CN104486052A - 一种高丢包率下基于d2d簇的多播重传方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法及装置，涉及通信技术。多播重传方法：1)多播业务开始前，将有多播业务需求的终端建成D2D簇，簇建立完成后，eNB向D2D簇多播数据包；2)簇头及簇成员接收多播数据包后，簇头将簇成员的反馈组成反馈表，建立并初始化滑动窗口；3)在滑动窗口内，簇头检测反馈表并执行相应动作；4)在滑动窗口内，簇头通过簇内协作重传收集自身未正确译码的数据包；5)簇头收集好自身丢失的数据包后对重传数据包进行网络编码，并将网络编码包多播至簇成员中，更新反馈表及滑动窗后重新执行步骤3)～5)。多播重传装置设有多播发送、接收、反馈、簇内协作重传、网络编码及更新模块。

Description

一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及到一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法及装置。

背景技术

移动通信网络正向着更高的数据传输率、更大的资源利用率和更高的网络容量发展，这对未来的无线频谱资源提出了更高的要求。然而，可用的无线频谱资源十分有限，因此，如何在有限的频谱资源中实现高速率通信成为了业界研究的重点。D2D(device to device,设备到设备)通信技术可以通过复用蜂窝网络的资源，用来提高资源利用率和网络容量。在无线多播系统中，为保证数据传输的可靠性，采用了FEC(Forward Error Correction，前向纠错技术)及ARQ(Automatic Repeat-reQuest，自动重传请求)差错控制技术。这两种技术合起来称为HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request,混合自动重传请求)技术。在多媒体广播多播情况下，多个D2D终端可以根据相互之间的距离及链路状态组成D2D簇(Cluster)，并选择与基站链路情况最好的终端作为CH(Cluster Head,簇头)，通过在CH的控制管理下实现簇内协作传输和重传。

网络编码(NC,Network Coding)是网络通信领域的一项新技术，网络编码理论一经提出，就引起了学术界的广泛重视。网络编码融合了编码和路由的信息交换技术，与传统的中间节点只负责存储转发的功能不同，网络编码通过在中间节点对多个数据包进行编码，增加单次传输的信息量，从而提高网络整体性能。为了改善多播系统的性能，出现了一种结合网络编码的NC/HARQ，即：NC-HARQ。通过NC-HARQ可以大幅减少重传次数，从而提高频谱利用率，提高系统性能。

传统的多播重传方法，为保证多播终端正确解调数据包,eNB(evolved Node B，演进形基站)会选择最低数据传输速率发送数据，其中，最低数据传输速率决定于发送者与接收者之间的最差信道状态。这样，将导致多播吞吐量大幅降低。而同时，当链路状况差时，将有可能导致“反馈风暴”。因此随着技术的发展，许多富有创新性的多播重传技术先后被提出。

中国专利CN103428642A提出了一种D2D簇内数据共享的方法，其通过分布式多播的方法交换共享数据。但专利中并未提出与网络编码结合的重传方式。

中国专利CN103916223A提出了一种基于遗传算法的D2D协作重传方法，其根据优化的目标函数并通过遗传算法在D2D簇中选择多播重传发送端，这种方法虽然提高了频谱效率，但大大增加了处理复杂度及时延。

发明内容

本发明的目的是提供了一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法及装置，并根据当前技术中存在的问题提出了一种新颖的NC-HARQ方式。

所述一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法，包括以下步骤：

1)多播业务开始前，将有多播业务需求的终端建成D2D簇，簇建立完成后，eNB向D2D簇多播数据包；

2)簇头及簇成员接收多播数据包后，簇头将簇成员的反馈组成反馈表，建立并初始化滑动窗口；

3)在滑动窗口内，簇头检测反馈表，并根据反馈表执行相应动作；

4)在滑动窗口内，簇头通过簇内协作重传收集自身未正确译码的数据包；

5)簇头收集好自身丢失的数据包后，对重传数据包进行网络编码，并将网络编码包多播至簇成员中，更新反馈表及滑动窗后，重新执行步骤3)～5)。

在步骤2)中，所述簇成员接收多播数据包后向簇头反馈接收状态，簇头接收簇成员的反馈并组成反馈表，所述反馈表用一个M×N的矩阵V表示，矩阵中的每个元素V(i,j)为0或1，其中，V(i,j)＝0表示用户i成功接收到数据包j，V(i,j)＝1表示用户i丢失数据包j，即数据包j为错误包；所述滑动窗口为簇头维持的一组连续的允许进行重传操作的数据包的序号，在滑动窗口内的数据包才可以进行操作并在数据包处理后将滑动窗口向前滑动。

