CN102833051B - 基于反馈的喷泉编码广播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反馈的喷泉编码广播方法，属于无线通信技术领域。发射端每次广播发送一个待发送的未编码数据包，直到所有的数据包都广播发送完毕；发射端剔根据反馈信息除掉那些已被所有接收端都成功接收的未编码数据包；对进行剔除操作后余下的数据包采用EEP方案或UEP方案进行喷泉编码广播，直到发射端接收到来自所有接收端的ACK信号或者探测到小区用户重新开始占用信道时停止发射。相比无反馈的广播方案，本方法具有明显的性能优势，其中基于反馈的UEP方案能实现最大的系统传输效率，尤其是接收端用户数较少的情况下具有明显优势，在实际通信系统中可以减少编码重传次数，节约能源，实现尽可能多的数据传输。

Description

基于反馈的喷泉编码广播方法

技术领域

本发明涉及一种喷泉编码广播方法，具体涉及一种基于反馈的喷泉编码广播方法，属于无线通信技术领域。 

背景技术

异构通信网络系统由于其具有能有效解决灵活部署、增加系统容量、改善系统吞吐量等方面的优势，得到越来越广泛的研究和关注。其中，设备对设备（Device-to-Device，D2D)通信是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。与其他应用于非许可频段的同类技术相比，D2D具有干扰可控等优点。 

未来的通信系统被描述为高速率大容量，而可用于移动通信的频谱资源十分有限，因此更加充分高效的利用频谱资源在未来的通信系统中变得十分重要。频谱共享技术的不断提高为这种异构通信网的搭建和实践提供了重要技术支撑。频谱共享技术大致分为正交（orthogonal）和非正交（non-orthogonal）频谱共享技术。在正交频谱共享技术中，蜂窝小区用户和D2D用户分别占用完全正交的时频资源，彻底避免同小区不同信号的强烈干扰，通过尽可能提高发射功率来获取最大系统传输速率；而在非正交频谱共享技术中，蜂窝小区用户和D2D用户使用完全相同或部分相同的时频资源，同小区不同信号存在相互干扰，只能由小区基站根据各用户性能指标及用户优先级来统一协调控制不同通信链路的物理发射功率。本方案仅在正交频谱共享技术支撑下的小区异构通信网络环境下展开讨论D2D的组播业务应用，具体的应用场景参见附图1。 

在编码方案上，喷泉码是无码率的码型。在传统的自动重发请求（ARQ）方法中，当用户数很大时，用户发送的ARQ信息可能会占据了绝大多数的网络资源，使得正常的通信不能顺利进行，这种情况称为“反馈风暴”。在这种情况下，重传方式完全不起作用，前向纠错方法的效率也不高。数字喷泉码可以有效地解决反馈风暴问题，只有当完全译码时，才向发射端发送一个反馈，喷泉码不仅显著减少了用户反馈量，而且提高了系统传输可靠性。 

喷泉码的具体编码步骤如下： 

（1）从度分布中，随机的选择一个值d，该值为编码分组由几个数据包生成，d称为该次的编码分组的度数； 

（2）从原数据包分组中随机选择d个数据，将该d个数据进行模2和； 

（3）重复上述步骤，生成编码分组。 

反馈技术将接收端的接收情况返回到发射端，发射端通过判断哪些包在传送过程中损失哪些包已经被成功接收来改变其在之后的发送情况。虽然增加了反馈环节，但是发射端在进行喷泉编码时可以根据接收端的收包情况对接收端接收失败数较大的数据包进行更高程度的保护，减小了总共需要重传的编码包数，提高了系统在衰落信道环境下的系统容量。 

因此，本发明采用基于反馈的喷泉编码广播方案，与传统的非反馈喷泉广播广播方案相比，在接收端接收到一个编码包时，该编码包能帮助更多的接收端恢复之前广播阶段丢失的数据包，尤其在编码重传次数有限时能恢复尽可能多的数据包，提高系统传输效率。 

发明内容

为解决现有技术问题，本发明提出了一种在喷泉编码重传次数不受限的情况下减少总共重传包数，保持甚至在用户数较少的情况下略微提高系统完全译码要求下的整体传输效率，并且提高系统在喷泉编码重传次数受限的情况下的传输效率，让尽可能多的数据包被成功译码接收的基于反馈的喷泉编码广播方案。 

本技术方案所述一种基于反馈的喷泉编码广播，包括如下步骤： 

步骤1，发射端每次广播发送一个待发送的未编码数据包，直到所有的数据包都广播发送完毕； 

步骤2，发射端通过已有的专用反馈信道获得各接收端的数据包接收情况的反馈信息，所述反馈信息包括每个接收端成功接收的数据包的标号；若任一接收端成功接收所有数据包，则该接收端发送一个ACK信号给发射端；需要说明的是，发送端和接收端在通信前已经通过协议得知待发送的数据包总数； 

