CN113852569B - 利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法,包括：在发送端通过滞后的反馈信息更新未确认的数据包集，估计信道的丢包率，并估计接收端的译码队列状态；在信道空闲的时隙，如果接收端队列非空的概率超过系统设定的阈值，发送端则生成并发送编码包；编码包包含多个未确认的数据包，用于克服信道差错带来的数据包丢失；通过对数据包加权筛选，使后到的数据包优先被选入编码包；通过调整数据包入选概率参数，灵活实现数据新鲜度与传输效率的权衡。本发明通过在后到先服务的传输规则下，引入选择性数据包编码，并设定编码包发送阈值，实现在几乎不损失数据新鲜度的前提下，提高传输效率与信息包到达率，并降低接收端信息冗余。

Description

利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法

技术领域

本发明属于无线通信标准化进程领域，尤其涉及一种利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法。

背景技术

近年来，数据新鲜度成为很多通信应用的主要性能指标之一，如车联网通信、遥感数据收集和控制系统通信等。数据新鲜度一般通过信息的平均年龄与峰值年龄来衡量。在某一时隙的信息年龄为当前时间减去接收端收到的最新的数据的生成时间。传统的先到先服务(first-come-first-served,FCFS)的数据包队列原则难以满足接收端对数据新鲜度的要求。现有研究表明，在瞬时反馈信息存在的前提下，抢占式最后生成先服务(thepreemptive LGFS policy,pLGFS)的队列原则可以同时实现最优的数据新鲜度、最大的传输效率和最大吞吐量。然而，瞬时反馈在实际网络中是很难实现的。在反馈信息滞后的条件下，由于不能及时确认信息包的接收状态，pLGFS的队列原则指导下的发送端会重复发送最后生成的数据包，直至被新生成的数据包抢占信道或收到反馈确认信息。过多的冗余副本不仅导致传输速效率降低，还侵占了其它数据包的传输资源，导致数据包到达率降低。另一方面，若不发送副本，则不能保证数据包及时到达接收端，导致数据新鲜度与数据包到达率降低。

在反馈信息滞后的条件下，网络编码可以有效地提高传输效率和信息包到达率。其主要思想是：在不能明确数据包接收状态的情况下，发送多个数据包的线性组合，接收端可以根据已经收到的数据包和编码包，通过求解线性方程来恢复被信道删除的数据包。现有网络编码技术主要可以归类为：分组网络编码和移动窗口网络编码。然而，这两种网络编码都是基于FCFS的队列原则，以提高传输效率或降低端到端通信时延为目标，难以满足接收端对数据新鲜度的要求。除此以外，如何最大化利用滞后的反馈信息来提升通信性能还不明确。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法,通过滞后的反馈信息来估计信道的丢包率和接收端的队列非空概率，结合现有的pLGFS队列原则与网络编码技术，解决现有传输技术难以同时满足数据新鲜度和传输效率的难题的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，具体包括如下步骤：

步骤1、传输开始前，根据应用要求设置系统参数，包括：编码包发送阈值γ，0≤γ≤1，数据包编码选择权重系数β，β≥0，信道估计的折现因子α，0<α<1，通过调整编码包发送阈值γ和数据包编码选择权重系数β实现数据新鲜度、传输效率和信息包到达率之间的权衡；

步骤2、传输开始时，发送端初始化未确认数据包集为空集，信道丢包率预估值p；若有数据包到达发送端，发送端则立即发送该数据包，并将该数据包存入发送端缓存空间，将该数据包ID加入未确认数据包集；若没有数据包到达发送端，则在接收端队列非空的概率大于或等于编码包发送阈值γ时，发送编码包；在接收端队列非空的概率小于编码包发送阈值时，发送端保持沉默以减少通信资源消耗；

步骤3、当接收端成功接收数据包时，则立即将数据包上传至应用层，并向发送端发送该数据包确认信息，反馈信息在T时刻后到达发送端；

步骤4、在当前时间t≥T的情况下，当发送端收到某数据包的确认信息，则将该数据包从发送端缓存空间和未确认数据包集移除，并将其ID从未确认数据包集中删除；在该数据包之前发送的数据包和编码包，若没有收到确认信息，则默认为已丢失；

