CN115776468A - 一种提高频谱效率的数据包封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种提高频谱效率的数据包封装方法，该方法将每个数据包中的数据单元DU划分为三部分：PCDU、GCDU和CCDU，其中PCDU通过数据包的长度选择传递；GCDU用于将所有数据包分成子组，GCDU只被封装到该组第一个数据包中，CCDU则按照传统方式在物理信道中传输。本发明移除掉的GCDU和PCDU的传输不需要消耗额外的通信资源，从而大大节省通信资源；且采用基于二叉搜索树方法对每个子组的GCDU进行设计，使频谱效率得到了有效提高。

Description

一种提高频谱效率的数据包封装方法

技术领域

本发明涉及传输层数据封装技术，尤其涉及一种利用数据包长度排列及分组提高频谱效率的数据包封装方法。

背景技术

为了提供端到端的超可靠、低时延、高速率链路，学术界开展了大量的研究来提高频谱效率，其中，基于排列的传输是一个重要的概念，它利用所激活单元的索引来传递额外的信息比特，包括发射天线、子载波和时隙等，这样，这些信息比特的传输不消耗任何通信资源，以较低的硬件复杂度成本大大提高了频谱效率。基于排列的传输思想起源于物理层，随后被扩展至传输层，例如，将应用层数据的一部分不直接封装到数据包中，而是映射到数据包传输的时隙索引上，或映射到一组待传输数据包的长度排列上。近年来，一种基于数据包配对分组的新方法被提出，将每个数据包划分出固定长度的比特，若两数据包所包含的这部分比特相同，则将两数据包配对传输，该部分比特只需传输一次，从而节省频带资源。然而，该方法所划分的比特长度固定，而不能根据实际数据进行针对性调整，导致频谱效率的提升仍存在局限性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种利用数据包长度排列及分组提高频谱效率的数据包封装方法。

本发明的技术解决方案是：

一种数据包封装方法，其步骤包括：

1)应用层数据被分解为N个数据单元DU，将数据单元DU添加长度为L_H的包头封装成数据包，第n个数据包由包头u_n和DUv_n组成，表示为：

s_n＝[u_n，v_n]，n＝1，2，…，N

2)数据单元DU分成三部分，即PCDU，GCDU和CCDU，其中PCDU通过数据包的长度选择传递；GCDU用于将所有数据包分成子组，GCDU只被封装到该组第一个数据包中，CCDU则按照传统方式在物理信道中传输，即

v_n＝[v_PC，n，V_GC，n，v_CC，n]

其中v_PC,n,v_GC,nv_CC,n分别表示PCDU，GCDU和CCDU，v_PC,n的长度为log₂K比特，该部分数据不被封装进数据包，而是映射到包含K个元素的数据集{L₀,L₁,…L_K-1}中，用于指定w_n＝[v_GC,n,v_CC,n]的长度；

3)数据包的长度L_H+L_k写入包头u_n中，通过长度选择所携带的PCDU比特数为T_PC＝Nlog₂K；

4)设GCDU将N个数据包分组分成了M组，使每组共享相同的v_GC,n，第m组中数据包的个数记为Φ^(m)，则第m组中实际需要被封装进数据包的DU表示为

其中#1，#2，…，#Φ^(m)表示数据包发送顺序，令p^(m)表示第m组GCDU的长度，则移除掉的GCDU数量为

5)经过以上PCDU数据映射、GCDU分组并部分移除的过程后，第m组中数据包实际传输的内容为：

6)对于接收到的数据包

通过其包头

中记录数据包长度的字段获得该数据包的原始长度L_H+L_k，如果实际接收数据包的长度等于L_H+L_k，则该数据包为其所在的第m组中的第一个数据包，即#j＝#1；如果实际接收长度等于L_H+L_k-p^(m)，则将向量