步骤3：发射端剔根据反馈信息除掉那些已被所有接收端都成功接收的未编码数据包； 

步骤4：进行喷泉编码过程，即：从已知的度分布中，随机选择一个值d， 在未被所有接收端成功接收的那些未编码数据包（即步骤3进行剔除操作后余下的数据包）中按照预定的选取规则选取d个进行异或运算，生成一个编码包后进行广播，尚未发送ACK信号的接收端接收后进行译码（已发送ACK信号的接收端不再接收），若任一接收端成功接收到所有数据包，则该接收端发送一个ACK信号给发射端； 

重复本步骤所述的喷泉编码过程，直到发射端接收到来自所有接收端的ACK信号或者探测到小区用户重新开始占用信道时停止发射； 

所述预定的选取规则是：在未被所有接收端成功接收的那些未编码数据包中，等概率随机选取d个进行异或运算；或者，每个未编码数据包的选取概率与如下如下比值成正比：所述比值的分子是该数据包在步骤1的广播后针对所有接收端的丢包数，分母是步骤1的广播后所有数据包针对所有接收端的总的丢包数；作为优选，取该比值作为该数据包的选取概率； 

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：相比无反馈的广播方案，无论在重传次数受限的情况下还是在重传次数完全不受限的情况下，本方法都具有明显的性能优势。而且其中基于反馈的UEP方案能实现最大的系统传输效率，尤其是接收端用户数较少的情况下具有明显优势，在实际通信系统中可以减少编码重传次数，节约能源，实现尽可能多的数据传输。 

附图说明

图1为本发明选用的蜂窝网络区域的D2D组播业务应用场景模型； 

图2为本发明设计的基于反馈的喷泉编码广播方法示意图； 

图3为在瑞利信道中重传包数K=5时在重传次数受限条件下基于反馈的UEP方案相对无反馈方案的性能比较； 

图4为在瑞利信道中重传包数K=10时在重传次数受限条件下基于反馈的UEP方案相对无反馈方案的性能比较； 

图5为在瑞利信道中重传包数K=5时在重传次数受限条件下基于反馈的UEP方案相对基于反馈的EEP方案的性能比较； 

图6为在瑞利信道中重传包数K=10时在重传次数受限条件下基于反馈的UEP方案相对基于反馈的EEP方案的性能比较； 

图7为在瑞利信道中重传包数K=5时在完全译码条件下三种方案的重传编码总包数比较； 

图8显示了在瑞利信道中重传包数K=10时在完全译码条件下三种方案的重传编码总包数比较。 

具体实施方式

为使发明的目的，技术方案及优点更加清晰，下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。 

本发明提出了一种在喷泉编码重传次数不受限的情况下减少总共重传包数，保持甚至在用户数较少的情况下略微提高系统完全译码要求下的整体传输效率，并且提高系统在喷泉编码重传次数受限的情况下的传输效率，让尽可能多的数据包被成功译码接收的基于反馈的喷泉编码广播方案，如附图2所示。 

在附图1所示的应用场景中，为了在喷泉编码过程中避免那些已被所有接收端完全成功接收的数据包继续参与编码，从而提高对仍被接收端请求重传的数据包的编码效率。 

如图1所示，蜂窝小区用户和D2D用户分别占用完全正交的时频资源，彻底避免同小区不同信号的强烈干扰，通过尽可能提高发射功率来获取最大系统传输速率。 

仿真中，发射端待发射的数据包数用K表示，接收端用户数用N表示。不失一般性，假定所有数据包的长度都是1比特，采用BPSK调制解调，在每个信噪比点上的仿真统计次数为5000次。在瑞利信道的性能仿真中，我们设置平均信噪比是0dB，发射端发射的数据包在每个包周期内经历的衰落是不变的，即认为是准静态瑞利衰落信道。每个数据包经历的衰落值是变化的，服从0dB的瑞利分布。 

下面给出具体流程： 

步骤1，发射端BS每次广播发送一个待发送的未编码数据包，直到所有的数据包都广播发送完毕； 

本实施例中，发射端依次将N=5、10、15、20、25个未编码包通过广播发送出去，K=5、10个接收端都接收到来自发射端的数据包；例如图2中实线所示，发射端依次将未编码数据包1到5广播发送给5个接收端； 

步骤2，发射端通过已有的专用反馈信道经过一次反馈获得各接收端的数据包接收情况的反馈信息，所述反馈信息包括每个接收端成功接收的数据包的标号；若任一接收端成功接收所有数据包，则该接收端发送一个ACK信号给发射端；需要说明的是，发送端和接收端在通信前已经通过协议得知数据包总数； 

