CN108259132A - 一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法 - Google Patents

一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108259132A
CN108259132A CN201810003357.3A CN201810003357A CN108259132A CN 108259132 A CN108259132 A CN 108259132A CN 201810003357 A CN201810003357 A CN 201810003357A CN 108259132 A CN108259132 A CN 108259132A
Authority
CN
China
Prior art keywords
node
data
network
destination node
cooperative
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810003357.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108259132B (zh
Inventor
姚玉坤
李小勇
刘江兵
张云霞
吕昱辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University of Post and Telecommunications
Original Assignee
Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University of Post and Telecommunications filed Critical Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority to CN201810003357.3A priority Critical patent/CN108259132B/zh
Publication of CN108259132A publication Critical patent/CN108259132A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108259132B publication Critical patent/CN108259132B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
    • H04L1/0076—Distributed coding, e.g. network coding, involving channel coding
    • H04L1/0077—Cooperative coding
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/0001—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff
    • H04L1/0006—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff by adapting the transmission format
    • H04L1/0007—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff by adapting the transmission format by modifying the frame length
    • H04L1/0008—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff by adapting the transmission format by modifying the frame length by supplementing frame payload, e.g. with padding bits
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/02—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception
    • H04L1/06—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by diversity reception using space diversity
    • H04L1/0618—Space-time coding
    • H04L1/0637—Properties of the code

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明提出一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法，在运行时包括“网络编码协作传输以及处理”、“网络编码解码方式”两个部分。采用了“编码补偿”、“基于包数量发送忙音的协作节点选择”、“自适应多重解码”三种新机制。第一、二种新机制都工作在“网络编码协作传输以及处理”部分，第三种新机制工作在“网络编码解码方式”部分。通过使用上述三种新机制，本发明提出的新接入方法能够使选择的协作节点将自己的数据与接收的数据进行编码操作，从而提高编码机会，避免候选协作节点由于隐藏终端导致碰撞的问题以及能够提高目的节点的解码成功率。从而在整体上充分利用网络编码技术从而实现减小数据帧端到端平均时延，增加网络的吞吐量的目的。

Description

一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及无线网络中源与目的节点之间存在数据交换需要协作节点协作时的场景，更具体地，涉及一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法。
背景技术
随着无线通信用户数量的不断增加，其通信业务也不断丰富。为满足人们对通信业务的需求，无线通信网络需要提供更好的业务服务质量才能保证更好的传输性能。而无线通信的带宽资源有限，且无线信道的衰落会导致接收端接收到损坏的数据包，在这种背景下，协作分集能够有效的解决上述问题，故协作通信技术已经广泛受到关注。协作通信是在某个区域内，使具有单天线的多用户通信节点彼此相互协作，进行分布式数据处理和传输，从而能形成一个虚拟的(multiple inputmultiple output,MIMO)系统，得到空间分集增益的无线通信系统。但是目前针对协作通信的研究主要大都集中在物理层，只是单纯的在物理层对数据进行协作处理，如果上层协议设计不合理则无法充分利用下层带来的性能优势，故协作介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议的设计显得尤为重要。因此协作通信以及协作MAC协议的研究在新一代的无线网络中具有广泛的应用前景。
Alshwede等人在2000年首次提出了网络编码的重要概念并从理论上证明了其明显优势。其主要思想是在网络中的各个中间节点对接收到的信息先进行编码操作，然后再将编码后的信息转发给下一跳或者目的节点，从而提高网络的整体性能。协作通信与网络编码有着天然的联系，这是因为两种技术都是利用无线链路的广播与空间分集特性，网络编码技术和协作通信技术有效结合能够改善通信系统的整体性能，而协作传输过程本身又为网络编码的应用提供了有利的条件，将网络编码技术应用在协作通信中，能够进一步提高数据在传输过程中的可靠性和有效性，此种传输方式称为协作网络编码(cooperativenetwork coding,CNC)。同时将协作网络编码由物理层上升到MAC层，在MAC层中对数据先进行编码处理再在各个节点之间进行协作通信，就可以使网络的性能得到大幅度提升。
接入方法工作在网络中的MAC层，主要承担着信道的接入控制，在通信体系架构中具有重要的作用。目前在现有国内外研究现状中，针对源节点与目的节点彼此之间有数据交换的情况，文献[1]较早提出了一种基于多中继多速率协作MAC协议，称为CODE协议。该协议中源节点首先查找协作表，选择两个节点作为其协作中继节点，然后源节点、协作中继节点和目的节点之间通过CCTS/CRTS握手机制来选择其传输数据的最佳速率。且当目的节点同时有数据发送给源节点时，其会用CRTS通告给协作中继节点，协作中继节点则会等待目的节点的数据包。当协作中继节点收到源节点和目的节点的数据时，协作中继节点会将其数据包进行异或编码，然后以更高的速率将编码包发送给源节点和目的节点，源节点和目的节点收到数据包后分别回复ACK确认消息，仿真表明，该协议能够有效降低网络时延并且提高网络吞吐量。参见文献[1]Tan K,Wan Z,Zhu H,et al.CODE:Cooperative MediumAccess for Multir-ate Wireless Ad Hoc Network[C]//Sensor,Mesh and Ad HocCommunications and Networks,IEEE Communications Society Conference on.IEEE,2007:1-10.
