CN106131968B - 一种基于喷泉码的中继基站多播调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于喷泉码的中继基站多播调度方法：(1)初始化阶段；(2)数据包传输阶段；在每个时隙里，中继基站进行多播调度：(2.1)检查中继基站的缓冲器中是否有数据包等待发送；(2.2)中继基站根据用户们的信道状态信息，判断出各个用户在当前时隙中是否能够成功接收一个数据包；(2.3)计算能够成功接收数据包的用户的权重之和占所有用户权重和的比例；若结果小于等于设定值，中继基站选择从宏基站接收一个数据包，等待当前时隙结束，返回(2.1)；否则，进入(2.4)；(2.4)更新各个用户的权重；(2.5)判断是否所有的用户都接收到了足够数量的线性独立的数据包：若是，结束传输；若否，等待当前时隙结束，返回(2.1)。

Description

一种基于喷泉码的中继基站多播调度方法

技术领域

本发明属于无线中继网络通信技术领域，尤其涉及一种基于喷泉码的中继基站多播调度方法。

背景技术

为了增加网络的吞吐量和扩大无线信号的覆盖面积，中继网络是下一代通信系统中一个非常重要的组成部分，例如，IEEE 802.16j协议和3GPP LTE-Advanced标准。取决于是否具有同时接收和发送信息的能力，中继基站可以被分为两类：半双工和全双工。由于全双工中继仍处于研究阶段，目前实际系统中广泛采用的是半双工中继。

另一方面，喷泉码是一种新兴的编码技术，与传统的传输方式不同，其发送端将原始数据包进行编码然后传输，接收端只要接收任意足够数量的线性独立的编码过的数据包，就可以解码出所有的原始数据包。因此，喷泉码能够有效地提高多播传输速率。

由于中继基站工作在半双工模式，在每个时隙里，它只能选择(1)从宏基站接收一个编码过的数据包，或者(2)发送一个编码过的数据包给用户。因此，在宏基站应用喷泉码的基础上，中继基站应该如何根据用户们时刻变化的信道状态信息(channel stateinformation)，来进行一个有效的多播调度(在每个时隙里选择接收或者发送数据包)，从而最小化所有用户都收到足够数量的线性独立的数据包所需要的时间，即最大化整个系统的多播吞吐量，是亟待解决的关键问题，具有极其重要的理论科学与工程实际意义。

发明内容

本发明的目的是将喷泉码应用于双跳中继网络中，提供一种基于喷泉码的中继基站多播调度策略，使数据包在双跳中继网络中能够进行一个高效的多播传输，意在提高整个中继网络的多播吞吐量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种基于喷泉码的中继基站多播调度方法，其具体步骤如下：

(1)初始化阶段。

假设宏基站有K个原始数据包需要传输。在传输之前，宏基站首先对K个原始数据进行喷泉编码，每个编码过的数据包是关于K个原始数据包的随机线性组合。这些编码过的数据包将在步骤(2)中代替原始数据包进行传输。假设一共有n个用户，其中第i个用户的权重记为c_i。将各个用户的权重初始值设为K，即c_i＝K,

(2)数据包传输阶段。在每个时隙里，中继基站按照如下步骤进行多播调度：

(2.1)检查中继基站的缓冲器中是否有数据包等待发送：若无，中继基站选择从宏基站接收一个数据包，等待当前时隙结束，返回步骤(2.1)；若有，则进入步骤(2.2)。

(2.2)中继基站根据用户们的信道状态信息，判断各个用户在当前时隙中是否能够成功接收一个数据包，并用x_i∈{0,1},来表示：若第i个用户在当前时隙里可以成功接收一个数据包，则令x_i＝1；反之则令x_i＝0。进入步骤(2.3)。

(2.3)计算能够成功接收数据包的用户的权重之和占所有用户的权重和的比例，即

若结果大于设定值，中继基站选择多播一个数据包给用户，进入步骤(2.4)；若结果小于等于设定值，中继基站选择从宏基站接收一个数据包，等待当前时隙结束并返回步骤(2.1)。

(2.4)更新各个用户的权重：记第i个用户已经接收到的数据包个数为B_i，则c_i＝max{0,K-B_i},进入步骤(2.5)。

(2.5)判断是否所有的用户都接收到了K个数据包：若是，结束传输；若否，等待当前时隙结束，返回步骤(2.1)。

上述步骤(2.2)的具体实现方式是：

记第i个用户在当前时隙里的信道增益为h_i,信道带宽为D，信号平均功率为S，噪声平均功率为N，每个时隙的长度为δ。中继基站通过反馈信道得知当前时隙信道增益h_i，进而计算出第i个用户在当前时隙里所能够成功接收到的信息比特数目,即

