CN102404078B

CN102404078B - 一种在lte-a中实现网络编码的方法

Info

Publication number: CN102404078B
Application number: CN201110418444.3A
Authority: CN
Inventors: 袁勤; 冯钢; 周亮
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102404078A

Abstract

本发明提供一种在LTE-A中实现网络编码的方法，RN将收到的来自relay UE的数据进行网络编码后发送给eNB，包括步骤：RN调度relay UE，将调度信息发送给relay UE，同时也发送给eNB；eNB根据RN事先发送来的relay UE的调度信息从偷听数据中得到原始数据包，向RN反馈成功偷听到的原始数据包信息；RN根据接收到的eNB反馈的成功偷听到的原始数据包信息，从本地缓存中选择适当的原始数据包进行网络编码，并发送编码数据包及编码包组成信息至eNB；eNB根据偷听到的原始数据包对编码数据包进行解码。本发明通过网络编码提高了backhaul链路的资源利用率。

Description

一种在LTE-A中实现网络编码的方法

技术领域

本发明涉及一种网络编码技术。

背景技术

为了满足日益增长的移动用户通信需求，适应多媒体应用的快速发展，3GPP组织已经开始了LTE(长期演进)向LTE-Advanced(LTE-A)的演进。Relay(中继)作为LTE-A系统的一个候选关键技术，已经在3GPP会议上得到了极大的关注和讨论。在LTE-A系统中引入relay能够改善高数据率下的覆盖能力，提高群组移动能力，提高小区边缘吞吐量，提供新的小区覆盖区域。在LTE-A系统中，最初定义了两种类型的relay：Type I relay和Type II relay。随着3GPP会议对relay讨论的推进，Type II relay逐渐被否决，而会议则确定在LTE-A系统中使用Type I relay，关于Type I relay的具体细节已经基本讨论完成，并写入3GPP的相应标准里。Type I relay是三层设备，其功能相当于一个小型eNB(演进型基站)，拥有自己的cellID(小区号)，发送自己的同步信号、参考信号和控制信号，并且通过无线接口接入到其归属的donor cell(宿主小区)。

在LTE-A系统中引入relay能够使系统性能得到一定的提升，同时也使用于RN(RelayNode，中继节点)和eNB进行通信的backhaul(回程)链路成为了系统瓶颈，影响系统性能。在LTE-A系统中引入relay以后，子帧被分为了direct(直连)、access(接入)和backhaul(回程)三种子帧，direct子帧用于eNB和macro UE(接入eNB的用户)之间信息传输，access子帧用于RN和relay UE(接入RN的用户)之间信息传输，backhaul子帧用于eNB和RN之间信息传输。backhaul和access子帧严格时分复用，direct子帧则可与access、backhaul子帧同时传输信息。根据3GPP标准规定的LTE-A子帧配置，对一个特定的RN来说，access上行子帧数量大于等于backhaul上行子帧数量，access下行子帧数量也大于等于backhaul下行子帧数量。因此，在每个10ms帧中，每个RN需要在较少的backhaul子帧传输较多的access子帧的数据，导致了backhaul链路的瓶颈效应。另外，3GPP标准规定在每个eNB小区中可以接入1-10个RN，每个RN需要和其他RN以及macro UE共同竞争使用系统带宽，从而获得自己的backhaul链路资源，然而access链路资源则是整个系统带宽。悬殊的access链路和backhaul链路带宽资源导致RN需用较小的backhaul频带传输较大频带的数据，造成access链路信息传输的延迟，此时backhaul链路成为了系统瓶颈。

理论和实验研究表明，在多跳无线网络中采用网络编码技术可以有效地节省中间节点的转发资源或者改善目的节点的接收性能，从而提高系统吞吐量性能。Relay UE到eNB是两跳链路，可以在RN处采用网络编码技术以节约RN的转发资源，解决backhaul链路瓶颈问题，从而提高系统整体性能。

目前还未有在LTE-A系统中应用网络编码技术的可行性实现方案的提出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种在LTE-A系统上行数据传输过程中，在RN处实现网络编码的方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种在LTE-A中实现网络编码的方法，其特征在于，RN将收到的来自relay UE的数据进行网络编码后发送给eNB，具体包括以下步骤：