插入回该数据包，恢复GCDU+CCDU长度L_k，得到数据包的PCDU部分。

进一步，每个数据包中GCDU的长度由如下基于二叉搜索树的算法确定：

a)定义根节点所在层为第0层，该节点是一个包含N个向量的集合，表示为

其中向量w_n＝[v_GC,n,v_CC,n]为第n个初始DU移除PCDU后的剩余部分，将该层中GCDU长度设置为0，根据根每个向量的第一个比特，根节点

进一步分解成两个节点，分别表示为

和

这两个节点构成二叉树的第一层，其中

包含所有第一个比特为0的向量，

包含所有第一个比特为1的向量，按照上述方式，该二叉树将不断向下生长；

b)第h层的节点由第h-1层的节点根据其所包含向量的第h个比特分解得到，如果某节点中全部向量的第h个比特均相同，则该节点不分解，而是在第h层只生成一个子树，将第h层的第i个节点记为

则它是根节点

的一个子集，且满足i≤2^h，规定第h层的GCDU长度为h；

c)将节点

中包含的向量个数记为

该节点中全部向量被移除掉的总比特数为

规定某节点停止生长的条件为：当前节点移除可以移除的总比特数不低于它的全部子树所能移除掉的总比特数，根据此规则，若某节点分解为两棵子树，且该节点所包含向量数满足

则该节点不再继续分解，而是成为叶节点；当所有节点都不再生长时，二叉搜索树构造结束，此时每个叶节点即为一个分组，该组中的GCDU向量由根节点到该叶节点路径下的比特组成，若叶节点位于第h层，则该分组的GCDU长度为h。

本发明提出的方法与现有技术相比的优点在于：

1)本发明将数据包长度映射与通过数据包分组实现的比特共享有机结合在一起，从而大大节省通信资源。

2)本发明对数据包分组的数据，即每个数据包的GCDU向量，其长度不是固定的，而是根据给定的待传输数据包进行针对性设计，更充分的利用了包头中所包含的长度信息，使频谱效率获得进一步提高。

3)本发明针对GCDU设计采用基于二叉搜索树方法，该方法复杂度低，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明发端数据包封装过程示意图；

图2为本发明收端数据提取过程示意图；

图3为本发明具体实施例中PCDU映射过程示意图；

图4为本发明具体实施例中GCDU分组过程示意图；

图5为本发明具体实施例所获得的频谱效率增益仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

经典的计算机网络五层模型包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。在传输层，应用层数据被分解为数据单元DU，每个DU会添加长度为L_H的包头进一步被封装成数据包，包头中通常含有数据包传输序列号、包长、源地址、目的地址等信息。假设有N个待传输数据包，第n个数据包由包头u_n和DUv_n组成，表示为：

s_n＝[u_n，v_n]，n＝1，2，…，N

本发明所提出的数据包封装过程如图1所示。具体来说，每个DU被进一步分成三部分，即对于一组数据包，将每个数据包的数据单元(DU)分为三个部分：PCDU、GCDU和CCDU，分别用符号表示为v_PC,n,v_GC,nv_CC,n，其中PCDU通过该数据包的长度选择来传递；GCDU用于将所有数据包分成子组，GCDU只被封装到该组第一个数据包中，而在其他数据包可以省略；CCDU则按照传统方式在物理信道中传输。由此可见，移除掉的GCDU和PCDU的传输不需要消耗额外的通信资源，具体步骤如下：

(1)PCDU映射

假设共有K种可供选择的数据包长度{L₀,L₁,…L_K-1}，PCDU向量v_PC,n的长度为log₂K比特，该部分数据不被封装进数据包，而是映射到数据集{L₀,L₁,…L_K-1}中，用于指定GCDU和CCDU向量w_n＝[v_GC,n,v_CC,n]的总长度，之后，该数据包的长度L_H+L_k将被写入包头u_n中。

(2)GCDU分组

GCDU向量用于将N个数据包分组，同一组中数据包的v_GC,n部分相同。这样，只需将GCDU封装进每组的第一个数据包，其余数据包的GCDU可以移除掉。假设N个数据包被分成了M组，第m组中数据包的个数记为Φ^(m)，则第m组中实际需要被封装进数据包的DU可以表示为

