基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的無線中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸算法

陳君勝，楊小勇，徐怡杭

(1.甘肅省無線電監(jiān)測(cè)站，甘肅 蘭州 730030；2.國(guó)家無線電頻譜管理研究所有限公司，陜西 西安 710053；3.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

隨著我國(guó) 4G/5G[1-3]網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各種蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)以及其所組成的其他無線網(wǎng)絡(luò)[4-5]承擔(dān)著人們生活和工作中大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。為了在無線信道下進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)的自動(dòng)傳發(fā)請(qǐng)求(ARQ)協(xié)議[6-7]引入了差錯(cuò)控制機(jī)制，以便在無線衰落信道中提供可靠傳輸。然而ARQ在多用戶之間共享無線信道時(shí)具有瓶頸效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能受限于具有最差信道條件的用戶。為了克服上述不足，隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼[8-10]作為通信網(wǎng)絡(luò)中信息處理和傳輸理論研究上的重大突破，提供了一種有效頻譜資源利用、提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量的手段。但在無線網(wǎng)絡(luò)中，由于無線衰落信道特性，若部分用戶無法正確接收到足夠多的編碼包，則無法解碼出有用信息，導(dǎo)致了隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼性能的降低。尤其是在傳輸數(shù)據(jù)量大、延時(shí)要求低的多媒體數(shù)據(jù)時(shí)，隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼在衰落信道下的性能會(huì)進(jìn)一步下降。

另一方面，中繼傳輸策略[11-13]通過在無線網(wǎng)絡(luò)中引入中繼，充分發(fā)揮了空間分集的作用，從而有效克服了無線信道衰落，有效提高了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?。本文提出了一種基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的無線中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸算法，針對(duì)多媒體數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)編碼深度可調(diào)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼，并充分利用無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)作用，設(shè)計(jì)了基站與中繼協(xié)作以選擇最佳編碼包進(jìn)行傳輸?shù)淖赃m應(yīng)調(diào)度方案，以期在規(guī)定的數(shù)據(jù)延時(shí)內(nèi)獲取最大化的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并在此基礎(chǔ)上利用仿真實(shí)驗(yàn)討論了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)吞吐量的影響。

在以往的工作中，文獻(xiàn)[14]中研究了延時(shí)受限的多播數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[15]的研究工作則推導(dǎo)得到了無線多播網(wǎng)絡(luò)中使用網(wǎng)絡(luò)編碼(NC)的能耗下界。文獻(xiàn)[11]將隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼(RLNC)和信道編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)以優(yōu)化時(shí)延性能。文獻(xiàn)[16]中提出了一種采用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸多播對(duì)延時(shí)敏感的視頻數(shù)據(jù)的自適應(yīng)調(diào)度算法。文獻(xiàn)[17]則在多播多媒體數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用了跨層設(shè)計(jì)。但在這些研究工作中都沒考慮利用中繼協(xié)作進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸。與上述這些研究工作不同，本文提出了一種無線衰落信道下采用編碼深度可調(diào)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼和中繼節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)傳輸算法，有效提高了無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型

基站BS利用中繼節(jié)點(diǎn)R向N個(gè)用戶分時(shí)傳輸L個(gè)數(shù)據(jù)包，假設(shè)傳輸?shù)慕刂箷r(shí)間為T(T≥L)(圖像幀的最大延時(shí))，并規(guī)定系統(tǒng)每個(gè)時(shí)隙傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。基站利用控制信道獲取用戶反饋的數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)。與數(shù)據(jù)包相比，由于反饋信息包很短，只包含必要的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，因此該模型假設(shè)反饋信息包不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤和丟失。在該無線網(wǎng)絡(luò)中，所有用戶之間的鏈路均為獨(dú)立衰落信道，且基站到用戶n、基站到中繼、中繼到用戶n的平均丟包率(PER)分別記為εBn，εBR，εRn?；緞t通過信道估計(jì)獲知上述信道狀況。

2 算法原理設(shè)計(jì)

為了提高視頻數(shù)據(jù)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，針對(duì)多媒體數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種編碼深度可調(diào)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，并在該編碼方式的基礎(chǔ)上引入基站與中繼的協(xié)作調(diào)度，選擇合適的編碼深度和傳輸方式進(jìn)行編碼包傳輸，從而優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸效率，獲得了網(wǎng)絡(luò)整體性能的提升。