在步骤3)中，所述簇头检测反馈表，若有数据包所在的列全为0，即表示此数据包在整个簇成员及簇头中都没有正确译码，则簇头向eNB反馈NACK，请求重新多播此数据包，簇成员反馈接收状态后，簇头更新反馈表。

在步骤4)中，所述滑动窗口内，簇头根据反馈表查找到自身丢失的数据包所对应的正确接收此数据包的簇成员，并向其发送重传请求消息，簇成员在收到请求消息后将对应的数据包通过D2D链路发送给簇头，簇头在收集到滑动窗口内所有自身丢失的数据包后，再次更新反馈表。

在步骤5)中，所述对重传数据包进行网络编码的方法(称为NC-HARQ方案)可为：在滑动窗口内，通过最大汉明距离判定结合的数据包以获得最大的网络编码增益；同时，通过滑动窗口向前滑动的过程中，将前一个滑动窗口中簇成员未能正确译码的数据包与新进入滑动窗口的数据包进行网络编码，使得所有的组合重传分组都具有可解性并且可以进一步提高网络编码增益；所述前一个滑动窗口中簇成员未能正确译码的情况包括：

(3)重传编码包在终端再次接收失败；

(4)两个数据包在同一簇成员中丢失时，通过最大汉明距离将这两个包编码重传后，在簇成员中仍不能正确译码。

一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传装置设有多播发送模块、接收模块、反馈模块、簇内协作重传模块、网络编码模块及更新模块；接收模块用于接收多播数据包并解调判断数据包是否接收正确，将判断结果提交至反馈模块；反馈模块用于根据接收模块提交的反馈结果建立反馈表，并初始化滑动窗口，然后，簇头将反馈模块建立的反馈表上报给簇内协作重传模块；簇内协作重传模块用于在收到反馈表后，根据反馈表中的情况作出相应的处理，若在滑动窗口内有数据包在所有终端中都未正确接收，则簇头向eNB请求重传此数据包；同时，簇头通过D2D链路向簇内成员收集自身丢包；更新模块用于更新反馈表及滑动窗口；在将网络编码包发送到簇成员后，簇成员根据自身接收情况向簇头反馈信息；簇头根据反馈信息更新反馈表和滑动窗口，并重新执行收集模块、网络编码模块及更新模块；

多播发送模块的输出端接接收模块的输入端，接收模块的输出端接反馈模块的输入端，反馈模块的输出端接簇内协作重传模块输入端，簇内协作重传模块输出端接网络编码模块输入端，网络编码模块输出端接更新模块输入端，更新模块输出端簇内协作重传模块。

在多播前，终端根据多播业务需求建立D2D簇；然后，eNB通过多播发送模块将数据包发送到D2D簇中的接收模块。

接收模块接收多播数据包并解调判断数据包是否接收正确，将判断结果提交至反馈模块。

在簇头中，反馈模块根据接收模块提交的反馈结果建立反馈表，并初始化滑动窗口。然后，簇头将反馈模块建立的反馈表上报给簇内协作重传模块。

簇内协作重传模块在收到反馈表后，根据反馈表中的情况作出相应的处理，若在滑动窗口内有数据包在所有终端中都未正确接收，则簇头向eNB请求重传此数据包。同时，簇头通过D2D链路向簇内成员收集自身丢包。簇内协作重传模块完成后，通知启动网络编码模块在滑动窗口内，簇头通过簇内协作重传模块得到自身丢包后，将数据包根据本发明中提出的NC-HARQ方案将编码后重新多播到簇内成员中，滑动窗口内的数据包处理完毕后，发送指令到更新模块，启动更新程序。

更新模块用于更新反馈表及滑动窗口。在将网络编码包发送到簇成员后，簇成员根据自身接收情况向簇头反馈信息。簇头根据反馈信息更新反馈表和滑动窗口，并重新执行收集模块、网络编码模块及更新模块。