步骤5、在当前时间t≥T的情况下，发送端根据滞后的反馈信息更新译码状态；如果确认接收的信息包中包含编码包，则通过编码包包含的数据包信息判断接收端的译码状态，将确定可以译码的数据包从缓存空间和未确认数据包集移除；

步骤6、在当前时间t≥T的情况下，发送端根据已经确认接收状态的信息包,更新信道丢包率的估计值：其中，/>为新确认丢失的信息包数量除以所有新确认接收状态的信息包数量；

步骤7、如果当前时隙有新的数据包到达，则立即发送信息包；如果没有信息包到达，则根据反馈信息，以及已发送而未确认的信息包，计算接收端的译码队列非空的概率，记为P_d，若P_d>γ,则从未确认数据包集中选择数据包并生成随机编码的编码包，发送编码包；

步骤8、当接收端成功接收数据包，重复步骤3；当接收端成功接收编码包，则向发送端发送该编码包的确认信息，并通过高斯消元法对数据包进行译码；将译出的数据包上传至应用层，并将仅包含译出数据包的编码包从接收端缓存空间移除；

步骤9、重复步骤5-8至数据传输结束。

进一步的，步骤1中通过调整系统参数实现数据新鲜度、传输效率和信息包到达率之间的权衡具体方法是期望的接收端的数据新鲜度随着γ的增大和β的减小提升，期望的接收端冗余信息随γ的增大和β的减小而增加，期望的数据包到达比率随着γ和β的减小而提升。

进一步的，若未确认数据包集中包含N个数据包，根据滞后的反馈信息判断接收端已接收d个相关编码包，当前时刻之前已发送k个未确认的信息包，若N>d+k,则P_d＝1；若N≤d+k，则P_d为：

进一步的，若未确认数据包集中包含N个数据包，按照其生成时间排序，则第i个生成的数据包被选择的概率为：

w_i＝exp(-(N-i)β)。

进一步的，若发送端从未确认数据包集中选择了M个数据包，记为x₁，…,x_M,则编码包为其中c_m为从有限域中随机选择的编码系数。

进一步的，若发送端从未确认数据包集中选择了M个数据包，并采用二进制的异或编码，则发送编码包

本发明的利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，具有以下优点：

1、本方法能够充分利用滞后的反馈信息，对信道丢包率和接收端的译码状态做出估计，并依此确定发送端的传输策略，在保证接收端的数据新鲜度的同时大幅提升传输效率和数据包到达率。

2、本方法能够可以通过调整系统参数灵活实现数据新鲜度和传输效率的权衡，适用于不同的应用场景以及差异化的通信需求。

3、本方法所需要估计的网络参数较少，仅通过简单迭代粗略地估计信道的丢包率，在不同特性的通信信道中具有较好的鲁棒性，并适用于不同的数据包生成过程。

附图说明

图1为本发明实施例的发送端传输与编码过程示例示意图；

图2为本发明实施例的生成编码包的示意图；

图3是本发明实施例的数据包编码与传输方案流程示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法做进一步详细的描述。

本发明适用于反馈信息滞后的通信网络，发送端根据滞后的反馈信息更新未确认数据包集、更新信道丢包率的估计值、以及估计接收端译码队列非空的概率；为保证数据新鲜度，新到达的数据包会被立即发送；在信道空闲时隙，发送端基于预估的接收端队列非空概率与系统设置阈值的比较决定是否发送编码包；发送端从未确认数据包集(Unacknowledged Data Packet Set,UDPS)中选择部分数据包生成线性编码包，通过加权使得后生成的数据包被优先选择；发送端通过调整数据包选择的加权系数实现接收端数据新鲜度和系统传输效率的权衡。

本发明具体包括如下步骤：

步骤1、传输开始前，根据应用要求设置系统参数，包括：编码包发送阈值γ，0≤γ≤1，数据包编码选择权重系数β，β≥0，信道估计的折现因子α，0<α<1，通过调整编码包发送阈值γ和数据包编码选择权重系数β实现数据新鲜度、传输效率和信息包到达率之间的权衡。其中，期望的接收端的数据新鲜度随着γ的增大和β的减小提升，期望的接收端冗余信息随γ的增大和β的减小而增加，期望的数据包到达比率随着γ和β的减小而提升。信道估计的折现因子α应随着信道变化速度增加而下降。当γ＝1且β为无穷大时，上述传输方法等同于传统pLGFS原则。

