CN108495320A - 一种基于随机线性网络编码的通信基站 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于随机线性网络编码的通信基站，该通信基站包括发送路径电路，配置来：使用上行链路多输入多输出下行链路控制信息DCI格式产生上行链路许可；上行链路DCI格式包括具有用于两个传输块的每个的调制和编码方案MCS值的MCS字段，该发送路径电路也配置来发送上行链路许可到用户站，还包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，及处理第一接收机、第二接收机的内容，所述输入设备执行如下频谱分配方法和传输方法：本通信基站能提高频谱分配率、提高传输效率。

Description

一种基于随机线性网络编码的通信基站

技术领域

本发明属于通信设备技术领域，尤其涉及一种基于随机线性网络编码的通 信基站。

背景技术

现有在第三代合作伙伴计划长期演进(3GPP LTE)中，正交频分复用 (OFDM)被采用作为下行链路(DL)传输方案，但是随着4G技术的成熟，5G 技术的逐步运用，现在通信基站的频谱分配及其不合理，常常一些地方分配不 均衡，一些地方频谱利用率低造成大量浪费，而一些地区频谱又不够用，而且 通信传输效率低。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高频谱利用率、提高 通信协作传输效率的基于随机线性网络编码的通信基站。

本发明的技术方案如下：

一种基于随机线性网络编码的通信基站，其包括：该通信基站包括发送路 径电路，配置来：使用上行链路多输入多输出下行链路控制信息DCI格式产 生上行链路许可；上行链路DCI格式包括具有用于两个传输块的每个的调制 和编码方案MCS值的MCS字段，该发送路径电路也配置来发送上行链路许可 到用户站。对于给定的传输块，对应于传输块的MCS值和分配给用户 站的物理资源块的正整数(N_PRB)的组合指示传输块是否被禁止；还包括处 理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存 储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括 程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，及处理第一接收机、第 二接收机的内容，所述输入设备执行一种操作通信基站的基于随机线性网络编 码方法，通信基站的网络网络包括一个信源节点S和N个信宿节点，包括初始 传输阶段和重传阶段，其中在初始传输阶段进行数据包的编码和广播、接收情 况的反馈以及转发节点的判定与更新；具体包括以下步骤：

步骤1、信源节点S对L个原始数据包P＝{P₁,P₂,…,P_L}进行随机线性网络编 码，生成编码数据包广播给N个信宿节点u＝{u_j|j∈{1,2,…,N}}，用和表示 信源节点S到信宿节点u_j和信宿节点u_i到信宿节点u_j的链路丢包率， i,j∈{1,2,…,N}；

步骤2、信宿节点用状态反馈矩阵E反馈接收情况，判断各信宿节点是否 接收到所有的编码数据包，传输是否完成，若已接收到所有的编码数据包，实 现解码，传输结束；若不能实现解码，则进入重传阶段；

在重传阶段，选取最小化重传次数下的状态转移路径，计算并选取最优转 发节点进行编码数据包的重传；具体包括步骤：

步骤3、将接收到所有编码数据包的信宿节点与信源节点存于转发节点集 合a＝{S,u_j}其中j∈{1,2,…,N}，更新转发集合；

步骤4、在S与u_j之间进行选择重传直至信息传输完毕，确定最小化重传次 数V并在最小重传次数V下进行动态规划状态转移过程，计算并获取最小重传 次数V下预计增益最大的状态转移路径，所述计算并获取最小重传次数V下预 计增益最大的状态转移路径，具体包括：

状态向量s_t＝[r₁ r₂…r_N]表示所有信宿节点当前的接收信息情况，r_j为信宿 节点u_j当前时刻状态反馈矩阵的秩的大小，为了最小化重传次数，将选取状态 转移过程转换为最短路径问题求解，将所有状态看作状态节点，并将通过一次 重传能到达的状态节点相连接，得到状态图，整个重传过程存在多种状态转移 路径，为最小化重传次数，则根据状态图计算由当前状态s_t＝[r₁ r₂…r_N]到达目 标状态s_d＝[L L L L]的最短路径；由上述可知，假定各状态节点之间为单位距离， 每经过一个节点，增加路径距离1，因此，所求最短路径距离大小等于最小重 传次数V，此时，存在W条路径通过V次传输可由初始状态s₁至目标状态s_d； 将单次转发节点存于操作集A^*；所述计算最优转发操作集A^*具体包括：从状态 s₁经历V次重传到达目标状态s_d，若存在多条最短路径，则由已确定的W条状 态转移路径，计算预计即时信息量X(s_t,a)，表示在状态s_t采取a操作时到达状 态s_t+1，各信宿节点预计能收到有效信息量的大小，进而计算V次重传所得 X(s_t,a)之和，即重传预计信息X(s_d|s₁,a)，计算并选取能带来最大预计信息量的 最优转发节点进行转发重传，操作集A^*由单次最优转发节点a^*所构成；