若结果大于所需要发送的数据包的大小，则表示第i个用户在当前时隙里可以成功接收中继基站所发送的一个数据包，令x_i＝1；反之表示第i个用户在当前时隙里无法成功接收一个数据包，令x_i＝0。

本发明具有如下技术效果：本发明基于喷泉码的双跳中继网络多播调度方法，首先，该方法利用了喷泉码对原始数据包进行编码，然后传输编码过的数据包。对于用户来说，只要接收到任意K个编码过的数据包，就可以恢复出所有的原始数据报。因此，本发明避免了造成传统传输方式(例如自动请求重发，Automatic Repeat request,ARQ)传输效率低下的“瓶颈”问题：即一个数据包需要被反复发送多次，才能保证所有的用户都能成功接收到该数据包。其次，该方法利用时刻变化的信道状态信息有效地进行多播调度：当用户信道状态整体不佳的时候，中继基站选择从宏基站接收数据包，从而达到补充中继基站缓冲器中数据包的目的；反之，则多播一个数据包给用户，使用户们能够尽快地接收到足够的数据包，从而解码出所有的原始数据包。由此可知，相较于传统的传输方式，该方法能够有效地提高多播吞吐量。

附图说明

图1为本发明的网络示意图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面给出优选实施范例。此优选实施例仅表示对本发明的原理性说明，不代表本发明的任何限制。

假设宏基站要将一个文件通过中继基站发送给3个移动用户。这个文件由100个数据包组成，每个数据包大小为100比特。假设信道带宽D＝10000Hz，信噪比每个时隙的长度δ＝0.001S。

在数据包传输之前，宏基站首先用喷泉码对这100个原始数据包进行编码。具体可采用的喷泉码可以是LT码、线性网络码、Raptor码等。编码过的数据包可以存储在宏基站的缓冲器中，其作用是代替原始数据包用于后续的传输。因此，对用户来说，只要接收到任意100个线性独立的编码过的数据包，就可以解码出所有原始的数据包。将用户的权重的初始值设为100。

上述准备工作就绪后，进入传输阶段：

在第一个时隙里，中继基站首先检查自己的缓冲器中是否有数据包等待发送。由于中继基站未曾从宏基站接收过数据包，因此，其缓冲器中数据包个为0。所以，在第一个时隙里，中继基站只能选择从宏基站接收一个数据包。

在第二个时隙里，中继基站首先检查自己的缓冲器。由于在第一个时隙里中继基站已经选择了从宏基站接收一个数据包，因此，其缓冲器有一个数据包等待发送。随后，中继基站可通过反馈信道得知各个用户在当前时隙里所经历的信道增益，假设h₁＝20,h₂＝h₃＝5。计算第一个用户在当前时隙里所能够成功接收到的信息比特数目为0.001×10000×log₂(1+20×100)＝109.6,

大于数据包的大小100比特。因此，第一个用户在当前时隙里可成功接收一个数据包。同样的，第二个用户和第三个用户在当前时隙里所能够成功接收到的信息比特数目为0.001×10000×log₂(1+5×100)＝89.6

小于数据包的大小100比特。因此第二个用户和第三个在当前时隙里无法成功接收一个数据包。在这种情况下，能够成功接收数据包的用户们的权重和占所有用户的权重和的比例为

因此，中继基站判定用户整体信道状态不佳，从而选择从宏基站接收一个数据包。

在第三个时隙里，中继基站首先检查其缓冲器，发现有2个数据包等待发送。随后，中继基站通过反馈信道得到用户们在当前时隙里的信道增益,假设h₁＝h₂＝15,h₃＝5。计算第一个用户和第二个用户在当前时隙里所能够成功接收到的信息比特数目为0.001×10000×log₂(1+15×100)＝105.5,

大于数据包的大小100比特。因此第一个用户和第二个在当前时隙里可成功接收一个数据包。同样的，第3个用户在当前时隙里所能够成功接收到的信息比特数目为0.001×10000×log₂(1+5×100)＝89.6

