CN103546245A - 一种基于网络编码的数据包重传方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线网络中基于网络编码的数据包重传方法。在重传中，以p_nc的概率使用网络编码发送一个编码包，这个编码包是N个丢失的数据包的编码融合，N个丢失的数据包包括发送方需要执行重传的丢失的一个数据包和其他发送方丢失的N-1个数据包，考虑到兼容性，PNCRM根据现有的IEEE802.11MAC协议设计，PNCRM的传输过程与IEEE802.11相似，也使用RTS-CTS-数据包-ACK或者NAK握手协议，传输成功时，发送一个ACK帧，传输失败时，发送一个NAK帧，执行重传。与现有的网络编码技术相比，PNCRM可以应用在没有中继节点的MSMR单跳无线网络中，选择合适的重传概率p_nc和编码度N能够有效的提高系统性能。

Description

一种基于网络编码的数据包重传方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于网络编码的数据包重传方法。

背景技术

无线网络中，由于传输信道受到噪声，多径衰落等影响，无线通信与传统的有线通信相比有较为严重的丢包率。为了提高传输的可靠性，需要采用差错控制技术，ARQ(Automatic Retransmission-reQuest，自动重传请求)技术和FEC(Forward Error Correction，前向纠错)技术是两类常用的差错控制技术。自动重传请求通过接收方请求发送方重传错误的数据包,或者是丢失的数据包来实现网络的可靠传输，基于自动重传请求的方法,发送方需要重新广播发送每一个丢失的数据包给所有的接收者，虽然有些接收者已经正确的接收到该数据包。自动重传请求假设反馈信道是存在的，那么发送方可以容易的获得接收者的接收信息，通过反馈信息,发送方可以清楚的知道数据包的接收情况。前向纠错(FEC)是另一种实现网络可靠传输的方法，发送方生成一些冗余信息,然后将原始信息和冗余信息一起发送出去，如果接收者接收到的信息发生错误的位较少的话,接收者可以通过冗余信息恢复原始信息，但是,当数据包在发送过程中丢失的话,前向纠错并不适用,这时接收方需要发送反馈信息期待发送方重传丢失的数据包。

自动重传请求和前向纠错是网络可靠服务中常用的两种技术。然而，由于自动重传请求需要重传每一个丢失的或者接收错误的数据包，因此，严重的浪费了网络带宽。这对于无线网络的有限资源来说是一种巨大的浪费。前向纠错则需要添加冗余信息,这在很大程度上增加了编解码的延迟。同时,由于需要添加冗余信息,原始信息位增多,一定程度上浪费网络带宽。此外,由于网络信道有一定的丢失概率,而前向纠错无法处理丢失的情况。

针对上述问题，出现了一种将网络编码(Network Coding，简称为NC)与ARQ相结合的重传技术。网络编码通过允许中间节点对输入信息进行编码后再发送出去,增加单次传输的信息量，可达到平衡网络负载,进而提高网络吞吐量和可靠性等目的。在使用网络编码和ARQ的数据包重传技术中，源节点可以把多个目标节点丢失的数据包通过编码在一次广播中发送给所有目标节点。目标节点通过之前接收到的其他目标节点的数据包和该编码数据包来解码得到所需要的数据包。

网络编码应用于数据包的丢失重传是无线网络发展的趋势。相比传统重传技术，使用网络编码技术可以增加单位时间内传输的信息量，从而减少重传数据包的数量和提高网络带宽利用率。

现有的研究中利用网络编码提升网络性能都是基于一种假设，即当发送方发送一个度为N的编码数据包时，接收方能够获得用于解码的N-1个副本包，从而利用编码数据包来解码恢复丢失的数据包，N表示的是一个编码数据包中融合的数据包的个数。图1表示的是一个典型的X型场景。