步骤5、每隔V个时隙，信宿节点反馈信息接收情况，更新信宿节点信息 接收情况，跳转至步骤2验证传输是否完成。

进一步的，所述状态反馈矩阵为传输过程中信宿节点成功接收数据包后， 在接收端或中继处将生成L×L的状态反馈矩阵E,假定信宿节点u_j的状态反馈 矩阵为表示矩阵的秩，即u_j收到有效编码数据包数,当 表示该信宿节点收到所有数据包；当则需转发节点 重传编码数据包。,当所有信宿节点达到满秩状态，则收到所有信息，传输结 束，否则进入重传阶段。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明在原来通信基站的基础上，添加了基于随机线性网络编码算法，提 高通信基站的频谱分配效率和协作传输效率。本发明根据步骤3操作由其他信 宿节点协作重传，充分考虑网络中可用信宿节点进行协作数据交换，对转发节 点进行判定与更新，利用空间多样性提高编码数据包成功传输率。再由步骤4 与步骤5操作，针对重传过程进行动态规划，在减少反馈依赖的情况下，针对 整体使用求最短路径方法找到最小重传次数下的状态转移路。所提方法不同于 传统以单一指标为依据的传输方法，在最小重传次数条件下，综合考虑有效信 息包数和链路丢包率，提升单位时间信宿节点能收到的有效信息量，减少重传 次数，同时降低对反馈信息的依赖和减少反馈开销。本发明实施例通过将能量 检测频谱感知应用于通信基站中，可以动态感知相邻通信基站的频谱空洞，形 成可借用的频谱集合，并将相邻通信基站的可借用频谱分配给本通信基站中由 于频谱资源不足而不能接入的用户组，提高了系统的频谱资源利用率，使得原 本不能接入本通信基站的用户组得以接入，从而降低了不满意用户率，提升了 系统容量。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例协作传输流程图。

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：

一种基于随机线性网络编码的通信基站，该通信基站包括发送路径电路， 配置来：使用上行链路多输入多输出下行链路控制信息DCI格式产生上行链 路许可；上行链路DCI格式包括具有用于两个传输块的每个的调制和编码方 案MCS值的MCS字段，该发送路径电路也配置来发送上行链路许可到用户站。 对于给定的传输块，对应于传输块的MCS值和分配给用户 站的物理资源块的正整数(N_PRB)的组合指示传输块是否被禁止；还包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存 储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括 程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，及处理第一接收机、第 二接收机的内容，所述输入设备执行一种操作通信基站的基于随机线性网络编 码方法，通信基站的网络网络包括一个信源节点S和N个信宿节点，包括初始 传输阶段和重传阶段，其中在初始传输阶段进行数据包的编码和广播、接收情 况的反馈以及转发节点的判定与更新；具体包括以下步骤：

步骤1、信源节点S对L个原始数据包P＝{P₁,P₂,…,P_L}进行随机线性网络编 码，生成编码数据包广播给N个信宿节点u＝{u_j|j∈{1,2,…,N}}，用和表示 信源节点S到信宿节点u_j和信宿节点u_i到信宿节点u_j的链路丢包率， i,j∈{1,2,…,N}；

步骤2、信宿节点用状态反馈矩阵E反馈接收情况，判断各信宿节点是否 接收到所有的编码数据包，传输是否完成，若已接收到所有的编码数据包，实 现解码，传输结束；若不能实现解码，则进入重传阶段；