文献[2]就文献[1]中网络编码的利用效率太低、选择的协作中继节点不是最佳、数据的发送速率是对称以及整个网络需要周期性广播服务消息来维持协作表等问题，提出了一种增强型协作MAC机制。该MAC协议主要由三个机制构成：首先，在选择协作中继节点时，根据直传与协作传输数据所需要时间来作为度量，且每个候选节点根据其发送速率设定一个优先级；其次，该协议提出了一种新的控制帧(forward to send,FTS)，从而大大提高了使用网络编码的概率；最后，通过引入适配器解决了节点彼此之间速率不对称的问题。最后仿真表明，该协议相比CODE协议，大大提高了网络吞吐量、时延等性能。参见文献[2]AnD,Woo H,Yoon H,et al.Enhanced cooperative communication MAC for mobilewireless networks[J].Computer Networks,2013,57(1):99-116.
文献[3]就文献[1][2]只针对双向流的应用场景，跨层设计出了一种协作MAC协议，该协议不仅能对单向流实现协作转发而且能够对双向流使用网络编码技术来提高网络性能。其在选择协作中继节点时，采用了基于组间竞争的思想，根据协作中继节点的速率作为退避时间的度量，从而选出了最佳的协作中继节点。在该协议中，当目的节点与源节点彼此之间有数据交换时，其采用物理层网络编码技术进行传输；当目的节点无数据发送给源节点时，其采用协作转发的机制。文献[33]中提出了一种多方数据交换的编码感知MAC协议。该协议中，当存在四个节点之间彼此需要交换数据时，其允许协作中继节点不用竞争信道，直接将收到的数据包进行编码发送，从而大大提高了网络性能。参见文献[3]Hoang QT,Nam T X,Nguyen L T.Cross-layer design of bidirectional-traffic supportedcooperative MAC protocol[C]//International Conference on AdvancedTechnologies for Communications.IEEE,2015:586-593
文献[4]就双向流提出了一种能量高效的基于网络编码的协作重传MAC协议。该协议中，源节点首先发送数据给目的节点，其邻居节点会侦听该数据，而当目的没有正确接收时，并且其有数据发送给源节点时，目的节点直接将其数据添加在(Request forcooperation,RFC)控制消息后面广播发送，从而触发协作中继节点的协作。协作中继节点收到该数据后则将源节点和目的节点的数据包编码发送。参见文献[4]Antonopoulos A,Verikoukis C,Skianis C,et al.Energy efficient network coding-based MAC forcooperative ARQ wireless networks[J].Ad Hoc Networks,2013,11(1):190-200.
文献[5]针对文献[4]中随机选择协作节点导致性能并非最优问题，提出了多中继协作MAC协议(Multi-Relay Cooperative MAC,My-CMAC)。该协议在多个候选协作节点通过自适应协作节点选择机制选出了最佳的一个协作节点。其主要根据接收包数量的不同采取不同的退避策略，其能够有效解决其竞争导致的碰撞的问题，但是当存在不在彼此通信的节点时该方案仍不能有效地解决上述问题。参见文献[5]HU S,LI F,LIU X.Multi-relaywireless cooperative MAC protocol based on converged network coding[C]//IEEE,Advanced Information Technology,Electronic and Automation ControlConference.IEEE,2017:1345-1349.