传统的传输模式下，信源节点1需要经过两跳发送一个数据包P₁到目的节点5，信源节点2需要经过两跳发送一个数据包P₂到目的节点4，节点3是一个中继节点，传输两个数据包P₁和P₂到目的节点4和目的节点5总共需要四个时隙。而利用网络编码技术，节点3可以融合两个数据包P₁和P₂成为一个编码数据包P₁⊕P₂，并且在一个时隙内通过广播把这个编码数据包发送到节点4和节点5。节点4由于在节点1的一跳范围内，所以能够侦听到节点1发送的数据包P₁，当收到编码数据包时，节点4能够正确的解码得到P₂。节点5由于在节点2的一跳范围内，所以能够侦听到节点2发送的数据包P₂，当收到编码数据包P₁⊕P₂时，节点4能够正确的解码得到P₁。传输两个数据包P₁和P₂到目的节点4和目的节点5总共需要3个时隙，利用网络编码技术，可以节省一个时隙。

在多跳无线网络中，接收方可以获得足够的副本包，进而利用编码包来解码。然而在单跳无线网络中，X型场景是不存在的，因为所有的发送方都可以直接发送数据包到接收方，中继节点不存在，所以接收方能获得解码的副本包这个假设是不成立的，因此前人提出的应用在多跳无线网络中的网络编码机制不能直接在单跳无线网络中应用。在单跳无线网络中，发送方和接收方能够直接传输数据包，网络编码不适合用在传输中，但是可以应用在重传中。

现有研究中，网络编码在单跳无线网络重传中的应用，都是基于一个发送方多个接收方(single sender multiple receiver，简称SSMR)的情景。这种特殊的情景只适用于某些场合，比如，基站到用户的下行链路，然而在多个发送方多个接收方（multiple sender multiple receiver，简称MSMR）的单跳无线网络中，网络编码在重传中的应用却没有得到研究。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种减少重传数据包的数量和提高网络带宽利用率的基于网络编码的数据包重传方法。本发明的技术方案如下：1、一种基于网络编码的数据包重传方法,其包括以下步骤：

101、当无线网络中发送方发送数据包给接收方，且接收方未能成功收到该数据包时，发送方发送重传数据包给接收方，当该重传数据包的标志位FB=1时，则重传数据包以重传概率p_nc发送网络编码包，跳转至步骤102，以直传概率P'=1-p_nc发送该未发送成功的数据包，发送直传请求命令RTS，跳转至步骤104，；当该重传数据包的标志位FB=0时，也发送直传请求命令RTS，也跳转至步骤104；其中p_nc∈[01],当p_nc=0时表示重传数据包采用丢失的数据包i，当p_nc=1时该重传数据包采用网络编码包，当0<p_nc<1时，重传数据包同时包括有丢失的数据包i和网络编码包，P'表示直接发送该未发送成功的数据包的概率；

102、当无线网络的信道空闲时，发送方广播发送一个网络编码发送请求NC-RTS给接收方，并等待接收方返回答应请求CTS；当发送方接收到接收方返回的答应请求CTS时，则发送编码数据包NC-Packet；当发送方未接收到答应请求CTS时，则返回步骤101；

103、接收方对步骤102中接收到编码数据包NC-Packet进行解码，解码后的数据包若为其丢失的数据包i时，则回复确认命令ACK给发送方；发送方收到是丢失的数据包i的确认命令ACK时，则将该丢失的数据包i从发送方的网络编码表中删除，从而完成数据包重传；当没有收到丢失的数据包i的确认命令ACK时，则再进行网络编码包重传，数据包重传的次数为m加1，当m大于或等于最大允许重传次数M时，则从发送方的网络编码表NC-Table中删除关于数据包i的记录，结束数据包重传；

104、当发送方发送直传请求命令RTS给接收方时，等待接收方的反应，发送方收到CTS时，直接发送丢失的数据包i给该接收方，当接收方回复确认命令ACK时，结束发送；当接收方没有回复确认命令ACK时，则判断该丢失的数据包i标志位是否为0，若是则将其标志位设置为1，返回步骤101；若判断该丢失的数据包i标志位为1则数据包丢失，结束数据包重传。

进一步的，步骤102或步骤103中的编码数据包NC-Packet是N个丢包节点的N个丢失的数据包的编码融合。

进一步的，步骤102中所述网络编码发送请求NC-RTS是根据IEEE802.11标准中定义的RTS格式修改得到的，NC-RTS包括接收方的地址IDs，该地址IDs用来通知接收方在即将重传的编码包中含有接收方丢失的数据包。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明方法中提出了应用于无线网络中的编码包概率重传机制，与现有的网络编码技术相比，PNCRM可以应用在没有中继节点的MSMR单跳无线网络中，选择合适的重传概率p_nc和编码度N能够有效的提高系统性能。

