基于有限集合网络编码arq的大规模接收端数据广播方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法，包括以下步骤：1）基站广播数据包；2）接收端进行解码并根据解码情况计算各个预置网络编码方案的解码增益，然后反馈解码增益最大的方案序号；3）基站通过统计接收端的反馈信息来确定本次重传采用的网络编码方案。本发明需要在基站和接收端预置有限集合网络编码方案，并且将预置有限集合网络编码ARQ引入广播通信中，减小了反馈信息数量，降低了数据包平均重传次数，提高了广播通信的效率，主要解决了现有广播重传技术在有大量接收端的情况下重传效率低、反馈信息数量过大的问题。
【专利说明】基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，涉及大规模接收端数据广播通信中的反馈重传技术，为一种有限集合网络编码ARQ，尤其涉及一种基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法。
[0002]【背景技术】
自动重传请求(Automatic-Repeat-reQuset, ARQ)是在不可靠信道传输中提高通信可靠性的一种简单而有效的技术。“林舒，科斯特洛.差错控制编码(晏坚等译).北京:机械工业出版社，2007.6”,“Cam, R.; Leung, C.; , "Throughput analysis of some ARQ protocolsin the presence of feedback errors, 〃 Communications, IEEE Transactions on , vol.45,n0.1, pp.35-44, Jan 1997”，“Yu, P.; Shu Lin; , "An Efficient Selective-Repeat ARQScheme for Satellite Channels and Its Throughput Analysis, 〃 Communications, IEEETransactions on , vol.29, n0.3, pp.353- 363，Mar 1981 ” 它通过接收端请求基站重传出错的数据单元以达到正确接收的目的，其实现方式简单，复杂度较低，常与前向纠错联合起来用于保证实际系统通信的可靠性“S.B.Wicker, Error Control Systems for DigitalCommunications and Storage, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1995，，。
[0003]ARQ技术最初是针对点对点的通信场景设计的，然而如今的无线通信系统，如蜂窝网络系统等，具有一点对多点的结构。针对通信场景的变化，文献“1.Larsson, P.,
&Johansson, N.Mult1-user ARQ.1n Vehicular Technology Conference, 2006.VTC2006-Spring.1EEE 63rd, 2006 (Vol.4，pp.2052- 2057):1EEE”针对两个接收端的单播场景提出在重传阶段，将不同接收端的数据包异或合并的方式来减小数据包的发送数量，提高系统的吞吐量。这种方案采用了网络编码的思想，将多个数据单元混合起来发送，利用通信各方已知的信息解出自己所需要的信息的方式来达到提高吞吐量的效果。
[0004]针对多个接收端的场景，文献“肖潇，王伟平，杨路明，&张帅(2009).基于网络编码的无线网络广播重传方法.通信学报(9)，69-75.”提出了一种有效的网络编码ARQ，其思想是在保证多个接收端能够解码并获得有用数据包的前提下，将多个需要重传的数据包进行异或合并，从而极大的减少了数据包的平均重传次数。
[0005]通过将网络编码的思想应用在无线广播通信中，能够有效的提高广播的效率，现阶段已有的专利成果如下:
1.西安电子科技大学提出的基于网络编码的广播重传系统及其方法，公开了一种基于网络编码的广播重传系统及其方法，主要解决现有广播重传技术重传效率较低的问题。该发明的系统包括基站和多个接收端，基站包括协商模块、动态列表模块、重传缓存模块、译码模块、反馈模块。该发明的实现步骤包括:(1)发送测试包；(2)获取系统单帧最大存活时间；(3)动态链表初始化；(4)发送信息帧；(5)更新动态列表；(6)构造重传帧；(7)发送重传帧；(8)再次更新动态列表；(9)处理动态列表中的剩余信息；(10)传输前准备；
(11)接收数据帧；(12)重传帧译码。
[0006]2.哈尔滨工业大学提出的基于网络编码的发射端广播重传方法及系统，通过构建重传缓冲池、初始化重传缓冲池、组合重传数据包，然后发送重传数据包，减少了传输次数，提高了能量效率，当数据量较大时，减小了网络时延，提高了网络传输效率，减少了网络丢包率，增加了传输的可靠性，能达到网络最大信息流。
[0007]3.电子科技大学提出的WSN中引入基于同步机制的网络编码的广播方法，本发明公开了一种WSN中引入基于同步机制的网络编码实现高效率可靠方法，在广播的建立阶段，中心节点发送含有下次唤醒时间的同步数据包SYNC，来实现所有邻居节点的周期同步唤醒以及休眠；发送节点向其他节点广播第I到底N个数据包，并将这些数据包储存起来；返回ACK包，并储存收到的数据包；估算重传次数；重传所有终端都丢失的数据包；选择丢包进行编码组合；接收节点反馈。本发明在WSN中引入基于同步机制的网络编码实现高效率可靠广播方法，通过广播的建立，原始数据的广播，以及重传过程三个阶段的实现，减少了整个网络的能耗，实现了信息的可靠广播。