步骤2、传输开始时，发送端初始化未确认数据包集为空集，信道丢包率预估值p；若有数据包到达发送端，发送端则立即发送该数据包，并将该数据包存入发送端缓存空间，将该数据包ID加入未确认数据包集；若没有数据包到达发送端，则在接收端队列非空的概率大于或等于编码包发送阈值γ时，发送编码包；在接收端队列非空的概率小于编码包发送阈值时，发送端保持沉默以减少通信资源消耗；

步骤3、当接收端成功接收数据包时，则立即将数据包上传至应用层，并向发送端发送该数据包确认信息，反馈信息在T时刻后到达发送端；

步骤4、在当前时间t≥T的情况下，当发送端收到某数据包的确认信息，则将该数据包从发送端缓存空间和未确认数据包集移除，并将其ID从未确认数据包集中删除；在该数据包之前发送的数据包和编码包(数据包包含原始数据，编码包是由数据包通过线性编码获得，数据包和编码包统称为信息包)，若没有收到确认信息，则默认为已丢失；

步骤5、在当前时间t≥T的情况下，发送端根据滞后的反馈信息更新译码状态；如果确认接收的信息包中包含编码包，则通过编码包包含的数据包信息判断接收端的译码状态，将确定可以译码的数据包从缓存空间和未确认数据包集移除；

步骤6、在当前时间t≥T的情况下，发送端根据已经确认接收状态的信息包,更新信道丢包率的估计值：其中，/>为新确认丢失的信息包数量除以所有新确认接收状态的信息包数量；其中折现系数α随信道动态增加而减小，赋予临近时隙内的丢包率在丢包率估计中更大权重。

步骤7、如果当前时隙有新的数据包到达，则立即发送信息包；如果没有信息包到达，则根据反馈信息，以及已发送而未确认的信息包，计算接收端的译码队列非空的概率，记为P_d，若P_d>γ,则从未确认数据包集中选择数据包并生成随机编码的编码包，发送编码包；通过系统参数β调整未确认数据包中数据包的选择概率，赋予后生成的数据包具更大的编码选择概率。

具体地，若未确认数据包集中包含N个数据包，根据滞后的反馈信息判断接收端已接收d个相关编码包，当前时刻之前已发送k个未确认的信息包，若N>d+k,则P_d＝1；若N≤d+k，则P_d为：

按照其生成时间排序，则第i个生成的数据包被选择的概率为：

w_i＝exp(-(N-i)β)。

若发送端从未确认数据包集中选择了M个数据包，记为x₁，…，x_M，则编码包为其中c_m为从有限域中随机选择的编码系数。为了降低编码复杂度，亦可采用二进制的异或编码，即发送编码包/>

所述利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法中的信道估计方法适用于不同信道，信道估计的折现因子α应随着信道变化速度增加而下降。当信道变化较慢时，可采用较大的折现因子，如α∈[0.9,1)。

所述利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法可适用于反馈时延波动或反馈信道不可靠场景，发送端从反馈信息中提取其对应的信息包ID，从而确定对应信息包的ID。在此之前发送而未确认的信息包则默认为丢失。若反馈信息丢失，亦默认为信息包丢失。

所述利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法可以适用于不同的数据包生成过程，一般认为数据包生成过程与传输方法互相独立。若应用中的数据包生成过程可控，则可联合优化数据包的生成频率与所述方案中的系统参数，即编码包发送阈值γ，和数据包编码选择权重系数β。

所述利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法可以通过定期清理UDPS来控制编码复杂度。当UDPS中的数据包ID超过一定数量时，可以通过丢弃生成时间较早的部分数据包来限制编码范围。同等地，接收端从其缓存空间中删除仅包含较早生成的数据包的编码包。

步骤8、当接收端成功接收数据包，重复步骤3；当接收端成功接收编码包，则向发送端发送该编码包的确认信息，并通过高斯消元法对数据包进行译码；将译出的数据包上传至应用层，并将不包含未译出数据包的编码包从接收端缓存空间移除；