步骤一：RN调度relay UE，将调度信息发送给relay UE，同时也发送给eNB；

步骤二：relay UE根据来自RN的调度信息向RN发送原始数据包，eNB对relay UE进行偷听；

步骤三：eNB根据RN事先发送来的relay UE的调度信息从偷听数据中得到原始数据包，向RN反馈成功偷听到的原始数据包信息；

步骤四：RN根据接收到的eNB反馈的成功偷听到的原始数据包信息，从本地缓存中选择适当的原始数据包进行网络编码，并发送编码数据包及编码包组成信息至eNB；

步骤五：eNB根据偷听到的原始数据包对编码数据包进行解码。

优选的，所述RN以MAC PDU(媒体接入控制层协议数据单元)为基本单位进行网络编码。使用MAC PDU为基本单位进行网络编码相比TB(传输块)具有更高的数据传输正确率，相比RLC PDU(无线链路控制层协议数据单元)、PDCP PDU(分组数据汇聚协议层协议数据单元)、IP packet(IP包)能保证网络编码的原始数据包与eNB偷听到的原始数据包一致。

优选的，RN根据接收到的eNB反馈的成功偷听到的原始数据包信息后，对缓存的原始数据包进行分类：将被eNB成功偷听的原始数据包放入偷听成功集合，将其余的原始数据包放入偷听失败集合；

RN在进行网络编码时，从成功集合中取出所有的原始数据包，从失败集合中取出一个原始数据包，进行网络编码。

进一步的，为了进一步提高编码效率，在网络编码时尽量使用数据量基本相同的数据包：

RN在进行网络编码时，从成功集合中取出数据量相近的全部原始数据包，从失败集合中取出一个与已从成功集合中取出的数据包的数据量相近的原始数据包，进行网络编码。具体的，所述数据量相近为取出的所有数据包中，最大数据量不大于最小数据量的1.1倍。当失败集合没有与已从成功集合中取出的数据包的数据量相近的原始数据包，则RN仅对从成功集合中取出的数据量相近的全部原始数据包进行网络编码。当成功集合与失败集合中均没有数据量相近的原始数据包，RN则不进行网络编码，直接传输缓存中的原始数据包。

本发明的有益效果是，通过网络编码提高backhaul链路的资源利用率，从而提高系统的整体性能。

附图说明

图1为实施例基本应用场景；

图2为实施例的TDD帧结构；

图3为实施例的流程图；

图4为实施例中网络编码MAC PDU格式；

图5为实施例中传输relay UE的DCI信息的MAC NCU及其子头部；

图6为实施例中传输overhear结果信息的MAC NCU及其子头部；

图7为实施例中传输网络编码包组成信息的MAC NCU及其子头部；

图8为基于相同网络环境下本实施方法与不采用网络编码的接收增益曲线对比图。

具体实施方式

下面就结合附图与实施例进一步详细说明该发明的工作过程。

如图1所示，UE1、UE2...UEn表示接入relay小区的所有用户(UE)；RN需要先调度relay小区内各用户，通过向这些UE发送调度信息来完成调度。本实施例通过DCI(下行控制信息)来承载所述的调度信息。

UE收到DCI之后按照调度信息向RN传输原始数据包；eNB偷听(overhear)relay小区的所有用户；为了让eNB能够成功解析overhear数据，RN在向UE发送DCI的同时，也将该DCI发送至eNB，这样eNB通过获取DCI中的调度信息了解到对应UE的数据包发送规则，从而能够从overhear数据中成功解析出原始数据包，并能够将成功偷听到的原始数据包信息反馈给RN，从而让RN更有效率地进行网络编码。RN以MAC PDU为基本单位进行网络编码。

具体实施时，根据实际的小区环境确定小区的TDD帧结构，如图2。该TDD帧中包括10个子帧，其中包括3个下行access子帧，3个上行access子帧，1个上行backhaul子帧，一个下行backhaul子帧，2个特殊子帧。

本实施例的具体流程如图3所示：

在第n-1帧的下行access子帧中，RN将对某个relay UE的承载了调度信息的DCI发送给相应的relay UE，同时，在第n-1帧的上行backhaul子帧中，也即子帧8中，RN将relay UE的DCI信息发送给eNB；

在第n-1帧的子帧7和第n帧的子帧2、3中，UE1、UE2...UEn向RN发送数据DATA1₁K 1_m、DATA2₁K 2_m...DATAn₁Kn_m，RN接收并缓存正确的MAC PDU；对于接收错误的数据，若还未达到最大重传次数，则在缓存的同时还需在相应的下行access子帧通知对应UE准备下一次重传，否则，直接丢弃。同时，eNB overhear relay UE的数据。

eNB根据第n-1帧子帧8中接收到的relay UE的DCI信息解析overhear数据，并判断overhear结果。并在第n帧的子帧4中将overhear成功的数据的身份信息反馈给RN。

在第n帧的子帧8中，RN根据子帧4中接收到的overhear成功的原始数据包(原始MACPDU)信息，将缓存中的MAC PDU分为两组：overhear成功集合A和overhear失败集合B。即，当接收到overhear成功的原始数据包身份信息后，则从缓存中找到对应的MAC PDU放入overhear成功集合A，其它未收到overhear成功信息的数据包则放入overhear失败集合B。