[0008]4.中国人民解放军理工大学提出的基于网络编码的加权广播重传方法，本发明公开了一种基于网络编码的加权广播重传方法，包括如下步骤:根据各接收节点数据包反馈的数据包状态信息和链路状态信息，构建加权数据包分布矩阵；以加权数据包分布矩阵为基础，在源节点进行编码数据包的选取；源节点将选取的数据包进行XOR编码后，广播重传给各接收节点；各接收节点在接收到编码数据包后进行译码，并将译码后的数据包状态信息和链路状态信息反馈给源节点；源节点根据接收节点的反馈信息，判断传输是否完成，如未完成则重新开始新一轮的编码重传。本发明的方法，能在链路状态不均衡的网络环境下，以低的计算复杂度实现高的传输效率。可广泛用于各种具有反馈的广播网络。
[0009]现有的ARQ方案，如部分反馈选择性重传方案(PSARQ)与网络编码重传方案(NARQ)，不能很好的应用于大规模接收端数据广播场景中，主要表现在:一是反馈信息数量较多，信道资源占用较大；二是数据包的平均重传次数较大，广播效率较低。换句话说，现有广播重传技术在有大量接收端的情况下重传效率低、反馈信息数量过大。
【发明内容】
[0010]本发明要解决的问题是针对上述现有技术的不足提供一种:基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法。本基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法反馈信息数量少、信道资源占用小、数据包的平均重传次数小、广播效率高，能很好的应用于大规模接收端数据广播场景中。
[0011]为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法，包括以下步骤:
大规模接收端数据广播中一种有限集合网络编码ARQ方法，其特征在于，包括以下处理步骤:
1、大规模接收端数据广播中一种有限集合网络编码ARQ方法，其特征在于，包括以下处理步骤:
步骤1.1)，基站广播数据包:
基站广播原始数据包或者网络编码数据包；所述原始数据包由基站将原始数据进行编码后形成；
步骤1.2)，译码及存储:接收端对接收到的原始数据包或者网络编码数据包进行译码，并且通过译码后的信息尾部的CRC校验判断是否正确译码；
若正确译码的是原始数据包，则接收端直接接受并存储译码后的原始数据包；若正确译码的是网络编码数据包，则通过在译码后的网络编码数据包的包头处的信息获知采用的预置网络编码方案，利用所述网络编码方案和已解码的原始数据包对网络编码数据包进行网络解码，获得丢失的原始数据包，然后接收端对获得的原始数据包进行存储步骤1.3)，静默或反馈:
若在步骤1.2)中若接收端已接受并存储全部原始数据包，则接收端进入静默状态；反之，若接收端没有接受并存储全部原始数据包，则接收端根据原始数据包的存储接受情况计算每一个预置的网络编码方案能够给其自身带来的解码增益，选出解码增益最大的预置的网络编码方案，并通过反馈信道将该预置的网络编码方案的序号反馈给基站；步骤1.4)，结束广播或者广播网络编码数据包:
基站根据接收到的步骤1.3)反馈信息的数量确定覆盖率，若覆盖率超过接收端数量的threshold % ,则基站向全部接收端广播结束信息，通知广播结束；
反之，则基站根据接收端的反馈信息确定需求最大的网络编码方案，并采用所述需求最大的网络编码方案对原始数据包进行网络编码，形成网络编码数据包，并广播网络编码数据包；
接收端收到网络编码数据包后，重复步骤1.2)、步骤1.3)和步骤1.4)，直到广播结束。 [0012]进一步的，步骤1.2)中，基站和接收端预置网络编码方案，所述预置的网络编码方案个数为泛IW-皿，每个网络编码方案有个对应的方案计数器，所述方案计数器值为sfesfc，初值为I;
每次采用第々个网络编码方案后，对应的方案计数器stofc值加1，一直到设定的最大值为止,之后方案计数器值再从I重新开始；
\<type <type_number个网络编码方案的编码策略为个原始数据包构成一个网络编码集，网络编码集中所有原始数据包异或则生成一个网络编码数据包；
WM相个方案在状态为s&te时，编码步骤如下:
步骤2.1)，从第一个原始数据包开始，每个原始数据包编为一组，对于无法整除#的情况，要在#个原始数据包后补全O的虚拟数据包使得可以整除，以保证编码算法的完整性；
步骤2.2)，对于任意一组原始数据包，将该组分为个编码集，第A个编码集的第一个数据包取第k个原始数据包，然后间隔1遍历本组数据包加入各自的编码集；
步骤2.3)，将同一编码集中的数据包异或合并，生成的新数据包即为网络编码数据包。
[0013]进一步的，步骤1.3)中，接收端在没有存储接受全部原始数据包的情况下，通过计算每个编码方案的解码增益来确定反馈信息；所述解码增益指在采用某一种编码方案时，接收端无差错接收的情况下，平均一个网络编码数据包能够帮助接收端解码的原始数据包个数；第A个接收端的解码增益向量表示为
_ r q p.FHMQ?其中Gf^q %第_个方案对第々个接收端的解码增益；由于网络编码数据包是由一
