專利名稱：雙基站單中繼多用戶的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包重傳方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于雙基站單中繼多用戶的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包重傳方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)編碼的概念是在2000年提出的，并且，馬上就得到了廣泛關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)編碼融合了路由和編碼兩項(xiàng)技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)既可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，還能進(jìn)行編碼處理， 現(xiàn)實(shí)已經(jīng)證明了 使用線性網(wǎng)絡(luò)編碼能夠達(dá)到網(wǎng)絡(luò)多播容量。但是，網(wǎng)絡(luò)編碼的好處還遠(yuǎn)不止這些。尤其是因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)中的鏈路不可靠性和物理層廣播特性，使得網(wǎng)絡(luò)編碼非常適合應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼，能夠很好地解決傳統(tǒng)路由、跨層設(shè)計(jì)等許多技術(shù)無法解決的問題，提高網(wǎng)絡(luò)性能。協(xié)同中繼技術(shù)主要包括放大轉(zhuǎn)發(fā)，解碼轉(zhuǎn)發(fā)和編碼協(xié)同。其中解碼轉(zhuǎn)發(fā)又被稱為 “再生”中繼，它是比放大轉(zhuǎn)發(fā)更為復(fù)雜的一種協(xié)同發(fā)送信號(hào)方式。以下行傳輸為例，工作于這種模式的中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)其接收到的來自于基站的噪聲干擾信號(hào)進(jìn)行解碼處理，以獲得原始信息；然后，再將獲得的原始信息重新編碼調(diào)制，發(fā)送給用戶端。在現(xiàn)有的中繼網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中，網(wǎng)絡(luò)編碼和自動(dòng)請(qǐng)求重傳(ARQ)的結(jié)合大多集中應(yīng)用于雙向中繼、多址接入和多播的各種網(wǎng)絡(luò)。在這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下，應(yīng)用物理網(wǎng)絡(luò)編碼、異或網(wǎng)絡(luò)編碼O(OR)或隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼等，已經(jīng)驗(yàn)證了可以得到節(jié)約發(fā)送時(shí)隙、減少發(fā)送次數(shù)、 提高傳輸效率、增大系統(tǒng)吞吐量等效果。在多播網(wǎng)絡(luò)方面，已有許多研究集中于單跳多播網(wǎng)絡(luò)和單源單中繼多播網(wǎng)絡(luò)。然而，對(duì)于本發(fā)明方法涉及的雙基站單中繼多用戶的網(wǎng)絡(luò)卻幾乎都未涉及。參見

圖1，先介紹本發(fā)明方法的應(yīng)用場(chǎng)景在圖示的蜂窩小區(qū)中，用戶群 MS1(MS11，MS12，MS13)位于基站A的覆蓋小區(qū)內(nèi)，用戶群MS2 (MS21，MS22)位于基站B的覆蓋小區(qū)內(nèi)，中繼R位于兩個(gè)基站A和B所覆蓋小區(qū)的交界處。用戶群MSl和MS2都需要接收這兩個(gè)基站A和B的發(fā)送信息，因MSl位于基站A的小區(qū)內(nèi)，可直接接收基站A的發(fā)送信息；其位于基站B的小區(qū)外，要接收基站B的發(fā)送信息，就必須經(jīng)過中繼R的轉(zhuǎn)發(fā)。同樣地， MS2能直接接收基站B的信息，并通過中繼R接收基站A的信息。再參見圖2，介紹對(duì)上述應(yīng)用場(chǎng)景的建模=S1* &分別代表兩個(gè)基站A和B，R代表中繼Relay，必={012，...，^A}和式=W21，式2，...，式分別代表兩個(gè)用戶群MSl禾PMS2。每個(gè)用戶都要正確接收S1和&各自分別發(fā)送的M個(gè)數(shù)據(jù)包。因此，整個(gè)通信過程分為兩個(gè)階段發(fā)送階段和重傳階段。其中發(fā)送階段應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的過程如下S1和&各自傳送的數(shù)據(jù)包分別為F1和F2,且可細(xì)化為F1 = {Fn, F12，... , F1J和 F2 = (F21, F22，...，F(xiàn)2J。S1 向{R，dj 發(fā)送數(shù)據(jù)包 Fla，同時(shí)，& 向{R，d2}發(fā)送數(shù)據(jù)包 F2a0若R能夠正確接收Fla和F2a，則向W1, d2}發(fā)送網(wǎng)絡(luò)編碼包f(Fla，F(xiàn)2a)，其中f(g) 為網(wǎng)絡(luò)編碼函數(shù)，自然數(shù)下標(biāo)a為數(shù)據(jù)包序號(hào)，其最大值是M ；若R沒有正確接收，則R不作任何操作。然后，循環(huán)地執(zhí)行上述步驟，直到a = M，則發(fā)送階段結(jié)束，進(jìn)入重傳階段。
