基于有限反饋隨機網(wǎng)絡編碼數(shù)據(jù)廣播方法

潘秋琪++ 高小龍

摘 要：該文研究了海量無線終端場景中的高效數(shù)據(jù)廣播問題。提出了一種有限反饋隨機網(wǎng)絡編碼自動重傳請求（Finite feedback Random Network coding Automatic Repeat reQuest，F(xiàn)RNARQ）方案。通過設計最優(yōu)度反饋機制，有效降低海量無線終端數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的反饋負載，并利用有限隨機網(wǎng)絡編碼進一步降低數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)。數(shù)值仿真表明，與部分反饋選擇性自動重傳請求方案（Partial feedback Selective ARQ， PSARQ）和網(wǎng)絡編碼自動重傳請求方案（Network coding ARQ， NARQ）相比，F(xiàn)RNARQ能夠在保證數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)較小的前提下，有效降低系統(tǒng)的反饋負載，提高數(shù)據(jù)廣播效率。

關鍵詞：廣播通信 隨機網(wǎng)絡編碼 有限反饋 最優(yōu)度反饋

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0086-02

物聯(lián)網(wǎng)通信場景具有設備數(shù)量多，設備能量有限的特點，物聯(lián)網(wǎng)廣播通信會帶來以下兩個問題[1]：（1）系統(tǒng)的反饋信息數(shù)隨著接收端數(shù)量的增加而增加，而系統(tǒng)的反饋信道數(shù)是有限的，大量的反饋信息會給系統(tǒng)帶來“反饋風暴”，甚至會導致系統(tǒng)癱瘓；（2）系統(tǒng)的廣播效率隨著接收端數(shù)量的增加而降低。

為了解決上述兩個問題，該文提出了一種有限反饋隨機網(wǎng)絡編碼自動重傳請求方案FRNARQ，在重傳階段傳輸為隨機網(wǎng)絡編碼數(shù)據(jù)包。每一個接收端僅僅需要反饋一個參數(shù)，即通過自身數(shù)據(jù)包不完整度PIR來確定的本地最優(yōu)“度”（網(wǎng)絡編碼數(shù)據(jù)包中原始數(shù)據(jù)包的個數(shù)），而不必為每一個丟失的數(shù)據(jù)包反饋一個NACK信息。其次，提出了一種最優(yōu)度確定準則，用于在接收端確定重傳網(wǎng)絡編碼數(shù)據(jù)包最優(yōu)度。最后，針對FRNARQ方案的廣播效率和反饋負載性能進行了理論分析，計算機數(shù)值仿真結果證實了所提FRNARQ方案的有效性。

1 FRNARQ方案

該文提出的FRNARQ方案，一方面維持反饋負載在一定的水平，另一方面最大化廣播效率。具體來說，該策略可以分為廣播階段、反饋階段和重傳階段3個方部分[2]。

（1）廣播階段。基站分別發(fā)送N個原始數(shù)據(jù)包。（2）反饋階段。反饋信息的類型可以分為兩種：第一種是結束ACK，接收端通過向基站反饋結束ACK告知自身已經(jīng)完成對全部原始數(shù)據(jù)包的接收。第二種稱為指示ACK，用于接收端沒有完成接收的情況下向基站指示自身需要何種重傳數(shù)據(jù)包。（3）重傳階段。基站在收到全部接收端發(fā)來的指示ACK后確定全局最優(yōu)度，然后根據(jù)最優(yōu)的度生成下一個重傳階段內(nèi)所有隨機網(wǎng)絡編碼重傳包。

當重傳數(shù)據(jù)包確定下來，基站將這些數(shù)據(jù)包連同采用的度G一起廣播。丟失原始數(shù)據(jù)包的接收端收到這些數(shù)據(jù)包，同時確定G的值。根據(jù)G值，接收端可以使用同步隨機序列發(fā)生器獲得重傳數(shù)據(jù)包的編碼向量，恢復丟失的原始數(shù)據(jù)包[3]。

2 仿真驗證

首先假設基站廣播的數(shù)據(jù)包的數(shù)目N=100，接收端是數(shù)量M=1 000，設備的誤包率。

將FNARQ方案與傳統(tǒng)的SARQ和NARQ方案進行對比，圖1和圖2分別反映了3種方案的數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)和反饋總信息數(shù)對比。從圖1中可以看出，F(xiàn)RNARQ在整個信噪比區(qū)間上的數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)好于PSARQ和NARQ，F(xiàn)NARQ可以取得很好的系統(tǒng)性能。從圖2中可以看出來，PSARQ和NARQ發(fā)送相同多的反饋信息，而FRNARQ發(fā)送的反饋信息總數(shù)最少，約為前兩者的1/5，這表明FRNARQ方案在減少反饋信息總數(shù)方面取得了明顯的效果。

3 結語

該文考慮物聯(lián)網(wǎng)海量終端廣播場景中數(shù)據(jù)高效傳輸問題，提出有限反饋隨機網(wǎng)絡編碼的廣播重傳方案FRNARQ。仿真結果表明，在M=1 000，N=1 00，CR=0.95，P=0.18的條件下，反饋負載相比于PSARQ和NARQ減小了約80%，同時廣播效率，尤其在設備數(shù)量較大且信道衰落嚴重的情況下，優(yōu)于NARQ。該文分析了提出的FRNARQ方案的廣播效率和反饋負載性能，并給出了近似分析結果，同時仿真結果與理論結果的一致性也驗證了FRNARQ方案的優(yōu)越性。

參考文獻

[1] 張銳，趙增華，張燁彬，等.無線Ad hoc網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡編碼的數(shù)據(jù)廣播協(xié)議[J].計算機應用研究，2011（7）：2616-2620.

[2] 葛進峰，白光偉，沈航.基于網(wǎng)絡編碼的無線網(wǎng)絡低冗余數(shù)據(jù)廣播協(xié)議[J].計算機工程與設計，2016（1）：26-30.

[3] 趙偉，袁超偉，張金波.MIMO廣播有限反饋系統(tǒng)中聯(lián)合預編碼方法[J].北京郵電大學學報，2012（2）：24-27.