上述研究都是针对于源和目的节点之间存在数据交换时的情景，当彼此之间存在数据交换时，选择协作节点对接收的数据进行网络编码操作，而当彼此之间不存在数据交换，且目的节点未正确接收源节点的数据时，目的节点会发起协作请求，协作节点再次重传该未被目的节点正确接收的数据，此举并未充分利用协作通信的协作分集增益。而当直传数据没有被目的节点正确接受时，协作中继节点帮助源节点转发数据分组，此时协作中继节点需要竞争信道，贡献自己的带宽帮助源节点转发数据分组却没有发送自己的数据分组，对协作中继节点来说是一种非常不利于自己的行为，此称为中继低效率问题。在此背景下，针对中继低效率问题文献[6]提出了一种编码感知的MAC协议，该协议将网络编码技术与协作通信有效结合，在该协议中当目的节点未正确接收源节点发送的数据帧时，其允许选择的协作中继节点将自己需要发送的数据帧与接收源节点的数据帧进行网络编码，且在选择协作中继节点时主要考虑了候选中继的估计吞吐量、节点缓存数据包的个数以及中继候选节点的目的节点成功解码的概率，采用的是连接表的机制来评估协作中继节点的目的节点是否已经接收到或者拥有源节点发送的数据帧，从而判断是否能够解码的问题。而目的节点接受到数据帧以后根据网络编码MIMO_NC进行解码，当该数据的信干噪比(Signalto Interference plus Noise Ratio,SINR)大于给定的阈值时，物理层网络编码MIMO_NC仍能够解码，从而提高系统的网络吞吐量。参见文献[6]Wang X,Li J,Tang F L.Networkcoding aware cooperative MAC protocol for ad hoc wireless networks[J].IEEETransaction on Parallel and Distributed System,2014,25(1):167-179.
上述针对基于网络编码的双向协作MAC协议的研究没有充分利用目的节点接收的损坏的数据帧，导致未能充分利用协作分集增益，且目的节点的解码方式受到了一定局限性，针对此情形，有必要提出新的方法予以解决，如若使用物理层网络编码MIMO_NC进行解码，则大大的提高数据帧的解码成功率，若选择的协作节点充分利用编码机会则大大提高网络吞吐量。因此本发明将针对这些问题提出切实可行的解决方案。
发明内容
为了解决上述现有基于网络编码的双向协作接入方法存在的问题，本发明提出一种基于自适应多重解码双向协作接入方法。包含“编码补偿”新机制，“基于包数量发送忙音的协作节点选择”新机制，“自适应多重解码”新机制三种新机制，本发明提出的新接入方法能够使选择的协作节点将自己的数据与接收的数据进行编码操作，从而提高编码机会，避免候选协作节点由于隐藏终端导致碰撞的问题以及能够提高目的节点的解码成功率。从而在整体上充分利用网络编码技术从而实现减小数据帧平均时延，增加网络的吞吐量的目的。
(一)本发明提出的新机制的基本原理
以下具体介绍本发明提出的“编码补偿”新机制，“基于包数量发送忙音的协作节点选择”新机制，“自适应多重解码”新机制三种新机制的基本原理。
1.编码补偿”新机制
如图1所示，节点B无数据给源节点A则只发送RFC消息请求协作，或者只存在接收了RFC+Y消息的候选协作节点，如图2所示，此时都不存在编码机会，为增加编码机会使用编码补偿机制。从RFC控制帧帧格式保留字段中取1bit设置为信干噪比标志位SINR_FLAG，其用来标志目的节点接收数据的情况。当该标志位值为1时表示目的节点不能正确得到数据，但其SINR大于设定的阈值；反之当该标志位值为0时，表示接收的SINR小于设定的阈值。此时只能重传该数据。编码补偿机制的具体步骤如下：
步骤1接收了RFC消息的候选协作节点首先在侦听缓存区检查是否已经缓存源的数据X,若未缓存则直接放弃竞争；若已缓存数据X则检查RFC消息的SINR_FLAG标志位，当其值为1时则进入步骤2，否则进入步骤3。
