CN103313141A - 一种用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法，优先挑选合适的多播业务子节点担任协作节点；当所有多播子节点失效时，则选择合适的组外节点和多播组内节点联合担任协作节点。本发明可以提高多播部署IPTV的鲁棒性，减少多播传输错误率，提高IPTV在无线环境下的传输可靠性。

Description

一种用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法。

背景技术

移动IPTV(交互式网络电视)技术的产生是基于人们对随时、随地享受TV节目的需求。移动TV节目的传输通过3G网络和Internet，需要投资和建立相应的网络基础设施，花费巨大。因此，如何降低移动TV技术的部署资金投入，同时保障通信效率成为当前工业界和学术界研究的热点问题。

目前研究较多的是点到点传输模式的单播协作通信，单播的协作中继节点选择等同于为一对源节点和目的节点路径，选择一个匹配的节点，增加一条辅助链路传输源节点信息到目的节点。而点到多点传输模式的多播协作通信，其协作中继节点选择等同于挑选尽量少的中继节点，同时提升多播业务的可靠信息传输覆盖范围。目前多播协作的技术主要局限在某个多播业务子节点之间。当多播业务内所有节点均不能担当协作任务时，多播业务性能会大幅降低。

现有技术中的协助分集（cooperative diversity）参见图1，图1显示的是4个接收多播业务的无线节点r0、d0、d1、d2。除了r0能够正确无误地接收到s0发送的多播信息，d0、d1、d2这三个无线节点都存在一定的误码率，统一发送的多播业务不能完全无误地传输到这三个节点。在这种情况下，可以利用r0发送一定的协作信息，帮助d0、d1、d2三个无线节点接收多播业务信息，减少原有无线信道传输的错误率对多播业务的影响。

在通常的编码方案中，s0发送的多播数据流已经包含了一定数量的校正码。这些校正码被附加在多播原有的数据流中，起到修正无线信道误差的作用。但由于不同的无线信道具有不同的误码率，在点到多点的无线多播传输中，仍存在一些接收节点误码率过高，信息传输可靠性较低。

发明内容

为克服现有多播业务技术缺陷，本发明提出一种基于协作通信的IPTV的高性能多播部署方案，提高多播业务的传输性能。

本发明的技术方案为一种用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法，包括以下步骤：步骤1、设出错的多播接收节点标记为多播接收节点X，多播接收节点X对可能的中继节点信号强度进行扫描，当收到的某个中继节点信号强度大于预设门限值X₀且信道衰落波动率N_X(X₀)小于预设值，则把该中继节点作为协作传输的备用中继节点；

步骤2、判断备用中继节点的个数是否大于0，如果是则转步骤3，否则转步骤9；

步骤3、多播接收节点X给所有备选中继节点广播发送中继请求消息，并等待；

步骤4、当某个备选中继节点接收到多播接收节点X发送的中继请求消息，则回送中继请求响应消息，包括回送自身的协作状态信息到多播接收节点X，协作状态信息中包含该备选中继节点是否为多播业务组内节点，以及登记的服务多播业务个数和号码；

步骤5、当多播接收节点X收到备选中继节点回应的中继请求响应消息，则从所有回应的备选中继节点中挑选一个节点，设被挑选出的备选中继节点标记为中继节点Y，并转步骤6；

步骤6、多播接收节点X给中继节点Y发送中继选择消息，并等待；

步骤7、中继节点Y产生中继选择响应消息，同时把服务的多播节点个数加+1；

步骤8、当多播接收节点X收到中继节点Y的中继选择响应消息时，中继通信机制建立完成，流程结束；

步骤9、以邻居中继节点为备选中继节点，多播接收节点X向邻居中继节点广播中继探测消息，并等待；

步骤10、当某个备选中继节点接收到多播接收节点X发送的中继探测消息时，回送中继探测响应消息，包括回送自身的协作状态信息到多播接收节点X，协作状态信息中包含该备选中继节点是否为多播业务组内节点，以及登记的服务多播业务个数和号码；

步骤11、当多播接收节点X收到备选中继节点回应的中继探测响应消息，则从所有回应的备选中继节点中挑选一个节点，设被挑选出的备选中继节点标记为中继节点Z，并转步骤12；