在本发明中，通过簇内协作重传的方式减轻了eNB的负载，减少了终端与eNB之间的信令交互。通过提出一种新颖的NC-HARQ方案，很好的解决了同个簇成员存在多个未正确译码的数据包时，在簇头中经过网络编码后仍然无法在终端正确译码的情况。同时，整个网络编码过程具有较高的编码增益。通过本方案，降低了系统时延，提高了重传效率及用户体验。

附图说明

图1为无线多播系统模型示意图。

图2为无线多播重传步骤图。

图3为无线多播重传详细流程图。

图4为无线多播重传装置图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

(1)图1为本发明的无线多播系统模型示意图。在多播开始之前，根据地理位置及链路状态等信息将需要接收多播消息的终端建成D2D簇，并选择与其它链路状态最好的终端作为簇头，簇成员与簇之间通过D2D链路相连。图中有一个多播源eNB，簇内共有7个终端，包括1个CH及6个簇成员：A、B、C、D、E和F。

(2)图2、图3分别为无线多播重传步骤图及无线多播重传详细流程图，在多播场景下，D2D簇的簇头通过D2D链路收集自身未能正确译码的数据包，并通过将重传数据包网络编码后多播到簇成员内，该方法包括以下步骤。

1)多播业务开始前，将有多播业务需求的终端组成D2D簇，簇建立完成后，eNB向D2D簇多播数据包；

在步骤1)中，所述D2D簇模式为Agent模式，即：簇成员只与簇头“可见”，簇成员之间并不“可见”。簇建立方案在许多文献中都有提到，不作为本发明的重点内容，不再赘述。在D2D簇建立的过程中，选择与所有簇成员链路状态最好的终端作为簇头，用来与eNB进行控制消息的交互及簇成员的控制管理。无线多播系统模型示意图如图1所示。簇建立完成后，eNB向D2D簇多播数据包。

2)簇头将簇成员的反馈及自身数据包接收状态信息组成反馈表，建立并初始化滑动窗；

在步骤2)中，所述簇成员接收到数据包后向簇头反馈接收状态；簇头接收簇成员的反馈并组成反馈表，所述反馈表用一个M×N的矩阵V表示，矩阵中的每个元素V(i,j)为0或1，其中，V(i,j)＝0表示用户i成功接收到了数据包j，V(i,j)＝1表示用户i丢失数据包j,则数据包j为错误包。所述滑动窗口为簇头维持的一组连续的允许进行重传操作的数据包的序号，在窗口内的数据包才可以进行操作并在数据包处理后将窗向前滑动。窗口大小的设定影响着系统的时延与网络编码增益。窗口长度越大，一次重传的时间就越长，时延也就越大。而窗口越短，则执行最大汉明距所能选择编码的数据包就越少，相应的，网络编码增益就越低。

3)在滑动窗口内，簇头检测反馈表，并根据反馈表执行相应动作；

在步骤3)中，所述簇头检测反馈表，若有数据包所在的列全为0，即表示此数据包在整个簇成员及簇头中都没有正确译码，则簇头向eNB反馈NACK，请求重新多播此数据包，簇成员反馈接收状态后，簇头更新反馈表。

4)在滑动窗口内，簇头通过簇内协作重传收集自身未正确译码的数据包；

在步骤4)中，所述簇头通过反馈表检测自身丢失的数据包以及正确接收到此数据包的簇成员，由于簇头与各簇成员之间是“可见”的，且其之间的链路状态较好，因此，簇头可以通过D2D链路向簇成员请求自身丢失的包。簇头将自身丢失的包收集完成后执行5)。

5)簇头收集好自身丢失的数据包后，对重传数据包进行网络编码，并将网络编码包多播至簇成员中，更新反馈表及滑动窗后，重新执行3)～5)。

在步骤5)中，所述对重传数据包进行网络编码的方法(称为NC-HARQ方案)可为：在滑动窗口内，通过最大汉明距离判定结合的数据包以获得最大的网络编码增益；同时，通过滑动窗口向前滑动的过程中，使前一个窗口中簇成员未能正确译码的数据包与新进入窗口的数据包进行网络编码，可以进一步提高网络编码增益。本NC-HARQ的步骤为：

①首先，在滑动窗口内，从第一个包开始，分别计算其与其它包之间的汉明距离，并选择最大汉明距离的包，与其异或编码后放到重传缓存中。其中，汉明距离的计算公式为：其中V(k,i)为数据包i在簇成员k中的接收状态，V(k,j)为数据包j在簇成员k中的接收状态。n为簇成员的个数；

