CN108449161B - 一种中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，该方法主要用来解决单源单中继‑多信宿无线网络中数据传输过程恢复丢失数据包的问题。包括以下步骤：S1、源节点广播数据包，接收节点向发送节点反馈数据包接收状态信息；S2、源节点和中继节点根据接收节点反馈信息生成或更新丢包分布矩阵；S3、根据丢包分布矩阵判断目的节点是否接收到全部数据包；S4、选择重传发送节点；S5、选择调度源节点或中继节点根据编码包选择策略选择重传编码包；S6、中继节点重传编码包。本发明在计算编码集合时，接收节点可缓存不可立即解编码包，该方法可增加编解码机会，源节点和中继节点协作调度重传，能有效地减少重传丢失数据包的平均次数，提高重传效率。

Description

一种中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法

技术领域

本发明属于中继协作无线网络下的数据重传技术领域，特别涉及一种基于网络编码中继协作重传方法。

背景技术

随着无线通信技术的大规模商用，以及移动互联网的发展，用户对于无线数据业务的服务质量要求越来越高。由于无线传输媒介的特殊性，传输信道易受到多径效应、噪声、信号干扰等因素的影响，导致无线网络数据包丢失率较高，系统可靠性降低，重传开销增加，传统的自动重传请求(Automatic Repeat request,ARQ),前向纠错(Forward ErrorCorrection,FEC)，混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat request,HARQ)，ARQ和HARQ技术都是接收节点反馈原始数据包接收情况，发送节点根据反馈信息单独重传丢失数据包，直到成功发送数据包或达到最大重传次数。在无线通信中，由于接收节点数量较多、数据包丢失分散、重传数据包也有可能再次丢失等因素，这些重传方法需要较大的传输次数，因此重传效率较低，网络开销较大。

针对上述问题，2000年Ahlswede等人提出了网络编码，网络编码技术综合考虑所有接收节点的丢失数据包，在网络中间节点处，允许网络中间节点对接收到的数据包，按照一定的编码规则进行编码生成编码包然后进行转发至下游接收节点，接收节点对接收到的编码包按照一定的规则进行解码。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，通过一次传输可同时恢复多个接收节点丢失数据包，从网络传输意义上减少了重传次数，节省了网络资源。

在实际单源单中继无线网络应用中，源节点和中间节点需要根据一定的编码包选择策略决定优先重传哪些数据包，根据调度策略决定使用源节点重传还是中继节点重传，编码包选择策略与调度策略的性能与系统的性能有很大的关系，只有通过合理的编码包选择和合理的调度，才能充分发挥网络编码在提高无线网络性能上的优势。由于无线链路的不可靠性以及广播特性，数据包在重传的过程中也有可能丢失，且接收节点的数据包接收情况也发生改变，导致编码机会随着数据包接收情况而发生改变。因此选择最佳的编码组合方式和调度策略对网络编码在提高网络性能有很大影响。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高重传效率、降低重传次数的方法。本发明的技术方案如下：

一种中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其包括以下步骤：

S1、源节点向中继节点和目的节点广播数据包，目的节点向源节点和中继节点发送节点反馈数据包接收状态信息；

S2、源节点和中继节点根据接收节点反馈信息生成或更新丢包分布矩阵；

S3、根据丢包分布矩阵判断目的节点是否接收到全部数据包；

S4、选择重传发送节点；

S5、选择调度源节点或中继节点根据编码包选择策略选择重传编码包；

S6、中继节点重传编码包。

进一步的，所述步骤S1源节点S通过有损信道向M个目的节点和中继节点广播数据包序列P_j，j∈(1,2,...,N)，M≥2，接收节点向发送节点反馈数据包接收状态信息。

进一步的，所述步骤S2源节点和中继节点根据接收节点反馈信息生成或更新丢包分布矩阵具体描述如下：

源节点和中继节点根据反馈信息生成丢包分布矩阵SFM_S和SFM_R，SFM_S是一个M+1行N列的矩阵，SFM_R是一个M行N列的矩阵，矩阵元素f_ij表示数据包P_j在目的节点D_i的接收状态，i∈(1,2,...,M)，SFM_S的M+1行表示中继节点的数据包接收状态，f_ij＝0表示D_i接收到数据包P_j，f_ij＝1表示D_i丢失数据包P_j。