小于数据包的大小100比特。因此第三个用户在当前时隙里无法成功接收一个数据包。在这种情况下，能够成功接收数据包的用户们的权重和占所有用户的权重和的比例为

因此，中继基站判定用户整体信道状态佳，从而选择多播一个数据包给用户。此数据包可以被第一个用户和第二个用户成功接收。随后，更新用户的权重为还需接收到的数据包的个数，即

c₁＝c₂＝100-1＝99,c₃＝100。

在接下来的时隙里，中继基站按照同样的方法，根据当前的用户信道信息，在接收数据包和多播数据包之间做出选择。当所有的用户都接收到了100个线性独立的编码过的数据包，从而能够解码出所有的原始数据包，传输结束。

本发明基于喷泉码的中继基站多播调度策略，属于无线中继网络通信技术领域，本发明使用喷泉码编码过的数据包代替原始数据包进行传输；在传输的过程中，半双工中继基站根据时刻变化的信道状态信息，在接收数据包和发送数据包之间做出合理的选择，最终使数据包双跳中继网络中能够进行一个高效的多播传输。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于喷泉码的中继基站多播调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化阶段；

假设宏基站有K个原始数据包需要传输；在传输之前，宏基站首先对K个原始数据进行喷泉编码，每个编码过的数据包是关于K个原始数据包的随机线性组合；这些编码过的数据包将在步骤(2)中代替原始数据包进行传输；假设一共有n个用户，其中第i个用户的权重记为c_i；将各个用户的权重初始值设为K，即c_i＝K,

(2)数据包传输阶段；在每个时隙里，中继基站按照如下步骤进行多播调度：

(2.1)检查中继基站的缓冲器中是否有数据包等待发送：若无，中继基站选择从宏基站接收一个数据包，等待当前时隙结束，返回步骤(2.1)；若有，则进入步骤(2.2)；

(2.2)中继基站根据用户们的信道状态信息，判断出各个用户在当前时隙中是否能够成功接收一个数据包，进入步骤(2.3)；

(2.3)计算能够成功接收数据包的用户的权重之和占所有用户的权重和的比例；若结果大于设定值，中继基站选择多播一个数据包给用户，进入步骤(2.4)；若结果小于等于设定值，中继基站选择从宏基站接收一个数据包，等待当前时隙结束，返回步骤(2.1)；

(2.4)更新各个用户的权重：记第i个用户已经接收到的数据包个数为B_i，则c_i＝max{0,K-B_i},进入步骤(2.5)；

(2.5)判断是否所有的用户都接收到了K个数据包：若是，结束传输；若否，等待当前时隙结束，返回步骤(2.1)。

2.如权利要求1所述的基于喷泉码的中继基站多播调度方法，其特征在于，步骤(2.2)，中继基站判断各个用户在当前时隙中是否能够成功接收一个数据包，并用x_i∈{0,1},表示：若第i个用户在当前时隙里可以成功接收一个数据包，则令x_i＝1；反之则令x_i＝0。

3.如权利要求2所述的基于喷泉码的中继基站多播调度方法，其特征在于，步骤(2.2)的具体实现方式：中继基站通过反馈信道得知各个用户在当前时隙里所经历的信道增益，进而计算出各个用户在当前时隙里所能够成功接收到的信息比特数目；若结果大于所需要发送的数据包的大小，则代表用户可以成功接收中继基站所发送的一个数据包。

4.如权利要求3所述的基于喷泉码的中继基站多播调度方法，其特征在于，步骤(2.2)：

记第i个用户在当前时隙里的信道增益为h_i,信道带宽为D，信号平均功率为S，噪声平均功率为N，每个时隙的长度为δ；中继基站通过反馈信道得知当前时隙信道增益h_i，进而计算出第i个用户在当前时隙里所能够成功接收到的信息比特数目,即

若结果大于所需要发送的数据包的大小，则表示第i个用户在当前时隙里可以成功接收中继基站所发送的一个数据包，令x_i＝1；反之表示第i个用户在当前时隙里无法成功接收一个数据包，令x_i＝0。

5.如权利要求1所述的基于喷泉码的中继基站多播调度方法，其特征在于，步骤(2.3)，计算能够成功接收数据包的用户的权重之和占所有用户的权重和的比例，采用如下式子：

若结果大于0.5，中继基站选择多播一个数据包给用户，进入步骤(2.4)；若结果小于等于0.5，中继基站选择从宏基站接收一个数据包，等待当前时隙结束并返回步骤(2.1)。