附图说明

图1是X型场景中的网络编码；

图2是网络编码在重传中的应用举例；

图3是PNCRM中编码包重传时的帧交换过程；

图4是NC-RTS；

图5是PNCRM发送节点的处理流程；

图6是PNCRM中邻居节点的处理流程；

图7是PNCRM中目的节点的处理流程。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明中，我们考虑的无线网络是一跳的情景，其中包含n个节点，每个节点既可以是发送方也可以是接收方，所有数据包都能够直接传输，没有中继节点。假设每个发送方公平竞争传输信道，用p_e表示传输失败概率，当接收方没有收到数据包或者没有通过解码得到丢失的数据包时，发送方执行重传。如果不使用网络编码，传统的重传机制是让发送方分别发送丢失的数据包，而网络编码重传机制可以在一个时隙内广播发送由多个丢失的数据包编码形成的编码数据包。我们用图2中的例子来说明网络编码应用于重传机制时，网络性能的提升。

在图2中，所有的节点都能够经过一跳直接传输到其他节点。根据图示，我们可以看到节点3没有收到数据包P₁，节点4没有收到P₂，传统的重传机制下，节点1应该在某个时隙重传P₁，节点2应该在另外的某个时隙重传P₂，也就是说，N个丢失的数据包应该在N个时隙内重传。然而，网络中的其他节点（例如节点2）可能通过侦听正确接收P₁,由于无线信道的广播特性，P₂可能被其他节点（例如节点1）正确接收，在这种情况下，节点2可以在同一个时隙重传编码包P₁⊕P₂到两个接收方。接收方可以通过解码编码包P₁⊕P₂得到丢失的数据包。因此，使用了网络编码的重传机制，可以在一个时隙内重传多个丢失的数据包，这样就提高了重传效率。

很明显，在一个时隙内，利用网络编码包重传丢失的数据包，编码度越高，重传的效率就越高。然而，接收方如果要通过接收一个编码度为N的编码包来解码得到丢失的数据包，必须在此之前获得用于解码的N-1个数据包，否则，接收方就不能通过编码数据包来解码得到它的数据包。因此，如果网络编码使用较高的重传概率（用p_nc表示）或者较大的N，网络编码带来的增益会提高，但是解码失败的概率（用p₀表示）也会增加。相反，p₀会减小，但是不能充分利用网络编码带来的增益。为了解决这个问题，在现有的IEEE802.11MAC协议的基础上，我们首先提出了编码包概率重传机制，通过分析系统性能，检验编码包重传概率p_nc和编码度N对其影响。

PNCRM中编码包重传时的帧交换过程如图3所示。发送方首先发送一个NC-RTS到N个接收方,只有与发送方对应的那个接收方在收到NC-RTS后，等待SIFS时间后，回复一个CTS,NC-RTS的格式如图4所示。发送方在收到CTS后，等待一个SIFS时间后，发送编码数据包到各个接收方，各接收方按照NC-RTS中的顺序，依次回复一个ACK或者NAK。

图5，图6，图7，分别表示PNCRM中发送节点，邻居节点，目的节点的处理流程。用FB表示标志比特，用来指示即将发送的数据包是否是重传的数据包。m表示数据包在编码数据包中的重传次数，M是数据包在编码数据包中的最大重传次数。当m的值达到M时，数据包应该从NC-Table中移除，此时，该数据包丢失。