重傳階段的現(xiàn)有技術(shù)有兩種自動(dòng)請(qǐng)求重傳方案(簡(jiǎn)稱為ARQ方案)和應(yīng)用異或網(wǎng)絡(luò)編碼的自動(dòng)請(qǐng)求重傳方案(簡(jiǎn)稱為TOR-ARQ方案)。這兩種方案都是基于單跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，執(zhí)行多次相同的重傳方案。先介紹單跳模型下的重傳方案。參見圖3所示的單跳多播系統(tǒng)，基站S向用戶{d” d2，. . .，dj發(fā)送數(shù)據(jù)包，每個(gè)用戶接收的數(shù)據(jù)包服從貝努利試驗(yàn)，即每個(gè)數(shù)據(jù)包在用戶端的接收狀態(tài)相互獨(dú)立，每個(gè)數(shù)據(jù)包在用戶端以設(shè)定概率出錯(cuò)而被丟棄，即每個(gè)用戶屯，屯，...， dn對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包的丟棄概率分別為P1, P2,... , Pn。參見圖4，介紹最簡(jiǎn)單的兩個(gè)用戶為例進(jìn)行分析基站S向兩個(gè)用戶Cl1, d2發(fā)送數(shù)據(jù)包F(k)，(k = 1，2，...，M)，S-Cl1S和S_d2S分別表示用戶Cl1和d2對(duì)于S發(fā)送的數(shù)據(jù)包的兩種接收狀態(tài)；S-Cl1S和S_d2S都是1行M列的向量，每個(gè)元素分別置“1”或“0”，其中，“1” 表示正確接收該數(shù)據(jù)包，“0”表示丟棄該數(shù)據(jù)包。取M= 10，則10個(gè)數(shù)據(jù)包都發(fā)送后，兩個(gè)用戶的接收狀態(tài)表如下表所示，基站S根據(jù)Cl1, d2的接收狀態(tài)表決定重傳的數(shù)據(jù)包。
權(quán)利要求
1.一種用于雙基站單中繼多用戶的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包重傳方法，其特征在于兩個(gè)基站把各自需要重傳的數(shù)據(jù)包先轉(zhuǎn)交到中繼，由中繼根據(jù)接收狀態(tài)表對(duì)這些數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼組合后，再發(fā)送出去；以便對(duì)這些重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，使得每次發(fā)送都能讓眾多用戶受益，避免因基站到各用戶和中繼的許多鏈路的狀態(tài)差異懸殊，造成基站向中繼和各用戶重傳數(shù)據(jù)包時(shí)，每個(gè)用戶需要重傳的數(shù)據(jù)包遠(yuǎn)多于中繼，不能與中繼需要重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼組合重傳的難題；該方法包括下述操作步驟(1)發(fā)送階段兩個(gè)基站S1與&分別使用傳統(tǒng)方法發(fā)送各自的數(shù)據(jù)包，中繼R對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或網(wǎng)絡(luò)編碼后，發(fā)送給所有用戶；(2)重傳第一階段=S1與&分別向R和各自小區(qū)的用戶群Cl1和d2進(jìn)行重傳，使得R正確接收到S1與&的所有數(shù)據(jù)包，并獲知所有用戶對(duì)這些數(shù)據(jù)包的接收狀況；(3)重傳第二階段中繼向所有用戶重傳數(shù)據(jù)包，使得所有用戶都正確接收各基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法的應(yīng)用場(chǎng)景是兩個(gè)基站S1和&同時(shí)向各自的用戶群Cl1和d2發(fā)送各自的數(shù)據(jù)包，其中第一個(gè)基站S1 的用戶群Cl1有D1個(gè)相互獨(dú)立的用戶，即4 =W1MvWm1)，第二個(gè)基站&的用戶群d2有 D2個(gè)相互獨(dú)立的用戶，即《丨‘，^，…，式巧}; Cl1和d2分別位于對(duì)方小區(qū)基站&和S1的傳輸范圍以外，且共享中繼R 和&到R的兩條鏈路傳輸數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤概率都為Pl，R分別到兩個(gè)用戶群4 ={012，...，4A}和式= W21Wm^zU的共D^D2條鏈路的傳輸數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤概率都為P2，S1和&分別到各自小區(qū)用戶必^OuyMA^n^ZWm^m^iUm DJD2條鏈路中的每條鏈路傳輸數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤概率都為P3，且P1 ^ p2 ^ p3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述接收狀態(tài)表有兩種，分別由中繼和每個(gè)用戶分別根據(jù)其自身的接收數(shù)據(jù)包的不同狀態(tài)而建立的若某個(gè)數(shù)據(jù)包接收正確，則其接收狀態(tài)表相應(yīng)位置置“1”;若某個(gè)數(shù)據(jù)包接收錯(cuò)誤，則其接收狀態(tài)表相應(yīng)位置置“0”，并實(shí)時(shí)向發(fā)送端反饋該信息；該接收狀態(tài)表采用S_AB格式的字符表示接收端A對(duì)源端B發(fā)送的數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)；所述方法的通信過程是以S1和&分別發(fā)送M個(gè)數(shù)據(jù)包作為一個(gè)周期，則S1和&需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包分別為 F1 和 F2,即 F1 = (F1 (1), F1 (2), . . . , F1 (M)}和 F2 = (F2 (1), F2 (2),..., F2(m)}；用戶群Cl1和(12分別根據(jù)各自接收到的數(shù)據(jù)包F1和F2和異或網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)包 XOR (F1, F2)判斷其是否正確接收對(duì)方基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包F2和F1,再分別給其接收狀態(tài)表的相應(yīng)位置置位“1”或“0”。