如图2中点线所示，5个接收端从上到下分别成功接收了包1、3、5，包3、4，包1、2，包3、5和包1、5； 

步骤3，发射端根据反馈信息剔除掉那些已被所有接收端都成功接收的数据包； 

步骤4：进行喷泉编码过程，采用如下EEP方案或UEP方案对未被所有接收端都成功接收的数据包进行喷泉编码，即从已知的度分布中，随机选择一个值d，由d个数据包进行喷泉编码生成编码包，d称为该编码包的度数，然后在未被所有接收端成功接收的数据包中等概或非等概地选择d个数据包进行异或运算生成一个编码包后进行广播，尚未发送ACK信号的接收端接收后进行译码（已发送ACK信号的接收端不再接收），若任一接收端成功接收到所有数据包，则该接收端发送一个ACK信号给发射端； 

重复本步骤所述的喷泉编码过程，直到发射端接收到来自所有接收端的ACK信号或者探测到小区用户重新开始占用信道时停止发射； 

该步骤根据喷泉编码对不同编码包的保护程度将该发明分成两种方案，即基于反馈的等差错保护（EEP）喷泉编码广播方案，或者基于反馈的不等差错保护（UEP）喷泉编码广播方案： 

基于反馈的等差错保护（EEP）喷泉编码广播方案采用等概率选取规则即：在未被所有接收端成功接收的那些未编码数据包中，等概率随机选取d个进行异或运算； 

基于反馈的不等差错保护（UEP）喷泉编码广播方案采用非等概率选取规则即：每个未编码数据包的选取概率与如下如下比值成正比：所述比值的分子是该数据包在步骤1的广播后针对所有接收端的丢包数，分母是步骤1的广播后所有数据包针对所有接收端的总的丢包数；作为优选，取该比值作为该数据包的选取概率； 

基于反馈的等差错保护（EEP）喷泉编码广播方案，即在步骤4进行喷泉编码选择d个数据包时，选择对未被成功接收的未编码数据包等差错保护（EEP）。 具体方法是根据步骤2反馈的接收包情况，发射端剔除掉那些已被所有接收端都成功接收的未编码数据包，然后进行EEP喷泉编码即根据选择的度数d，对未编码数据包等概率随机选取d个进行异或运算生成编码包广播，重复上述步骤4中的编码过程直到发射端接收到所有接收端反馈的ACK信号或者探测到小区用户重新开始占用信道时才停止发射。但是该方案并没有充分利用反馈信息，因为不是所有数据都需要相同的保护程度，一部分数据可能需要更高强度的保护，所以本发明又提出基于反馈的不等差错保护（UEP）喷泉编码广播方案。进一步地，每个编码包的度都不一样，根据度分布也就是度的概率分布来选择度的值（度分布决定度的概率，例如采用RSD分布），比如度为1的概率为0.3,如果产生的随机数小于0.3，那么度就为1，每次编码时都需要产生随机数，随机数取值0到1之间，根据随机数还有度分布也就是各个度的概率来选择每个编码包的度，度分布决定了每个度的概率。 

基于反馈的不等差错保护（UEP）喷泉编码广播方案，即在步骤4进行喷泉编码随机选择d个数据包时，选择对未被成功接收的未编码数据包不等差错保护（UEP）。即在进行喷泉编码时，对某个数据包的选择概率与该数据包在步骤2的丢包数相对于步骤2总丢包数的百分比值成正比，具体方法是经过步骤2的一次反馈后，发射端剔除掉那些已被所有接收端都成功接收的未编码数据包并且统计各个数据包对每个接收端是否成功接收，未编码数据包的选取概率与该数据包在一次广播后针对所有接收端的丢包数与所有数据包针对所有接受端的总的丢包数的百分比值成正比（每个数据包的选取概率的分子是根据步骤2的反馈信息获得的该数据包针对所有接收端的丢失包数，分母是所有数据包根据步骤2的反馈信息统计的所有数据包针对所有接收端的总的丢失包数），在此实施例中我们就取该百分比值作为该数据包的选取概率。然后根据选择的度数d和数据包的选取概率选择未编码数据包进行异或运算生成编码包广播，重复上述UEP喷泉编码过程直到发射端接收到所有接收端反馈的ACK信号或者探测到小区用户重新开始占用信道时才停止发射。如图2所示，数据包1被三个接收端成功接收，还有两个接收端由于信道衰落严重而丢失了数据包1，而图2所示最上面的接收端丢失2个包，其余4个接收端均丢失了3个数据包，发射端发送的五个数据包在所有接收端丢失的总包数为14个。所以在进行喷泉编码时，每次产生一个喷泉编码包编码包时对数据包1的选取概率均为2/14。同理，图2 中数据包2到数据包5的选取概率分别为4/14,2/14,4/14,2/14。得到每个数据包的选取概率后，发射端根据该选取概率集源源不断地发射喷泉编码包编码包，直到发射端接收到所有接收端反馈的ACK信号或者探测到小区用户重新开始占用信道时才停止发射。 