2.1 基于編碼深度可調(diào)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼

針對(duì)圖像幀的數(shù)據(jù)包具有優(yōu)先級(jí)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種編碼深度可調(diào)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，旨在發(fā)生誤包的情況下盡可能地多解出原始數(shù)據(jù)包。為此，系統(tǒng)在發(fā)送端設(shè)計(jì)了編碼深度可調(diào)的線性編碼器，在每個(gè)編碼器中入棧并參與編碼的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)呈遞增趨勢(shì)。假設(shè)圖像幀由L個(gè)數(shù)據(jù)包組成，基站則會(huì)創(chuàng)建L個(gè)編碼器，每個(gè)編碼器Gl(1≤l≤L)會(huì)對(duì)l個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)包{p1，p2，…，pl}進(jìn)行隨機(jī)線性編碼，并輸出編碼包c(diǎn)l。例如，當(dāng)L=3時(shí)，基站會(huì)生成3個(gè)編碼器來產(chǎn)生深度可調(diào)的網(wǎng)絡(luò)編碼包：

編碼器1：對(duì)入棧數(shù)據(jù)不做編碼，即c1=p1；

式中，αij是從有限域Fq中隨機(jī)獲取的系數(shù)。

該編碼方式相對(duì)于傳統(tǒng)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)某些用戶僅接收到編碼包的部分集合，如只收到c1和c2，仍然能解碼出一部分的數(shù)據(jù)包(如解碼出p1和p2)。而傳統(tǒng)的隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼算法每次進(jìn)行數(shù)據(jù)包編碼時(shí)都將3個(gè)分層數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，用戶至少正確接收到3個(gè)編碼包后才能解碼出所有原始數(shù)據(jù)，否則無法解出任何數(shù)據(jù)，造成頻譜資源浪費(fèi)。

2.2 基站與中繼協(xié)作調(diào)度機(jī)制參數(shù)說明

在對(duì)不同類型編碼包進(jìn)行傳輸調(diào)度過程中，為了克服無線信道的衰落，系統(tǒng)自適應(yīng)地選擇編碼深度和發(fā)送節(jié)點(diǎn)類型(基站或中繼)，形成了基站與中繼的協(xié)作調(diào)度機(jī)制。為了便于闡述和理解該協(xié)作機(jī)制，本文定義了以下網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：

① 狀態(tài)矩陣Sn(t)。在數(shù)據(jù)傳輸期間，每個(gè)用戶以及中繼都會(huì)生成一個(gè)T×L的狀態(tài)矩陣Sn(t)(n=0，1，...，N，其中S0(t)代表中繼節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)矩陣)，用于表示用戶或中繼成功接收到編碼包的類型和狀態(tài)，并隨發(fā)送時(shí)隙t進(jìn)行更新。若用戶t時(shí)隙接收到編碼包，則αit(1≤i≤L)表示隨機(jī)編碼系數(shù)。若編碼包丟失或發(fā)送端尚未傳輸該數(shù)據(jù)包，則狀態(tài)矩陣中相應(yīng)的行矢量αit=0。因此矩陣Sn(t)可表示如下：

(1)

② 中繼二次編碼。中繼R將基站發(fā)送的編碼包在本地保存并做編碼處理形成新的編碼包，將這一處理過程稱之為中繼節(jié)點(diǎn)二次編碼處理。記向量CR=[c1R，…，cmR，…，cMR]，其中M

③ 基站調(diào)度策略集合AB?；纠貌煌幋a深度的編碼器生成并發(fā)送編碼包的行為構(gòu)成了基站調(diào)度策略集合。若at∈AB且at={基站在t時(shí)刻發(fā)送編碼器G2產(chǎn)生的c2}，則基站在時(shí)隙t將G2生成的編碼深度為2的編碼包c(diǎn)2=αt1p1+αt2p2向全網(wǎng)發(fā)送。

⑤ 用戶實(shí)時(shí)吞吐量r(Sn(t)，at)。r(Sn(t)，at)代表在給定Sn(t)時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)度策略at在t時(shí)刻可以給用戶n所帶來的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量，其中Sn(t)代表用戶n在時(shí)隙t的狀態(tài)矩陣。r(Sn(t)，at)可表示為：

r(Sn(t)，at)=Ε[r(Sn(t+1)|Sn(t)，at)]，

(2)

式中，Ε[·]是Sn(t+1)的期望函數(shù)；r(Sn(t+1)|Sn(t)，at)表示在當(dāng)前調(diào)度策略at下，用戶n的狀態(tài)矩陣從Sn(t)變到Sn(t+1)時(shí)所增長(zhǎng)的吞吐量。例如，在狀態(tài)矩陣

