CN102394733B - 双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法 - Google Patents

Abstract

一种用于双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法，该方法是两个基站把各自需要重传的数据包先转交到中继，由中继根据接收状态表对这些数据包进行网络编码组合后，再发送出去；这样就能够对这些重传的数据包进行网络编码，使得每次发送都能让众多用户受益，避免因基站到各用户和中继的许多链路的状态差异悬殊，造成基站向中继和各用户重传数据包时，每个用户需要重传的数据包远多于中继，不能与中继需要重传的数据包进行编码组合重传的难题。本发明方法将网络编码和ARQ相结合，充分发挥网络编码的优势，有效降低传输带宽，提高***的传输效率。

Description

双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法

技术领域

本发明涉及一种用于双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

网络编码的概念是在2000年提出的，并且，马上就得到了广泛关注。网络编码融合了路由和编码两项技术，使得网络节点既可以对数据进行存储转发，还能进行编码处理，现实已经证明了：使用线性网络编码能够达到网络多播容量。但是，网络编码的好处还远不止这些。尤其是因为无线网络中的链路不可靠性和物理层广播特性，使得网络编码非常适合应用于无线网络。应用网络编码，能够很好地解决传统路由、跨层设计等许多技术无法解决的问题，提高网络性能。

协同中继技术主要包括：放大转发，解码转发和编码协同。其中解码转发又被称为“再生”中继，它是比放大转发更为复杂的一种协同发送信号方式。以下行传输为例，工作于这种模式的中继节点对其接收到的来自于基站的噪声干扰信号进行解码处理，以获得原始信息；然后，再将获得的原始信息重新编码调制，发送给用户端。

在现有的中继网络技术研究中，网络编码和自动请求重传(ARQ)的结合大多集中应用于双向中继、多址接入和多播的各种网络。在这些网络***下，应用物理网络编码、异或网络编码(XOR)或随机网络编码等，已经验证了可以得到节约发送时隙、减少发送次数、提高传输效率、增大***吞吐量等效果。在多播网络方面，已有许多研究集中于单跳多播网络和单源单中继多播网络。然而，对于本发明方法涉及的双基站单中继多用户的网络却几乎都未涉及。

参见图1，先介绍本发明方法的应用场景：在图示的蜂窝小区中，用户群MS1(MS11，MS12，MS13)位于基站A的覆盖小区内，用户群MS2(MS21，MS22)位于基站B的覆盖小区内，中继R位于两个基站A和B所覆盖小区的交界处。用户群MS1和MS2都需要接收这两个基站A和B的发送信息，因MS1位于基站A的小区内，可直接接收基站A的发送信息；其位于基站B的小区外，要接收基站B的发送信息，就必须经过中继R的转发。同样地，MS2能直接接收基站B的信息，并通过中继R接收基站A的信息。

再参见图2，介绍对上述应用场景的建模：S₁和S₂分别代表两个基站A和B，R代表中继Relay，和分别代表两个用户群MS1和MS2。每个用户都要正确接收S₁和S₂各自分别发送的M个数据包。因此，整个通信过程分为两个阶段：发送阶段和重传阶段。其中发送阶段应用网络编码的过程如下：

S₁和S₂各自传送的数据包分别为F₁和F₂，且可细化为F₁＝{F₁₁,F₁₂,...,F_1M}和F₂＝{F₂₁,F₂₂,...,F_2M}。S₁向{R,d₁}发送数据包F_1a，同时，S₂向{R,d₂}发送数据包F_2a。

若R能够正确接收F_1a和F_2a，则向{d₁,d₂}发送网络编码包f(F_1a,F_2a)，其中f(□)为网络编码函数，自然数下标a为数据包序号，其最大值是M；若R没有正确接收，则R不作任何操作。然后，循环地执行上述步骤，直到a＝M，则发送阶段结束，进入重传阶段。

重传阶段的现有技术有两种：自动请求重传方案(简称为ARQ方案)和应用异或网络编码的自动请求重传方案(简称为XOR-ARQ方案)。这两种方案都是基于单跳网络***，执行多次相同的重传方案。