进一步的，所述步骤S3根据丢包分布矩阵判断目的节点是否接收到全部数据包具体包括：

如果SFM_S的前M行全0或者SFM_R是全0矩阵则表示目的节点接收到全部的数据包，则传输结束；否则进入S4。

进一步的，所述步骤S4选择重传发送节点具体包括：

判断SFM_S的M+1行是否全0，如果是则表示中继节点包含全部的原始数据包，则选择中继节点为重传发送节点，转入S6；否则，转入S5。

进一步的，所述步骤S5选择调度源节点或中继节点实现重传编码包具体包括：

源节点和中继节点分别根据SFM_S和SFM_R按照编码包选择策略选择编码包，判断选择出的编码包对应的编码集合包含的原始数据包在中继节点的接收情况，如果在中继节点有丢失则源节点根据编码集合中的数据包构造编码包并重传；如果在中继节点没有丢失则中继节点根据编码集合中的数据包构造编码包并重传，转入步骤S2。

进一步的，所述步骤S6中继节点重传编码包具体包括：

中继节点根据SFM_R按照编码包选择策略选择编码包，对编码集合中的数据包进行编码并重传，目的节点根据接收到的编码包解码，并反馈信息，然后更新丢包分布矩阵SFM_R，判断SFM_R是否为全0矩阵，是则重传结束，否则重复步骤S6，直至重传结束。

进一步的，所述编码包选择策略具体包括以下步骤：

1)判断缓冲区是否为空，如果缓冲区为空，转入步骤2)，否则，转入步骤4)；

2)根据丢包分布矩阵，按照数据包发送顺序，找到第一个在目的节点有丢失的数据包，做为需要编码的第一个数据包，加入编码集合U；

3)再根据可解编码包原则向编码集合按序加入可编码的且在目的节点有丢失的数据包，构成可解编码包，如果没有找到可解编码包，则按照原始数据包发送顺序，将有丢失的数据包根据不可解编码包原则加入编码集合，构成的一个只包含两个原始数据包的不可解编码包，发送节点根据编码集合构造编码包并重传编码包；

4)将缓存的不可解编码包对应的编码集合中的第二个数据包作为新编码集合的第一个数据包，按照可解编码包原则向新编码集合加入在目的节点有丢失的数据包，发送节点根据编码集合构造编码包并重传。

进一步的，所述可解编码包原则具体包括：

可解编码包原则：如果两个丢包在任何目的节点都不同时丢失，则这两个数据包满足可解编码包原则，对于n(n≥2)个数据包，只有当任意两个丢包满足可解编码包原则时，该n(n≥2)个数据包才满足可解编码包原则，假设编码包P^*对应的编码向量

对目的节点D_i，则有

式中，R_i表示目的节点D_i的接收情况R_i＝(r₁,r₂,...,r_n)，如果成功接收数据包P_j，则r_j＝0，否则r_j＝1，编码向量

如果数据包P_j参与编码则e_j＝1，否则e_j＝0，

表示两向量元素进行与运算，

表示对向量元素求和。

进一步的，所述不可解编码包原则具体包括：如果两个丢包在同一目的节点丢失，则这两个数据包满足不可解编码包原则，对于n(n≥2)个数据包，只要存在任意两个丢包满足不可解编码包原则，这n(n≥2)个数据包满足不可解编码包原则。假设编码包P^*对应的编码向量

对目的节点D_i，则有

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出了无线网络单源单中继-多信宿场景下，基于网络编码的中继协作重传方法，该方法利用固定大小的缓存，根据缓冲区的存储状态和丢包分布矩阵，确定参与编码的原始数据包。该方法由于传统的机会式网络编码，避免了重传不可解码编码包时的资源浪费，缓存的不可解编码包，可以提高发送节点的编码机会和目的节点的解码机会，提高无线网络的重传效率。源节点和中继节点协作调度重传，能有效地减少重传丢失数据包的平均次数，提高重传效率。该方法还充分利用机会式网络编码异或操作简单便捷的优势，提高编码效率，降低重传次数。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例本发明实施的网络模型；

图2为本发明的流程图；

图3为丢包分布矩阵示例；

图4为第一次重传结束后，更新后的丢包分布矩阵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明的技术思路：源节点广播数据包给中继节点和目的节点，源节点和中继节点通过各目的节点反馈的数据包接收状态生成或更新丢包分布矩阵，源节点和中继节点根据调度策略选择发送节点，根据丢包分布矩阵按照编码包选择策略选择编码包集合，发送节点构建编码包并广播转发出去。目的节点通过解码编码包恢复丢失数据包。如图1所示，单源单中继-多信宿无线广播网络模型包括一个发送基站S(Base Station)、一个中继R(Relay)和M个目的节点D，并且有如下假设：