在重传阶段，选取最小化重传次数下的状态转移路径，计算并选取最优转 发节点进行编码数据包的重传；具体包括步骤：

步骤3、将接收到所有编码数据包的信宿节点与信源节点存于转发节点集 合a＝{S,u_j}其中j∈{1,2,…,N}，更新转发集合；

步骤4、在S与u_j之间进行选择重传直至信息传输完毕，确定最小化重传次 数V并在最小重传次数V下进行动态规划状态转移过程，计算并获取最小重传 次数V下预计增益最大的状态转移路径，所述计算并获取最小重传次数V下预 计增益最大的状态转移路径，具体包括：

状态向量s_t＝[r₁ r₂…r_N]表示所有信宿节点当前的接收信息情况，r_j为信宿 节点u_j当前时刻状态反馈矩阵的秩的大小，为了最小化重传次数，将选取状态 转移过程转换为最短路径问题求解，将所有状态看作状态节点，并将通过一次 重传能到达的状态节点相连接，得到状态图，整个重传过程存在多种状态转移 路径，为最小化重传次数，则根据状态图计算由当前状态s_t＝[r₁ r₂…r_N]到达目 标状态s_d＝[L L L L]的最短路径；由上述可知，假定各状态节点之间为单位距离， 每经过一个节点，增加路径距离1，因此，所求最短路径距离大小等于最小重 传次数V，此时，存在W条路径通过V次传输可由初始状态s₁至目标状态s_d； 将单次转发节点存于操作集A^*；所述计算最优转发操作集A^*具体包括：从状态 s₁经历V次重传到达目标状态s_d，若存在多条最短路径，则由已确定的W条状 态转移路径，计算预计即时信息量X(s_t,a)，表示在状态s_t采取a操作时到达状 态s_t+1，各信宿节点预计能收到有效信息量的大小，进而计算V次重传所得 X(s_t,a)之和，即重传预计信息X(s_d|s₁,a)，计算并选取能带来最大预计信息量的 最优转发节点进行转发重传，操作集A^*由单次最优转发节点a^*所构成；

步骤5、每隔V个时隙，信宿节点反馈信息接收情况，更新信宿节点信息 接收情况，跳转至步骤2验证传输是否完成。

优选的，所述状态反馈矩阵为传输过程中信宿节点成功接收数据包后，在 接收端或中继处将生成L×L的状态反馈矩阵E,假定信宿节点u_j的状态反馈矩 阵为表示矩阵的秩，即u_j收到有效编码数据包数,当 表示该信宿节点收到所有数据包；当则需转发节点 重传编码数据包。,当所有信宿节点达到满秩状态，则收到所有信息，传输结 束，否则进入重传阶段。

一种基于随机线性网络编码的协作传输方法，其包括以下步骤：

步骤1.信源节点广播编码数据包。信源节点S对L个原始数据包P＝{P₁,P₂,…,P_L}进行随机线性网络编码，生成编码数据包广播给N个信宿节点 u＝{u_j|j∈{1,2,…,N}}；

步骤2.判定信息接收情况。信宿节点将各节点的接收情况以状态反馈矩 阵E的形式进行反馈，判断各信宿节点是否接收到所有的编码数据包，若已接 收到所有的编码数据包，实现解码，传输结束；若不能实现解码，则转跳至步 骤3；

步骤3.判断转发节点并更新转发节点集合。将接收到所有编码数据包的 信宿节点与信源节点存于转发节点集合a＝{S,u_j}其中j∈{1,2,…,N}，更新转发集 合；

步骤4.传输进入重传阶段，在在S与u_j之间选择转发节点，转发节点进行 重传直至信息传输完毕。由最大丢失端确定最小化重传次数V，再以求最短路 径的方法获取在最小重传次数V下的状态转移路径，最后计算并获取最小重传 次数V下预计增益最大的状态转移路径和最佳转发节点，并将单次最佳转发节 点存于操作集A^*。

步骤5.由于重传不可靠，经历V次重传后，仍可能不能完全解码。每隔V 个时隙，信宿节点将信息接收情况进行一次反馈，更新信宿节点信息接收情况， 跳转至步骤2验证传输是否完成。

优选的，所述步骤2中的相关定义与具体步骤为：

状态反馈矩阵为传输过程中信宿节点成功接收数据包后，在接收端或中继 处将生成L×L的状态反馈矩阵E以表示各信宿节点的编码数据包接收情况，如 下所示。假定信宿节点u_j的状态反馈矩阵为表示u_j收到有效编码 数据包数(即各编码向量之间线性无关)。当表示该信宿节点收 到所有编码数据包，可解码原始信息。当则需转发节点重传缺失 编码数据包。重传过程中，每成功接收一组线性无关编码向量，则增 加1，且对于所有信宿节点，当满足任意则传输完成。所有信宿 节点达到满秩状态，则收到所有信息，传输结束，否则转跳至步骤3。