步骤9、重复步骤5-8至数据传输结束。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。

图1是本发明第一实施例所提及的发送端传输与编码过程以及接收端译码过程示例示意图。其中

信息包传输时间记为一个时隙，反馈信息时延为T个时隙，即：若第i个时隙发送的信息包被成功接收，其确认信息将在第(i+T+1)个时隙刚开始时到达发送端。这里假设反馈时延T＝2。为了便于说明，这里假设每个时隙最多到达一个数据包，且在时隙开始时到达。假设信道丢包率预估为0.2。

传输开始前，根据应用要求设置系统参数，包括：编码包发送阈值γ＝0.5，数据包编码选择权重系数β＝0.5，信道估计的折现因子α＝0.9。

在第1个时隙开始时，数据包x₁到达发送端。发送端立即发送x₁，并将其ID加入未确认数据包集，即UDPS＝{1}。数据包x₁被信道删除，接收端无任何操作。

在第2个时隙开始时，数据包x₂到达发送端。发送端立即发送x₂，并将其ID加入未确认数据包集，即UDPS＝{1,2}。在第二个时隙结束时，接收端成功接收x₂，并向发送端反馈确认信息。此时，接收端最新数据生成于第2个时隙开始，信息年龄为1个时隙。

在第3个时隙开始时，没有新的数据包到达发送端。发送端计算接收端队列非空的概率P_d。此时，未确认数据包数量为N＝2，确认发送的相关信息包数量为d＝0,已发送未确认的信息包数量为k＝2。预估信道丢包率为p＝0.2,根据公式(1)可以得到P_d＝0.36<γ,发送端选择不发送编码包。接收端的信息年龄变为2个时隙。

在第4个时隙开始时，数据包x₃到达发送端。发送端立即发送x₃，并将其ID加入未确认数据包集，即UDPS＝{1，2,3}。在第四个时隙结束时，接收端成功接收x₃，并向发送端反馈确认信息。此时，接收端最新数据生成于第4个时隙开始，信息年龄为1个时隙。

在第5个时隙开始时，没有新的数据包到达发送端。发送端收到数据包x₂的确认信息，默认数据包x₁丢失。更新丢包率为p＝α*p+(1-α)*0.5＝0.23。更新未确认信息包集为UDPS＝{1,3}。此时，未确认数据包数量为N＝2,确认发送的相关信息包数量为d＝0,已发送未确认的信息包数量为k＝1。由于N>d+k,可得P_d＝1>γ。发送端将发送编码包。编码包生成过程如图2所示。其中，从数据包编码选择权重系数β＝0.1可以得到选择x₁和x₃的概率分别为0.6065和1。这里假设采用异或编码，发送端发送接收端通过已经接受的数据包x₃与编码包可以得到数据包x₁。

在第6个时隙开始时，数据包x₄到达发送端。发送端立即发送x₄，并将其ID加入未确认数据包集，即UDPS＝{1,3,4}。数据包x₄被信道删除，接收端无任何操作。

在第7个时隙开始时，没有新的数据包到达发送端。发送端收到数据包x₃的确认信息，更新丢包率为p＝α*0.23+(1-α)*0＝0.207。更新未确认信息包集为UDPS＝{1,4}。此时，未确认数据包数量为N＝2,确认发送的相关信息包数量为d＝0,已发送未确认的信息包数量为k＝2。可以计算接收端队列非空的概率P_d＝0.3712<γ。发送端选择不发送编码包。接收端信息年龄为3个时隙。

在第8个时隙开始时，数据包x₅到达发送端。发送端立即发送x₅，并将其ID加入未确认数据包集。发送端收到编码包的确认信息，判断接收端可以译出x₁，将其ID从UDPS中移除，得到UDPS＝{4,5}。在第八个时隙结束时，接收端成功接收x₅，并向发送端反馈确认信息。此时，接收端最新数据生成于第8个时隙开始，信息年龄为1个时隙。

在第9至14个时隙内，发送端传输与编码过程以及接收端译码过程如图1所示。在上述1-14个时隙中，平均信息年龄为1.857个时隙，传输效率为1，即接收端没有收到任何冗余信息。

