無線中繼網絡中基於網絡編碼的多媒體數據傳輸方法與流程
2023-12-07 21:37:56 1
本發明涉及一種基於網絡編碼的多媒體數據傳輸的方法，具體涉及無線中繼網絡中基於網絡編碼的多媒體數據傳輸方法。
背景技術：
在無線廣播網絡中，隨機線性網絡編碼(Random liner Network Coding)是一種高效的編碼方法，能有效的提升網絡的吞吐量。但是傳統的隨機線性網絡編碼卻帶來了很大的傳輸時延，只有當用戶成功接收足夠多的編碼數據包使得其接收的狀態矩陣達到滿秩後，才能一次性的全部成功解碼出信源所發出的所有信息。比如在文章Efficient Scheduling for Relay-Aided Broadcasting with Random Network Codes(該文章出自2011IEEE 22nd International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications)中作者提出了一種基於隨機網絡編碼的中繼網絡中的數據傳輸方案，這種傳輸方案中應用的就是隨機網絡編碼，但是這引入了較大的傳輸時延，只能用於傳輸對時延要求不高的普通數據。這在傳輸實時性要求比較高的多媒體數據來說是不能忍受的。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述不足，提供一種無線中繼網絡中基於網絡編碼的多媒體數據傳輸方法，不僅克服了網絡編碼傳輸多媒體數據時的時延問題的同時，還有效的提高了網絡的吞吐率。
為了達到上述目的，本發明包括以下步驟：
步驟一，在第一個時隙裡，基站發送第一個數據包a1，所有的用戶包括中繼都接收基站發送的數據；
步驟二，在第二個時隙至整個傳輸時期末，由基站和中繼競爭進行數據包的發送，所有的用戶在每個時隙末，都對其自己的接收狀況進行一次反饋，報告給基站和中繼其是否成功的接收到了該時隙內數據包；
步驟三，基站和中繼分別根據網絡中所有用戶的接收狀態，預測下一次發送的最佳類型的編碼數據包，並根據網絡和用戶的狀態各自預測發送此最佳類型數據包所達到的網絡吞吐量的增益；
步驟四，基站和中繼就此增益進行比較，最後優勝者獲得下一個時隙的發送權，在下一個時隙發送該優勝者的最佳類型的編碼數據包。
2、根據權利要求1所述的無線中繼網絡中基於網絡編碼的多媒體數據傳輸方法，其特徵在於，所述步驟一中，基站的信源端有L個數據包a1,a2,...,aL需要發送給用戶，它們的優先級順序是遞減的，其順序為：a1≥a2...≥aL,這是一種分層的數據，總共把這L個數據包分為L層，每個數據包為一層，有L個HDCP數據包需要傳送，他們的重要性等級為a1≥a2...≥aL，把所有的編碼數據包分為L類，則Gi代表第i類編碼數據包，其中1≤i≤L，且這種類型的數據包是由前i個原始編碼數據包隨機線性組合而成。
3、根據權利要求1所述的無線中繼網絡中基於網絡編碼的多媒體數據傳輸方法，其特徵在於，所述步驟四中，基站能夠自適應的對原始數據包進行編碼，所以基站在每個時隙內可以發送所有類型的編碼數據包，即其編碼數據包為其中αi＝[αi1,αi2...αiL]是隨機編碼向量，如果i＜j≤L時αij＝0且j＝1,2,...,L，在此，定義一個增益函數R(Si)，它代表了在當前網絡矩陣狀態為Si的情況下，所有的用戶解碼出的所有的有用的原始數據包的個數，即網絡的總增益，Si是第i個時隙末，網絡的狀態矩陣，R(Si+1|Si,ci+1)表示的是在第i+1個時隙內發送編碼數據包ci+1後網絡狀態從Si變到Si+1後整個網絡的增益，在此定義：
其中的CB＝(c1,c2,...,cL)代表所有的編碼包種類的集合，是在第i個時隙裡，基站要發送的最優類型的編碼數據包；