优选的，所述步骤3中的具体步骤为：

将即收到所有编码数据包的信宿节点存储至转发节点集合 a。

优选的，所述步骤4中的相关定义与具体步骤为：

(1)计算最小化重传次数V

由于单位时隙仅传输一个编码数据包，则由最大信息丢失节点的丢包数来 确定最小化重传次数V。

V＝max(L-r_j)

(2)确定最小化重传次数下的状态转移路径

状态向量s_t＝[r₁ r₂…r_N]表示所有信宿节点当前的接收信息情况，r_j为信宿 节点u_j当前时刻状态反馈矩阵的秩的大小(即有效数据包数)。状态空间 s＝[s₁ s₂…s_d]包含所有可能存在的状态向量，其中目标状态s_d＝[L L L L]。

给定当前t时刻状态s_t＝s₁，期望目标状态为s_d，则t+1时刻可能到达的状态 s_t+1＝{s₁,s₂,…,s_d}。整个状态转移的过程，共存在d种状态，重传过程即为从初始 状态s₁至目标状态s_d的状态转移过程，转移过程中存在中间状态 s_p(p∈{2,3,…,d-1})，所求状态转移路径则为从初始状态s₁通过中间状态s_p在最小 重传次数下到达目标状态s_d的状态转移过程。

为了最小化重传次数，将选取状态转移过程转换为求最短路径问题。将所 有状态转化为状态节点，并将通过一次重传能到达的状态节点相连接，得到状 态图。整个重传过程存在多种状态转移路径，为最小化重传次数，则根据状态 图计算由状态s₁到达状态s_d的最短路径。

由上述可知，假定各状态节点之间为单位距离，每经过一个节点，增加路 径距离1，则增加重传次数1。因此，所求最短路径距离即最小重传次数V。 此时，存在W条路径通过V次传输可由初始状态s₁至目标状态s_d。通过计算， 若此时W＝1，则该路径为最小重传次数下的状态转移路径，若W≠1,则需综合 考虑各链路状态等因素确定最小重传次数下的状态转移路径。

(3)通过计算获取最优转发操作集A^*

增益函数表示在t时刻采取a操作，该转发节点能给信宿节点u_j提供有效 信息量的大小，记作h_j(t,a)。

其中，表示矩阵与矩阵E_a串联后得到的串联矩阵的秩的大小。状态转移概率P(s_t+1|s_t,u_j,a)为状态s_t到状态s_t+1采取a操作的各链路 丢包概率，r_t与r_t+1为状态s_t和状态s_t+1下信宿节点u_j反馈矩阵的秩的大小。

其中，

从状态s₁经历V次重传到达目标状态s_d，由已确定的W条状态转移路径， 计算预计即时信息量X(s_t,a)，表示在状态s_t采取a操作时到达状态s_t+1，各信宿 节点预计能收到有效信息量的大小。进而得出重传预计信息量X(s_d|s₁,a)，为V 次重传所得X(s_t,a)之和。通过对比各状态转移过程中所计算的预计信息量的大 小，选取能带来最大预计信息量的最优转发节点进行转发重传，操作集A^*由单 次最优转发节点a^*所构成。

a^*＝argmaxX(s_t,a)

由于重传不可靠，经历V次重传后，仍可能不能完全解码，此时跳转至步 骤2，直至所有信宿节点实现完全解码。

状态转移图用以展示传输过程中存在的多种状态转移路径。将所有状态看 作状态节点，并将通过一次重传能到达的状态节点相连接，得到状态转移示意 图。假定各状态节点之间为单位距离，每经过一个节点表示通过一次重传由当 前状态到达下一状态，转移路径增加1，重传次数增加1,。因此，所求最短路 径距离即最小重传次数V。从状态s₁经历V次重传到达目标状态s_d，由已确定 的最短路径下的状态转移路径，计算重传预计信息量，选取能带来最大预计信 息量的最优转发节点进行转发重传，得到转发操作集A^*。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术 人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡 本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推 理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范 围内。