(1)发送节点(包括发送基站和中继)以固定的时间间隔广播数据包。

(2)发送节点与目的节点之间的传输丢包率互不相关，且服从伯努利分布，对应的某个目的节点的丢包率为p_i(1≤i≤M)。

(3)发送节点与目的节点能够同时获得目的节点数据包丢失情况，如数据包是否丢失，丢失数据包序列号。

如图2所示，为本发明提出的基于缓存的网络编码重传方法的流程图，具体包括以下步骤：

第一步，源节点广播数据包。源节点在N个连续的时间间隔广播发送N个数据包。

第二步，根据目的点的反馈信息在源节点和中继节点生成丢包分布矩阵SFM_S和SFM_R。图3给出了图1所示网络的源节点和中继节点的一个丢包分布矩阵示例。

第三步，判断SFM_S的前M行或者SFM_R是否为全0矩阵。如果是全0矩阵，表示传输结束，否则进入第四步。如图3所示示例，SFM_S的前M行和SFM_R均不是全0矩阵，进入第四步。

第四步，选择重传发送节点。计算SFM_S的M+1行是否全0，如果是，则选择中继节点为重传发送节点，进入第六步；否则，进入第五步。图3所示示例，SFM_S的M+1行非全0，进入第五步。

第五步，源节点和中继节点选择调度重传编码包。源节点以SFM_S根据编码包选择策略计算编码集合，中继节点以SFM_R根据编码包选择策略计算编码集合。根据图3所示示例，源节点计算的编码集合为U_S＝[1,4]，中继节点计算的编码集合U_R＝[1,4]。中继节点选择的编码集合中的数据包P₄在中继节点丢失，所以不能构造编码包。源节点根据编码集合U_S按照异或操作计算编码包

并传输P^*。

至此，一次重传结束，但实际的重传并没有结束，为了完整的说明本方法，下面继续按照图3所示示例，完整的表述本方法，直至传输结束(目的节点接收到全部的数据包)。

第六步，因为无线网络传输信道的特性，传输的数据包有可能丢失。部分或全部目的节点接收到发送节点传输的编码包。按照图3所示示例，第一次重传源节点发送编码包

发送后，假设只在目的节点D₄丢失，则在其余目的节点和中节点进行解码，D₁再次通过计算恢复数据包P₁，计算方法为

同理D₂和D₅解码恢复数据包P₁，D₃和R恢复数据包P₄。然后更新SFM_S和SFM_R，如图4所示。

第七步，重复第三步，SFM_S的前M行不全为0，进入下一步。

第八步，重复第四步，SFM_S的M+1行全为0，则进入第九步，对应方法步骤S6中继节点重传编码包。

第九步，中继节点以SFM_R根据编码包选择策略计算编码集合为U_R＝[2,5]。中继节点根据编码集合U_R＝[2,5]通过异或操作计算编码包

并传输，第二次重传结束。

第十步，重复第六步，目的节点解码编码包。假设在目的节点D₂和D₅丢失，则D₁和D₄分别解码出P₅和P₂，D₃因为已经接收到P₂和P₅，所以接收到

不能带来解码增益。然后更新SFM_S和SFM_R。

继续重复上述过程，第三次重传，根据判断，选择中继节点重传节点，计算的编码集合为U_R＝[4,8]，在传输过程中没有丢失，D₁、D₃和D₄解码出P₈，D₄解码出P₄。更新SFM_S和SFM_R。

继续重复上述过程，第四次重传，根据判断，选择中继节点重传节点，计算的编码集合为U_R＝[5,10]，在传输过程中没有丢失，D₁解码出P₁₀，D₂和D₅解码出P₅。更新SFM_S和SFM_R。

继续重复上述过程，第五次重传，根据判断，选择中继节点重传节点，计算的编码集合为U_R＝[6,9]，在传输过程中D₄丢失，D₅解码出P₉，D₂、D₃和D₄缓存编码包

更新SFM_S和SFM_R。

继续重复上述过程，第六次重传，根据判断，选择中继节点重传节点，计算的编码集合为U_R＝[9]，在传输过程中没有丢失，D₂、D₃和D₄根据缓存编码包

和接收到的数据包P₉，解码出P₆，计算方式为

更新SFM_S和SFM_R。

重复第七步，SFM_S的前M行全为0，表示目的节点已经接收到全部的数据包，传输结束。

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权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、源节点向中继节点和目的节点广播数据包，目的节点向源节点和中继节点发送反馈数据包接收状态信息；