先介绍单跳模型下的重传方案。参见图3所示的单跳多播***，基站S向用户{d₁,d₂,...,d_n}发送数据包，每个用户接收的数据包服从贝努利试验，即每个数据包在用户端的接收状态相互独立，每个数据包在用户端以设定概率出错而被丢弃，即每个用户d₁,d₂,...,d_n对应的数据包的丢弃概率分别为p₁,p₂,...,p_n。

参见图4，介绍最简单的两个用户为例进行分析：基站S向两个用户d₁,d₂发送数据包F(k),(k＝1,2,...,M)，S_d₁S和S_d₂S分别表示用户d₁和d₂对于S发送的数据包的两种接收状态；S_d₁S和S_d₂S都是1行M列的向量，每个元素分别置“1”或“0”，其中，“1”表示正确接收该数据包，“0”表示丢弃该数据包。取M＝10，则10个数据包都发送后，两个用户的接收状态表如下表所示，基站S根据d₁,d₂的接收状态表决定重传的数据包。

单源两接收端ARQ方法：在不使用网络编码的情况下，只应用ARQ，则基站S需依次重传数据包F(1)、F(3)、F(4)、F(6)、F(7)、F(9)。从重传数据包F(1)开始，S发送F(1)后，d₁,d₂分别根据其接收情况更新接收状态表，若接收状态表中F(1)对应列中有任何一位数不是“1”，就要继续重传F(1)，直到d₁,d₂都正确接收为止，才开始重传下一个数据包F(3)。再顺序重传所有错误数据包，直到接收状态表中的任何一位数都是“1”为止。

单源两接收端XOR-ARQ方法：在重传过程中应用网络编码(XOR-ARQ)技术，可大大减少重传阶段的发送次数。如上表所示，先选择d₁,d₂都接收错误的数据包直接重传，即按照上述ARQ方法重传F(3)后，d₁,d₂分别根据其此次接收情况更新接收状态表。若两者都正确接收，则F(3)重传完毕，开始重传下一个包；若d₁,d₂有任何一个未正确接收，则继续重传F(3)，直到d₁,d₂都正确接收F(3)，才开始重传下一个数据包。然后，选择d₁,d₂未同时出错的两个包(如F(1)和F(4)，F(6)和F(9))进行网络编码，得到新的编码数据包FNC(1)＝F(1)⊕F(4)，FNC(2)＝F(6)⊕F(9)，再重传FNC(1)和FNC(2)。若d₁,d₂都正确接收FNC(1)，则d₁可通过F(4)＝FNC(1)⊕F(1)解码而得到F(4)，d₂可通过F(1)＝FNC(1)⊕F(4)解码而得到F(1)。同样地，若d₁,d₂都正确接收的FNC(2)，就可得到相应的F(6)和F(9)。对于没有配对的F(7)，就直接重传F(7)，直到d₂正确接收F(7)，重传结束。至此，d₁,d₂都正确接收了所有10个数据包，然后可以继续发送后续的其他数据包。

为了描述简便和不影响本发明应用场景的分析，采用每个数据包经由链路到达接收端时的出错概率(即丢弃概率)表示信道质量。每个数据包的传输链路是相互独立的，图4中，S到d₁的链路上的每个包的出错概率为p₁，S到d₂的链路上的每个包的出错概率为p₂，则数据包的传输服从贝努利试验的条件。

现有的重传方案是把单跳多播ARQ和XOR-ARQ方法用于图1所示的场景，就是在重传阶段，把图1所示场景分解成三个图3中的操作步骤，在每个操作步骤分别应用两源两接收端ARQ方法或两源两接收端XOR-ARQ方法。