步骤12、多播接收节点X向中继节点Z发送中继选择消息，并等待；

步骤13、中继节点Z产生中继选择响应消息，同时登记多播业务号，并把服务的多播节点个数设置为1，并传输协作信息；

步骤14、当多播接收节点X收到中继节点Z的中继选择响应消息时，认为中继通信机制建立完成，同时开始处理来自协作数据子信道的数据信息。

而且，信道衰落波动率N_X(X₀)根据下式计算，

$N_X\left(X_0\right)=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\stackrel{\·}{X}}^2}{\mathrm{\π}}}\frac{X_0}{{\mathrm{\Ω}}_X}\exp (-\frac{X_0^2}{{\mathrm{\Ω}}_X})$

其中，

f_mS表示发送节点产生的多普勒频移，f_mD表示接收节点的多普勒频移引起的信道衰落系数的变化值，X₀为无线信道衰落系数门限值，Ω_X表示信道衰落系数平均值的平方。

而且，步骤5中，多播接收节点X挑选中继节点的原则如下，

1）优先挑选组内节点作为中继节点；

2）优先挑选登记易出错节点最多的节点作为中继节点；

3）优先挑选信号强度最大的节点作为中继节点

而且，步骤11中，多播接收节点X挑选中继节点的原则如下，

1）中继节点传输无错误；

2）中继节点强度大于预设的门限值；

3）优先挑选组内节点作为中继节点；

4）挑选信号强度最大的节点作为中继节点。

本发明所提供用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法，优先挑选合适的多播业务子节点担任协作节点；当所有多播子节点失效时，则选择合适的组外节点和多播组内节点联合担任协作节点。本发明技术方案可以提高多播部署IPTV的鲁棒性，减少多播传输错误率，提高IPTV在无线环境下的传输可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的多播协作结构示意图。

图2是本发明实施例的备用中继节点集建立流程图。

图3是本发明实施例的协作通信中继节点挑选流程图。

图4是本发明实施实例的中继纠错数据产生示意图。

具体实施方式

多播协作通信可以分为多播组内协作和多播组外协作。多播组内协作是利用多播业务的接收节点进行协作通信。多播组外协作是利用非多播业务接收节点进行协作通信。显然，由于采用多播组内的无线节点传输协作信息的方式的网络利用效率高于采用多播组外的无线节点进行协作通信，因为多播组内节点也是接收多播业务的用户，协作产生的代价比采用多播组外节点低。本发明提出一种组建多播协作节点的方法，并给出了一个多播协作通信机制。该方法在中继节点增加增强的误差校正码，作为协作信息，以提高无线信道抗错误能力和多播业务的可靠性。为克服无线信道传输出错，需要将带发送的信号进行编码。编码产生的字节数会大于需要发送的字节数。所产生的冗余编码字节是为了让接收端节点具有增强纠错能力。常见的编码有奇偶校验码、CRC码、Reed-Solomen编码等。编码的方式和长度决定了可以信道纠错的能力。一般而言，冗余信息越多，信道纠错能力越强；但同时也会减少信道传输有效数据的能力。不同的编码方式对相同传输数据编码会产生不同的编码块长度，抗误码能力也不同。其修正误码的原理一般记为，编码块的长度为K的数据，具有一定的误码修正能力s。虽然本方法也会牺牲一部分无线频谱（带宽）的利用率作为控制开销，但提高了多播业务的传输范围和鲁棒性。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

具体来说，根据载波信道的功能不同，可以把子信道按照功能区分为：1）多播数据子信道；2）协作信令子信道；3）协作数据子信道。一个多播数据子信道是指给多播发送源节点传输数据给多播用户的下行无线子信道。协作信令子信道是指传输协作控制信息的信道。协作数据子信道是指用以传输从中继节点发出的协作信息的子信道。这三种无线子信道采用正交频分复用（OFDM）技术，可支持多播发送节点和多个协作中继节点同时传输数据。多播数据子信道是多播业务固有的；协作信令子信道是系统分配的，当多播数据不能被接收节点正确接收时，系统启动协作，此时系统分配出信令子信道用于传输节点间工作指令；协作数据子信道也是系统分配的，当协作建立成功后，系统分配新的子信道用于传输数据信息。下面以附图1为例进行说明：

假设s0为多播源节点，r0、d0、d1和d2为多播接收节点。其中，只有r0能够准确无误重构出源节点s0的信息。因此，r0被选中作为协作节点，即中继节点。

1）多播数据子信道有四条。分别用s0至r0、d0、d1和d2的细实线表示。

2）协作信令子信道有三条。分别用s0—〉r0—〉d0的粗实线表示对d0的协作信令子信道；用s0—〉r0—〉d1的粗实线表示对d1的协作信令子信道、用s0—〉r0—〉d2的粗实线表示对d2的协作信令子信道。

