CN110958078B - 一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法，包括如下步骤进行传输：步骤一、确定未编码的源分组和修复分组的发送概率，未编码的源分组发送概率为1‑f，修复分组的发送概率为f；步骤二、源节点以固定时隙向目的节点发送源分组，发送的分组为未编码的源分组或修复分组；步骤三、在目的节点将源分组解码恢复并有序地传输到上层；所述f为在分组发送时以随机概率生成0‑1之间的随机数。本发明的优点：由于通过采用随机流码，修复分组在发送的分组中随机插入，与现有技术中的确定插入相比，所提出的编码支持任意码率，可以在高损耗链路上使用。

Description

一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法

技术领域

本发明涉及流码传输领域，特别涉及一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法。

背景技术

与块码相比，流编码是能够减少有序传输时延的擦除码。下一代无线系统对低时延分组传输有越来越高的要求。在链路有损或者反馈链路具有长时延的情况下，用于恢复丢失分组的传统重传方法的效果不好。而分组级前向纠错码(forward-error correction,FEC)消除了反馈的影响，所以在上述这些情况下，FEC可能更合适。现有技术中，主要的前向纠错码有Reed Solomo码，喷泉码(fountain codes)和随机线性网络编码(random linearnetwork codes,RLNC)。

虽然上述编码方式可以实现比重传方案更高的吞吐量，但是由于块码的性质产生的解码时延会影响整体的性能，这种时延与块大小成比例。当解码完成时，所涉及的分组只能被完全传输到上层。由于某些应用对每个分组都要求低时延，所以可能影响用户在视频流等应用中的体验。

现有技术中有采用流式FEC码可用于解决该问题的。流式FEC旨在“平滑地”恢复源分组，而不是像在块码中那样完全恢复。修复分组由先前传输的分组编码形成后插入分组流中，可以在擦除之后立即恢复源分组。

虽然上述处理的编码在分组丢失少的情况下实现了低有序时延，但不能直接应用于高损耗环境中。因为修复分组以固定间隔插入，支持的最低码率为，即在发送一个源分组后发送一个修复分组。在丢包率接近0.5或更高的情况下，使用此方法将导致无限大的解码时延。在未来天-地-空综合网络中，稀疏分布于广阔区域的船只可能由安装在塔上的基站或卫星提供服务。由于远距离和高度动态的海域链路条件，分组传输可能有高损耗，现有技术中的传输方法将不适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于高损链路，实现低有序时延的面向高损链路的低时延流码分组传输方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法，包括如下步骤进行传输：

步骤一、确定未编码的源分组和修复分组的发送概率，未编码的源分组发送概率为1-f，修复分组的发送概率为f；

步骤二、源节点以固定时隙向目的节点发送源分组，发送的分组为未编码的源分组或修复分组；

步骤三、在目的节点将源分组解码恢复并有序地传输到上层；

所述f为在分组发送时以随机概率生成0-1之间的随机数。

进一步的，所述修复分组为从先前传输的未编码的分组中进行随机选择并线性组合的分组。

进一步的，所述步骤三中的有序传输过程被设置为，当有序传输的下一分组不具备以自然数递增的编号也不是上一分组的修复分组时则通过解码器进行缓冲下一接收分组并尝试解码，解码成功后将分组全部传输，该分组为缓冲分组，所述缓冲分组为无序源分组或修复分组。

进一步的，当目的节点即将接收的有序分组的编号等于以自然数递增的编号时，解码器停用，重新进行有序传输。

采用上述技术方案，由于通过采用随机流码，修复分组在发送的分组中随机插入，与现有技术中的确定插入相比，所提出的编码支持任意码率，可以在高损耗链路上使用。

附图说明

图1为本发明中编码过程中一个四字段分组头的图；

图2为本发明中DW为4的编码例子图；

图3为数值仿真结果中在ε＝0.5的条件下，不同f所对应的编码性能图；

图4为在不同ε下随机码和固定速率码的比较图；

图5为本发明中的方法步骤图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本具体实施方式披露了一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法，本具体实施例中通过采用一个具体建立的1个系统模型进行说明该传输方法，具体如下。

编码过程：

假设源节点S是以丢失概率为ε，通过伯努利擦除链路，将分组流传输到目的节点D。令s_i表示源分组，其中i(i≥0)是分组的编号，每个分组的大小都mK bit，并且由K个信息符号组成的向量表示，这些符号来自于大小为2^m的有限域

本具体实施例中构建了一个离散时间系统，每个时隙从S发送一个分组。在发送分组时，S随机确定是发送未编码的源分组还是修复分组。令i_seq表示最后一个发送的未编码源分组编号；初始化i_seq＝-1，S以1-f的概率发送