具体的，RN从缓存中选择数据进行网络编码的具体方法为，从集合A中取出所有MACPDU，再从集合B中取出1个MAC PDU(根据解码规则：如果存在两个以上未知数据，则编码数据不能被正确解码，不能获得编码数据包的所有原始数据包)，进行网络编码。

网络编码采用异或原始数据包的形式，那么需要进行异或运算时，所有数据包的长度需相同。实际编码时，为了让所有原始数据包的长度相同，则以即将进行网络编码的最长原始数据包为准，给其余数据包的数据尾部添加0比特。为了节约编码资源，优选的，将数据量相近的数据包放在一起进行网络编码。本实例所述数据量(size)相近的标准是：数据的最大size不能大于最小size的1.1倍。

优选的，RN从集合A中选择n-1个size相近的数据，再从集合B中选择一个与已有n-1个数据size相近的数据，给size小的数据添加0比特，使得所有n个数据size相等，然后对n个补0后的数据的对应比特进行异或，编码为一个新的数据包。进一步的，网络编码原始数据的个数n值由overhear成功数据个数决定，n-1不能大于overhear成功数据个数。

如集合B没有与已有n-1个数据size相近的数据，则仅对已有的n-1个数据进行网络编码。如果RN缓存中的所有数据都不满足网络编码条件，则RN不进行网络编码，而直接传输缓存中的原始MAC PDU给eNB。

进一步地，具体实施时，RN可将集合A又分为若干个size相近的集合，每组数据集合中，数据的最大size(数据量)不能大于最小size的1.1倍。

进一步地，根据数据集合的优先级(由数据的Qos保证等因素决定)依次遍历各个数据集合：如果该数据集合A1中只有一个数据a，则从数据集合B中选择一个与该数据size相近的数据b进行网络编码，若集合A1中不存在满足条件的数据b，则放弃这个数据集合，继续遍历下一个size相近的数据集合；如果该数据集合A2中至少有两个数据，则从集合B中选择一个size与数据集合A2中数据相近的数据包b，将数据包b与数据集合A2中的所有数据包一起进行网络编码，若集合B中不存在满足条件的数据b，则直接将数据集合A2中的数据进行编码。

RN再将编码数据包(编码MAC PDU)发送给eNB，同时将编码数据包的组成信息发送给eNB。如果RN的缓存中不存在可以进行网络编码的数据，则relay直接从缓存中选择一个优先级高的数据发送给eNB。

相应的，在帧n的子帧8中，eNB接收到网络编码MAC PDU及其组成信息，然后结合overhear的原始数据包对该编码数据包进行网络解码。

具体方法为：

eNB首先根据网络编码组成信息，判断网络编码数据包中是否有未知原始数据包(没有被成功overhear的原始MAC PDU)。

如果存在一个未知原始数据包：

先找出所有组成网络编码数据的原始数据的overhear信息(包括overhear成功和overhear失败的)的最大的size(max_size)。将max_size与网络编码数据中的网络编码包的size进行比较，如果max_size＜size，表示网络编码数据被添加了尾比特，尾比特的大小为size-max_size，需要将添加的尾比特去掉，才能得到真正的网络编码数据；如果max_size＝size，表示网络编码数据没有被添加尾比特。然后，对overhear成功的数据进行处理，给size小于max_size的MAC PDU添加尾比特，直到size等于max_size。

下一步，则将添加了尾比特的overhear成功数据与网络编码数据的对应比特进行异或运算，获得overhear失败的MAC PDU(未知原始数据包)。

最后，比较解出来的未知原始数据包的size1与overhear失败的MAC PDU的size2，size2的大小可通过CRC校验得到，如果size1＞size2，表示解出来的MAC PDU还被添加了size1-size2个尾比特，将这些尾比特去掉，即得到真正的原始MAC PDU；如果size1＝size2，表示没添加0比特，解出来的即为要求的原始MAC PDU。网络解码成功。

如果没有overhear失败的数据，全部overhear成功。则不用结合网络编码数据，直接宣告解码成功。

具体的，RN在backhaul上行子帧中传输DCI以及编码数据包的组成信息给eNB，以帮助eNB成功进行网络解码，获得所有的网络编码原始数据。

eNB根据overhear结果，在backhaul下行子帧中传输overhear成功的数据身份信息给relay，用以指示存在编码机会的数据包信息。

为了在backhaul上下行子帧传输DCI以及编码数据包的组成信息或overhear成功的数据身份信息，需要修改RN的MAC PDU的格式，给其添加一个新的内容MAC NCU(媒体接入控制层网络编码单元)及其对应的子头部，用以传输网络编码相关的内容，如图4所示。