个编码集中所有原始数据包异或得到的，因此当接收端只丢失了编码集中的一个原始数据包时，该网络编码数据包可以帮助完成该丢失数据包的解码，方法为网络编码数据包与编码集中其他所有原始数据包相异或。
[0014]进一步的，接收端的反馈信息由解码增益向量决定，而确定各个网络编码方案解码增益的方式如下:
对于第个编码方案，由于只有当编码集中的个数据包里面只有一个没有被存储接受的情况下，该编码方案能帮助解码该数据包，因此假设在某一次反馈前，接收端左的丢包率为巧，则0?^个数据包中只有一个没有被成功解码的概率为挪，因而第个方案能够给接收端I带来的解码增益的期望为
【权利要求】
1.一种基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法，其特征在于，包括以下处理步骤: 步骤1.1)，基站广播数据包: 基站广播原始数据包或者网络编码数据包；所述原始数据包由基站将原始数据进行编码后形成； 步骤1.2)，译码及存储: 接收端对接收到的原始数据包或者网络编码数据包进行译码，并且通过译码后的信息尾部的CRC校验判断是否正确译码； 若正确译码的是原始数据包，则接收端直接接受并存储译码后的原始数据包；若正确译码的是网络编码数据包，则通过在译码后的网络编码数据包的包头处的信息获知采用的预置网络编码方案，利用所述网络编码方案和已解码的原始数据包对网络编码数据包进行网络解码，获得丢失的原始数据包，然后接收端对获得的原始数据包进行存储步骤1.3)，静默或反馈: 若在步骤1.2)中若接收端已接受并存储全部原始数据包，则接收端进入静默状态；反之，若接收端没有接受并存储全部原始数据包，则接收端根据原始数据包的存储接受情况计算每一个预置的网络编码方案能够给其自身带来的解码增益，选出解码增益最大的预置的网络编码方案，并通过反馈信道将该预置的网络编码方案的序号反馈给基站；步骤1.4)，结束广播或者广播网络编码数据包: 基站根据接收到的步骤 1.3)反馈信息的数量确定覆盖率，若覆盖率超过接收端数量的threshold % ,则基站向全部接收端广播结束信息,通知广播结束； 反之，则基站根据接收端的反馈信息确定需求最大的网络编码方案，并采用所述需求最大的网络编码方案对原始数据包进行网络编码，形成网络编码数据包，并广播网络编码数据包； 接收端收到网络编码数据包后，重复步骤1.2)、步骤1.3)和步骤1.4)，直到广播结束。
2.根据权利要求1所述的基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法，其特征是: 步骤1.2)中，基站和接收端预置网络编码方案，所述预置的网络编码方案个数为type — number ,每个网络编码方案有个对应的方案计数器，所述方案计数器值为，初值为I ; 每次采用第个网络编码方案后，对应的方案计数器slate值加1，一直到设定的最大值Dyg--X为止,之后方案计数器值再从I重新开始； 第lSlHPdjyeja—er个网络编码方案的编码策略为0--个原始数据包构成一个网络编码集，网络编码集中所有原始数据包异或则生成一个网络编码数据包； 第个方案在状态为stote时，编码步骤如下: 步骤2.1),从第一个原始数据包开始，每个原始数据包编为一组，对于无法整除#的情况，要在#个原始数据包后补全ο的虚拟数据包使得可以整除，以保证编码算法的完整性；步骤2.2)，对于任意一组原始数据包，将该组分为⑶个网络编码集，第A个编码集的第一个数据包取第々个原始数据包，然后间隔sL-1遍历本组数据包加入各自的网络编码集; 步骤2.3)，将同一网络编码集中的数据包异或合并，生成的新数据包即为网络编码数据包。
3.根据权利要求1或2所述的基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法，其特征是: 步骤1.3)中，接收端在没有存储接受全部原始数据包的情况下，通过计算每个编码方案的解码增益来确定反馈信息；所述解码增益指在采用某一种编码方案时，接收端无差错接收的情况下，平均一个网络编码数据包能够帮助接收端解码的原始数据包个数；第左个接收端的解码增益向量表示为
4.根据权利要求1或2所述的基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法，其特征是: 接收端的反馈信息由解码增益向量决定，而确定各个网络编码方案解码增益的方式如下: 对于第个编码方案，由于只有当编码集中的个数据包里面只有一个没有被存储接受的情况下，该编码方案能帮助解码该数据包，因此假设在某一次反馈前，接收端左的丢包率为Pi,,则个数据包中只有一个没有被成功解码的概率为被，因而第个方案能够给接收端A带来的解码增益的期望为
5.根据权利要求1或2所述的基于有限集合网络编码ARQ的大规模接收端数据广播方法，其特征是: 在步骤1.4)中，基站根据接收到的反馈信息数量判断是否进行重传； 若反馈信息数量占接收端数量的%以上,则基站发送停止广播的通知信号，若不超过ifermAdy % ,则基站根据接收到的方案反馈信息进行统计，收到的反馈信息为:
【文档编号】H04L1/00GK104009830SQ201410272505
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】徐友云, 王健, 许魁, 王聪, 谢威 申请人:中国人民解放军理工大学