下，執(zhí)行動(dòng)作a1={基站在t=1時(shí)刻發(fā)送編碼器G2產(chǎn)生的c2}，若狀態(tài)矩陣變?yōu)?/p>

則根據(jù)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼特點(diǎn)可知，此時(shí)節(jié)點(diǎn)n能夠解碼出2個(gè)原始數(shù)據(jù)包(p1和p2)，因此r(Sn(2)|Sn(1)，a1)=2-1=1。同理可知，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)吞吐量r(at)可以表示為：

(3)

基站和中繼通過對(duì)r(at)的計(jì)算和對(duì)比進(jìn)行協(xié)作調(diào)度，對(duì)編碼包的類型和發(fā)送端的類型進(jìn)行決策，從而決定哪種傳輸策略可以帶來更高的網(wǎng)絡(luò)增益。換而言之，即全網(wǎng)用戶是否能盡可能多地解碼出多媒體數(shù)據(jù)包。

2.3 網(wǎng)絡(luò)編碼包的協(xié)作調(diào)度

通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的說明和分析可知，該協(xié)作調(diào)度算法需尋找一種編碼包傳輸調(diào)度策略，使得每個(gè)用戶都可以解碼出盡可能多的圖像數(shù)據(jù)包。本文算法對(duì)編碼包進(jìn)行自適應(yīng)協(xié)作調(diào)度的過程可分為基站廣播傳輸階段Φ1和編碼包協(xié)作調(diào)度傳輸階段Φ2。

基站廣播傳輸階段Φ1由L個(gè)時(shí)隙組成，在這一階段基站負(fù)責(zé)將編碼器生成的編碼包c(diǎn)i發(fā)送給所有用戶和中繼。而在編碼包協(xié)作調(diào)度傳輸階段Φ2(從時(shí)隙(L+1)到時(shí)隙T)，基站和中繼將依據(jù)用戶反饋的信息進(jìn)行自適應(yīng)協(xié)作傳輸。若在協(xié)作調(diào)度過程中基站在時(shí)刻t被選擇為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，則基站從生成器Gi選擇編碼包c(diǎn)i向全網(wǎng)廣播；若中繼被系統(tǒng)選擇為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，則中繼會(huì)從中繼調(diào)度策略集合AR中選擇最佳編碼包類型進(jìn)行全網(wǎng)廣播。為了便于說明，本文將協(xié)作傳輸策略記為Ω=Ω1∪Ω2，其中Ω1和Ω2分別代表階段Φ1和階段Φ2所采取的系列傳輸策略，即Ω1=[a1，a2，…，aL]，Ω2=[aL+1，aL+2，…，aT]。Ω中的第i個(gè)元素ai代表了在i時(shí)刻系統(tǒng)所做出的調(diào)度策略。與此同時(shí)，為了衡量某個(gè)Ω的優(yōu)劣，本文定義一個(gè)非負(fù)實(shí)函數(shù)ΓΩ，用以表示在某一協(xié)作傳輸策略下，系統(tǒng)所獲得的期望網(wǎng)絡(luò)吞吐量，其ΓΩ可定義為：

(4)

基站與中繼協(xié)作傳輸?shù)哪繕?biāo)就是在T個(gè)傳輸時(shí)隙內(nèi)選擇出最優(yōu)協(xié)作傳輸策略Ω*?Ω，使網(wǎng)絡(luò)吞吐量ΓΩ最大化：

(5)

針對(duì)于此，本文的協(xié)作傳輸算法具體如下：

(6)

若用戶n接收到L個(gè)編碼包，此時(shí)Sn，L滿秩，因此用戶可以解碼出所有的數(shù)據(jù)包從而獲取圖像信息。而當(dāng)n未能解碼部分編碼包時(shí)，如未能成功解碼c3，根據(jù)編碼深度可調(diào)編碼器的特點(diǎn)，用戶依然可以解碼出部分優(yōu)先級(jí)高的原始數(shù)據(jù)包(p1和p2)，從而保證了基本的視頻觀看質(zhì)量，而視頻效果加強(qiáng)的工作可在編碼包協(xié)作調(diào)度階段進(jìn)行完成。

(7)

2.4 協(xié)作調(diào)度算法復(fù)雜度分析

3 仿真結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)中，本文將視頻圖像數(shù)據(jù)按照SVD編碼方式分為4個(gè)數(shù)據(jù)層[18-19](L=4)，并產(chǎn)生p1，p2，p3，p4四個(gè)數(shù)據(jù)包。同時(shí)，仿真將本文算法(Proposed)與中繼協(xié)助下的自動(dòng)重傳請(qǐng)求機(jī)制(ARQ)和中繼協(xié)作下的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編碼(RRT)[20]，以及傳統(tǒng)隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的技術(shù)(簡(jiǎn)稱RNC)進(jìn)行對(duì)比分析。