同时i_seq加一。修复分组表示为：

修复分组是i_seq之前的源分组的随机线性组合，并以f的概率发送出去。式(1)中，g_k，i是从

中选择的编码系数(coefficient vector,EV)，这里k＝0，1，2…是修复分组的编号。w_s表示最早进入发送队列的分组(原始分组)编号。初始化w_s＝0，根据D的反馈，当从队列中刷新原始分组时，w_s可能会更新，这部分下文会详细介绍。令w_e＝i_seq，[w_s，w_e]是修复分组的编码窗(encoding window,EW)。每个修复分组从先前传输的未编码分组中随机选择进行线性组合。参看图1中所示的四字段添加到每个分组头以指示分组的编号和相应的EW(如果它是修复分组)。使用伪随机数发生器(pseudo-random number generator,PRNG)来产生编码系数。PRNG的种子值在S和D之间达成一致。因此，编码系数不必在分组头中。

恢复和反馈过程：

在D处，源分组被解码恢复并有序地传输到上层。i_ord表示最新的有序传输分组编号，同时初始化i_ord＝-1。如果下一个接收的分组既不是

也不是具有w_e＝i_ord特性的修复分组，则有序传输被中断。系统将进入无序期，并且激活解码器以缓冲即将到来的接收分组并尝试解码。缓冲分组是无序源分组(即，编号大于i_ord+1)或修复分组，其中w_e＞i_ord+1。令

而

是修复分组编码窗口中的最大编号。

称为解码窗(decoding window,DW)。随着涉及的分组越来越多，窗口也会扩展(即，

增长)。参看，图2中表示了DW为4的编码例子。

使用动态高斯消元(on-the-fly Gaussian elimination,OF-GE)进行解码，逐步求解线性方程组AS＝B，其中A和B的行分别是编码系数和(编码的)信息符号。A中对应于无序源分组的行只有一个非零元素1。OF-GE在接收时处理分组并具有两个主要优点：1)在一段时间内分配计算，2)使解码器能够即时获取线性无关分组的数量信息以完成解码，其中所需线性无关分组的数量为

以解码4个分组为例，如图2所示，圆圈里的数字表示时隙，s_i+1和s_i+4分别在时隙1和时隙5时被擦除。在时隙3时，接收的修复分组的EV填充第一个行，在时隙6时，进行行操作之后填充第四个行，然后解码成功。

当解码成功时，DW中的分组全部被传输出去。有序传输以

重新开始，与此同时，解码器被停用。假设D可定期向S反馈2，根据反馈，S从发送队列中清除早于

的分组，并设置w_s＝i_ord。1因此，在接收到修复分组时，D可以释放比

更早的传输分组。尽管i_ord反馈有助于节省缓冲区大小并降低编解码成本，但流码不依赖于前向分组传输的反馈。也就是说，流码具有喷泉特性，同时反馈不影响有序传输的时延。

假设s_i在时间T_i未编码发送。令T_p为链路的传输时延。如果没有发生擦除，则分组经过T_i+T_p后到达D。将T_i+T_p称为假定到达(supposed-arrival,SA)时间。假设在T′_i＝T_i+T_p+D_i处有序传输分组。D_i被称为分组的有序传输的时延。

在本具体实施例中，通过如下方法对上述传输方法的性能进行分析：

以下为有序时延的性能分析：

表征时延的关键是分析无序期的持续时间，该时期从

的SA时间开始。令

表示DW的长度。d表示在窗口中收到的线性无关分组的数量。令X＝w-d，从X＝0(w＝d＝0)到X＝1(w＝1，d＝0)的瞬间开始无序期。当随机过程首次返回

X＝0时结束。通过伯努利擦除，X的演化可以被建模为birth-death马尔可夫链。“birth”对应于源分组传输但丢失的时间，其概率表示为:

“death”对应于以概率成功发送和接收(线性无关)修复分组的时间其概率表示为：

如果使用足够大的

每个X>0保持不变，接收到无序分组或修复分组丢失时的概率为(1-f)(1-ε)+fε。

X是引入马尔可夫链的G/G/1队列，其中到达间和服务时间分别遵循参数p和q的独立几何分布。然后，无序期等同于队列的繁忙时段，可用B表示，这是从第一个用户进入队列到队列再次变空的时隙数。当p<q(即，f>ε)时，X＝0是周期性的。

结论1：当f>ε时，B的均值和方差为：

证明：B的生成概率函数(probability generating function,PGF)可以通过将服务时隙视为分支过程的元素来确定。可以得到B的PGF：

G_B(x)＝G_SG_O(z) (6)

其中G_S(x)是服务时间的PGF，G_O(z)是包括源始在内所有分支过程的PGF。

可以得到：

G_O(z)＝zP(G_O(z)) (8)

这里P(z)是分支数量的PGF，表示为：

P(z)＝1-p+pG_S(z) (9)

这对应于分支(即服务)因没有到达而停止，其概率为1-p，或者以概率p继续。

B的PGF和瞬时值满足

这里

表示G_B(z)在z＝1时的r阶导数。已知G_B(1)＝G_S(1)＝G_O(1)＝P(1)＝1，对(6)-(9)求导，可以得到：

运用

和Var(B)＝E(B²)-(E(B))²来完成证明。

E{B}是最大有序时延的期望。还可以得出预期的有序时延。

结论2：有序时延的期望

证明：考虑在n个时隙期间发送的源分组所有经历的有序时延。发送的未编码分组的平均数量为n(1-f)。在无序期内仅发送的源分组存在有序时延。令N(n)为一段时间内无序期的数量，B₁B₂…B_N(n)表示这些时期的持续时间。在对应B_j的DW中所有遍历的和上界为