3）协作数据子信道有三条。分别用r0—〉d0的虚线表示对d0的协作数据子信道；用r0—〉d1的虚线表示对d1的协作数据子信道、用r0—〉d2的虚线表示对d2的协作数据子信道。

实施例中，设有一个K比特的多播数据包S_M。S_M中包含一些奇偶校验信息用以提高抗误码的能力，多播源节点通过多播数据子信道发送S_M数据包给所有在其覆盖范围内的多播接收节点。在收到S_M数据包后，中继节点会生成新的校正信息数据包S_C，数据包S_C通过协作数据子信道传输，发送给多播接收节点。为完成有效的协作通信，源节点、多播接收节点和中继节点还要通过协作信令子信道传输控制信息。

如图4所示，假设多播源节点发送的原始数据Multicast data为12比特，其中，8比特b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7和b8为数据，4比特r1、r2、r3和r4为校验信息。该信息采用多播数据子信道传输。中继节点产生的校验信息Relay data为4比特，为r5、r6、r7和r8。构成的16位信息记为Mother data。该信息通过协作数据子信道传输。

本方案提出了一种有效的建立多播协作挑选中继协作节点的方式。其特色在于提出了一种如何判断无线多播节点或组外无线节点是“无错的节点”的方法，接着提出了一种建立多播协作挑选中继协作节点的方法。

目前的判断无线节点的方法是：在接收端对接收信号的SNR(Signal Noise Ratio)信噪比进行判断，当接收信号信噪比大于某门限值SNR₀时，认为该信道正确传输，对应的发送节点为无出错节点。而当接收信号信噪比小于某门限值SNR₀时，认为信道传输出错，对应的发送节点为出错节点。

但上选方法的缺点是：通过接收节点信噪比对信道进行判断的方法，仅适用于静止的无线信道。当无线节点移动时，会产生多普勒频移，多普勒频移会改变原有静态信道的环境参数，从而引起信道改变，单纯的信噪比不能刻画多普勒频移对信道的影响。而且，信噪比也不能刻画无线信道深衰落对传输信号的影响。

为此，本发明提出通过两个参数联合起来判断无线节点质量，从而能够准确地选择参与协作的节点。并且，把这种方法引入到多播业务中，提出了选择无线协作节点的方法。

下面为实施例判断无线节点的方法。

第一个需要测量的参数是：t时刻的信道衰落系数X(t)。对于一般的无线发送节点和无线信道，无线节点发射的功率可视为固定，而信道衰落系数X(t)是一个时变的随机变量。只有信道衰落系数超过一个门限值X₀时，接收节点才能正确接收到发送的信号。对于静止的无线网络，信道衰落系数在概率上可以看作长期稳定的。

第二个需要测量的参数是：t时刻的信道衰落波动率N_X(X₀)。N_X(X₀)的计算公式如下：

$N_X\left(X_0\right)=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\σ}}_{\stackrel{\·}{X}}^2}{\mathrm{\π}}}\frac{X_0}{{\mathrm{\Ω}}_X}\exp (-\frac{X_0^2}{{\mathrm{\Ω}}_X})$

其中，

f_mS表示发送节点产生的多普勒频移，f_mD表示接收节点的多普勒频移引起的信道衰落系数的变化值。X₀为无线信道衰落系数门限值，Ω_X表示信道衰落系数平均值X的平方，表示为Ω_X＝E[X²]。

N_X(X₀)可用于评价无线信道衰落系数保持在门限值X₀之上的稳定程度。对于具有相同信道衰落系数的无线节点，信道衰落波动率越低，信道通信质量越稳定可靠。

信道衰落系数X(t)和信道衰落波动率N_X(X₀)均可以在接收节点处计算获得。在实施例选择协作中继节点的方法如下：1）首先,挑选满足信道衰落系数X(t)大于门限值X₀的无线节点作为初始备选中继节点，2）然后,在初始备选中继节点中按照信道衰落波动率N_X(X₀)从小到大排序，选择N_X(X₀)信道衰落波动率小于预设值的节点。满足以上两项的节点为无错误节点，标记为可以利用的中继节点，即备选中继节点。