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)包括下列操作內(nèi)容(11)S1^P S2分別向中繼R和各自小區(qū)的用戶群(R5Cl1I和{R，d2}發(fā)送數(shù)據(jù)包F1G)和 F2(i)，式中，自然數(shù)i是發(fā)送的數(shù)據(jù)包序號(hào)，其最大值為M ；(12)R和兩個(gè)用戶群Cl1和d2分別根據(jù)接收情況更新其接收狀態(tài)表R先檢測(cè)其接收到的F1G)是否全部正確，若是，則對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或網(wǎng)絡(luò)編碼，然后再將該編碼后的數(shù)據(jù)包=F1(I) F2(i)發(fā)送給Cl1和(12;否則，只要接收到的F1G)中有任何一個(gè)數(shù)據(jù)包出錯(cuò)，R就不執(zhí)行任何操作；用戶群Cl1與屯根據(jù)各自正確接收到的F1G) ^P Fe(i)以及F2(i)和i^(i)，分別執(zhí)行各自的解碼運(yùn)算F1G) Fe (i) ^PF2(I) i^K(i)，得到對(duì)方基站的數(shù)據(jù)和F“i)，同時(shí)分別相應(yīng)更新各自的接收狀態(tài)表；(13) S1和S2分別向R和各自小區(qū)的用戶群(RjCl1I和{R，d2}發(fā)送其序號(hào)i遞增1的下一個(gè)數(shù)據(jù)包，即返回執(zhí)行步驟(1 ；直到i = M，即S1和&都發(fā)送完M個(gè)數(shù)據(jù)包，發(fā)送階段流程結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟( 中，第一個(gè)基站S1及其所在小區(qū)用戶群Cl1和中繼R執(zhí)行的操作內(nèi)容如下所述(21)為了提高R和本小區(qū)用戶群{RjJ重傳數(shù)據(jù)包的功效，每次重傳時(shí)，S1都是根據(jù) R和Cl1的接收狀態(tài)表S_RSi和S-Cl1S1選擇盡量多的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包組合成重傳數(shù)據(jù)包，其選擇標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)于R和本小區(qū)的所有用戶共0廣1個(gè)接收端而言，選出的數(shù)據(jù)包中屬于每個(gè)接收端的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包數(shù)量不超過1 ；02) Sji所選擇的重傳數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或網(wǎng)絡(luò)編碼后，把該編碼數(shù)據(jù)包向中繼和本小區(qū)用戶群{R，dj進(jìn)行重新發(fā)送；(23)各接收端{(lán)R，(11}、即1 及本小區(qū)所有用戶41，42，+++，401共01+1個(gè)接收端分別檢測(cè)其接收的編碼數(shù)據(jù)包是否正確，若是正確接收，就進(jìn)行相應(yīng)的異或操作，解碼得到各自所需的數(shù)據(jù)包，并相應(yīng)更新各自的接收狀態(tài)表；若R接收錯(cuò)誤，則S1就再次發(fā)送該編碼數(shù)據(jù)包， 直到R接收正確后，才順序執(zhí)行步驟04)；此時(shí)，對(duì)于各個(gè)用戶冬，42，...，^^是否正確接收該重傳的編碼數(shù)據(jù)包不作要求；04) S1重傳下一個(gè)編碼數(shù)據(jù)包，即返回執(zhí)行步驟(21)，直到R正確接收到S1發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包F1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟( 中，第二個(gè)基站&及其所在小區(qū)用戶群d2和中繼R執(zhí)行的操作內(nèi)容如下所述(2A)為了提高R和本小區(qū)用戶群{R，d2}重傳數(shù)據(jù)包的功效，每次重傳時(shí)，&都是根據(jù) R和d2的接收狀態(tài)表和S_d2&選擇盡量多的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包組合成重傳數(shù)據(jù)包，其選擇標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)于R和本小區(qū)的所有用戶共仏+1個(gè)接收端而言，選出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包中屬于每個(gè)接收端的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包數(shù)量不超過1 ；0 對(duì)所選擇的重傳數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或網(wǎng)絡(luò)編碼后，把該編碼數(shù)據(jù)包向中繼和本小區(qū)用戶群{R，d2}進(jìn)行重新發(fā)送；(2C)各接收端{(lán)R，(12}、即1 及本小區(qū)所有用戶式1，式2，+++，^32共02+1個(gè)接收端分別檢測(cè)其接收的編碼數(shù)據(jù)包是否正確，若是正確接收，就進(jìn)行相應(yīng)的異或操作，解碼得到各自所所需的數(shù)據(jù)包，并相應(yīng)更新各自的接收狀態(tài)表；若R接收錯(cuò)誤，則&就再次發(fā)送該編碼數(shù)據(jù)包，直到R接收正確后，才順序執(zhí)行步驟0D)；此時(shí)，對(duì)于各個(gè)用戶式,，式2，...