基于網(wǎng)絡(luò)編碼的III型HARQ無線廣播跨層設(shè)計

呂振興 許 魁 徐友云

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007)

1 引言

無線通信系統(tǒng)中，多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸方案都要求具有低誤碼率和高吞吐量的性能。常用的混合自動重傳請求(HARQ)技術(shù)有效地結(jié)合前向糾錯(Forward Error Correction FEC)和自動重傳請求(Automatic Repeat reQuest ARQ)這兩種基本的差錯控制機(jī)制，為傳輸提供了更高的可靠性和系統(tǒng)吞吐量[1]。根據(jù)重傳內(nèi)容的不同，HARQ技術(shù)可分為3種類型[2,3]。I型HARQ是一種信息序列及其校驗位全部重傳并單獨譯碼的機(jī)制。Ⅱ型和Ⅲ型HARQ系統(tǒng)屬于增量冗余機(jī)制。不同之處在于II型HARQ機(jī)制，重傳的只是數(shù)據(jù)信息或只是FEC冗余信息，只能與先前的錯誤版本并譯碼，而III型HARQ機(jī)制中，重傳數(shù)據(jù)均包含數(shù)據(jù)信息和冗余信息，接收端可單獨譯碼，也可與緩存的出錯版本進(jìn)行合并譯碼。III型HARQ機(jī)制可以克服快速變化的信道以及信道條件瞬時惡化對系統(tǒng)性能的影響，尤其適用于時變衰落信道。

無線廣播場景中大量用戶丟失不同的數(shù)據(jù)包，傳統(tǒng)的 HARQ技術(shù)每次只能重傳一個出錯的數(shù)據(jù)包，造成了重傳效率的低下。因此，如何提高廣播中的重傳效率成為研究熱點之一，而具有顯著優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò)編碼[4]技術(shù)為研究者提供了一種新的途徑?；跓o線信道的不可靠性和廣播特性，網(wǎng)絡(luò)編碼在無線通信領(lǐng)域得到了靈活有效的應(yīng)用，Katti 等人[5]設(shè)計了實用的網(wǎng)絡(luò)層編碼協(xié)議 COPE，其在重負(fù)載時吞吐量性能較傳統(tǒng)路由有 40%的提高；Gollakota 等人[6]設(shè)計了靈活的物理層編碼協(xié)議ZigZag, 14個節(jié)點的仿真表明其相比傳統(tǒng)的802.11協(xié)議平均吞吐率提高25%，平均丟包率從15.8%減小至0.2%。大量研究表明，無線通信中的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)不僅可以改善誤碼性能，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯性和魯棒性，還能夠減少數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)[7,8]，顯著提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

無線廣播模型中常用的網(wǎng)絡(luò)編碼重傳策略有兩種。一種策略是基站首次廣播數(shù)據(jù)包后，根據(jù)ARQ反饋，將所有需重傳數(shù)據(jù)包重復(fù)進(jìn)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼(RNC)后發(fā)送，用戶只要接收到足夠多的編碼包，就能根據(jù)求解逆矩陣的思想得到所需的數(shù)據(jù)包[7,9]。但這種策略有兩個明顯的缺點：一是譯碼過程復(fù)雜，二是重傳包延時過大。另一種策略是基站廣播發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時，根據(jù)實時接收的ARQ反饋進(jìn)行異或型(XORing)網(wǎng)絡(luò)編碼[5,10-12]。這種策略的網(wǎng)絡(luò)譯碼過程簡單，且在廣播的同時就能穿插編碼重傳過程，延時較低。由于文獻(xiàn)[10]中提出的數(shù)據(jù)包組合策略可能會導(dǎo)致該用戶不可譯碼，本文將對其進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的異或型網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合(XORing Network Coding Combined, XNCC)策略。

文獻(xiàn)[11]研究了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和傳統(tǒng)ARQ技術(shù)的NC-ARQ廣播方案，基本思想是在ARQ重傳階段對丟失包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合，以減少傳輸次數(shù)。文獻(xiàn)[12,13]分別研究廣播中繼和雙向中繼模型下，聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和HARQ技術(shù)所帶來的吞吐量增益。文獻(xiàn)[14]研究了無線下行鏈路中基于傳統(tǒng) HARQ的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù) NC-HARQ，理論分析了網(wǎng)絡(luò)編碼在重傳效率和傳輸時延方面的性能增益。本文進(jìn)一步將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和III型HARQ機(jī)制相結(jié)合，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的NC-HARQ III型廣播系統(tǒng)。其主要思想是在重傳階段，利用所提XNCC策略聯(lián)合需重傳數(shù)據(jù)包，一方面使每次編碼包的重傳能服務(wù)于多個用戶，減少重傳次數(shù)；另一方面通過聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道譯碼(Joint Network and Channel Decoding, JNCD)設(shè)計，降低譯碼錯誤性能，減少再次重傳次數(shù)。仿真表明該方案，較網(wǎng)絡(luò)層或鏈路層的分層設(shè)計方案，能有效減少重傳次數(shù)，獲得顯著的時延增益。