实施例中协作通信的建立包括以下步骤：

步骤1、搜索备用中继节点：多播发送节点到多播接收节点之间的信息传输可能出错，设出错的多播接收节点标记为多播接收节点X，多播接收节点X对可能的中继节点信号强度进行扫描，当收到的某个中继节点信号强度大于预设门限值X₀且信道衰落波动率N_X(X₀)是否小于预设值，则将该中继节点作为协作传输的备用中继节点并保存相关信息在多播接收节点X。在多播技术中，多播用户在加入多播组之前会先按照规定的多播网络协议进行请求，在网络应答的过程，即可探明哪些节点在传输路径上，一般选择与多播请求用户一跳距离内的反向传输节点作为可能的中继节点。如图2所示，具体实施时的备用中继节点集建立流程可为：判断是否预设的周期时间到，否则继续等待，是则探测每个可能的中继节点信号强度。探测后判断中继节点信号强度是否大于预设门限值，不大于则直接返回等待，大于则继续判断信道衰落波动率N_X(X₀)是否小于预设值。小于则把该中继节点作为协作传输的备用中继节点，设置备用中继节点的个数加1，然后返回等待；否则直接返回等待。

步骤2、判断备用中继节点的个数是否大于0，如果多播接收节点X保存的信息显示可以利用的中继节点（即备用中继节点）的个数大于0，则转步骤3。否则，备用中继节点的个数为0，则转步骤9。

步骤3、多播接收节点X给所有备选中继节点广播发送中继请求消息，并等待。

步骤4、当某个备选中继节点接收到多播接收节点X发送的中继请求消息，则回送中继请求响应消息，包括回送自身的协作状态信息到多播接收节点X，协作状态信息中包含该备选中继节点是否为多播业务组内节点，以及登记的服务多播业务个数和号码。

步骤5、当多播接收节点X收到备选中继节点回应的中继请求响应消息，则从所有回应的备选中继节点中挑选一个节点，设被挑选出的备选中继节点标记为中继节点Y，并转步骤6。建议按照以下原则从中挑选中继节点：1）优先挑选组内节点作为中继节点；2）优先挑选登记易出错节点最多的节点作为中继节点；3）优先挑选信号强度最大的节点作为中继节点。一般在所有多播接收的节点中，如果出现信道衰落系数或信道衰落波动率同时低于预设值的情况，则该节点被判定为易出错节点。

步骤6、多播接收节点X给中继节点Y发送中继选择消息，并等待。

步骤7、中继节点Y产生中继选择响应消息，同时把该节点记录的服务的多播节点数+1。服务的多播节点是指接收中继信号的所有易出错节点。为了区分不同的多播业务，中继选择响应消息也登记多播号业务号，由于是由接收节点发起协作请求，中继节点接受请求成为协作节点后，可直接转发协作多播数据。

步骤8、当多播接收节点X收到中继节点Y的中继选择响应消息时，中继通信机制建立完成。即本流程结束，同时开始处理来自协作数据子信道的数据信息。

步骤9、当时间门限到达时或者接收节点检测到正在工作的中继节点信号强度低于设定值，可能出现备用中继节点数为0。这种情况下，多播接收节点X向邻居中继节点广播中继探测消息，并等待。邻居中继节点即处于多播接收节点X邻居位置的中继节点。此时以邻居中继节点为备选中继节点。

步骤10、当某个备选中继节点接收到多播接收节点X发送的中继探测消息时，回送中继探测响应消息，包括回送自身的协作状态信息到多播接收节点X，协作状态信息中包含该备选中继节点是否为多播业务组内节点，以及登记的服务多播业务个数和号码。

步骤11、当多播接收节点X收到备选中继节点回应的中继探测响应消息后，则从所有回应的备选中继节点中挑选一个节点，设被挑选出的备选中继节点标记为中继节点Z，并转步骤12。建议此时多播接收节点X挑选中继节点的原则如下：1）中继节点传输无错误；2）中继节点强度大于预设的门限值；3）优先挑选组内节点作为中继节点；4）挑选信号强度最大的节点作为中继节点。

步骤12、多播接收节点X向中继节点Z发送中继选择消息，并等待。和步骤3不一样的地方是，步骤12指定了一个具体的中继节点号，步骤3则类似广播。

步骤13、中继节点Z返回中继选择响应消息，同时登记多播业务号，并把“服务的多播节点个数”设置为1，并传输协作信息。此处中继选择响应消息指定了中继节点号，等待该节点发回的同意信息。