如图5所示，RN用于传输relay UE的DCI信息给eNB的MAC NCU的具体内容包括：SFN(系统帧号)，子帧编号，UE1的RNTI(无线网络临时标识)信息、DCI种类信息、DCI信息，UE2的RNTI信息、DCI种类信息、DCI信息......UEn的RNTI信息、DCI种类信息、DCI信息。相应的子头部的具体设置为：RR(保留比特)设置为01，表示该子头部所对应的MAC NCU传输的是relay UE的DCI信息；E(扩展字段)则根据该子头部后面接的内容做相应的设置，为0或者1；LCID(逻辑信道ID字段)设置为全0，即00000；F(格式字段)设置为0，表示该子头部所对应的MAC NCU的size小于128bytes；L(长度字段)为7比特，设置为相应MAC NCU的长度。

如图6所示，eNB用于传输overhear结果信息给RN的MAC NCU的具体内容为：overhear成功的数据1的身份信息，overhear成功的数据2的身份信息......overhear成功的数据n的身份信息。其中每个overhear成功的数据的身份信息又由以下信息组成：发送该数据的系统帧号SFN、子帧编号、所属的UE的RNTI信息、MAC PDU的编号信息。相应的子头部的具体设置为：RR设置为10，表示该子头部所对应的MAC NCU传输的是relay UE的overhear结果信息；E设置为0或者1；LCID设置为全0，即00000；F设置为0；L为7比特，设置为相应MAC NCU的长度。

如图7所示，Relay用于传输网络编码组成信息的MAC NCU的具体内容为：网络编码原始MAC PDU1的身份信息，网络编码原始MAC PDU2的身份信息......网络编码原始MACPDUn的身份信息。其中每个网络编码原始MAC PDU的身份信息又由以下信息组成：relay UE发送该数据的系统帧号SFN、子帧编号、所属的UE的RNTI信息、MAC PDU的编号信息。相应的子头部的具体设置为：RR设置为11，表示该子头部所对应的MAC NCU传输的是网络编码数据或者是网络编码数据的组成信息；E设置为0或者1；LCID一共有5比特，其中第一个比特设置为0，表示该子头部对应的MAC NCU传输的是网络编码数据的组成信息，余下的4个比特则与传输相应网络编码包的MAC NCU对应的子头部里面的LCID的后四个比特设置相同，表示该子头部对应的MAC NCU里的组成信息与另一MAC NCU里的网络编码包是配对的，前者为后者的组成信息；F设置为0；L为7比特，设置为相应MAC NCU的长度。

如图8所示，在一个7个eNB小区，每个eNB小区有三个扇区，每个扇区中接入一个relay的场景下，使用本实施例的网络编码进行上行数据传输的增益优于不使用网络编码的上行数据传输。

本发明根据LTE-A系统具体特点以及相应标准，提出网络编码的编码单位和具体实现方法，考虑了LTE-A系统的具体通信过程和物理层、MAC层具体规范，弥补了现有技术中的不足，有效地提高了backhaul链路的资源利用率，提升了系统整体性能。

Claims

1.一种在LTE-A中实现网络编码的方法，其特征在于，RN将收到的来自relay UE的数据进行网络编码后发送给eNB，具体包括以下步骤：

步骤四：RN根据接收到的eNB反馈的成功偷听到的原始数据包信息，从本地缓存中选择原始数据包进行网络编码，并发送编码数据包及编码包组成信息至eNB；

步骤五：eNB根据偷听到的原始数据包对编码数据包进行解码；

RN根据接收到的eNB返回成功偷听到的原始数据包信息后，对缓存的原始数据包进行分类：将被eNB成功偷听的原始数据包放入偷听成功集合，将其余的原始数据包放入偷听失败集合；RN在进行网络编码时，从成功集合中取出所有的原始数据包，从失败集合中取出一个原始数据包，进行网络编码；

或者，RN根据接收到的eNB返回成功偷听到的原始数据包信息后，对缓存的原始数据包进行分类：将被eNB成功偷听的原始数据包放入偷听成功集合，将其余的原始数据包放入偷听失败集合；

RN在进行网络编码时，从成功集合中取出数据量相近的全部原始数据包，从失败集合中取出一个与已从成功集合中取出的数据包的数据量相近的原始数据包，进行网络编码；当失败集合没有与已从成功集合中取出的数据包的数据量相近的原始数据包，则RN仅对从成功集合中取出的数据量相近的全部原始数据包进行网络编码；所述数据量相近为取出的所有数据包中，最大数据量不大于最小数据量的1.1倍。

2.如权利要求1所述一种在LTE-A中实现网络编码的方法，其特征在于，所述RN以媒体接入控制层协议数据单元MAC PDU为基本单位进行网络编码。