當然中繼在接收的基站發送的編碼數據包時也是會丟失掉一些數據包的，我們在此設定CR＝(cα,cβ,...,cγ)是中繼所能夠產生的所有類型的編碼數據包，比如當中繼能夠解碼出原始數據包a1,a2,a3的時候，它就可以產生G1，G2，G3這三種類型的編碼包，定義：
通過上式我們可以得到它是中繼在第i+1個時隙內選擇發送的最優類型的編碼包。
4、根據權利要求1所述的無線中繼網絡中基於網絡編碼的多媒體數據傳輸方法，其特徵在於，所述步驟四中，定義RB是基站通過發送使得整個網絡達到的最大增益；RR是中繼通過發送能使得網絡達到的最大的增益，由此可得：
如果RB＞RR，基站將會發送給所有的接收用戶，如果RB＜RR則由中繼發送給所有的用戶；
在ABRC的整個傳輸過程中，除第一個時隙由基站發送G1類型的編碼包外，基站和中繼以及不同編碼方式的這兩種競爭將一直存在直到超過T個時隙過後或者是所有的用戶都已經成功解碼出所有的原始數據包，然後在整個過程結束後，將進行計算這段時間內整個網絡的平均單位吞吐率，設定用戶i的狀態向量為si＝[si1,si2,...,siL]，則以此來計算用戶i所能解碼出的原始數據包的個數ηi，然後，以此算法依次計算出所有接收用戶的η值，則式(5)計算出整個網絡的單位時間內平均吞吐量：
其中K為總用戶數，T為整個傳輸時期的總時隙數，ηk為用戶k最終解碼出的原始數據包的個數。
與現有技術相比，本發明提出的ABRC中引入了自適應網絡編碼，使得用戶接收狀態矩陣在沒有滿秩的情況下就解碼出部分數據包，而且每次發送都採用競爭方案，選擇最優的發送者和最優類型的編碼包進行發送，這在克服了網絡編碼的時延的同時，也顯著的提高了網絡吞吐量。
【附圖說明】
圖1為本發明無線中繼的網絡模型；
圖2為本發明用戶數和平均吞吐量的關係
圖3為本發明吞吐量與T的關係；
圖4為本發明吞吐量與εBi的關係；
圖5為本發明吞吐量與εBR；
圖6為本發明ABRC的網絡狀態矩陣。
【具體實施方式】
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
本發明能夠分為四個部分，(A)數據定義(B)自適應網絡編碼(C)參數分析(D)吞吐量的計算；
(A)數據的定義；
經典的可伸縮視頻編碼SVC是保障多媒體數據傳輸的關鍵技術。SVC是一種分層的數據，我們基於此對傳輸數據做如下解釋：我們設信源端有L個數據包a1,a2,...,aL需要發送給用戶，它們的優先級順序是遞減的，其順序為：a1≥a2...≥aL,這是一種分層的數據，總共把這L個數據包分為L層，每個數據包為一層。第一層為數據包a1，也是最重要的一個數據包，如果在接收端，丟失了此數據包，則其後的所有的數據包都不能被解碼出來；同理在數據包a2丟失掉的情況下，其後的數據包都不能被解碼出來。當然如果想要解出數據包an，必須是在a1,a2,...,ai(i＜n)都被解出來的前提下才能成功解碼。而且這些數據都是有時間限制的，就是必須是在一個截止時間內收到才被視為有效數據，一旦超出了截止時間，即便是正確的收到並成功解碼出了原始數據包，此時已經被視為無效數據。我們又稱此類數據為HDCP(Hard Deadline Constrained Prioritized)數據。
(B)自適應網絡編碼；
設信源有L個HDCP數據包要傳送。他們的重要性等級為a1≥a2...≥aL。我們把所有的編碼數據包分為L類，則Gi(generation i)代表第i類編碼數據包，其中1≤i≤L，且這種類型的數據包是由前i個原始編碼數據包隨機線性組合而成。我們在此舉例說明，以此來說明編碼包的生成。當L＝3時，G1,G2,G3的組合方式如下：
G1由第一個數據包組合而成，即c1＝α11a1。
G2由數據包a1和a2組成的，即c2＝α21a1+α22a2。
G3由所有原始數據包a1,a2,a3共同組成，即c3＝α31a1+α32a2+α33a3。