步骤2该节点开始协作节点的竞争，竞选成功后的协作节点则将自己待发送的数据Z与已缓存的数据X进行随机编码构成组合包，然后发送给目的节点以及自己的目的节点(可能是节点B或者H2等)
步骤3该节点直接参与协作节点的竞争，当竞选成功后则转发数据X给目的节点。
2.基于包数量发送忙音的协作节点选择机制
由于节点之间的链路存在损耗，候选协作节点可能正确接收2个或1个甚至0个数据帧。该最佳协作节点选择机制的核心思想主要是候选协作节点根据正确接收的源和目的节点的帧个数决定发送忙音，且每个节点发送忙音的时隙个数根据效用值计算可得，从而可选出最佳的协作节点。该选择协作节点及其相应的数据帧交换如附图4、5、6所示。该最佳协作节点的具体步骤如下：
步骤1候选协作节点i根据公式(1)计算映射为忙音时长的效用值Ui。
式中Li,Lmax分别表示节点缓存区缓存数据帧的个数以及缓存区的最大值，Si,Z,Smax分别表示节点的估计吞吐量以及估计吞吐量最大值，该估计吞吐量由下层发送数据帧的速率以及发送成功的概率想乘计算可得，ɑ,β都表示权重值。
步骤2候选协作节点i将公式(1)得到的结果代入公式(2)计算其发送忙音时长LBT。
式中Uref表示效用值映射为忙音时隙个数的参考值。表示M向下取整。
步骤3候选协作节点i当接收2个数据帧时，则在前两个忙音时隙就开始发送忙音，其它节点侦听信道且感知到信道忙则直接放弃竞争，然后进入步骤4；而当所有候选协作节点i都只接收了1个数据帧，则在前两个忙音时隙的第二个时隙开始发送忙音，其它侦听到信道忙的节点则放弃竞争，然后进入步骤5；当没有一个候选协作节点正确收到一个包时，则前两个忙音时隙不发送忙音，源节点感知到前两个忙音时隙信道空闲，得知无协作节点协作，则在(Distributed Inter-frame Spacing,DIFS)时隙后，重传数据给目的节点。
步骤4忙音时间最长的节点成为协作节点，该节点将数据X与数据Y进行网络编码构成组合包F(X,Y)，该节点在SIFS时隙后直接发送聚合帧(Relay Response Frame,RSF)+F(X,Y)，一旦源和目的节点接收该消息，则回复ACK消息。
步骤5忙音时间最长的节点成为协作节点，该节点将自己的数据与缓存的数据进行网络编码构成组合包F，然后发送RSF+F消息，从而完成此次数据帧的传输。
3.自适应多重解码机制
本协议中每个节点维护两个缓存区，一个是自己生成或者接收的数据帧，称为缓存区；另一个是机会侦听的数据，称为侦听缓存区。自适应多重解码机制的主要思路是各个目的节点接收数据帧后根据其是否属于损坏的数据帧，且其信干噪比是否大于阈值自适应的采取不用的解码策略。通过采用几种解码机制能够大大提高目的节点的解码成功率。其具体操作步骤如下：
步骤1目的节点或协作节点的目的节点接收数据帧后，若该数据是损坏的，则进入步骤2；若该数据是正确的数据，则查看侦听缓存区是否已缓存数据X，若已缓存则使用该缓存的数据X与接收的编码帧F进行解码，若没有缓存X，则矩阵知识进行解码，若仍不能解码，则进入步骤3。
步骤2目的节点先检测该损坏数据的SINR值，当其大于阈值Wth时，则采用网络编码MIMO_NC进行解码；反之，当其值小于阈值Wth，则进入步骤3.
步骤3此时侦听缓存区未侦听到源节点的数据X或者接收的数据X其SINR值低于阈值导致不能解码。此时只能请求协作节点重传该编码帧，然后再次使用多重解码机制进行解码。
(二)本发明提出的基于自适应多重解码的双向协作接入方法的主要操作
本发明提出的基于自适应多重解码双向协作接入方法包含“网络编码协作传输以及处理”、“网络编码解码方式”两个部分。“网络编码协作传输以及处理”部分根据终端节点之间是否存在数据交换，候选协作节点根据不同的请求协作方式，使用不同的忙音发送方式选择最佳协作节点，该协作节点对接收源和目的节点的数据采取随机线性网络编码策略，或者将自己的数据与侦听的数据进行随机线性网络编码操作，然后再发送编码帧给目的节点以及协作节点的目的节点。“网络编码解码方式”阶段根据目的终端是否接收损坏的数据帧及其信干噪比SINR是否大于阈值采取不同的解码策略。本发明提出的基于网络编码的自适应多重解码双向协作接入方法包含(1)“编码补偿”新机制；(2)“基于包数量发送忙音的协作节点选择”新机制，(3)“自适应多重解码”新机制。第一、二种新机制都工作在“网络编码协作传输以及处理”两个部分，第二种新机制工作在“网络编码解码方式”部分。