其中#1，#2，…，#Φ^(m)表示数据包发送顺序。令p^(m)表示第m组GCDU的长度，则移除掉的GCDU数量为

(3)数据包封装与传输

经过以上PCDU数据映射、GCDU分组并部分移除的过程后，第m组中数据包实际传输的内容可以表示为：

(4)在接收端，数据抽取过程如图2所示，对于某个接收到的数据包

可以通过其包头

中记录数据包长度的字段获得该数据包的原始长度L_H+L_k，如果实际接收数据包的长度等于L_H+L_k，则说明该数据包为其所在的第m组中的第一个数据包，即#j＝#1；如果实际接收长度等于L_H+L_k-p^(m)，则需要将向量

插入回该数据包。最后，根据恢复出的GCDU+CCDU长度L_k，可以还原该数据包的PCDU部分，这样接收端便完成了整个译码过程。

此外，本发明提出了一种基于二叉搜索树的算法对每个子组的GCDU进行设计，从而进一步促进频谱效率的提高。给定待传输的数据包后，每个数据包中GCDU的长度由如下基于二叉搜索树的算法确定：

a)设置根节点

定义根节点所在层为第0层，该节点是一个包含N个向量的集合，表示为

其中向量w_n＝[v_GC,n,v_CC,n]为第n个初始DU移除PCDU后的剩余部分。将该层中GCDU长度设置为0。根据根每个向量的第一个比特，根节点

可以进一步分解成两个节点，分别表示为

和

这两个节点构成二叉树的第一层，其中

包含所有第一个比特为0的向量，

包含所有第一个比特为1的向量。按照上述方式，该二叉树将不断向下生长。

b)生成子树

第h层的节点由第h-1层的节点根据其所包含向量的第h个比特分解得到，如果某节点中全部向量的第h个比特均相同，则该节点不分解，而是在第h层只生成一个子树。将第h层的第i个节点记为

则它是根节点

的一个子集，且满足i≤2^h。规定第h层的GCDU长度为h。

c)确定叶节点

将节点

中包含的向量个数记为

这样，该节点中全部向量被移除掉的总比特数为

本发明规定某节点停止生长的条件为：若当前节点移除可以移除的总比特数不低于它的全部子树所能移除掉的总比特数。这一规则可以具体分成两种情况讨论：

·当前节点只有一个子树：这种情况下，子树所能移除掉的比特数为

因此，只有单一子树的节点一定会继续生长。

·如果当前节点存在两棵子树，它们所能移除的总比特数为

因此，当满足如下条件时，该节点应停止生长

该不等式的解为

综上，若某节点可以分解为两棵子树，且该节点所包含向量数满足

则该节点不再继续分解，而是成为叶节点。

当所有节点都不再生长时，二叉搜索树构造结束，此时每个叶节点即为一个分组，该组中的GCDU向量由根节点到该叶节点路径下的比特组成，若叶节点位于第h层，则该分组的GCDU长度为h。

图3为K＝4时的PCDU映射过程示例，此时每个数据包中PCDU的长度为log₂4＝2比特，每种比特组合分别对应一个可选择的数据包封装长度，这样在实际传输时，每个数据包都可以节省两个比特的通信资源。

图4为对于某次给定的N＝8个数据包，通过前述二叉搜索树算法确定每个数据包GCDU后分组及封装过程示意图。在本次传输中，这8个数据包根据GCDU可分为3组，传输时总共可以省略掉11个比特。

为了定量说明本发明对于频谱效率的提升情况，定义频谱效率增益η为本方案额外传输的比特数与实际发送的数据包长度的比值，表示为

式中l⁽ⁿ⁾∈{L₀，L₁，…，L_K-1}第n个数据包的长度w_n＝[v_GC，n，v_CG，n]，由该数据包的PCDU向量v_PC，n确定。使用matlab软件随机生成待传输的数据包，满足包头长度L_H＝8比特，数据包的平均长度

比特，给定不同的数据包总数N和可选择的数据包长度数K，频谱效率增益的仿真结果如图5所示。图中由虚线画出的三条曲线T_GC＝0，即未采用本发明所提出的GCDU分组，特别是T_GC＝0，K＝1的曲线，等价于传统的数据包封装传输方式，无频谱效率增益，而另外两条曲线的增益由PCDU长度映射提供。三条由实线绘制的曲线采用本发明提出的完整数据包封装方案，每个数据包的GCDU依照前述二叉搜索树算法设计得到。从仿真结果可以看出，频谱效率增益随N和K的增大均增大，这是因为可供选择的传输长度越多，可以额外传输的PCDU比特数越多，此外随着N的增大，更长的GCDU被移除的概率增大，二者均有助于频谱效率的提升。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种数据包封装方法，其步骤包括：