2 NC-HARQ Ⅲ型廣播系統(tǒng)

NC-HARQ III型廣播系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示?；就ㄟ^偵聽來自各用戶的控制信號，獲取信道狀態(tài)信息(CSI)來實施自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)控制，以獲得最大的頻譜利用率。本文不對AMC技術(shù)做重點討論，簡單起見，調(diào)制方式采用BPSK調(diào)制，信道編碼采用遞歸系統(tǒng)卷積碼(RSC)編碼，這主要是考慮到重傳數(shù)據(jù)可以與先前緩存數(shù)據(jù)聯(lián)合構(gòu)成分布式Turbo碼，降低誤包率。整個傳輸過程可分為兩個階段：數(shù)據(jù)包的首次發(fā)送稱為廣播階段，錯誤數(shù)據(jù)包的再次發(fā)送稱為重傳階段。為了滿足系統(tǒng)的QoS要求，兩階段可穿插進(jìn)行，保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的實時性和流暢度。

廣播階段，基站將信源數(shù)據(jù)包添加循環(huán)冗余校驗(CRC)后進(jìn)行RSC編碼、調(diào)制發(fā)送；用戶對接收到的解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行RSC譯碼，通過CRC校驗判斷是否正確譯碼，同時將HARQ反饋通過控制信道發(fā)送到基站。譯碼正確的數(shù)據(jù)包將被送入數(shù)據(jù)包緩存，以便重傳階段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)譯碼；譯碼錯誤時，軟解調(diào)數(shù)據(jù)將被送入軟信息緩存，以便與重傳階段接收數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行信道譯碼。

圖1 NC-HARQ III型廣播系統(tǒng)傳輸結(jié)構(gòu)

重傳階段，基站根據(jù)HARQ反饋，采用XNCC策略，在源數(shù)據(jù)包緩存中選擇合適的數(shù)據(jù)包進(jìn)行XORing網(wǎng)絡(luò)編碼，生成的編碼包經(jīng)CRC校驗、交織、RSC編碼后發(fā)送。接收端從軟解調(diào)數(shù)據(jù)中網(wǎng)絡(luò)譯碼出丟失數(shù)據(jù)包的重傳信息，將其與廣播階段的解調(diào)數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行信道譯碼，以此獲得較低的誤包率。譯碼結(jié)果的處理模式同廣播階段一樣：譯碼正確時，數(shù)據(jù)包將被送入數(shù)據(jù)包緩存；譯碼錯誤時，軟解調(diào)數(shù)據(jù)將被送入軟信息緩存。

需要注意的是，數(shù)據(jù)包的 CRC校驗編碼與RSC信道編碼都具有良好的線性性質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)編碼中的XOR操作不影響其發(fā)揮作用。以等數(shù)據(jù)長度的數(shù)據(jù)包i1和i2為例，CRC(*)和RSC(*)分別表示具有相同生成多項式的 CRC校驗編碼和具有相同生成矩陣的 RSC信道編碼。若C1=CRC(i1),C2=CRC(i2)，則等式C1⊕C2=CRC(i1⊕i2)仍然成立；若R1=RSC(i1),R2=RSC(i2)，則等式R1⊕R2=RSC(i1⊕i2)仍然成立。限于篇幅，不作證明。

2.1 XNCC策略

基站根據(jù)接收到的HARQ反饋，獲得數(shù)據(jù)包的丟失情況，其包括：(1)數(shù)據(jù)包是否丟失；(2)丟失數(shù)據(jù)包的序列號和丟失節(jié)點序列號[10]。假定反饋信道不存在損耗?；緦G失情況記錄在矩陣T中，如圖2所示，該矩陣中行表示用戶接收情況，列表示數(shù)據(jù)包被接收情況。若某個數(shù)據(jù)包在某個接收節(jié)點被成功接收，相應(yīng)位置賦值為“0”；若丟失，相應(yīng)位置賦值為“1”。