，式^是否正確接收該重傳的編碼數(shù)據(jù)包不作要求。(2D) S2重傳下一個(gè)編碼數(shù)據(jù)包，即返回執(zhí)行步驟(2A)，直到R正確接收&發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包F2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(3)包括下列操作內(nèi)容(31)因R正確接收所有數(shù)據(jù)包，故R先將第一個(gè)小區(qū)用戶群Cl1對(duì)S1和&的接收狀態(tài)表S-Cl1S1和S-Cl1S2進(jìn)行合并，得到Cl1的總接收狀態(tài)表S-Cl1，即S-Cl1 = I^d1S1, S_d{2]；同樣地，再將第二個(gè)小區(qū)用戶群d2對(duì)S1, S2的接收狀態(tài)表S-Cl2S1和S_d2&進(jìn)行合并，得到d2 的總接收狀態(tài)表s_d2，即S_d2 = IXd2S1, S_d2S2]；然后，將S1和S2各自分別發(fā)送的數(shù)據(jù)包 &和F2進(jìn)行合并，得到發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包F，即F= [F1, F2]；此時(shí)，R已匯集了所有數(shù)據(jù)包， 其中，S.d!和S_d2分別為D1行2M列和&行2M列的矩陣，F(xiàn)是所有2M個(gè)數(shù)據(jù)包的集合；(32)R根據(jù)Cl1和d2新的接收狀態(tài)表S-Cl1和S_d2，每次重傳時(shí)都選擇盡量多的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包組合成重傳數(shù)據(jù)包，其選擇標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)于兩個(gè)小區(qū)共DJD2個(gè)所有用戶而言，選出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包中屬于每個(gè)用戶的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包數(shù)量不超過1 ；(33)R對(duì)所選擇的重傳數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或網(wǎng)絡(luò)編碼后，把該編碼數(shù)據(jù)包向兩個(gè)小區(qū)所有用戶W1, d2}進(jìn)行重新發(fā)送。(34)兩個(gè)小區(qū)的每個(gè)用戶du,dn,...,dWi，毛,式2,...,6^分別檢測(cè)其接收的編碼數(shù)據(jù)包是否正確，若是正確接收，就進(jìn)行相應(yīng)的異或操作，解碼得到各自所需的數(shù)據(jù)包，并相應(yīng)更新各自的接收狀態(tài)表；若有一個(gè)用戶接收錯(cuò)誤，則R就再次發(fā)送該編碼數(shù)據(jù)包，直到所有需要接收該編碼包的用戶都接收正確后，才順序執(zhí)行后續(xù)步驟(35)；(35)R重傳下一個(gè)編碼數(shù)據(jù)包，即返回執(zhí)行步驟(3 ，直到每個(gè)用戶都正確接收了全部編碼數(shù)據(jù)包。
全文摘要
一種用于雙基站單中繼多用戶的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包重傳方法，該方法是兩個(gè)基站把各自需要重傳的數(shù)據(jù)包先轉(zhuǎn)交到中繼，由中繼根據(jù)接收狀態(tài)表對(duì)這些數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼組合后，再發(fā)送出去；這樣就能夠?qū)@些重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，使得每次發(fā)送都能讓眾多用戶受益，避免因基站到各用戶和中繼的許多鏈路的狀態(tài)差異懸殊，造成基站向中繼和各用戶重傳數(shù)據(jù)包時(shí)，每個(gè)用戶需要重傳的數(shù)據(jù)包遠(yuǎn)多于中繼，不能與中繼需要重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼組合重傳的難題。本發(fā)明方法將網(wǎng)絡(luò)編碼和ARQ相結(jié)合，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢(shì)，有效降低傳輸帶寬，提高系統(tǒng)的傳輸效率。
文檔編號(hào)H04L1/00GK102394733SQ20111034445
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者宋琦, 李永華, 林家儒, 賀志強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)