S2、源节点和中继节点根据接收节点反馈信息生成或更新丢包分布矩阵；

S3、根据丢包分布矩阵判断目的节点是否接收到全部数据包；

S4、选择重传发送节点；

S5、选择调度源节点或中继节点根据编码包选择策略选择重传编码包；

S6、中继节点重传编码包；

所述步骤S2源节点和中继节点根据接收节点反馈信息生成或更新丢包分布矩阵具体描述如下：

源节点和中继节点根据反馈信息生成丢包分布矩阵SFM_S和SFM_R，SFM_S是一个M+1行N列的矩阵，SFM_R是一个M行N列的矩阵，矩阵元素f_ij表示数据包P_j在目的节点D_i的接收状态，i∈(1,2,...,M)，SFM_S的M+1行表示中继节点的数据包接收状态，f_ij＝0表示D_i接收到数据包P_j，f_ij＝1表示D_i丢失数据包P_j；

所述步骤S4选择重传发送节点具体包括：

判断SFM_S的M+1行是否全0，如果是则表示中继节点包含全部的原始数据包，则选择中继节点为重传发送节点，转入S6；否则，转入S5；

所述步骤S5选择调度源节点或中继节点实现重传编码包具体包括：

源节点和中继节点分别根据SFM_S和SFM_R按照编码包选择策略选择编码包，判断选择出的编码包对应的编码集合包含的原始数据包在中继节点的接收情况，如果在中继节点有丢失则源节点根据编码集合中的数据包构造编码包并重传；如果在中继节点没有丢失则中继节点根据编码集合中的数据包构造编码包并重传，转入步骤S2。

2.根据权利要求1所述的中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其特征在于，所述步骤S1源节点S通过有损信道向M个目的节点和中继节点广播数据包序列P_j，j∈(1,2,...,N)，M≥2，接收节点向发送节点反馈数据包接收状态信息。

3.根据权利要求1所述的中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其特征在于，所述步骤S3根据丢包分布矩阵判断目的节点是否接收到全部数据包具体包括：

如果SFM_S的前M行全0或者SFM_R是全0矩阵则表示目的节点接收到全部的数据包，则传输结束；否则进入S4。

4.根据权利要求1所述的中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其特征在于，所述步骤S6中继节点重传编码包具体包括：

中继节点根据SFM_R按照编码包选择策略选择编码包，对编码集合中的数据包进行编码并重传，目的节点根据接收到的编码包解码，并反馈信息，然后更新丢包分布矩阵SFM_R，判断SFM_R是否为全0矩阵，是则重传结束，否则重复步骤S6，直至重传结束。

5.根据权利要求4所述的中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其特征在于，所述编码包选择策略具体包括以下步骤：

1)判断缓冲区是否为空，如果缓冲区为空，转入步骤2)，否则，转入步骤4)；

2)根据丢包分布矩阵，按照数据包发送顺序，找到第一个在目的节点有丢失的数据包，做为需要编码的第一个数据包，加入编码集合U；

3)再根据可解编码包原则向编码集合按序加入可编码的且在目的节点有丢失的数据包，构成可解编码包，如果没有找到可解编码包，则按照原始数据包发送顺序，将有丢失的数据包根据不可解编码包原则加入编码集合，构成的一个只包含两个原始数据包的不可解编码包，发送节点根据编码集合构造编码包并重传编码包；

4)将缓存的不可解编码包对应的编码集合中的第二个数据包作为新编码集合的第一个数据包，按照可解编码包原则向新编码集合加入在目的节点有丢失的数据包，发送节点根据编码集合构造编码包并重传。

6.根据权利要求5所述的中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其特征在于，所述可解编码包原则具体包括：

可解编码包原则：如果两个丢包在任何目的节点都不同时丢失，则这两个数据包满足可解编码包原则，对于n(n≥2)个数据包，只有当任意两个丢包满足可解编码包原则时，该n(n≥2)个数据包才满足可解编码包原则，假设编码包P^*对应的编码向量

对目的节点D_i，则有

式中，R_i表示目的节点D_i的接收情况R_i＝(r₁,r₂,...,r_n)，如果成功接收数据包P_j，则r_j＝0，否则r_j＝1，编码向量

如果数据包P_j参与编码则e_j＝1，否则e_j＝0，

表示两向量元素进行与运算，

表示对向量元素求和。

7.根据权利要求6所述的中继协作无线网络中基于网络编码的重传方法，其特征在于，所述不可解编码包原则具体包括：如果两个丢包在同一目的节点丢失，则这两个数据包满足不可解编码包原则，对于n(n≥2)个数据包，只要存在任意两个丢包满足不可解编码包原则，这n(n≥2)个数据包满足不可解编码包原则， 假设编码包P^*对应的编码向量

对目的节点D_i，则有

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