一种基于随机线性网络编码的多用户协作传输方法与流程

本发明属于无线网络通信技术领域，尤其涉及一种基于随机线性网络编码的多用户协作传输方法。

背景技术：

随着社会经济和科学技术的发展，信息化建设的不断推进与深入，无线网络与无线通信数据传输在各个领域的应用越来越广。其中，多播是无线网络中最常用的数据传输方式之一。在无线多播中，由于无线信道极易受到干扰及衰减、衰弱等影响，无线信道有时呈现出较高的信道误码率或丢包率，致使无线链路质量较差，数据包传输容易受损，进而严重影响了传输效率。针对该问题，传统的解决方法之一是采用重传技术，例如自动请求重传(automaticrepeatrequest,arq)策略：当某个数据包未被所有用户成功接收时，源节点会不断重传该数据包，直到所有接收节点都成功接收到该数据包为止。因此，重传技术的传输效率其实不高。

网络编码是一种融合了路由和编码的信息交换技术。相比于传统的基于存储转发的数据传输方式，网络编码允许网络节点在传统转发的基础上参与数据处理，最终可提高网络的吞吐量、鲁棒性和安全性。为了克服重传技术的缺点，将网络编码技术应用于单跳多用户文件传输场景中。发送端首先利用网络编码技术将原始数据包进行编码，生成编码后的数据包，然后发送给用户。对于用户来说，只来接收到足够数量的线性独立的编码后的数据包，就可以成功解码出所有的原始数据包。因此，不存在严重影响多播效率的数据包重传问题。

公开号为cn108616332a的发明专利申请公开了一种基于随机线性网络编码的多用户数据传输方法，本发明将网络编码技术应用于单跳多用户文件传输场景中。在传输之前，发送端先将原始数据包进行随机线性网络编码，然后再将编码后的数据包进行广播。对于用户而言，只要接收到足够数量的线性独立的编码后的数据包，就可以成功解码出所有的原始数据包。因此，不存在一个数据包需要被反复传输多次才能被所有用户都接收的“瓶颈”问题。采用这种方法，虽然每个用户需要接收的数据包个数比之前变得更多，但是存储节点不需要对丢失的数据包进行重传，因此可提高整体的传输效率，增加网络的吞吐量。

然而，在现实场景中，用户间的信道有时优于用户与基站之间的信道。例如用户之间可能因地理距离较近，信道丢包率低；而用户与基站之间距离较远，可能还受到大型建筑物的遮挡等不利因素，造成用户与基站之间的无线信道不佳，丢包率高。

故，针对现有技术的缺陷，如何实现高效率的单跳多用户数据传输是本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出了一种基于网络编码与多用户协作的传输方法：首先，基站先将原始数据包进行随机线性网络编码，将编码后的数据包广播给用户；当部分用户收到足够数量的编码后的数据包从而成功解码之后，比较这些用户与基站的广播效率；若是某个用户的广播效率较高，则该用户将代替基站进行广播。本发明采用网络编码和用户协作相结合的方法，可显著提高数据的传输效率。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于随机线性网络编码的多用户协作传输方法，n个用户从基站上接收k个共同数据包，包括步骤如下：

s1、设置有a2＝a，其中，a1为已完成数据接收的用户集合，a2为未完成数据接收的用户集合；a＝{1,...,n}为所有用户的集合；对于第i个用户与基站之间的无线信道为擦除信道，其丢包率记为pi,对于用户i和用户j的信道为擦除信道，其丢包率记为pij,基于用户间信道具有对称性，设置，pij＝pji,

s2、基站将k个原始数据包进行随机线性网络编码，生成一个编码后的数据包，并广播给所有用户；

s3、判断是否有一个或者多个用户在当前时隙成功接收到k个线性独立的所述编码后的数据包，若是，更新集合a1和a2，执行步骤s4；否则，等待当前时隙结束，返回步骤s2；

s4、判断集合a1是否等于集合a；若是，传输结束；否则，执行入步骤s5；

s5、计算基站与a1中所有用户的广播效率，判断基站广播效率是否高于a1中所有用户的广播效率；若是，等待当前时隙结束，返回步骤s2；否则，选取a1中广播效率最高的用户，等待当前时隙结束，执行步骤s6；

s6、被选取的用户使用随机线性网络编码对已解码出的原始数据包进行编码，生成一个编码后的数据包，并广播给其他用户，执行步骤s7；

s7、判断是否有一个或者多个用户在当前时隙成功接收到k个线性独立的编码后的数据包，若是，更新集合a1和a2，进入步骤s4；否则，等待当前时隙结束，返回步骤s6。

进一步地，所述步骤s2中：当用户接收到基站的广播数据包后，会对编码后的数据包进行解码，并向基站和其他用户发出反馈信息。

进一步地，所述更新集合a1和a2具体为：

将成功解码的用户的序号从a2中移除，并放入集合a1中。

优选地，所述基站广播效率为：

用户j的广播效率为：

该公式的含义为：基站、用户每广播一个数据包，未完成数据接收的用户中，能够成功收到该广播包的用户数的期望值。

本发明的有益效果是：1、应用了网络编码技术，用户只需要收到足够多的线性独立的编码后的数据包即可解码，避免了传统传输方案(不使用网络编码)中一个包需要反复传输多次的弊端。2、考虑到实际生活中用户间的信道优于用户与基站信道的情形。因此，当部分用户已经完成数据包的解码后，可利用用户间的信道优势，代替基站进行广播，从而提高传输效率。