ARQ方案是一种能够保证可靠传输的基本方案，它利用多次传输来减少接收错误，以牺牲传输带宽资源作为代价换取可靠性。而应用XOR-ARQ方案使得传输带宽比前者略有下降，节省了传输资源。其缺点是：在链路状态相近时，它能够很好地发挥作用，显著减小传输带宽。然而，实际的双基站单中继多用户网络***的场景中，基站到中继、基站到用户和中继到用户之间的不同链路状态通常都是差异巨大，在这种情况下，XOR-ARQ方案传输带宽会向传统ARQ方案靠拢，增益较小。因此，如何充分利用网络编码带来的增益，减小不同链路状况场景下的传输带宽，就成为业内科技人员关注的新课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法，本发明是一种改进的应用异或网络编码的自动请求重传方案，即iXOR-ARQ(improved XOR-ARQ)方案，该方法将网络编码和ARQ相结合，充分发挥网络编码的优势，有效降低传输带宽，提高***的传输效率。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种用于双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法，其特征在于：两个基站把各自需要重传的数据包先转交到中继，由中继根据接收状态表对这些数据包进行网络编码组合后，再发送出去；以便对这些重传的数据包进行网络编码，使得每次发送都能让更多用户受益，避免因基站到各用户和中继的许多链路的状态差异，造成基站向中继和各用户重传数据包时，每个用户需要重传的数据包远多于中继能够编码的数据包，解决不能与中继需要重传的数据包进行编码组合重传的难题；该方法包括下述操作步骤：

(1)发送阶段：两个相邻基站S₁与S₂分别使用传统方法发送各自的数据包，位于S₁与S₂之间的中继R对接收的数据包进行异或网络编码后，发送给该两个基站归属的所有用户；该步骤包括下列操作内容：

(11)S₁和S₂分别向中继R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂发送数据包F₁(i)和数据包F₂(i)，式中，自然数i是发送的数据包序号，其最大值为M；

(12)中继R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂分别根据接收情况更新各自的接收状态表：

中继R先检测其接收到的两个数据包F₁(i)和F₂(i)是否全部正确，若是，则对接收的数据包进行异或网络编码，然后再将该编码后的数据包F_R(i)＝F₁(i)⊕F₂(i)发送给两个用户群d₁和d₂；否则，只要接收到的F₁(i)和F₂(i)中有任何一个数据包出错，R就不执行任何操作；

用户群d₁与用户群d₂分别根据各自正确接收到的数据包F₁(i)和F_R(i)以及数据包F₂(i)和F_R(i)，执行各自的解码运算F₁(i)⊕F_R(i)和F₂(i)⊕F_R(i)，从而得到对方基站的数据包F₂(i)和数据包F₁(i)，同时分别相应更新各自的接收状态表；

(13)S₁和S₂分别向中继R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂发送其序号i递增1的下一个数据包，即返回执行步骤(12)；直到i＝M，即S₁和S₂都发送完M个数据包，发送阶段流程结束；

(2)重传第一阶段：S₁与S₂分别向R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂进行重传，使得R正确接收到S₁与S₂发送的所有数据包，并获知所有用户对这些数据包的接收状况；该步骤中，第一个基站S₁及其所在小区用户群d₁和中继R执行的操作内容如下：

(21)为了提高R和本小区用户群d₁重传数据包的功效，每次重传时，S₁都是根据R和d₁的接收状态表S_RS₁和S_d₁S₁选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包；其选择标准是：对于R和本小区的用户群d₁，共D₁+1个接收端，选出的数据包中属于每个接收端的错误数据包数量不超过1；

(22)S₁对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向中继和本小区用户群d₁进行重新发送；

(23)各接收端{R,d₁}、即R及本小区所有用户共D₁+1个接收端分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若R接收错误，则S₁就再次发送该编码数据包，直到R接收正确后，才顺序执行步骤(24)；此时，对于各个用户是否正确接收该重传的编码数据包不作要求；

(24)S₁重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(21)，直到R正确接收到S₁发送的所有数据包F₁；

同样地，该步骤中，第二个基站S₂及其所在小区用户群d₂和中继R执行的操作内容如下：

(2A)为了提高R和本小区用户群d₂重传数据包的功效，每次重传时，S₂都是根据R和d₂的接收状态表S_RS₂和S_d₂S₂选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包，其选择标准是：对于R和本小区的用户群d₂，共D₂+1个接收端，选出的错误数据包中属于每个接收端的错误数据包数量不超过1；

(2B)S₂对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向中继和本小区用户群d₂进行重新发送；

(2C)各接收端{R,d₂}、即R及本小区所有用户共D₂+1个接收端分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若R接收错误，则S₂就再次发送该编码数据包，直到R接收正确后，才顺序执行步骤(2D)；此时，对于各个用户d₂₁,d₂₂,...,d_2D2是否正确接收该重传的编码数据包不作要求；