图5中，发送方有数据包发送时，首先判断是不是重传，若是重传，则把标志位FB设置为1，若不是重传则把标志位FB设置为0。重传时，发送方以p_nc的概率使用网络编码发送编码包，相应的以(1-p_nc)的概率重传丢失的数据包。重传编码包时，先发送一个NC-RTS,当收到目的节点发送的CTS时，发送编码包到N个接收方，网络中各个节点根据收到的ACK或者NAK更新自己的NC-Table，当收到数据包i的确认ACK-i时，网络中各个节点从自己的NC-Table中删除数据包i的记录，否则判断重传次数m是否达到最大重传次数M,若达到最大重传次数M，则节点从NC-Table中删除关于数据包i的记录，若没有达到最大重传次数M，则重传次数m的值加1。当发送方直传数据包或者在重传中以(1-p_nc)的概率发送直传失败的数据包时，首先发送一个RTS到相应的接收方，若收到CTS,则发送数据包，当收到对数据包的确认ACK时，传输结束；否则判断标志位FB,若FB等于0，说明是直传数据包，把标志位FB的值设置为1，若FB不等于0，说明是重传数据包，此时数据包丢失。

图6中，当邻居节点收到发送方发送的RTS时，首先检查标志位FB的值，若FB为1，则说明是重传的数据包，此时把数据包的重传次数m的值设为0，若FB不为1，说明是发送方直传的数据包，邻居节点不做处理。当邻居节点收到发送方发送的NC-RTS时，说明发送方在重传中使用网络编码发送了编码包，邻居节点根据根据ACK-i判断数据包i是否收到，若收到，则从自己的NC-Table中删除关于该数据包的记录，否者把数据包i的重传次数m加1，并判断m的值是否大于最大允许重传次数M,若达到最大重传次数，则从自己的NC-Table中删除关于数据包i的记录。

图7表示的是接收方的处理流程，当接收方收到RTS时，发送CTS，若收到了数据包，则发送对数据包的确认ACK,否者，发送NAK。当接收方收到NC-RTS时，发送CTS，若收到了编码包，则发送对编码包的确认ACK,否者，发送NAK。如果接收方通过解码编码包得到了自己的数据包，则从NC-Table中删除关于数据包i的记录；如果接收方不能解码编码包，则数据包重传次数m加1，然后判断重传次数m的值是否大于最大允许重传次数M，若m的值大于M,则从NC-Table中删除关于数据包i的记录。

我们通过饱和吞吐量和传输开销来评估本发明在MSMR单跳无线网络中的性能，饱和吞吐量ST的定义为：

$\mathrm{ST}=\frac{E\left[P\right]}{E\left[T\right]}$

$E\left[P\right]=(1-p_e)\mathrm{n\&tau;}{(1-\mathrm{\&tau;})}^{n-1}(1-p_e)L+p_e\mathrm{n\&tau;}{(1-\mathrm{\&tau;})}^{n-1}(1-p_{\mathrm{nc}})(1-p_e)L+p_e\mathrm{n\&tau;}{(1-\mathrm{\&tau;})}^{n-1}{p}_{\mathrm{nc}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(p_0^i{(1-p_e)}^i\mathrm{iL}\right)$

E[T]=P_IT_I+P_CT_C+P_ST_S+P_ET_E

$p_0=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_{N-1}^i{p}_e^i{(1-p_{\mathrm{nc}})}^i{(1-p_e)}^{N-1}$

其中p_e表示传输出错概率，τ表示节点在随机选择的一个时隙内发送数据包的概率，L表示数据包的长度，p_nc表示编码包重传概率，p₀表示接收方通过接收编码数据包成功解码的概率，P_I表示没有数据包传输的概率，P_C表示碰撞概率，P_S表示成功传输的概率。P_E表示传输错误的概率。T_I,T_CT_S,T_E分别表示没有传输时的时间，碰撞时的时间，成功传输时的时间，传输错误时的时间。我们可以看到，根据IEEE802.11标准中的定义，吞吐量计算公式中的大部分参数都是固定的，饱和吞吐量的性能是N,p_e,p₀,p_nc的函数，又因为p₀是N,p_e，p_nc的函数，p_e受信道条件的影响，因此我们可以得出结论，PNCRM的饱和吞吐量的性能受到N和p_nc的显著影响。

传输开销TO的定义如下：

$\mathrm{TO}=\frac{E\left[O\right]}{E\left[T\right]E\left[N\right]}$

E[O]=P_IT_I+P_CT_C+P_S(T_S-E[T_packet])+P_E(T_E-E[T_packet])

E[T]=p_e(t_packet)+(1-p_e)(1-p_nc)(t_packet)+(1-p_e)p_nc(t_nc-packet)

