例，M表示报文总数，m表示当前正确接收报文个数；

4) 收到“请求确认报文”时，执行步骤3)；

5) 如果该文件所有报文被正确接收，向发送端发送“完全确认报文”，取消定时器，将数据报文数据取出，组成文件，经过分数阶傅里叶逆变换，恢复原图像文件Q’；

6) 定时器超时，超时次数加1；若超时次数大于R，接收端检查文件缓存，如果正确接收报文超过ρ，发送“完全确认报文”给发送端；并将数据报文数据取出，组成文件，缺失部分补零，经过分数阶傅里叶逆变换，恢复原图像文件Q’；否则，发送“放弃接收请求报文”取消定时器，清除缓存，结束接收过程；

7) 接收到“放弃发送请求报文”时，检查文件缓存，如果正确接收报文超过ρ，将数据报文数据取出，组成文件，缺失部分补零，经过分数阶傅里叶逆变换，恢复原图像文件Q’；否则，取消定时器，清除缓存，结束接收过程。

3、仿真分析

本节首先对分数阶傅里叶变换图像处理算法进行了仿真分析。图6列出了报文不同正确接收比例图像恢复的显示效果。由图中可以看出，随着接收比例的下降，图像清晰度也随之下降；正确接收报文少于92%的图像失真较严重，而正确接收报文超过92%时图像虽有一定失真，但仍清晰可辨，对于战术图像来说其损失的信息量仍在可接受范围内。因此，在选择性放弃重传协议的仿真中，以ρ=0.92对协议的性能进行仿真说明。

图6不同接收比例下分数阶傅里叶变换解码后的图像效果

表1给出了重传协议仿真的初始条件，同时设R=R’。

表1 选择性放弃重传协议仿真条件

参数名称	参数取值
图片大小	5.625Mbit
时隙长度	7.8125ms
每时隙数据长度	360bit
窗口长度	256
重传次数R，R’	3
丢包率	[0.05 0.15 0.25 0.35 0.4]
部分确认报文长度	N=15段连续丢包
选择性放弃概率上限	ρ=0.92

本节分析了引入分数阶傅里叶变换后，传输成功率的变化。图7给出了三种情况下图像传输成功率曲线。从图中可以看出，随着信道丢包率的增加，未经变换处理的图像传输成功率持续降低，而经过分数阶傅里叶变换处理的图像传输能够保证成功率达100%. 这是因为分数阶傅里叶逆变换在部分报文丢失的情况下，正确恢复了图像信息，增加了图像传输的错误容忍度。从图8中可以看出，在传统重传协议和选择性放弃重传协议中，即使在信道状况极其恶劣的情况(即信道丢包率为40%时)，图像报文被正确接收的比例依然可以保证在92%以上。

图7不同丢包率下图像传输成功率

图8不同丢包率下接收端的正确接收比例

从图8还可以看出，与传统重传机制相比，选择性放弃重传机制在信道中传输的数据报文总量比较少，所以能够在一定程度上提高信道的传输效率(传输效率定义为图像包含报文数与实际在信道上传输的报文数之比)，降低图像传输的总时延。

图9给出了两种重传协议的信道传输效率。可以看出，牺牲正确接收比例可以提升信道传输效率，即传输相同大小的战术图像，发送端发送的重传报文总数减少，降低了业务传输对系统无线资源的消耗。

图9 不同丢包率下信道传输效率

图10给出了两种重传协议的图像传输时延。同样可以看出，选择性放弃重传算法可以缩短发送战术图像的时间，降低业务传输对时隙资源的消耗。

图10 不同丢包率下图像传输总时延

4、结论

本文提出传统数据链传输图像文件时，传输经过分数阶傅里叶变换的图像。接收端的数据报文正确接收比例达到92%时，战术图像信息仍具有较好的完整性，战术信息的失真在可控范围内。在此基础上，本文提出了一种选择性放弃重传的可靠传输协议，仿真结果说明，通过设定选择性放弃重传正确接收比例阈值为0.92时，该协议在链路丢包率极差的情况下，仍可保证接收成功率在92%以上，即可以保证战术图像信息的完整性，并有效的提高了系统的传输效率，缩短了战术图像的传输时延。