②簇头将重传缓存中的编码包多播到簇成员中，若网络编码包在簇成员中译码失败，簇成员将译码失败的包序号反馈给簇头，作为下一次待编码重传的数据包。将所有簇成员都正确译码的包所在的列删除；

另外本发明还提供了一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传装置，如图4所示，设有多播发送模块、接收模块、反馈模块、簇内协作重传模块、网络编码模块及更新模块。

在多播前，终端根据多播业务需求建立D2D簇。然后，eNB通过多播发送模块将数据包发送到D2D簇中的接收模块。

接收模块接收多播数据包并解调判断数据包是否接收正确，将判断结果提交至反馈模块。

在簇头中，反馈模块根据接收模块提交的反馈结果建立反馈表，并初始化滑动窗口。然后，簇头将反馈模块建立的反馈表上报给簇内协作重传模块。

簇内协作重传模块在收到反馈表后，根据反馈表中的情况作出相应的处理，若在滑动窗内有数据包在所有终端中都未正确接收，则簇头向eNB请求重传此数据包。同时，簇头通过D2D链路向簇内成员收集自身丢包。簇内协作重传模块完成后，通知启动网络编码模块

在滑动窗内，簇头通过簇内协作重传模块得到自身丢包后，将数据包根据本发明中提出的NC-HARQ方案将编码后重新多播到簇内成员中，滑动窗口内的数据包处理完毕后，发送指令到更新模块，启动更新程序。

更新模块用于更新反馈表及滑动窗。在将网络编码包发送到簇成员后，簇成员根据自身接收情况向簇头反馈信息。簇头根据反馈信息更新反馈表和滑动窗，并重新执行收集模块、网络编码模块及更新模块。

以下给出具体实施例。

多播源eNB向整个D2D簇多播数据包，簇头根据簇成员的反馈建立起反馈表V,如图1所示，图中有一个多播源eNB，簇内共有7个终端，包括1个簇头及6个簇成员：A、B、C、D、E和F。在本实施例中，为了兼顾重传时延及网络编码增益，设置滑动窗口的长度为6。整个反馈表如表1所示。

表1

簇头检测反馈表，如表1中，在滑动窗内，P2数据包在整个簇内都未正确译码，于是簇头向eNB发送NACK，请求eNB重新广播此数据包。簇头通过D2D链路收集到自身丢失包，并更新反馈表后得到表2。

表2

在表2中，P1与P2、P3、P4、P5、P6之间的汉明距离分别为1、6、4、2、3，其中，P1与P3之间的汉明距离最大，结合后的网络编码增益最大，因此，选择将P1与P3异或后放入到重传缓存，同理，选择将放入到重传缓存，在特定时隙将编码包发送到簇成员中。由于P5,P6同时在簇成员A中丢失，因此A无法正确译出这两个数据包。由于P1、P2、P3、P4在所有簇成员中都正确译码，因此，滑动窗口向前滑动距离为4。更新反馈表后如表3所示。

表3

在下一个窗口中，簇头首先向簇成员收集自身丢失包。然后，根据最大汉明距离判定，将广播出去后，不仅能够获得更大的网络编码增益，而且能将P4,P5在簇成员A中译出。

至此，流程全部结束。

本发明公开了一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法及装置，该方法包括以下步骤：1)多播业务开始前，将有多播业务需求的终端建成D2D簇，簇建立完成后，eNB向D2D簇多播数据包；2)簇头将簇成员的反馈及自身数据包接收状态信息组成反馈表，建立并初始化滑动窗；3)在滑动窗口内，簇头检测反馈表，并根据反馈表执行相应动作；4)在滑动窗口内，簇头通过簇内协作重传收集自身未正确译码的数据包；5)簇头收集好自身丢失的数据包后，对重传数据包进行网络编码，并将网络编码包多播至簇成员中，更新反馈表及滑动窗后，重新执行3)～5)。本发明的装置包括多播发送模块、接收模块、反馈模块、簇内协作重传模块、网络编码模块及更新模块。本发明所述方法通过D2D簇内协作尽可能的将重传发生在簇内，解决了传统重传方法在多播场景下不适用的缺陷，有效的降低了eNB的负载。同时，提出了一种新颖的网络编码方案，减少了平均重传次数，改善了无线多播的重传性能。该方案适用于高丢包率的网络环境，实现简单，应用前景较好。