1)应用层数据被分解为N个数据单元DU，将数据单元DU添加长度为L_H的包头封装成数据包，第n个数据包由包头u_n和DUv_n组成，表示为：

s_n＝[u_n，v_n]，n＝1，2，…，N；

2)数据单元DU分成三部分，即PCDU，GCDU和CCDU，其中PCDU通过数据包的长度选择传递；GCDU用于将所有数据包分成子组，GCDU只被封装到该组第一个数据包中，CCDU则按照传统方式在物理信道中传输，即

v_n＝[v_PC，n，v_GC，n，v_CC，n]

其中v_PC，n，v_GC，nv_CC，n分别表示PCDU，GCDU和CCDU，v_PC，n的长度为log₂ K比特，该部分数据不被封装进数据包，而是映射到包含K个元素的数据集{L₀，L₁，…L_K-1}中，用于指定w_n＝[v_GC，n，v_CC，n]的长度；

3)数据包的长度L_H+L_k写入包头u_n中，通过长度选择所携带的PCDU比特数为T_PC＝Nlog₂K；

4)设GCDU将N个数据包分组分成了M组，使每组共享相同的v_GC，n，第m组中数据包的个数记为Φ^(m)，则第m组中实际需要被封装进数据包的DU表示为

其中#1，#2，…，#Φ^(m)表示数据包发送顺序，令p^(m)表示第m组GCDU的长度，则移除掉的GCDU数量为

5)经过以上PCDU数据映射、GCDU分组并部分移除的过程后，第m组中数据包为：

6)对于接收到的数据包

通过其包头

中记录数据包长度的字段获得该数据包的原始长度L_H+L_k，如果实际接收数据包的长度等于L_H+L_k，则该数据包为其所在的第m组中的第一个数据包，即#j＝#1；如果实际接收长度等于L_H+L_k-p^(m)，则将向量

插入回该数据包，恢复GCDU+CCDU长度L_k，得到数据包的PCDU部分。

2.如权利要求1所述的数据包封装方法，其特征在于：确定每个数据包中GCDU的长度的步骤包括：

a)定义根节点所在层为第0层，该节点是一个包含N个向量的集合，表示为

其中向量w_n＝[v_GC，n，v_CC，n]为第n个初始DU移除PCDU后的剩余部分，将该层中GCDU长度设置为0，根据根每个向量的第一个比特，根节点

进一步分解成两个节点，分别表示为

和

这两个节点构成二叉树的第一层，其中

包含所有第一个比特为0的向量，

包含所有第一个比特为1的向量，按照上述方式，该二叉树将不断向下生长；

b)第h层的节点由第h-1层的节点根据其所包含向量的第h个比特分解得到，如果某节点中全部向量的第h个比特均相同，则该节点不分解，而是在第h层只生成一个子树，将第h层的第i个节点记为

则它是根节点

的一个子集，且满足i≤2h，规定第h层的GCDU长度为h；

c)将节点

中包含的向量个数记为

该节点中全部向量被移除掉的总比特数为

3.如权利要求2所述的数据包封装方法，其特征在于：规定某节点停止生长的条件为：当前节点移除的总比特数不低于它的全部子树所能移除掉的总比特数。

4.如权利要求2所述的数据包封装方法，其特征在于：若某节点分解为两棵子树，且该节点所包含向量数满足

则该节点不再继续分解，而是成为叶节点；当所有节点都不再生长时，二叉搜索树构造结束，此时每个叶节点即为一个分组，该组中的GCDU向量由根节点到该叶节点路径下的比特组成，若叶节点位于第h层，则该分组的GCDU长度为h。

5.如权利要求1所述的数据包封装方法，其特征在于：所述包头含有数据包传输序列号、包长、源地址和目的地址信息。

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