各部分的主要操作步骤具体如下：
1.网络编码协作传输以及处理
本发明提出的基于自适应多重解码双向协作接入方法在网络编码协作传输以及处理阶段的核心操作是当接收目的节点发送的请求协作帧时，拥有编码机会的节点计算其效用值开始竞争，产生协作节点，该节点然后将编码帧发送给目的节点。主要步骤如下：
步骤1构建一对源-目的节点的网络场景，且在两个节点之间存在若干个多中继的候选协作节点。如图1所示场景，每个节点以泊松分布产生数据帧，且节点之间的链路都存在损耗。
步骤2每个节点构建两个缓存区，一个是自己生成或者接收的数据帧，称为缓存区；另一个是机会侦听的数据，称为侦听缓存区。
步骤3如图1中，源节点A向目的节点B发送数据帧X，节点B正确接收则直接进入下一次数据传输。但目的节点B接收一个损坏的数据X’时，首先评估其SINR值，当大于给定的阈值则将RFC控制消息字段中标志位SINR_FLAG的值置为1，反之当小于给定的阈值则置为0。如果目的节点B其有数据给节点A时，则广播发送RFC+Y消息；反之，如果目的节点B没有数据给节点A时则只会广播RFC协作请求消息。
步骤4如果候选协作节点接收了RFC+Y聚合消息，且如果侦听缓存区若缓存了数据X，则通过接收2个包的协作节点选择方式参与协作节点的竞争，竞选成功的协作节点则将数据X与Y进行网络编码构成组合帧F(X,Y)，然后将该编码帧发送给源节点和目的节点。如果候选协作节点接收了RFC+Y聚合消息，且侦听缓存区没有缓存数据X，则通过接收1个包的协作节点选择方式参与协作节点的竞争，竞选成功的协作节点则将自己生成的数据据Z与Y进行网络编码构成组合帧F(Z,Y)，然后将该该聚合消息RSF+F(Z,Y)发送给源节点A和自己的目的节点。
步骤5如果候选协作节点接收了RFC消息，且如果侦听缓存区若缓存了数据X，则通过接收1个包的协作节点选择方式参与协作节点的竞争，竞选成功的协作节点则将数据X与Y进行网络编码构成组合帧F(Z,X)，然后将该聚合消息RSF+F(Z,X)发送给源节点和自己目的节点。如果候选协作节点接收了RFC消息，且侦听缓存区没有缓存数据X，则直接放弃竞争，不参与协作。
2.网络编码解码方式
本协议中使用的是由T.HO等人提出随机线性网络编码(Random Line NetworkCoding,RLNC)进行网络编码。其主要思想是源节点将多个数据包(此处只列举两个包X和Y)进行随机线性编码操作构成组合包F(X,Y)，然后发送给目的节点，当目的节点收到两个编码包F1(X,Y)和F2(X,Y)时，其表达式分别如式(3)、(4)所示,其中a,b,c,d是从有限伽罗华域中随机选出的随机编码系数,且(a,b)与(c,d)线性无关。根据矩阵知识，可以根据公式(3)解码出X和Y两个数据帧。
F1(X,Y)＝aX+bY (3)
F2(X,Y)＝cX+dY (4)
本发明提出的基于自适应多重解码的双向协作接入方法在网络编码解码方式阶段的核心操作是当目的节点接收了节点发送的数据帧或者编码帧时，根据其接收的信干噪比SINR的值决定采取何总解码策略。主要步骤如下：
步骤1竞选成功的协作节点使用随机线性网络编码将两个数据帧进行网络编码操作构成编码帧，然后发送给目的节点以及自己的目的节点。当目的节点或协作节点的目的节点接收数据帧后，若该数据是损坏的，则进入步骤2；若该数据是正确的数据，则查看侦听缓存区是否已缓存数据X，若已缓存则使用公式(6)进行解码，若没有缓存X，则使用公式(5)解码，仍不能解码，则进入步骤3。
步骤2目的节点先检测该损坏数据的SINR值，当其大于阈值Wth时，则采用网络编码MIMO_NC进行解码；反之，当该SINR的值小于给定阈值Wth，则进入步骤3.