圖2 數(shù)據(jù)包傳輸錯誤標(biāo)志矩陣T

為了使每次重傳過程中，盡量多的用戶節(jié)點通過簡單的XOR操作，就能獲得丟失數(shù)據(jù)包的重傳信息，有以下兩個選擇編碼準(zhǔn)則：(1)針對任一用戶只能有一個丟失包參與網(wǎng)絡(luò)編碼；(2)每次生成的編碼包能服務(wù)于盡量多的用戶。參照選擇準(zhǔn)則，我們設(shè)計了在數(shù)據(jù)包傳輸錯誤標(biāo)志矩陣T中尋找編碼組合的XNCC策略，具體步驟為：

步驟 1 將被全部用戶正確接收的數(shù)據(jù)包序列去除，比如圖 2中的ID:8數(shù)據(jù)包，清空編碼列表CodingList，清空服務(wù)用戶列表UserList；

步驟 2 從第1列開始，將該列中錯誤標(biāo)志為“1”的所有用戶ID設(shè)為向量UserList_temp；

(1)若UserList_temp與UserList有交集，則該列不能添加進(jìn)編碼列表，丟棄。

(2)若UserList_temp與UserList無交集，則將該列ID添加進(jìn)編碼列表CodingList，該列中所有的錯誤標(biāo)志置為“0”，更新服務(wù)用戶列表：UserList=UserList+UserList_temp。

若服務(wù)用戶列表UserList遍及所有用戶或達(dá)到限制重傳次數(shù)，則可退出循環(huán)。

步驟 3 將編碼列表 CodingList指示的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行XOR操作。

實用過程中，XNCC策略的詳細(xì)編碼算法如表1所示，其中N表示用戶數(shù)目，l表示待重傳包數(shù)目。

表1 XNCC策略編碼算法

根據(jù)XNCC策略，可得到表1的網(wǎng)絡(luò)編碼方式為：1⊕2⊕6, 3⊕5, 4⊕9, 7⊕10，則重傳次數(shù)從傳統(tǒng)的9次減少到4次，大幅降低了重傳次數(shù)。每次組合對應(yīng)的編碼列表 CodingList可通過控制信道發(fā)送給各用戶，以便其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)譯碼。同時，通過觀察可知：當(dāng)廣播數(shù)據(jù)包足夠多時，根據(jù)XNCC策略得到的網(wǎng)絡(luò)編碼包數(shù)等于所有用戶丟包個數(shù)的最大值。用戶數(shù)目為2時，結(jié)論顯然成立，當(dāng)用戶數(shù)目增加時也是如此。因針對任一用戶，每次編碼組合只能重傳一個數(shù)據(jù)包，則所需的重傳次數(shù)取決于丟包率最大的用戶[14]，故網(wǎng)絡(luò)編碼組合次數(shù)等于最大丟包數(shù)，這為第4節(jié)的性能分析提供了依據(jù)。

2.2 聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道譯碼

用戶端重傳階段的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道譯碼結(jié)構(gòu)如圖3所示，用戶從控制信號獲取參與網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包 ID，從數(shù)據(jù)包緩存中取出對應(yīng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行XOR操作、添加CRC校驗、交織后進(jìn)行RSC信道編碼。這里的CRC校驗、交織方式、RSC方式均與基站發(fā)送端的相同，目的是重構(gòu)基站數(shù)據(jù)包(除丟失信息外)的編碼過程，使用戶能從本地解調(diào)數(shù)據(jù)中根據(jù)得到的編碼信息，軟判決出丟失包的重傳信息。通過網(wǎng)絡(luò)譯碼得到丟失包的重傳信息后，首先進(jìn)行單獨的 RSC譯碼，若不成功，則聯(lián)合先前軟信息緩存中的校驗位進(jìn)行Turbo譯碼。既然廣播階段的數(shù)據(jù)譯碼錯誤，表明其已經(jīng)歷嚴(yán)重的衰落，故不能利用其信息位進(jìn)行分集合并，只能利用校驗位進(jìn)行碼字合并譯碼。然而Turbo譯碼必需的是每個解調(diào)數(shù)據(jù)的對數(shù)似然比(LLR)，怎樣從網(wǎng)絡(luò)編碼包中提取重傳數(shù)據(jù)每個比特的 LLR值是一個不可避免的問題。