(2D)S₂重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(2A)，直到R正确接收S₂发送的所有数据包F₂；

(3)重传第二阶段：中继向所有用户重传数据包，使得所有用户都正确接收各基站发送的数据包。

下面介绍本发明方法的优点：文献《Wireless Broadcast Using NetworkCoding 》(刊于“IEEE Transactions on Vehicular Technology”VOL. 58, NO. 2,FEBRUARY 2009)中定义的传输带宽(Transmission Bandwidth)是成功传送一个数据包到所有接收端所需的总发送次数的期望值。

如果两个基站S₁和S₂各向用户群d₁和d₂发送M个数据包，设d₁和d₂正确接收所有包时总发送次数为n，则传输带宽为：式中，E[n]表示发送总次数n的期望值。在该应用场景下，本发明方法的传输带宽为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\η}=\frac{{2M+M(1-p_1)}^2+{2\mathrm{Mp}}_1\frac{1}{1-p_1}+[{\mathrm{Mp}}_2-{\mathrm{Mp}}_1(1-p_2)+M{(1-p_1)}^2]p_2+M\left[{1-(1-p_1)}^2\right]]{\mathrm{\η}}_{\mathrm{BR}}}{2M};\\ =1+\frac{p_1}{1-p_1}+\frac{1}{2}{(1-p_1)}^2+\frac{1}{2}[1+p_2-p_1(1-p_2)-{(1-p_1)}^2(1-p_2){]{\mathrm{\η}}_{\mathrm{BR}}}_{}\end{array}$ 其中， ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{BR}}=\underset{k-1}{\overset{D_1+D_2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{k-1}{C}_{D_{1+D_2}}^k}{1-p_2^k}.$

本发明方法与传统的ARQ方案和XOR-ARQ方案相比较，显著降低了传输带宽；而且，在信道条件不同时，特别是在多条链路状态不同的情况下，大大减少了正确接收每个数据包的平均传送次数，节约了网络资源，因此本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是双基站单中继多用户应用场景示意图。

图2是双基站单中继多用户应用场景的模型示意图。

图3是单跳多播模型示意图。

图4是两接收端模型示意图。

图5是本发明基于网络编码的数据包重传方法操作步骤流程图。

图6是本发明实施例中三种方案传输带宽对比图，D₁＝2，D₂＝3。

图7是本发明实施例中两种方案编码增益对比图，D₁＝2，D₂＝3。

图8是本发明实施例中三种方案传输带宽对比图，D₁＝8，D₂＝10

图9是本发明实施例中两种方案编码增益对比图，D₁＝8，D₂＝10。

图10是本发明实施例中三种方案传输带宽对比图，p₁＝0.05，p₂＝0.1，p₃＝0.3。

图11是本发明实施例中两种方案编码增益对比图，p₁＝0.05，p₂＝0.1，p₃＝0.3

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

为简单起见，且不影响本发明方法的描述，这里不考虑物理层调制等技术。本发明是一种用于双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法，其基本思路是基于基站到各用户和基站到中继之间的许多链路的状态差异悬殊，造成基站向中继和各用户重传数据包时，每个用户需要重传的数据包远远多于中继所需数据包，导致使用普通网络编码重传后，用户所需的数据包有大量剩余，不能与中继需要重传的数据包进行编码组合一起重传的难题。因此，本发明方法是由两个基站把各自需要重传的数据包先转交到能进行组合的中继、由中继根据接收状态表对这些数据包进行网络编码组合后，再发送出去；以便充分利用网络编码重组这些重传的数据包，使得每次发送都能让众多用户受益。

本发明方法的应用场景与图2相同，也是两个基站S₁和S₂同时向各自的用户群d₁和d₂发送各自的数据包，其中第一个基站S₁的用户群d₁有D₁个相互独立的用户，即第二个基站S₂的用户群d₂有D₂个相互独立的用户，即d₁和d₂分别位于对方小区基站S₂和S₁的传输范围以外，且共享中继R。其中S₁和S₂到R的两条链路传输数据包的错误概率都为p₁，R分别到两个用户群和的共D₁+D₂条链路的传输数据包的错误概率都为p₂，S₁和S₂分别到各自小区用户和的D₁+D₂条链路中的每条链路传输数据包的错误概率都为p₃，且p₁≤p₂≤p₃。