Claims (6)

1.一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法，其特征在于包括以下步骤：

1)多播业务开始前，将有多播业务需求的终端建成D2D簇，簇建立完成后，eNB向D2D簇多播数据包；

2)簇头及簇成员接收多播数据包后，簇头将簇成员的反馈组成反馈表，建立并初始化滑动窗口；

3)在滑动窗口内，簇头检测反馈表，并根据反馈表执行相应动作；

4)在滑动窗口内，簇头通过簇内协作重传收集自身未正确译码的数据包；

5)簇头收集好自身丢失的数据包后，对重传数据包进行网络编码，并将网络编码包多播至簇成员中，更新反馈表及滑动窗后，重新执行步骤3)～5)。

2.如权利要求1所述一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法，其特征在于在步骤2)中，所述簇成员接收多播数据包后向簇头反馈接收状态，簇头接收簇成员的反馈并组成反馈表，所述反馈表用一个M×N的矩阵V表示，矩阵中的每个元素V(i,j)为0或1，其中，V(i,j)＝0表示用户i成功接收到数据包j，V(i,j)＝1表示用户i丢失数据包j，即数据包j为错误包；所述滑动窗口为簇头维持的一组连续的允许进行重传操作的数据包的序号，在滑动窗口内的数据包才可以进行操作并在数据包处理后将滑动窗口向前滑动。

3.如权利要求1所述一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法，其特征在于在步骤3)中，所述簇头检测反馈表，若有数据包所在的列全为0，即表示此数据包在整个簇成员及簇头中都没有正确译码，则簇头向eNB反馈NACK，请求重新多播此数据包，簇成员反馈接收状态后，簇头更新反馈表。

4.如权利要求1所述一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法，其特征在于在步骤4)中，所述滑动窗口内，簇头根据反馈表查找到自身丢失的数据包所对应的正确接收此数据包的簇成员，并向其发送重传请求消息，簇成员在收到请求消息后将对应的数据包通过D2D链路发送给簇头，簇头在收集到滑动窗口内所有自身丢失的数据包后，再次更新反馈表。

5.如权利要求1所述一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传方法，其特征在于在步骤5)中，所述对重传数据包进行网络编码的方法为：在滑动窗口内，通过最大汉明距离判定结合的数据包以获得最大的网络编码增益；同时，通过滑动窗口向前滑动的过程中，将前一个滑动窗口中簇成员未能正确译码的数据包与新进入滑动窗口的数据包进行网络编码，使得所有的组合重传分组都具有可解性并且可以进一步提高网络编码增益；所述前一个滑动窗口中簇成员未能正确译码的情况包括：

(1)重传编码包在终端再次接收失败；

(2)两个数据包在同一簇成员中丢失时，通过最大汉明距离将这两个包编码重传后，在簇成员中仍不能正确译码。

6.一种高丢包率下基于D2D簇的多播重传装置，其特征在于设有多播发送模块、接收模块、反馈模块、簇内协作重传模块、网络编码模块及更新模块；接收模块用于接收多播数据包并解调判断数据包是否接收正确，将判断结果提交至反馈模块；反馈模块用于根据接收模块提交的反馈结果建立反馈表，并初始化滑动窗口，然后，簇头将反馈模块建立的反馈表上报给簇内协作重传模块；簇内协作重传模块用于在收到反馈表后，根据反馈表中的情况作出相应的处理，若在滑动窗口内有数据包在所有终端中都未正确接收，则簇头向eNB请求重传此数据包；同时，簇头通过D2D链路向簇内成员收集自身丢包；更新模块用于更新反馈表及滑动窗口；在将网络编码包发送到簇成员后，簇成员根据自身接收情况向簇头反馈信息；簇头根据反馈信息更新反馈表和滑动窗口，并重新执行收集模块、网络编码模块及更新模块；

多播发送模块的输出端接接收模块的输入端，接收模块的输出端接反馈模块的输入端，反馈模块的输出端接簇内协作重传模块输入端，簇内协作重传模块输出端接网络编码模块输入端，网络编码模块输出端接更新模块输入端，更新模块输出端簇内协作重传模块。