步骤3此时侦听缓存区未侦听到源节点的数据X或者接收的数据X其SINR值低于阈值导致不能解码。此时只能请求协作节点重传该编码帧，然后再次使用多重解码机制进行解码。
(三)本发明的有益效果
本发明的有益效果主要在于通过增加网络编码机会来增加网络吞吐量以及减少减少端到端时延端到端时延两个方面。具体如下：
1.增加网络吞吐量
(1)本发明采用了“编码补偿”新机制后，在每个协作节点参与协作的过程中，当源和目的节点不存在数据交换，即不存在编码机会时，通过将自己生成的数据帧与接收的源或者目的节点的数据帧编码操作，与现有基于网络编码的双向协作接入方法相比，在保障收发可靠性的同时，增加了编码机会，增加了单位时隙传输的数据帧个数，因此网络吞吐量会增加。
(2)本发明采用了“基于包数量发送忙音的协作节点选择”新机制后，与现有基于网络编码的双向协作接入方法相比，在正常进行竞选协作节点的情况下，通过发送忙音的方式有效的避免了因不在彼此通信范围导致碰撞的问题，减少了竞争信道的时延，因此网络吞吐量增加。
(3)本发明采用了“自适应多重解码”新机制后，在正常接收编码帧的前提下，目的节点通过多重解码的策略能够大大增大其编码帧的解码率，与现有基于网络编码的双向协作接入方法相比，该机制利用了目的节点初始未能正确接收的数据帧联合解码，因此网络吞吐量会增加。
2.减小数据帧端到端时延
本发明采用了“基于包数量发送忙音的协作节点选择”、“自适应多重解码”新机制后，与现有基于网络编码的双向协作接入方法相比，在正常进行数据传输的情况下，减少了不必要的竞争时间且目的节点处成功解码编码帧避免了数据帧的重传，因此减少了减少端到端时延。
附图说明
附图1为目的节点无数据给源节点时对应操作的网络模型图。
附图2为目的节点有数据给源节点且协作节点都未侦听到源节点数据帧时对应操作的网络模型图
附图3为目的节点有数据给源节点时对应操作的网络模型图。
附图4为候选协作节点接收2个数据帧时的数据帧交换时隙图。
附图5为候选协作节点接收1个数据帧时的数据帧交换时隙图。
附图6为候选协作节点中存在接收2个或者1个数据帧时的数据帧交换时隙图。
附图7为本发明提出的一种基于自适应多重解码双向协作接入方法采用全部新机制后的信息交互流程图。
具体实施方式
本发明适用于无线网络中源与目的节点之间存在数据交换需要协作节点协作时的场景。
一个具体的实施方式如下：
(一)实施条件
构建若干对源-和目的节点，且源和目的节点之间存在若干个候选协助节点的网络场景。节点之间通信使用无线单跳网络形式。每个节点都能够知道自己的位置信息(如借助GPS系统)，每个节点都知道自己的邻居节点，业务数据在节点之间传送。
(二)实施方式
实施方式分为“网络编码协作传输以及处理”、“网络编码解码方式”两部分，二者的操作在网络运行时间内持续地进行，并且在时序上有交错，该过程总的操作的流程图如附图所示。
1.网络编码协作传输以及处理
本发明提出的基于自适应多重解码双向协作接入方法在网络编码协作传输以及处理阶段的核心操作是当接收目的节点发送的请求协作帧时，拥有编码机会的节点计算其效用值开始竞争，产生协作节点，该节点然后将编码帧发送给目的节点。主要步骤如下：
步骤1构建一对源-目的节点的网络场景，且在两个节点之间存在若干个多中继的候选协作节点。如图1所示场景，每个节点以泊松分布产生数据帧，且节点之间的链路都存在损耗。
步骤2每个节点构建两个缓存区，一个是自己生成或者接收的数据帧，称为缓存区；另一个是机会侦听的数据，称为侦听缓存区。
步骤3如图1中，源节点A向目的节点B发送数据帧X，节点B正确接收则直接进入下一次数据传输。但目的节点B接收一个损坏的数据X’时，首先评估其SINR值，当大于给定的阈值则将RFC控制消息字段中标志位SINR_FLAG的值置为1，反之当小于给定的阈值则置为0。如果目的节点B其有数据给节点A时，则广播发送RFC+Y消息；反之，如果目的节点B没有数据给节点A时则只会广播RFC协作请求消息。
步骤4如果候选协作节点接收了RFC+Y聚合消息，且如果侦听缓存区若缓存了数据X，则通过接收2个包的协作节点选择方式参与协作节点的竞争，竞选成功的协作节点则将数据X与Y进行网络编码构成组合帧F(X,Y)，然后将该编码帧发送给源节点和目的节点。如果候选协作节点接收了RFC+Y聚合消息，且侦听缓存区没有缓存数据X，则通过接收1个包的协作节点选择方式参与协作节点的竞争，竞选成功的协作节点则将自己生成的数据据Z与Y进行网络编码构成组合帧F(Z,Y)，然后将该该聚合消息RSF+F(Z,Y)发送给源节点A和自己的目的节点。
步骤5如果候选协作节点接收了RFC消息，且如果侦听缓存区若缓存了数据X，则通过接收1个包的协作节点选择方式参与协作节点的竞争，竞选成功的协作节点则将数据X与Y进行网络编码构成组合帧F(Z,X)，然后将该聚合消息RSF+F(Z,X)发送给源节点和自己目的节点。如果候选协作节点接收了RFC消息，且侦听缓存区没有缓存数据X，则直接放弃竞争，不参与协作。
2.网络编码解码方式
本发明提出的基于自适应多重解码双向协作接入方法在网络编码解码方式阶段的核心操作是当目的节点接收了节点发送的数据帧或者编码帧时，根据其接收的信干噪比SINR的值决定采取何总解码策略。主要步骤如下：
步骤1竞选成功的协作节点使用随机线性网络编码将两个数据帧进行网络编码操作构成编码帧，然后发送给目的节点以及自己的目的节点。当目的节点或协作节点的目的节点接收数据帧后，若该数据是损坏的，则进入步骤2；若该数据是正确的数据，则查看侦听缓存区是否已缓存数据X，若已缓存则使用公式(4)进行解码，若没有缓存X，则使用公式(3)解码，仍不能解码，则进入步骤3。
步骤2目的节点先检测该损坏数据的SINR值，当其大于阈值Wth时，则采用网络编码MIMO_NC进行解码；反之，当其值小于阈值Wth，则进入步骤3.