平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量與用戶數(shù)間的關(guān)系如圖2所示。設(shè)定T=8，N=8?；镜街欣^的丟包率εBR=0.2，基站到各用戶的信道條件不同，其丟包率依次設(shè)為0.15，0.19，0.23，0.27，0.31，0.34，0.38，0.4(對(duì)應(yīng)于εB1，…，εB8)，中繼到用戶的丟包率εRn在(0.1，0.2)間隨機(jī)分布，總體好于基站到用戶的信道狀況。很明顯，無論采取哪種算法，平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量均隨著用戶數(shù)增多而下降。其原因在于頻譜資源一定的情況下，用戶的增多會(huì)擠占平均頻譜資源共享率，造成系統(tǒng)性能下降。其次，圖2表明ARQ技術(shù)在用戶數(shù)增加時(shí)性能下降最嚴(yán)重。當(dāng)用戶數(shù)增加時(shí)，本文算法性能下降較為緩慢，適合于多用戶傳輸。此外，仿真結(jié)果還表明由于本文算法充分考慮到了分層數(shù)據(jù)包之間的相關(guān)性和中繼帶來的增益，特別是在信道深度衰落時(shí)仍能首先解碼出具有高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，使其性能高于其他算法。

圖2 平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量與用戶數(shù)間的關(guān)系

T對(duì)平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響如圖3所示。仿真設(shè)置εBR=0.2，N=5，εB1=15%，εB2=18%，εB3=21%，εB4=24%，εB5=27%。其他參數(shù)與圖2相同。

圖3 平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量與T之間的關(guān)系

圖3的結(jié)果表明：4種算法中，本文算法擁有最佳性能，ARQ性能最差。值得注意的是當(dāng)T足夠大時(shí)，無論采用哪種算法，所有用戶都可以解碼出全部4個(gè)數(shù)據(jù)包。而當(dāng)T=4時(shí)，RLNC和RRT算法性能最差。這是由于當(dāng)T很小時(shí)，冗余傳輸階段很短，用戶收集到全部編碼包集合的概率較小而導(dǎo)致性能較差。另一方面，與其他算法相比，本文算法之所以擁有最好的性能是因?yàn)榧词褂脩糁皇盏骄幋a包的部分集合時(shí)，仍能夠解出一部分有用信息。由此可見當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延是首要考慮的問題時(shí)，本文算法是最佳選擇。

不同算法下基站到用戶間的丟包率對(duì)平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響如圖4所示。參數(shù)設(shè)定T=6，N=5，εBR=0.2，而εB1=εB2=…=εB5=ζ，其中設(shè)ζ從0.05變化到0.3，變化步長(zhǎng)為0.05。

圖4 平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量與基站到用戶的丟包率之間的關(guān)系

圖4的結(jié)果表明：ζ較小時(shí)，用戶成功接收全部編碼包并解碼出圖像數(shù)據(jù)包的概率很大，這使得圖中所有的調(diào)度算法均有較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。然而在高丟包率狀況下，盡管各算法中平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量均隨著丟包率增大而下降，但本文算法與其他算法之間的性能差異很大。這充分說明本文算法在高丟包率時(shí)仍能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。

在圖5中，仿真實(shí)驗(yàn)探討基站到中繼間的丟包率與平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量之間的關(guān)系。參數(shù)設(shè)定如下：T=6，N=5，εB2=0.18，εB3=0.21，εB4=0.24，εB5=0.27，εBR則從0.1變到1，變化步長(zhǎng)0.1。

圖5 平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量與基站到中繼的丟包率之間的關(guān)系

從圖5的仿真結(jié)果中可以看出，εBR很小時(shí)，基站與中繼之間的信道條件很好，中繼可以充分發(fā)揮它的中繼傳輸能力。而隨著εBR變大，基站與中繼中間的信道狀況變差，中繼協(xié)助時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能也隨之下降。而這一過程中，進(jìn)行對(duì)比的算法中本文算法仍具有最佳性能，且遠(yuǎn)好于ARQ機(jī)制。

4 結(jié)束語

針對(duì)在無線衰落信道下向多用戶傳輸多媒體數(shù)據(jù)，本文提出了一種基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的無線中繼網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸算法以提高平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量。該算法充分考慮到多媒體數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的優(yōu)先級(jí)特性和時(shí)延敏感性，進(jìn)而引入了編碼深度可調(diào)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，以使用戶可以解碼出原始數(shù)據(jù)包?；九c中繼根據(jù)用戶反饋的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)協(xié)作對(duì)編碼包進(jìn)行發(fā)送。通過這種方式，該算法在每個(gè)時(shí)隙中都選擇了最佳傳輸動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。