Claims (2)

1.一种基于随机线性网络编码的通信基站，其特征在于，包括：该通信基站包括发送路径电路，配置来：使用上行链路多输入多输出下行链路控制信息DCI格式产生上行链路许可；上行链路DCI格式包括具有用于两个传输块的每个的调制和编码方案MCS值的MCS字段，该发送路径电路也配置来发送上行链路许可到用户站。对于给定的传输块，对应于传输块的MCS值和分配给用户

站的物理资源块的正整数(N_PRB)的组合指示传输块是否被禁止；还包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，及处理第一接收机、第二接收机的内容，所述输入设备执行一种操作通信基站的基于随机线性网络编码方法，通信基站的网络网络包括一个信源节点S和N个信宿节点，包括初始传输阶段和重传阶段，其中在初始传输阶段进行数据包的编码和广播、接收情况的反馈以及转发节点的判定与更新；具体包括以下步骤：

步骤1、信源节点S对L个原始数据包P＝{P₁,P₂,…,P_L}进行随机线性网络编码，生成编码数据包广播给N个信宿节点u＝{u_j|j∈{1,2,…,N}}，用和表示信源节点S到信宿节点u_j和信宿节点u_i到信宿节点u_j的链路丢包率，i,j∈{1,2,…,N}；

步骤2、信宿节点用状态反馈矩阵E反馈接收情况，判断各信宿节点是否接收到所有的编码数据包，传输是否完成，若已接收到所有的编码数据包，实现解码，传输结束；若不能实现解码，则进入重传阶段；

在重传阶段，选取最小化重传次数下的状态转移路径，计算并选取最优转发节点进行编码数据包的重传；具体包括步骤：

步骤3、将接收到所有编码数据包的信宿节点与信源节点存于转发节点集合a＝{S,u_j}其中j∈{1,2,…,N}，更新转发集合；

步骤4、在S与u_j之间进行选择重传直至信息传输完毕，确定最小化重传次数V并在最小重传次数V下进行动态规划状态转移过程，计算并获取最小重传次数V下预计增益最大的状态转移路径，所述计算并获取最小重传次数V下预计增益最大的状态转移路径，具体包括：

状态向量s_t＝[r₁ r₂ … r_N]表示所有信宿节点当前的接收信息情况，r_j为信宿节点u_j当前时刻状态反馈矩阵的秩的大小，为了最小化重传次数，将选取状态转移过程转换为最短路径问题求解，将所有状态看作状态节点，并将通过一次重传能到达的状态节点相连接，得到状态图，整个重传过程存在多种状态转移路径，为最小化重传次数，则根据状态图计算由当前状态s_t＝[r₁ r₂ … r_N]到达目标状态s_d＝[L L L L]的最短路径；由上述可知，假定各状态节点之间为单位距离，每经过一个节点，增加路径距离1，因此，所求最短路径距离大小等于最小重传次数V，此时，存在W条路径通过V次传输可由初始状态s₁至目标状态s_d；将单次转发节点存于操作集A*；所述计算最优转发操作集A*具体包括：从状态s₁经历V次重传到达目标状态s_d，若存在多条最短路径，则由已确定的W条状态转移路径，计算预计即时信息量X(s_t,a)，表示在状态s_t采取a操作时到达状态s_t+1，各信宿节点预计能收到有效信息量的大小，进而计算V次重传所得X(s_t,a)之和，即重传预计信息X(s_d|s₁,a)，计算并选取能带来最大预计信息量的最优转发节点进行转发重传，操作集A*由单次最优转发节点a*所构成；

步骤5、每隔V个时隙，信宿节点反馈信息接收情况，更新信宿节点信息接收情况，跳转至步骤2验证传输是否完成。

2.根据权利要求1所述的基于随机线性网络编码的通信基站，其特征在于，所述状态反馈矩阵为传输过程中信宿节点成功接收数据包后，在接收端或中继处将生成L×L的状态反馈矩阵E,假定信宿节点u_j的状态反馈矩阵为 表示矩阵的秩，即u_j收到有效编码数据包数,当表示该信宿节点收到所有数据包；当则需转发节点重传编码数据包。,当所有信宿节点达到满秩状态，则收到所有信息，传输结束，否则进入重传阶段。