步骤3此时侦听缓存区未侦听到源节点的数据X或者接收的数据X其SINR值低于阈值导致不能解码。此时只能请求协作节点重传该编码帧，然后再次使用多重解码机制进行解码。

Claims (4)

1.一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法，其特征是：包括“网络编码协作传输以及处理”、“网络编码解码方式”两个部分，“网络编码协作传输以及处理”部分根据终端节点之间是否存在数据交换，候选协作节点根据不同的请求协作方式，使用不同的忙音发送方式选择最佳协作节点，该协作节点对接收源和目的节点的数据采取随机线性网络编码策略，或者将自己的数据与侦听的数据进行随机线性网络编码操作，然后再发送编码帧给目的节点以及协作节点的目的节点，“网络编码解码方式”阶段根据目的终端是否接收损坏的数据帧及其信干噪比SINR是否大于阈值采取不同的解码策略，本发明提出的基于自适应多重解码双向协作接入方法包含(1)“编码补偿”新机制；(2)“基于包数量发送忙音的协作节点选择”新机制，(3)“自适应多重解码”新机制，第一、二种新机制都工作在“网络编码协作传输以及处理”两个部分，第三种新机制工作在“网络编码解码方式”部分，通过使用上述三种新机制，本发明提出的新接入方法能够使选择的协作节点将自己的数据与接收的数据进行编码操作，从而提高编码机会，避免候选协作节点由于隐藏终端导致碰撞的问题以及能够提高目的节点的解码成功率，从而在整体上充分利用网络编码技术从而实现减小数据帧平均时延，增加网络的吞吐量的目的。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法，其特征是：所述工作在“网络编码协作传输以及处理”部分的“编码补偿”新机制的基本思路是：从RFC控制帧帧格式保留字段中取1bit设置为信干噪比标志位SINR_FLAG，其用来标志目的节点接收数据的情况，当该标志位值为1时表示目的节点不能正确得到数据，但其SINR大于设定的阈值，表示使用网络编码MIMO_NC可以进行有效解码；反之当该标志位值为0时，表示接收的SINR小于设定的阈值，此时只能重传该数据，当目的节点与源节点之间存在数据交换时，选择的协作节点直接将原和目的节点的数据网络编码操作，然后再发送给源和目的节点，但是当目的节点与源节点之间不存在数据交换时，此时可通过选择的协作节点首先判断协作请求消息RFC中标志位SINR_FLAG的值，当其大于给定的阈值时则将自己生成且待发送的数据帧与侦听的数据帧经过随机线性网络编码操作，然后再发送给目的节点以及自身的目的节点(可能是同一目的节点)，充分利用编码机会，减少总的传输次数，从而增加单位时隙传输的比特数。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法，其特征在于：所述工作在“网络编码协作传输以及处理”部分的“基于包数量发送忙音的协作节点选择”新机制的基本思路是：由于节点之间的链路存在损耗，候选协作节点可能正确接收2个或1个甚至0个数据帧，该最佳协作节点选择机制的核心思想主要是候选协作节点根据正确接收的源和目的节点的帧个数决定发送忙音，接收2个数据帧的节点从前两个忙音时隙第一个时隙开始发送忙音，而接收1个数据帧的节点在前两个忙音时隙的第二个忙音时隙开始发送忙音，接收0个数据帧的节点直接放弃竞争，从而有效将候选协作节点分成三个部分，而每个节点发送忙音的时隙个数根据效用值计算可得，而效用值表征了该节点作为候选协作节点能带来的效能增益，从而可选出最佳的协作节点，有效地避免候选协作节点不在彼此通信范围内导致的碰撞问题。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法，其特征在于：所述工作“网络编码解码方式”部分的“自适应多重解码机制”的基本思路是：每个节点维护两个缓存区，一个是自己生成或者接收的数据帧，称为缓存区；另一个是机会侦听的数据，称为侦听缓存区，自适应多重解码机制的主要思路是各个目的节点接收数据帧后根据其是否属于损坏的数据帧，且其信干噪比SINR是否大于阈值自适应的使用网络编码MIMO_NC或者线性矩阵求解的解码策略，通过采用几种解码机制能够大大提高目的节点的解码成功率。
CN201810003357.3A 2018-01-03 2018-01-03 一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法 Active CN108259132B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810003357.3A CN108259132B (zh) 2018-01-03 2018-01-03 一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810003357.3A CN108259132B (zh) 2018-01-03 2018-01-03 一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108259132A true CN108259132A (zh) 2018-07-06
CN108259132B CN108259132B (zh) 2021-07-06

Family

ID=62726002

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810003357.3A Active CN108259132B (zh) 2018-01-03 2018-01-03 一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108259132B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109085932A (zh) * 2018-08-17 2018-12-25 科大讯飞股份有限公司 一种候选词条调整方法、装置、设备及可读存储介质