图2是本发明实施例提供的生成编码包的示意图。如果发送端根据反馈信息判断需要发送编码包，则从UDPS中根据编码选择权重系数β选择数据包进行编码。具体地，若UDPS中包含N个数据包，按照其生成时间排序，根据公式(2)计算数据包入选编码包的概率，再通过生成随机数来确定入选的数据包，编码包由入选数据包乘以随机编码系数再求和得到。编码系数一般从有限域中选择。若采用异或编码，则编码系数则全部为1。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、传输开始前，根据应用要求设置系统参数，包括：编码包发送阈值γ，0≤γ≤1，数据包编码选择权重系数β，β≥0，信道估计的折现因子α，0<α<1，通过调整编码包发送阈值γ和数据包编码选择权重系数β实现数据新鲜度、传输效率和信息包到达率之间的权衡；

步骤2、传输开始时，发送端初始化未确认数据包集为空集，信道包丢失率预估值p；若有数据包到达发送端，发送端则立即发送该数据包，并将该数据包存入发送端缓存空间，将该数据包ID加入未确认数据包集；若没有数据包到达发送端，则在接收端队列非空的概率大于或等于编码包发送阈值γ时，发送编码包；在接收端队列非空的概率小于编码包发送阈值时，发送端保持沉默以减少通信资源消耗；编码包是由数据包通过线性编码获得的；

步骤3、当接收端成功接收数据包时，则立即将数据包上传至应用层，并向发送端反馈该数据包的反馈信息，反馈信息在T时刻后到达发送端；

步骤4、在当前时间t≥T的情况下，当发送端收到某数据包的反馈信息，则将该数据包从发送端缓存空间和未确认数据包集移除，并将其ID从未确认数据包集中删除；在该数据包之前发送的数据包和编码包，若没有收到反馈信息，则默认为已丢失；

步骤5、在当前时间t≥T的情况下，发送端根据滞后的反馈信息更新译码状态；如果确认接收的信息包中包含编码包，则通过编码包包含的数据包信息判断接收端的译码状态，将确定可以译码的数据包从发送端缓存空间和未确认数据包集移除；

步骤6、在当前时间t≥T的情况下，发送端根据已经确认接收状态的信息包,更新信道丢包率的估计值：其中，/>为新确认丢失的信息包数量除以所有新确认接收状态的信息包数量；信息包为数据包和编码包；

步骤7、如果当前时隙有新的数据包到达，则立即发送数据包；如果没有数据包到达，则根据反馈信息，以及已发送而未确认的信息包，计算接收端的译码队列非空的概率，记为P_d，若P_d>γ,则从未确认数据包集中选择数据包并生成随机编码的编码包，发送编码包；

步骤8、当接收端成功接收数据包，重复步骤3；当接收端成功接收编码包，则向发送端发送该编码包的反馈信息，并通过高斯消元法对数据包进行译码；将译出的数据包上传至应用层，并将仅包含译出数据包的编码包从接收端缓存空间移除；

步骤9、重复步骤5-8至数据传输结束。

2.根据权利要求1所述的利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，其特征在于，步骤1中通过调整系统参数实现数据新鲜度、传输效率和信息包到达率之间的权衡具体方法是期望的接收端的数据新鲜度随着γ的增大和β的减小提升，期望的接收端冗余信息随γ的增大和β的减小而增加，期望的数据包到达比率随着γ和β的减小而提升。

3.根据权利要求1所述的利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，其特征在于，若未确认数据包集中包含N个数据包，根据滞后的反馈信息判断接收端已接收d个相关编码包，当前时刻之前已发送k个未确认的信息包，若N>d+k,则P_d＝1；若N≤d+k，则P_d为：

4.根据权利要求3所述的利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，其特征在于，若未确认数据包集中包含N个数据包，按照其生成时间排序，则第i个生成的数据包被选择的概率为：

w_i＝exp(-(N-i)β)。

5.根据权利要求4所述的利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，其特征在于，若发送端从未确认数据包集中选择了M个数据包，记为x₁,…,x_M,则编码包为其中c_m为从有限域中随机选择的编码系数。

6.根据权利要求4所述的利用滞后反馈信息的数据包编码与实时传输方法，其特征在于，若发送端从未确认数据包集中选择了M个数据包，记为x₁,…,x_M,采用二进制的异或编码，即发送编码包