附图说明

图1为本发明的网络示意图。

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例一

如图1所示，系统中包括一个基站和多个用户，分别为用户1、用户2、用户3，多个用户都需要从基站获取共同的数据包。

如图2所示，本实施例提出了一种基于随机线性网络编码的多用户协作传输方法，n个用户从基站上接收k个共同数据包，包括步骤如下：

s1、设置有a2＝a，其中，a1为已完成数据接收的用户集合，a2为未完成数据接收的用户集合；a＝{1,...,n}为所有用户的集合；对于第i个用户与基站之间的无线信道为擦除信道，其丢包率记为pi,对于用户i和用户j的信道为擦除信道，其丢包率记为pij,基于用户间信道具有对称性，设置，pij＝pji,

s2、基站将k个原始数据包进行随机线性网络编码，生成一个编码后的数据包，并广播给所有用户；

具体地，当用户接收到基站的广播数据包后，会对编码后的数据包进行解码，以解码出所有的原始数据包，并向基站和其他用户发出反馈信息。

s3、判断是否有一个或者多个用户在当前时隙成功接收到k个线性独立的所述编码后的数据包，若是，更新集合a1和a2，执行步骤s4；否则，等待当前时隙结束，返回步骤s2；

具体地，对集合a1和a2的更新是将成功解码的用户的序号从a2中移除，并放入集合a1中。

s4、判断集合a1是否等于集合a；若是，传输结束；否则，执行入步骤s5；

s5、计算基站与a1中所有用户的广播效率，判断基站广播效率是否高于a1中所有用户的广播效率；若是，等待当前时隙结束，返回步骤s2；否则，选取a1中广播效率最高的用户，等待当前时隙结束，执行步骤s6；

对于广播效率的计算方式，本发明不作任何限定。本发明对其中一种计算方式进行说明，具体为：

该公式的含义为：基站每广播一个数据包，未完成数据接收的用户中，能够成功收到该广播包的用户数的期望值。类似的，我们定义用户j的广播效率为

s6、被选取的用户使用随机线性网络编码对已解码出的原始数据包进行编码，生成一个编码后的数据包，并广播给其他用户，执行步骤s7；

s7、判断是否有一个或者多个用户在当前时隙成功接收到k个线性独立的编码后的数据包，若是，更新集合a1和a2，进入步骤s4；否则，等待当前时隙结束，返回步骤s6。

具体地，对集合a1和a2的更新是将成功解码的用户的序号从a2中移除，并放入集合a1中。

实施例二

为了进一步说明本发明的实施方法，下面给出一个实施范例。此优选实施例仅表示对本发明的原理性说明，不代表本发明的任何限制。

假设有三个用户，即a＝{1,2,3}，准备从基站下载一个相同的文件。这个文件由100个数据包组成，即k＝100。假设用户与基站之间的信道丢包率分别为p1＝0.2,p2＝0.5,p3＝0.9，和3个用户之间的信道丢包率分别为p12＝0.2,p23＝0.3,p13＝0.7。在传输开始前，我们有和a2＝{1,2,3}。

在第一个时隙里，基站先将100个数据包进行随机线性网络编码，生成一个编码后的数据包，并广播给三个用户。由于用户需要收到100个编码过的数据包才能解码，因此，没有用户能够在第一个时隙完成解码。

之后的时隙和第一个时隙同理。

假设在第125个时隙里，用户1正好收到了100个编码过的数据包，因此解码出了所有原始数据包。用户1向基站和其他用户广播出反馈信息，告知自己已成功解码。同时更新集合a1＝{1}，集合a2＝{2,3}。由于a1≠a,传输还未结束。计算基站与a1中所有用户的广播效率：基站的广播效率等于用户1的广播效率等于因为用户1的广播效率较高，则从下个时隙(第126个时隙)起，用户1将代替基站进行广播。

假设在第250个时隙，用户2正好收到了100个编码过的数据包，因此解码出了所有原始数据包。用户2向基站和其他用户广播出反馈信息，告知自己已成功解码。同时更新集合a1＝{1,2}，集合a2＝{3}。由于a1≠a,传输还未结束。计算基站与a1中所有用户的广播效率：基站的广播效率等于用户1的广播效率等于用户2的广播效率等于因为用户2的广播效率最高，则从下个时隙(第251个时隙)起，用户2将代替用户1进行广播。

假设在第393个时隙，用户3也收到了100个编码过的数据包，因此解码出了所有原始数据包。用户3向基站和其他用户广播出反馈信息，告知自己已成功解码。同时更新集合a1＝{1,2,3}，集合由于a1＝a,表示所有用户都已经成功解码，传输结束。

本发明基于网络编码的协作传输方法，属于无线网络通信领域。本发明将用户之间的协作传输方法应用于无线单跳网络广播中，改善传统传输方法传输效率低等问题。通过应用了网络编码与用户协作的方法，以完成高效的文件传输。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。