接收状态表有两种，分别由中继和每个用户分别根据其自身接收的数据包的不同状态而建立的：若某个数据包接收正确，则其接收状态表相应位置置“1”；若某个数据包接收错误，则其接收状态表相应位置置“0”，并实时向发送端反馈该信息。该接收状态表采用S_AB格式的字符表示接收端A对源端B发送的数据包的接收状态。

本发明方法的通信过程是以S₁和S₂分别发送M个数据包作为一个周期，则S₁和S₂在每个周期需要发送的数据包分别为F₁和F₂，即F₁＝{F₁(1),F₁(2),...,F₁(M)}和F₂＝{F₂(1),F₂(2),...,F₂(M)}。用户群d₁和d₂分别根据各自接收到的数据包F₁和F₂和异或网络编码数据包XOR(F₁,F₂)判断其是否正确接收对方基站发送的数据包F₂和F₁，再分别给其接收状态表的相应位置置位：“1”或“0”。

参见图5，介绍本发明方法的三个具体操作步骤

步骤1，发送阶段(该阶段操作内容与传统方法相同，其选取的网络编码函数f(□)为异或网络编码)：两个基站S₁与S₂分别使用传统方法发送各自的数据包，中继R对接收的数据包进行异或网络编码后，发送给所有用户。

该步骤1包括下列操作内容：

(11)S₁和S₂分别向中继R和各自小区的用户群{R,d₁}和{R,d₂}发送数据包F₁(i)和F₂(i)，式中，自然数i是发送的数据包序号，其最大值为M。

(12)R和两个用户群d₁和d₂分别根据接收情况更新其接收状态表：

R先检测其接收到的F₁(i)和F₂(i)是否全部正确，若是，则对接收的数据包进行异或网络编码，然后再将该编码后的数据包F_R(i)＝F₁(i)⊕F₂(i)发送给d₁和d₂；否则，只要接收到的F₁(i)和F₂(i)中有任何一个数据包出错，R就不执行任何操作；

用户群d₁与d₂根据各自正确接收到的F₁(i)和F_R(i)以及F₂(i)和F_R(i)，分别执行各自的解码运算F₁(i)⊕F_R(i)和F₂(i)⊕F_R(i)，得到对方基站的数据包F₂(i)和F₁(i)，同时分别相应更新各自的接收状态表。

(13)S₁和S₂分别向R和各自小区的用户群{R,d₁}和{R,d₂}发送其序号i递增1的下一个数据包，即返回执行步骤(12)；直到i＝M，即S₁和S₂都发送完M个数据包，发送阶段流程结束。

步骤2，重传第一阶段(本发明的创新之处是将重传分解为两个阶段，这是重传第一阶段)：S₁与S₂分别向R和各自小区的用户群d₁和d₂进行重传，使得R正确接收到S₁与S₂的所有数据包，并获知所有用户对这些数据包的接收状况。该步骤2的操作内容可以分解为下述两个部分：

第一部分是基站S₁及其小区用户群d₁和中继R执行的操作内容：

(21)为了提高R和本小区用户群{R,d₁}重传数据包的功效，每次重传时，S₁都是根据R和d₁的接收状态表S_RS₁和S_d₁S₁选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包，其选择标准是：对于R和本小区的所有用户共D₁+1个接收端而言，选出的数据包中属于每个接收端的错误数据包数量不超过1。

(22)S₁对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向中继和本小区用户群{R,d₁}进行重新发送。

(23)各接收端{R,d₁}、即R及本小区所有用户共D₁+1个接收端分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若R接收错误，则S₁就再次发送该编码数据包，直到R接收正确后，才顺序执行步骤(24)；此时，对于各个用户是否正确接收该重传的编码数据包不作要求。

(24)S₁重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(21)，直到R正确接收到S₁发送的所有数据包F₁。