CN111064551A (zh) * 2018-10-17 2020-04-24 重庆邮电大学 一种改进的基于网络编码的连续协作重传算法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011025008A1 (ja) * 2009-08-31 2011-03-03 シャープ株式会社 無線通信システム、基地局装置及び通信方法
CN102299893A (zh) * 2011-09-29 2011-12-28 中国人民解放军理工大学 具有频偏的双向ofdm系统的联合信道网络编码方法
CN103841622A (zh) * 2014-03-12 2014-06-04 东北大学 基于社会属性的中继自适应选择方法
CN105610475A (zh) * 2016-01-05 2016-05-25 合肥工业大学 一种基于网络编码的双向中继的协作方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011025008A1 (ja) * 2009-08-31 2011-03-03 シャープ株式会社 無線通信システム、基地局装置及び通信方法
CN102299893A (zh) * 2011-09-29 2011-12-28 中国人民解放军理工大学 具有频偏的双向ofdm系统的联合信道网络编码方法
CN103841622A (zh) * 2014-03-12 2014-06-04 东北大学 基于社会属性的中继自适应选择方法
CN105610475A (zh) * 2016-01-05 2016-05-25 合肥工业大学 一种基于网络编码的双向中继的协作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姚玉坤等: "基于协作网络编码的高效媒体访问访问控制协议", 《计算机应用》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109085932A (zh) * 2018-08-17 2018-12-25 科大讯飞股份有限公司 一种候选词条调整方法、装置、设备及可读存储介质
CN109085932B (zh) * 2018-08-17 2023-07-25 科大讯飞股份有限公司 一种候选词条调整方法、装置、设备及可读存储介质
CN111064551A (zh) * 2018-10-17 2020-04-24 重庆邮电大学 一种改进的基于网络编码的连续协作重传算法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108259132B (zh) 2021-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Katti et al. XORs in the air: Practical wireless network coding
CN102905309B (zh) 车辆自组织网络中一种基于协作mac协议的中继通信方法
CN101795170B (zh) 一种实现数据反馈的方法、接收设备及系统
US20080056196A1 (en) Radio device having fewer route disconnections and switchings and radio communication network including such devices
CN107846706B (zh) 一种拥塞避免的编码感知无线mesh网络多路径路由方法
CN102404077B (zh) 基于喷泉码的多径传输控制方法
CN102111820B (zh) 无线网络实现传输控制协议感知网络编码调度控制的方法
CN108449161B (zh) 一种中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法
CN101212285A (zh) 基于机会协同的自动重传请求方法
CN101826937B (zh) 适用于下一代移动互联网的链路层差错控制系统及其方法
CN110290558B (zh) 一种缓存辅助的多中继传输系统中基于时延的安全传输方法
CN106412801A (zh) 一种基于视频帧结构和d2d通信的视频多播方法
Ding et al. Joint scheduling and relay selection in one-and two-way relay networks with buffering
CN101686521B (zh) 基于网络编码的无线自组网路由查找方法
CN102208962B (zh) 无线数据传输方法
CN108259132A (zh) 一种基于自适应多重解码的双向协作接入方法
CN106100796B (zh) 一种融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法
CN103298139A (zh) 动态分布式按需协作接入方法和系统
Zhao et al. Geographic random forwarding with hybrid-ARQ for ad hoc networks with rapid sleep cycles
CN105610475B (zh) 一种基于网络编码的双向中继的协作方法
CN102164093B (zh) 一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法
CN113727347A (zh) 一种基于arq的自适应阻继网络优化方法
CN104955120A (zh) 基于部分网络编码的无线自组网干扰感知实时多播方法
Van Efficient relaying of video packets over wireless ad hoc devices
Yang et al. A threshold based MAC protocol for cooperative MIMO transmissions

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant