CN102202264B - 无线协作中继网络可靠组播传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线协作中继网络可靠组播传输方法，包括：组播源节点从中继节点组中选择最佳中继节点，并将各个数据分组各自传输到所选择的最佳中继节点中；对数据分组进行校验，对校验出错的数据分组要求组播源节点重传数据；中继节点将校验正确的数据分组广播到各个组播目的节点；组播目的节点接收到数据分组后，对数据分组进行校验，将未通过校验的数据分组的信息反馈给中继节点组；中继节点组对发送错误的数据分组重新进行网络编码，并重新广播到组播目的节点；组播目的节点对重新广播的网络编码进行译码并校验，正确时回复确认消息并结束操作，否则反馈到中继组，等待下一次重传，直到所有数据分组正确接收或者达到最大重传次数而结束。

Description

无线协作中继网络可靠组播传输方法和系统

技术领域

本发明涉及无线网络传输领域，特别涉及一种无线协作中继网络可靠组播传输方法和系统。

背景技术

组播指的是单个发送者对应多个接收者的一种网络通信方式。在组播技术中，通过向多个接收方传送单信息流可以减少具有多个接收方同时收听或查看相同资源情况下的网络通信流量。在无线网络中，采用组播方式传输信息的现象也被称为无线网络组播传输。

与有线网络组播传输相比，受到无线信道衰落特性的影响，在无线网络组播传输过程中存在较高的误分组率，可靠性较差；而且在信道衰落较大的环境下，信源和信宿之间不存在直接的无线链路，不能保证组播分组全部到达目的。这些都将导致组播传输性能的恶化。

针对无线组播传输可靠性较差的问题，现有的可靠组播实现方法主要是依靠信宿将各自接收到的错误分组信息反馈到信源，并且由信源对出错的分组分别进行重传。但是对于组播分组的多个信宿而言，由于无线信道的特性导致各个信宿所接收到的分组误差具有差别，也就是说在每个信宿收到的一系列分组中出错的分组位置和个数是不一样的。为了达到可靠性，信源需要对各个信息的错误分组进行分别重传。显然这种可靠组播传输方式效率很低，存在很大的提升空间。

针对信道衰落较大的环境下信源到信宿之间不存在直达链路的问题，目前的主要解决方式是在信源和信宿之间设置一定数目的中继站，通过中继站对信源的信息进行处理和转发达到信宿，通常采用下面三种协作处理方式：①中继站对信源的分组采用放大-转发方式；②中继站对信源的分组采用译码-转发方式；③中继站对信源的分组采用压缩-转发方式。上述协作处理方式中，中继站仅仅充当信源和信宿之间信息的转发角色，没有充分发挥作用。

发明内容

本发明的目的是克服现有的无线网络组播方法在传输过程中存在较高的误分组率，可靠性较差，信源和信宿之间不存在直接的无线链路，不能保证组播分组全部到达目的地的缺陷，从而提供一种可靠性高、误分组率低的无线网络组播传输控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种无线协作中继网络可靠组播传输方法，应用于组播源节点、中继节点组以及组播目的节点，所述中继节点组包括至少一个中继节点；该方法包括：

步骤1)、所述组播源节点为所要传输的组播数据中的各个数据分组从所述中继节点组中选择最佳中继节点，并将所述各个数据分组各自传输到所选择的最佳中继节点中；

步骤2)、中继节点接收到所述数据分组后，对所述数据分组进行校验，对校验出错的数据分组要求所述组播源节点重新执行步骤1)以重传数据；所述中继节点将所述校验正确的数据分组广播到各个组播目的节点；

步骤3)、所述组播目的节点接收到所述数据分组后，对所述数据分组进行校验，将未通过校验的数据分组的信息反馈给所述中继节点组；

步骤4)、所述中继节点组根据未通过校验的数据分组的信息对发送错误的数据分组重新进行网络编码，并重新广播到所述组播目的节点；

步骤5)、所述组播目的节点对重新广播的网络编码进行译码并校验，当所述分组正确时回复确认消息并结束操作，否则重新将未通过校验的数据分组的信息反馈到中继组，等待下一次重传，直到所有数据分组正确接收或者达到最大重传次数而结束。

上述技术方案中，在所述的步骤1)中，在选择最佳中继节点时，要使得所述目的节点对数据分组的正确接收概率尽可能大。

上述技术方案中，所述的校验采用包括循环冗余校验方法、奇偶校验方法中的任意一种。

上述技术方案中，所述的步骤4)包括：

步骤4-1)、所述中继节点组中的各个中继节点根据未通过校验的数据分组的信息查找自身所拥有的传输错误的数据分组，并根据查找结果生成误差矩阵；其中，

所述误差矩阵的一行表示一个组播目的节点的传输错误的数据分组，每一行中的各个元素的值代表所述传输错误的数据分组在组播数据中的位置；

步骤4-2)、所述中继节点组中的各个中继节点根据所述误差矩阵进行协作网络编码，并发射该网络编码；其中，

所述中继节点每次取所述误差矩阵中的列向量进行协作网络编码，直到所述误差矩阵中的所有列向量都已处理。

上述技术方案中，所述的网络编码包括对传输错误的数据分组进行异或运算。

本发明还提供了一种无线协作中继网络可靠组播传输系统，包括组播源节点、中继节点组以及组播目的节点的组播传输控制系统中，所述中继节点组包括至少一个中继节点；其中，

所述组播源节点为所要传输的组播数据中的各个数据分组从所述中继节点组中选择最佳中继节点，并将所述各个数据分组各自传输到所选择的最佳中继节点中；

所述中继节点接收到所述数据分组后，对所述数据分组进行校验，对校验出错的数据分组要求所述组播源节点重传数据；所述中继节点将所述校验正确的数据分组广播到各个组播目的节点；所述的中继节点还要根据所述组播目的节点所反馈的未通过校验的数据分组的信息对发送错误的数据分组重新进行网络编码，并重新广播到所述组播目的节点；

所述组播目的节点接收到所述数据分组后，对所述数据分组进行校验，将未通过校验的数据分组的信息反馈给所述中继节点组；所述组播目的节点还要对所述中继节点重新广播的网络编码进行译码并校验，当所述分组正确时回复确认消息并结束操作，否则重新将未通过校验的数据分组的信息反馈到中继组，等待下一次重传，直到所有数据分组正确接收或者达到最大重传次数而结束。

本发明的优点在于：

在保证组播传输可靠性的同时，极大地减少了差错分组的重传次数，提升了网络资源的利用率。

附图说明

图1为本发明的组播传输控制系统在一个实施例中的平面示意图；

图2为本发明的组播传输控制方法在一个实施例中的流程图；

图3为在组播传输控制过程中的时隙分配方案。

具体实施方式

在本发明实施例中，应用协作通信技术和在差错重传过程中应用网络编码技术达到信息的可靠传输控制系统对于原有的物理层设施，并没有提出特殊的要求，换而言之，本发明的下述实施例可以应用于当前相关可用的物理层设施之上。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参见图1，该图给出了本发明的无线协作中继网络可靠组播传输系统在一个实施例中的平面示意图。本实施例中，设置空间存在的一个节点S作为组播源和一组节点(D1，D2)作为组播目的，所述节点S和节点D1、D2之间没有直达链路，所述节点S和节点D1、D2之间通过至少一组中继节点(R1、R2和R3)来实现信息交互。

在图2中，给出了所述组播源节点S与组播目的节点D1、D2之间通过中继节点来实现信息交互的方法的流程图。该方法包括：

步骤101、在组播源节点S发送一个分组之前，节点S需要从中继组中选择最佳的中继节点。

步骤102，在选定最佳中继节点后，节点S向指定的中继节点Ri(Ri代表所述中继节点R1、R2、R3中的任意一个)发射数据分组；Ri接收到数据分组后，对收到的数据分组进行校验，并向节点S反馈确认信息，如果数据分组通过CRC校验，Ri将收到的数据分组存储，并且向目的节点D1和D2广播，否则，Ri要求节点S重传该数据分组，在此过程中，目的节点D1和D2处于接收状态。

上述的步骤101和步骤102也被称为中继协作传输阶段。

步骤103、目的节点D1、D2接收到数据分组后，对收到的数据分组进行校验，并将各自未通过校验的数据分组信息组成错误分组信息矢量，分别反馈到中继组(R1、R2和R3)；

步骤104、中继组(R1、R2和R3)中的节点根据所有目的节点的错误分组矢量信息，对发送错误的数据分组重新进行网络编码，并且重新向目的节点D1和D2广播；

步骤105、目的节点D1和D2对重传的网络编码分组进行译码(如最大似然译码)，并且校验，如果所有分组正确，则回复确认信息ACK，否则，重新将未通过校验的数据分组信息组成错误分组信息矢量并反馈到中继组，等待下一次重传，直到所有组播分组正确接收或者达到系统容忍的最大重传次数而结束。

上述的步骤103-步骤105也被称为网络编码重传阶段。

在图3中给出了本发明方法的时隙分配方案，从该图可以看出，在中继协作传输阶段，源节点S的数据分组通过中继组中的中继节点Ri不断地传输到目的(D1\D2)；在网络编码重传阶段，中继组中的节点根据目的节点反馈的信息，对差错的数据分组进行网络编码后重传，一直到所有分组正确接收或者达到最大重传次数而终止。

在上述的步骤101中，选择最佳的中继节点的准则是使所有目的节点对数据分组的正确接收概率尽可能大，该准则的数学表达方式如下：

$b_{\mathrm{pro}}=\arg \underset{i\hat{I}{S}_R}{\max }{W}_i$

其中S_R表示所有中继节点组成的集合；W_i＝min[g_SRi，min(g_RiD1，g_RiD2)]表示第i个中继节点对应的链路即时信噪比，其中的g_SRi＝|h_SRi|²P_S/N₀＝|h_SRi|²xP_tot/N₀、g_RiDk＝|h_RiDk|² P_Ri/N₀＝|h_RiDk|²(1-x)P_tot/N₀分别表示链路S

Ri和Ri？Dk，k 1，2的即时信噪比，其中的h表示信道系数，服从瑞利分布，P_S表示发送功率，P_tot表示传输的总功率，N₀为噪声功率，x表示功率分配因子。由于在本实施例中选择单个中继节点进行发送，故该节点的发送功率为P_Ri＝(1-x)P_tot。

在上述步骤中，所涉及的校验可采用现有技术中的多种校验方法，如循环冗余校验CRC，奇偶校验等，在本实施例中可采用循环冗余校验CRC。

在上述的步骤102中，组播数据的各个数据分组并非只由同一个中继节点进行转发，根据每次组播源节点S的选择，中继组中的多个节点甚至所有节点都可以作为一次组播数据传输的中继节点。

在步骤102中，如果中继节点接收的数据分组发生错误，该中继节点只需要将错误反馈到节点S，节点S重新选择最佳中继节点并重传出错的数据分组，重传过程所选择的中继节点与前一次无关。

在步骤102中，节点S将N个数据分组组成的一组组播数据依次发送至中继组，中继节点只在正确收到节点S所发射的数据分组之后才将数据分组广播至目的节点D1和D2，如果中继节点接收到的数据分组未通过校验，则立即要求目的节点S重传该数据分组，直至该数据分组正确接收或者超过系统设置的最大重传次数。

在步骤102中，中继组中的各个节点都有可能作为最佳中继节点被选中，所有N个数据分组将分散在节点R1、R2和R3中，而且节点R1、R2和R3中的数据分组不会出现重复的可能。

在步骤103中，目的节点D1和D2将各自收到的数据分组进行CRC校验，将未通过校验的分组信息，即错误分组的信息依次广播至中继组，所有中继组中的节点都处于接收状态。

所述的步骤104具体包括以下操作：

步骤104-1、中继组中的节点R1、R2和R3根据D1和D2发射的错误分组信息，查找自己所拥有的错误分组以生成误差矩阵E。

误差矩阵中的一行表示一个目的节点的错误分组，每一行中的各个元素的值代表错误分组在组播数据中的位置，例如，如果D1所接收的N个分组中编号为第2、3和6的数据分组没有通过CRC校验，那么D1反馈的错误分组信息表示为D1＝{2，3，6}，而且该错误分组信息将放在误差矩阵的第一行。由于在本实施例中，目的节点有D1、D2两个，因此最后所形成的误差矩阵的表示形式为E＝{D1；D2}。由于误差矩阵中的行向量D1、D2中的元素可能并不相等，因此误差矩阵的列数取决于长的行向量的长度，短的行向量的尾部元素取“0”补齐。

步骤104-2、根据该误差矩阵进行协作网络编码，并发射该网络编码。

网络编码发射取决于误差矩阵E，中继组在重传过程中，每次取误差矩阵中的列向量进行网络编码发射，因此，中继组的最小重传的次数取决于误差矩阵的列数。取误差矩阵中的列向量进行网络编码发射时，当列向量中的两个元素都来自于一个中继节点时，那么该中继节点会将这两个元素所对应的数据分组进行网络编码，然后向D1和D2广播；当列向量的两个元素分别属于两个不同中继节点时，那么这两个中继节点将同时发射这两个分组，使两个分组的波形在空中叠加完成网络编码。其中，本实施例中所涉及的网络编码是将差错的数据分组进行异或运算，在其他实施例中也可采用其他的网络编码方式。

为了便于理解，下面对本发明的相关操作过程举例说明。

假设一次发射的组播数据共有10个数据分组，中继组中的节点在第一次转发数据时，R1转发了编号为1、2、4、7的分组，R2转发了编号为3、6、10的分组，R3转发了编号为5、8、9的分组。D1和D2在接收的过程中发现接收错误的数据分组分别为1、4、9和2、4、7；那么误差矩阵就表示为E＝[1，4，9；2，4，7]；矩阵的列数为3，因此中继组需要重传3次。

中继组在重传数据的过程中，重发的第一个分组为R1发射的1

2；其中的“

”表示异或运算。第二个分组是R1发射的4，第三个分组是R1和R3同时发射的7和9的叠加信号。

节点D1和D2将从中继组重传的网络编码后的分组中将自己所需要的信息进行最大似然译码，从而获得自己需要的分组，如果译码获得的分组正确，向中继组回复确认信息ACK，否则重新进入第二阶段的操作；

其中，为了防止错误的数据分组一直未能通过CRC校验造成的不断重传，系统设置最大重传次数，当某个数据分组的错误次数达到了重传次数的上限，那么该数据分组将不再被传输。

在本发明实施例中，在信息传输过程中应用协作通信技术和在差错重传过程中应用网络编码技术达到信息的可靠传输。通过无线中继网络环境中的协作通信传输、最佳中继站选择和中继站对信宿反馈的误差分组信息处理，并对信宿所需的分组进行网络编码重传至各信宿过程，在保证组播传输可靠性的同时，极大地减少了差错分组的重传次数，提升了网络资源的利用率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种无线协作中继网络可靠组播传输方法，应用于组播源节点、中继节点组以及组播目的节点，所述中继节点组包括至少一个中继节点；该方法包括：

步骤1)、所述组播源节点为所要传输的组播数据中的各个数据分组从所述中继节点组中选择最佳中继节点，并将所述各个数据分组各自传输到所选择的最佳中继节点中；

步骤2)、中继节点接收到所述数据分组后，对所述数据分组进行校验，对校验出错的数据分组要求所述组播源节点重新执行步骤1)以重传数据；所述中继节点将所述校验正确的数据分组广播到各个组播目的节点；

步骤3)、所述组播目的节点接收到所述数据分组后，对所述数据分组进行校验，将未通过校验的数据分组的信息反馈给所述中继节点组；

步骤4)、所述中继节点组根据未通过校验的数据分组的信息对发送错误的数据分组重新进行网络编码，并重新广播到所述组播目的节点；

步骤5)、所述组播目的节点对重新广播的网络编码进行译码并校验，当所述分组正确时回复确认消息并结束操作，否则重新将未通过校验的数据分组的信息反馈到中继组，等待下一次重传，直到所有数据分组正确接收或者达到最大重传次数而结束；

在所述的步骤1)中，在选择最佳中继节点时，要使得所述目的节点对数据分组的正确接收概率尽可能大；

所述的校验采用包括循环冗余校验方法、奇偶校验方法中的任意一种；

所述的步骤4)包括：

步骤4-1)、所述中继节点组中的各个中继节点根据未通过校验的数据分组的信息查找自身所拥有的传输错误的数据分组，并根据查找结果生成误差矩阵；其中，

所述误差矩阵的一行表示一个组播目的节点的传输错误的数据分组，每一行中的各个元素的值代表所述传输错误的数据分组在组播数据中的位置；

步骤4-2)、所述中继节点组中的各个中继节点根据所述误差矩阵进行协作网络编码，并发射该网络编码；其中，

所述中继节点每次取所述误差矩阵中的列向量进行协作网络编码，直到所述误差矩阵中的所有列向量都已处理。

2.根据权利要求1所述的无线协作中继网络可靠组播传输方法，其特征在于，所述的网络编码包括对传输错误的数据分组进行异或运算。

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