其中的隨機編碼係數αij也是從足夠大的有限域F中選取的。在這種自適應編碼技術中，每次信源發送數據的時候，都會根據前一時刻的用戶的狀態，預測下一個時隙應該發送哪種類型的編碼數據包能使網路的整體的吞吐量的期望最高，以此來選擇相應類型的編碼數據包，並以產生此類型的編碼數據包的編碼方式進行編碼。因此每次發送的都是信源根據當前的實際狀況自適應的選擇編碼方式，這樣，每次發送的都是最優類型的編碼數據，從而對提高網絡的性能做出很大的貢獻。
(C)方案分析；
ABRC這種傳輸機制是應用自適應編碼的同時又引入了基站(BS)與中繼(Relay)競爭發送的機制，這對於提高整個網絡的吞吐量有顯著的幫助。在ABRC中，進入的競爭機制有兩種競爭方式，一種是基站和中繼自身的編碼包種類的競爭，另一種便是基站和中繼兩者之間的競爭。下面就一些具體的參數和過程做一下具體的介紹。
狀態矩陣：
在這種傳輸機制中，有一個總的網絡的狀態矩陣，它代表了所有用戶對所有類型數據包的接收狀況，此狀態矩陣是(K+1)×L的矩陣，如圖6所示。
其中的sij代表用戶i接收到的編碼數據包類型為Gj的編碼包的個數，當然為便於統計，我們設定中繼(Relay)為第K+1個用戶。在傳輸期間，基站發送編碼數據包的時候所有的用戶和中繼都可以進行接收。中繼未能解碼出所有原始數據包的時候，中繼都要接收基站發送的數據包，當然在中繼解碼出所有的原始信息的時候，中繼此時就代替基站進行數據包的發送任務。
競爭機制：
在ABRC中有兩種競爭，在此將逐一進行介紹。
1、首先對第一種競爭，中繼和基站自身的編碼包類型的選擇。基站可以自適應的對原始數據包進行編碼，所以基站在每個時隙內可以發送所有類型的編碼數據包，即其編碼數據包為其中αi＝[αi1,αi2...αiL]是隨機編碼向量，如果i＜j≤L時αij＝0且j＝1,2,...,L。在此，本文定義一個增益函數R(Si)，它代表了在當前網絡矩陣狀態為Si的情況下，所有的用戶解碼出的所有的有用的原始數據包的個數，即網絡的總增益。Si是第i個時隙末，網絡的狀態矩陣。R(Si+1|Si,ci+1)表示的是在第i+1個時隙內發送編碼數據包ci+1後網絡狀態從Si變到Si+1後整個網絡的增益。在此定義：
其中的CB＝(c1,c2,...,cL)代表所有的編碼包種類的集合，是在第i個時隙裡，基站要發送的最優類型的編碼數據包。
當然中繼在接收的基站發送的編碼數據包時也是會丟失掉一些數據包的，我們在此設定CR＝(cα,cβ,...,cγ)是中繼所能夠產生的所有類型的編碼數據包。比如當中繼能夠解碼出原始數據包a1,a2,a3的時候，它就可以產生G1，G2，G3這三種類型的編碼包。我們定義：
通過上式我們可以得到它是中繼在第i+1個時隙內選擇發送的最優類型的編碼包。
2、第二種競爭是中繼和基站之間的競爭，能使網絡達到最大增益的那一方獲勝，將會獲得下一個時隙成為發送者的機會。本節定義RB是基站通過發送使得整個網絡達到的最大增益；RR是中繼通過發送能使得網絡達到的最大的增益。由此我們可得：
如果RB＞RR，基站將會發送給所有的接收用戶，如果RB＜RR則由中繼發送給所有的用戶。
(D)平均吞吐量的計算；
在ABRC的整個傳輸過程中，除第一個時隙由基站發送G1類型的編碼包外，基站和中繼以及不同編碼方式的這兩種競爭將一直存在直到超時(T個時隙過後)或者是所有的用戶都已經成功解碼出所有的原始數據包。然後在整個過程結束後，我們將進行計算這段時間內整個網絡的平均單位吞吐率。我們設定用戶i的狀態向量為si＝[si1,si2,...,siL]，則以此來計算用戶i所能解碼出的原始數據包的個數ηi，我們利用表1的算法來實現此計算過程。
表1計算解碼的數據包
然後，以此算法依次計算出所有接收用戶的η值，則我們可以式(5)計算出整個網絡的單位時間內平均吞吐量：