因此，

当n→∞，

是无序期出现的概率。根据更新理论，时间的

是无序的，无序期的开始时间为

可知

式(12)得证。

显然，上下界的紧密度与无序期传输修复分组数量的期望成反比，期望

以下为完成时间和吞吐量的性能分析：

假设S总是有一个要发送的源分组，

总存在。s_i传输的时间期望为：

其中

是当s_i未编码时，从0时刻开始的等待时间。因为有序传输时延是有限的，所以E{D}＜∞。当f＜ε，会一直保持这样的状态。在D处的两个分组的完成时间期望为：

完成时间是从D的上层观测到的吞吐量G的倒数，即

G＝1-f (15)

只要f＞ε，吞吐量就只与f有关。传输的最大吞吐量为1-ε(假设零成本无损反馈)。因此，f在时延和吞吐量之间作权衡。其中，当最大有序的阶是f-ε的乘法逆时，吞吐量在f中的损失是线性的。当f→ε⁺时，吞吐量最大，但有序传输时延接近无限大。

以下对解码复杂度进行分析：

解码复杂度由DW的宽度决定。OF-GE的计算复杂度在DW宽度上是三次的。由于无序期始终由丢失的源包触发，因此DW宽度等于1加上在无序期发送的源包的数量，即

E{w}＝1+E{B}(1-f) (16)

数值和仿真结果的性能分析：

在本实施例中展示了所提出流码的数值和模拟结果。在整个部分中，使用

进行编码。在图3中，展示了在ε＝0.5的条件下，不同f所对应的编码性能。对于这样的链路，确定性地插入修复分组(码率为1/2)的时延期望是无限大的。而本实施例中也示出了随机流码的E(B)(以及标准差

)，E{D}和E{w}。模拟超过100次试验，每次试验流式传输10000个源分组。可以看到流码实现了有限的有序时延，并且时延随着f的增加而减小。这表明流码在高损的环境中是有效的。B和DW的模拟准确地匹配上述的分析，如果

很小，则E{D}界限很小。

在图4中，在不同的ε对随机码与现有技术中提出的固定间隔码进行比较。设置f＝ε+0.1，这对应E{B}＝10。固定间隔码每1和2个源分组插入一个修复分组，分别对应于码率1/2和2/3。这些码导致擦除概率的有限有序时延分别高达0.5和0.33。有限的有序时延总是通过增加随机码的f来实现，而固定间隔码的那些在1-ε接近码率时飙升。例如，对于码率2/3时，参考ε＝0.3时的E{D}，其中每两个源分组插入一个修复分组。参看图3，为在ε＝0.5时,不同f下的代码性能。

随机码在ε较小的情况下性能不如固定间隔码。例如，f＝0.5时的流码与ε＝0.4处码率为1/2固定区间码的吞吐量相同，但是固定间隔码的E{B}和E{D}较低。这主要是由于随机插入修复分组时的随机变化。

尽管该码是为伯努利擦除而设计的，但也模拟了在Gilbert Elliott突发擦除通道中的编码性能。突发通道有两种状态，好(Good)和坏(Bad)，丢包率分别为0和1。状态转移概率分别是p_G2B和p_B2G。平均丢包率为

综上所述可以得出如下结论：1)随机码也会导致突发链路中的有序时延；2)即使平均丢包率与伯努利情况相同，突发擦除也会对时延产生负面影响，即有序时延更高；3)不同的突发模式可能导致不同的时延。通过随机插入修复分组可以实现有限的有序传输时延。该方法可以直接用于丢包概率大于0.5的链路，而现有的固定间隔码并不适用。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法，其特征在于，包括如下步骤进行传输：

步骤一、确定未编码的源分组和修复分组的发送概率，未编码的源分组发送概率为1-f，修复分组的发送概率为f；

步骤二、源节点以固定时隙向目的节点发送源分组，发送的分组为未编码的源分组或修复分组；

步骤三、在目的节点将源分组解码恢复并有序地传输到上层；所述步骤三中的有序传输过程被设置为，当有序传输的下一分组不具备以自然数递增的编号也不是上一分组的修复分组时则通过解码器进行缓冲下一接收分组并尝试解码，解码成功后将分组全部传输，该分组为缓冲分组，所述缓冲分组为无序源分组或修复分组；

所述f为在分组发送时以随机概率生成0-1之间的随机数。

2.根据权利要求1所述的一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法，其特征在于，所述修复分组为从先前传输的未编码的分组中进行随机选择并线性组合的分组。

3.根据权利要求1所述的一种面向高损链路的低时延流码分组传输方法，其特征在于：当目的节点即将接收的有序分组的编号等于以自然数递增的编号时，解码器停用，重新进行有序传输。

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