图3给出了K为5，N取值为5、10、15、20、25时基于反馈的UEP方案相对于无反馈方案的性能比较；图4给出了K为10，N取值为5、10、15、20、25时基于反馈的UEP方案相对于无反馈方案的性能比较。由图3和图4可见，在重传次数受限情况下，基于反馈的UEP方案相对于无反馈方案在重传前期保持较大的性能提升。随着重传次数越少，性能提升越显著，但与接收端用户数成反比。尤其在只允许一次编码重传的系统中，相对性能提升可达60%，且接收端用户数越多，性能提升越明显。 

图5给出了K为5，N取值为5、10、15、20、25时基于反馈的UEP方案相对于基于反馈的EEP方案的性能比较；图6给出了K为10，N取值为5、10、15、20、25时基于反馈的UEP方案相对于基于反馈的EEP方案的性能比较。由图5和图6可见，在重传次数受限情况下，基于反馈的UEP方案相对于基于反馈的EEP方案在重传前期也有一定的性能提升。受限重传次数越少，性能提升越显著，原因是重传编码包增多时，第一阶段丢失数量较大的数据包已经陆续恢复，UEP方案却仍然重复传输这些以被恢复包运算得到的编码包，其优势不仅会慢慢消失，甚至会因导致很难恢复在第一阶段丢失数量很小的数据包，而在重传后期性能开始弱于EEP方案。在最多允许一次编码重传的系统中，相对性能提升最明显，可达10%左右。 

图7和图8分别给出了K为5和K为10情况下，无反馈方案、基于反馈的EEP方案以及基于反馈的UEP方案在无时限即完全译码接收条件下的整体传输性能比较，衡量指标是D2D发射端在传输开始的K个数据包后，仍需重传的编码包总数（表现为小数的原因是取得5000次统计的平均值）。 

由图7和图8可见，三种方案在不受小区用户的资源限制条件下，完全译码接收所需的重传编码包总数是几乎相同的，基于反馈的UEP方案和EEP方案在D2D系统完全译码条件下所需的重传编码包数略小于无反馈方案所需包数。即引入反馈后，在重传次数不受限情况下系统的整体传输效率是大体不受影响的甚至略微增加的。 

联合分析图3,4,5,6及图7、图8可知，基于反馈的两种广播方案相比无反馈的广播方案，无论在重传次数受限的情况下还是在重传次数完全不受限的情况下，都具有明显的性能优势。而基于反馈的UEP方案能实现最大的系统传输效率，尤其是接收端用户数较少的情况下具有明显优势，在实际通信系统中可以减少编码重传次数，节约能源，实现尽可能多的数据传输。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换和替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (1)

1.一种基于反馈的喷泉编码广播方法，其特征在于，包括如下步骤： 

步骤1，发射端每次广播发送一个待发送的未编码数据包，直到所有的数据包都广播发送完毕； 

步骤2，发射端通过已有的专用反馈信道获得各接收端的数据包接收情况的反馈信息，所述反馈信息包括每个接收端成功接收的数据包的标号；若任一接收端成功接收所有数据包，则该接收端发送一个ACK信号给发射端；需要说明的是，发送端和接收端在通信前已经通过协议得知待发送的数据包总数； 

步骤3：发射端根据反馈信息剔除掉那些已被所有接收端都成功接收的未编码数据包； 

步骤4：进行喷泉编码过程，即：从已知的度分布中，随机选择一个值d，在未被所有接收端成功接收的那些未编码数据包即步骤3进行剔除操作后余下的数据包中按照预定的选取规则选取d个进行异或运算，生成一个编码包后进行广播，尚未发送ACK信号的接收端接收后进行译码，若任一接收端成功接收到所有数据包，则该接收端发送一个ACK信号给发射端； 

重复本步骤所述的喷泉编码过程，直到发射端接收到来自所有接收端的ACK信号或者探测到小区用户重新开始占用信道时停止发射； 

所述预定的选取规则是：在未被所有接收端成功接收的那些未编码数据包中，等概率随机选取d个进行异或运算；或者，每个未编码数据包的选取概率与如下比值成正比：所述比值的分子是该数据包在步骤1的广播后针对所有接收端的丢包数，分母是步骤1的广播后所有数据包针对所有接收端的总的丢包数；取该比值作为该数据包的选取概率。