其中K為總用戶數，T為整個傳輸時期的總時隙數，ηk為用戶k最終解碼出的原始數據包的個數。
下面通過實驗仿真與現有的其他方法作對比，證明本發明的優越性。
設定基站有L＝4個多媒體數據包要在截止時間T內發送給K個用戶，這4個數據包的優先級順序為a1≥a2...≥a4，設定中繼到用戶的誤包率εR1＝εR2＝...＝εRK＝0.1，所有的用戶都是獨立的。
網絡吞吐量與用戶數量的關係：
在本次仿真實驗中，設定T＝8，基站到中繼的誤碼率εBR＝0.2，基站到用戶的誤包率分別設εB1,…,εB9為對應的0.15,0.18,0.21,0.24,0.27,0.3,0.33,0.36和0.39。在此基礎上探究本發明所提出的ABRC與現有的傳輸方案作對比。現有的傳輸方案與本發明的傳輸方案的仿真對比結果如圖2所示。由圖我們可以看出，所有的平均吞吐量的值都是下降的，我們看出ARQ的性能隨著用戶數的增多而下降的最快，性能最差。應用自適應網路編碼的ABRC性能表現的最好，而且隨著用戶數的增加，其性能下降的也最慢。此外我們還對無中繼時的經典的Pure RNC(PR)算法進行了對比，其吞吐量的變化隨用戶數的增加的變化如圖2中RLNC的曲線，其性能僅比ARQ好一點。在技術背景中所提到的那篇文章中，作者LuLu把RNC成功的應用於有中繼的網絡中，我們在此也對其進行了仿真對比。其性能如圖2中的RRT曲線所示，其性能明顯優於PR和ARQ，但是與本發明所提出的兩種算法相比，還是有一定的差距的。
網絡吞吐量與截止時間T的關係：
本小節我們結合仿真結果分析平均吞吐量與截止時間T的關係。我們在這裡設定基站和中繼之間的誤包率εBR＝0.2，用戶數量K＝5以及這5個用戶的接收誤包率分別設定為εB1＝0.15,εB2＝0.18,εB3＝0.21,εB4＝0.24,εB5＝0.27。仿真結果如圖3所示。從圖中可以得知，ABRC的性能還是最好的，不管截止時間T怎樣變化，並不影響其性能最優的地位。而且ARQ還是表現性能最差的一種傳輸方法，這無疑的說明在傳輸多媒體數據的時候，ARQ確實不是一種好的選擇。同時我們還注意到，LL和PR都有一個峰值：當T＝5的時候，平均吞吐量達到了最大值。這是因為隨著T的增大，解碼出的數據包也逐漸增加，但是當所有的數據包都解出來後，網絡的增益就不可能再增加。而隨著T的增大，平均網絡吞吐量就會降低。顯然表明在傳輸多媒體數據時ABRC就是最優的選擇。
網絡平均吞吐量與誤包率的關係：
首先我們探究基站到用戶之間的誤包率對平均吞吐量的影響，實驗結果如圖4所示。在這次仿真試驗中，我們設定截止時間T＝5，用戶的總個數K＝5且它們的誤碼率為其中我們讓從0.05以梯度為0.05的增加量遞增到0.3，觀察η隨的變化。另外我們還設定中繼和用戶之間的誤包概率為εBR＝0.2。從仿真結果圖4中我們可以看出，在很小的時候，所有的傳輸算法的吞吐量都很高。當增大的時候，所有用戶成功接收數據包的概率都變小了，因此吞吐量也都隨著的增大吞吐量都程下降趨勢。但是ABRC下降的更為緩慢，這進一步說明了ABRC性能的優越性。
然後我們討論的是基站和中繼之間的誤包率對吞吐量的影響。在這次試驗中我們設定T＝5，K＝5且其與基站之間的誤包率為εB1＝0.15,εB2＝0.18,εB3＝0.21,εB4＝0.24,εB5＝0.27，我們將εBR以梯度0.1從0.1增至1。圖5的仿真結果顯示了εBR與平均吞吐量的關係。從圖5中可以看出，當εBR很小的時候，基站和中繼中間的信道質量非常的好，誤碼率很低，這時候中繼的優勢很明顯的體現了出來，有中繼的ABRC和LL的優勢都很大，但是隨著εBR增大，中繼與基站之間的誤碼率就增大，當εBR等於1時，這時中繼不會起任何作用所以此時的LL趨於同一值。但是，由於ABRC應用了自適應網絡編碼，在沒有中繼幫助的時候性能還是最優，由此可見我們所提出的方法的優越性非常顯著。