圖3 重傳階段的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道譯碼結(jié)構(gòu)

3 中繼廣播模型及方案擴(kuò)展

實施機(jī)會中繼的具體方法是每個基站/中繼站采用最小信道增益h的倒數(shù)當(dāng)作倒計時器的初始值，選擇計時器最先歸零的基站/中繼站進(jìn)行重傳。當(dāng)選定某一中繼站重傳時，其內(nèi)部的NC-HARQ III型編碼廣播方案與基站處的相同。采用中繼站進(jìn)行重傳的目的是，進(jìn)一步降低重傳階段的誤包率，以減少重傳次數(shù)。需要注意的是：當(dāng)用戶數(shù)目增多時，機(jī)會中繼帶來的誤包率性能增益逐漸減小。

4 性能分析

圖4 中繼站的編碼重傳結(jié)構(gòu)

時分復(fù)用系統(tǒng)中，因系統(tǒng)的傳輸延時取決于數(shù)據(jù)的傳輸次數(shù)，所以本文衡量的性能指標(biāo)是平均每一源數(shù)據(jù)包傳輸至所有用戶終端所需要的傳輸次數(shù)。傳統(tǒng)的HARQ I型重傳機(jī)制下，基站對數(shù)據(jù)添加 FEC編碼后廣播發(fā)送，用戶根據(jù)本次接收數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。鏈路層采用網(wǎng)絡(luò)編碼的HARQ I型方案(NC-HARQ I)中，基站根據(jù)XNCC策略選擇合適的重傳包，網(wǎng)絡(luò)編碼后添加 FEC編碼，用戶也只是根據(jù)本次接收數(shù)據(jù)信道譯碼，再通過網(wǎng)絡(luò)譯碼得到重傳數(shù)據(jù)。選取上述兩種方案與本文所提NC-HARQ III型廣播方案進(jìn)行對比，是要分別驗證網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道譯碼設(shè)計帶來的時延增益。

基站要發(fā)送K個數(shù)據(jù)包至N個用戶終端。設(shè)采用RSC信道編譯碼進(jìn)行首次廣播的誤包率為Pb，則 HARQ I型重傳模式的誤包率也始終為Pb。設(shè)HARQ III型冗余重傳模式下第i次重傳的誤包率為Pri，由于采取聯(lián)合譯碼，顯然誤包率會逐次降低，即Pb＞Pr1＞Pr2＞Pr3…。為分析方便，這里取Pr1為HARQ III型冗余重傳模式下的誤包率，并假設(shè)每個用戶終端的誤包率相同。

HARQ I型方案中，一個數(shù)據(jù)包的平均傳輸次數(shù)L1為[7]

網(wǎng)絡(luò)編碼方案中，定義平均傳輸次數(shù)為L(Pb,Pr) ，其中Pr為重傳階段的誤包率。廣播階段，每一用戶的錯誤包數(shù)為KPb，由第2.1節(jié)的分析可知：需要重傳的網(wǎng)絡(luò)編碼包數(shù)即為KPb。因XNCC策略根據(jù)HARQ反饋實時進(jìn)行動態(tài)編碼，且每次編碼都能服務(wù)一次指定用戶，故此時網(wǎng)絡(luò)編碼包的重傳次數(shù)相當(dāng)于基站發(fā)送KPb個數(shù)據(jù)包到單一指定用戶的傳輸次數(shù)，重傳次數(shù)Lr為

所需平均傳輸次數(shù)L(Pb,Pr)為

故NC-HARQ I型方案的平均傳輸次數(shù)為L(Pb,Pb) ,NC-HARQ III型方案的平均傳輸次數(shù)為L(Pb,Pr1)。

5 仿真驗證

基站廣播104個數(shù)據(jù)包至10個用戶終端，每數(shù)據(jù)包長度為200 bit(含CRC校驗)，信道編碼采用碼率為1/2的(37, 21)RSC編碼，BPSK調(diào)制發(fā)送，Turbo譯碼采用MAP算法，且均為8次迭代。仿真環(huán)境為疊加高斯白噪聲的瑞利慢衰落信道，廣播或重傳階段經(jīng)過RSC編碼的400 bit經(jīng)歷相同的信道衰落。假設(shè)基站/中繼站針對每一用戶具有相同的發(fā)送信噪比SNR。