步骤14、当多播接收节点X收到中继节点Z的中继选择响应消息时，认为中继通信机制建立完成，同时开始处理来自协作数据子信道的数据信息。

步骤2～15可参见图3。

具体实施时，本领域技术人员可自行设计消息格式，建议各消息采用的具体格式如下：

步骤3、步骤12涉及的中继请求消息格式如表1所示。

表1：中继请求消息格式

步骤4、步骤13涉及的中继请求响应消息格式如表2所示。

表2：中继请求响应消息格式

步骤6、步骤12涉及的中继选择消息格式如表3所示。

表3：中继选择消息格式

步骤7、步骤13涉及的中继选择响应消息格式如表4所示。

表4：中继选择响应消息格式

步骤9涉及的中继探测消息格式如表5所示。

表5：中继探测消息格式

步骤10涉及的中继探测响应消息格式如表6所示。

表6：中继探测响应消息格式

各表中用n表示有多个时的标号，取值和具体情况有关。

具体实施时，本发明技术人员可根据实验或经验预先设定各门限值。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤1、设出错的多播接收节点标记为多播接收节点X，多播接收节点X对可能的中继节点信号强度进行扫描，当收到的某个中继节点信号强度大于预设门限值X₀且信道衰落波动率N_X(X₀)小于预设值，则把该中继节点作为协作传输的备用中继节点； 

步骤2、判断备用中继节点的个数是否大于0，如果是则转步骤3，否则转步骤9； 

步骤3、多播接收节点X给所有备选中继节点广播发送中继请求消息，并等待； 

步骤4、当某个备选中继节点接收到多播接收节点X发送的中继请求消息，则回送中继请求响应消息，包括回送自身的协作状态信息到多播接收节点X，协作状态信息中包含该备选中继节点是否为多播业务组内节点，以及登记的服务多播业务个数和号码； 

步骤5、当多播接收节点X收到备选中继节点回应的中继请求响应消息，则从所有回应的备选中继节点中挑选一个节点，设被挑选出的备选中继节点标记为中继节点Y，并转步骤6； 

步骤6、多播接收节点X给中继节点Y发送中继选择消息，并等待； 

步骤7、中继节点Y产生中继选择响应消息，同时把服务的多播节点个数加+1； 

步骤8、当多播接收节点X收到中继节点Y的中继选择响应消息时，中继通信机制建立完成，流程结束； 

步骤9、以邻居中继节点为备选中继节点，多播接收节点X向邻居中继节点广播中继探测消息，并等待； 

步骤10、当某个备选中继节点接收到多播接收节点X发送的中继探测消息时，回送中继探测响应消息，包括回送自身的协作状态信息到多播接收节点X，协作状态信息中包含该备选中继节点是否为多播业务组内节点，以及登记的服务多播业务个数和号码； 

步骤11、当多播接收节点X收到备选中继节点回应的中继探测响应消息，则从所有回应的备选中继节点中挑选一个节点，设被挑选出的备选中继节点标记为中继节点Z，并转步骤12； 

步骤12、多播接收节点X向中继节点Z发送中继选择消息，并等待； 

步骤13、中继节点Z产生中继选择响应消息，同时登记多播业务号，并把服务的多播节点个数设置为1，并传输协作信息； 

步骤14、当多播接收节点X收到中继节点Z的中继选择响应消息时，认为中继通信机制建立完成，同时开始处理来自协作数据子信道的数据信息。 

2.根据权利要求1所述用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法，其特征在于：信道衰落波动率N_X(X₀)根据下式计算， 

其中，

f_mS表示发送节点产生的多普勒频移，f_mD表示接收节点的多普勒频移引起的信道衰落系数的变化值，X₀为无线信道衰落系数门限值，Ω_X表示信道衰落系数平均值的平方。 

3.根据权利要求1或2所述用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法，其特征在于：步骤5中，多播接收节点X挑选中继节点的原则如下， 

1）优先挑选组内节点作为中继节点； 

2）优先挑选登记易出错节点最多的节点作为中继节点； 

3）优先挑选信号强度最大的节点作为中继节点。 

4.根据权利要求1或2所述用于分布式无线多播的协作节点选择建立方法，其特征在于：步骤11中，多播接收节点X挑选中继节点的原则如下， 

1）中继节点传输无错误； 

2）中继节点强度大于预设的门限值； 

3）优先挑选组内节点作为中继节点； 

4）挑选信号强度最大的节点作为中继节点。 

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