$E\left[N\right]=(1-p_e)+p_e(1-p_{\mathrm{nc}})+p_e{p}_{\mathrm{nc}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(p_0^i{(1-p_e)}^{i}i\right)$

其中，t_packet表示数据包的传输时间，t_nc-packet表示编码数据包的传输时间。与IEEE802.11相比，PNCRM可以在一次重传中发送多个数据包，当丢失的数据包能够通过编码包恢复时，传输效率会得到明显提升。反之，由网络编码带来的传输开销增加，会导致系统性能的下降。因此，传输编码数据包时，一方面平均传输开销会因为一次传输成功解码多个丢失数据包而减小，另一方面，由于PNCRM机制在传输中需要多个控制帧（ACK/NAK），而帧中又增加了额外信息（多个接收者的IDs），传输开销会增加。

由实验及模拟可以得出，优选的，当p_nc取值约为0.4时，本网络中系统吞吐量较大，开销及丢包率较小，优选的，本实施例中M取值为5。应该说明的是，本实施例中对p_nc的取值与M的取值仅仅是示意性的，不应该限定本发明的范围。

因此，由以上实施例可以看出，本发明提出的应用于无线网络中的编码包概率重传机制，与现有的网络编码技术相比，可以应用在没有中继节点的MSMR单跳无线网络中，理论分析和仿真结果表明，选择合适的p_nc和N能够有效的提高系统吞吐量，减小开销及丢包率。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明图像拼接方法权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于网络编码的数据包重传方法,其特征在于包括以下步骤：

101、当无线网络中发送方发送数据包给接收方，且接收方未能成功收到该数据包时，发送方发送重传数据包给接收方，当该重传数据包的标志位FB=1时，则重传数据包以重传概率p_nc发送网络编码包，跳转至步骤102，以直传概率P'=1-p_nc发送该未发送成功的数据包，发送直传请求命令RTS，跳转至步骤104，；当该重传数据包的标志位FB=0时，也发送直传请求命令RTS，也跳转至步骤104；其中p_nc∈[01],当p_nc=0时表示重传数据包采用丢失的数据包i，当p_nc=1时该重传数据包采用网络编码包，当0<p_nc<1时，重传数据包同时包括有丢失的数据包i和网络编码包，P'表示直接发送该未发送成功的数据包的概率；

102、当无线网络的信道空闲时，发送方广播发送一个网络编码发送请求NC-RTS给接收方，并等待接收方返回答应请求CTS；当发送方接收到接收方返回的答应请求CTS时，则发送编码数据包NC-Packet；当发送方未接收到答应请求CTS时，则返回步骤101；

103、接收方对步骤102中接收到编码数据包NC-Packet进行解码，解码后的数据包若为其丢失的数据包i时，则回复确认命令ACK给发送方；发送方收到是丢失的数据包i的确认命令ACK时，则将该丢失的数据包i从发送方的网络编码表中删除，从而完成数据包重传；当没有收到丢失的数据包i的确认命令ACK时，则再进行网络编码包重传，数据包重传的次数为m加1，当m大于或等于最大允许重传次数M时，则从发送方的网络编码表NC-Table中删除关于数据包i的记录，结束数据包重传；

104、当发送方发送直传请求命令RTS给接收方时，等待接收方的反应，发送方收到CTS时，直接发送丢失的数据包i给该接收方，当接收方回复确认命令ACK时，结束发送；当接收方没有回复确认命令ACK时，则判断该丢失的数据包i标志位是否为0，若是则将其标志位设置为1，返回步骤101；若判断该丢失的数据包i标志位为1则数据包丢失，结束数据包重传。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的数据包重传方法，其特征在于：步骤102或步骤103中的编码数据包NC-Packet是N个丢包节点的N个丢失的数据包的编码融合。

3.根据权利要求1所述的基于网络编码的数据包重传方法，其特征在于：步骤102中所述网络编码发送请求NC-RTS是根据IEEE802.11标准中定义的RTS格式修改得到的，NC-RTS包括接收方的地址IDs，该地址IDs用来通知接收方在即将重传的编码包中含有接收方丢失的数据包i。

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