圖5反映了在廣播階段RSC譯碼錯誤的情況下，3種HARQ機(jī)制首次重傳的誤包率。其中HARQ II型經(jīng)過兩次重傳發(fā)送了 RSC編碼的全部信息位和校驗位，這樣保證其重傳數(shù)據(jù)也為400 bit，其中信息位與緩存數(shù)據(jù)的信息位進(jìn)行等增益分集合并，校驗位采用碼字合并進(jìn)行聯(lián)合Turbo譯碼。為方便下文引用，對應(yīng)的誤包率曲線在圖示中用P1,P3,P1r,P3r來標(biāo)志。由圖 5可以看出：在低信噪比(SNR ＜4 dB)時，HARQ II型重傳機(jī)制由于采用合并譯碼技術(shù)，誤包率要好于HARQ I型機(jī)制；當(dāng)信噪比增加時，若廣播階段仍譯碼錯誤，表示其首次廣播數(shù)據(jù)衰落較嚴(yán)重，即使增加冗余信息也難以爭取譯碼；HARQ III型重傳數(shù)據(jù)包的誤包率始終好于其它兩種HARQ機(jī)制。針對存在6個中繼節(jié)點的情況，仿真表明機(jī)會中繼策略能顯著降低重傳數(shù)據(jù)包的誤包率。

圖6反映了傳統(tǒng)的HARQ I型方案，融合網(wǎng)絡(luò)編碼的NC-HARQ I型方案以及NC-HARQ III型方案，在圖6所示誤包率的基礎(chǔ)上，平均每一源數(shù)據(jù)包傳輸至所有用戶終端所需要的傳輸次數(shù)，圖示中的P1,P3,P1r,P3r分別對應(yīng)圖5中的誤包率。NC-HARQ I型方案與HARQ I型方案相比，傳輸次數(shù)的減少得益于網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制(XNCC策略)在減少重傳次數(shù)方面的潛在優(yōu)勢。NC-HARQ III型方案與NC-HARQ I型方案相比，傳輸次數(shù)的減少應(yīng)歸功于JNCD設(shè)計帶來的更低的誤包性能。存在6個中繼站時，兩方案下平均傳輸次數(shù)套用式(5)可得：L(P1 ,P1r),L(P1 ,P3r)，仿真表明機(jī)會中繼策略能有效降低重傳次數(shù)。

圖7反映了信噪比設(shè)定為2 dB的情況下，3種傳輸方案中平均傳輸次數(shù)隨用戶終端數(shù)目增加的變化情況。傳統(tǒng)的HARQ I型重傳方案中，當(dāng)用戶終端數(shù)目增加，所需平均傳輸次數(shù)快速增加；采用網(wǎng)絡(luò)編碼后，平均傳輸次數(shù)與終端數(shù)目無關(guān)?？梢姴捎镁W(wǎng)絡(luò)編碼的重傳方案更適用于用戶密集的場景。中繼廣播模型下，隨著用戶終端數(shù)目的增加，所需平均傳輸次數(shù)趨近于無中繼模型，這主要是因為隨著用戶終端數(shù)目的增加，機(jī)會中繼帶來的誤包率性能增益越來越小。

6 結(jié)論

圖5 針對某一用戶廣播階段的丟失包不同HARQ機(jī)制首次重傳的誤包率

圖6 不同重傳方案下的平均傳輸次數(shù)

圖7 不同重傳方案下的平均傳 輸次數(shù)隨用戶數(shù)目的變化情況

本文提出了聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼的III型HARQ廣播系統(tǒng)跨層設(shè)計方法，其主要思想是在重傳階段，利用XNCC策略XOR重傳數(shù)據(jù)包，一方面使每次編碼包的重傳能服務(wù)于多個用戶，減少重傳次數(shù)；另一方面通過聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道譯碼設(shè)計，降低誤包率。本文進(jìn)一步利用機(jī)會中繼的思想，將提出的 NCHARQ III機(jī)制擴(kuò)展到中繼廣播系統(tǒng)。在不同HARQ類型丟包率的仿真基礎(chǔ)上，論文推導(dǎo)出聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼設(shè)計時廣播系統(tǒng)的所需平均傳輸次數(shù)，并通過仿真對比了采用網(wǎng)絡(luò)編碼和不同 HARQ類型進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計時的延時性能。數(shù)值分析和仿真表明：所提NC-HARQ III型廣播方案，較傳統(tǒng)的HARQ I型或NC-HARQ I型廣播方案，能有效減少重傳次數(shù)，獲得顯著的時延增益。

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