第二部分的操作对象与具体内容与第一部分都相同，两者的区别只是操作主体改成为基站S₁及其用户群d₁和中继R：

(2A)为了提高R和本小区用户群{R,d₂}重传数据包的功效，每次重传时，S₂都是根据R和d₂的接收状态表S_RS₂和S_d₂S₂选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包，其选择标准是：对于R和本小区的所有用户共D₂+1个接收端而言，选出的错误数据包中属于每个接收端的错误数据包数量不超过1。

(2B)S₂对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向中继和本小区用户群{R,d₂}进行重新发送。

(2C)各接收端{R,d₂}、即R及本小区所有用户共D₂+1个接收端分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若R接收错误，则S₂就再次发送该编码数据包，直到R接收正确后，才顺序执行步骤(2D)；此时，对于各个用户是否正确接收该重传的编码数据包不作要求。

(2D)S₂重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(2A)，直到R正确接收S₂发送的所有数据包F₂。

步骤3，重传第二阶段(为本发明的创新之处)：中继向所有用户重传数据包，使得所有用户都正确接收各基站发送的数据包。该步骤包括下列操作内容：

(31)因R正确接收所有数据包，故R先将第一个小区用户群d₁对S₁和S₂的接收状态表S_d₁S₁和S_d₁S₂进行合并，得到d₁的总接收状态表S_d₁，即S_d₁＝[S_d₁S₁，S_d₁S₂]；同样地，再将第二个小区用户群d₂对S₁,S₂的接收状态表S_d₂S₁和S_d₂S₂进行合并，得到d₂的总接收状态表S_d₂，即S_d₂＝[S_d₂S₁，S_d₂S₂]；然后，将S₁和S₂各自分别发送的数据包F₁和F₂进行合并，得到发送的所有数据包F，即F＝[F₁，F₂]；此时，R已汇集了所有数据包，其中，S_d₁和S_d₂分别为D₁行2M列和D₂行2M列的矩阵，F是所有2M个数据包的集合；

(32)R根据d₁和d₂新的接收状态表S_d₁和S_d₂，每次重传时都选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包，其选择标准是：对于两个小区共D₁+D₂个所有用户而言，选出的错误数据包中属于每个用户的错误数据包数量不超过1；

(33)R对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向两个小区所有用户{d₁,d₂}进行重新发送。

(34)两个小区的每个用户分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若有一个用户接收错误，则R就再次发送该编码数据包，直到所有需要接收该编码包的用户都接收正确后，才顺序执行后续步骤(35)；

(35)R重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(32)，直到每个用户都正确接收了全部编码数据包。

本发明已经进行了多次仿真实施试验，实验结果表明：本发明方法与传统的ARQ方案和XOR-ARQ方案相比较，其传输性能的优点是非常明显的。

下面以M＝8，D₁＝2，D₂＝3为例，介绍中继如何根据接收状态表对错误数据包进行选择以及组合的情况：下表中的每一条连线表示一组选择出的用来进行网络编码的错误数据包。

为了评估本发明方法的改进效果，先介绍两个概念：传输带宽(TransmissionBandwidth)和网络编码增益(Network Coding Gain)：前者表示将一个数据包成功传送到所有接收端所需的总发送次数期望值。后者是单纯采用ARQ方案与采用有网络编码的ARQ方案的两者传输带宽的比值，即

$\mathrm{NetworkCodingGain}=\frac{\mathrm{TransmissionBandwidthofARQ}}{\mathrm{TransmissionBandwidthofXOR}-\mathrm{ARQ}(\mathrm{iXOR}-\mathrm{ARQ})}.$

参见图6，图中显示了D₁＝2，D₂＝3，M＝100，p₁＝0.05，p₂＝0.1，p₃从0.1变化到0.3时，本发明方法(即图中iXORARQ)与传统的ARQ方案(图中ARQ)和XOR-ARQ方案(图中XORARQ)三者传输带宽曲线的对比示意图。可以明显看到，此时，不论是理论值还是仿真值，本发明方法的传输带宽都远小于传统的ARQ方案和XOR-ARQ方案的传输带宽。并且，随着p₃的增大，与传统的ARQ方案和XOR-ARQ方案的传输带宽的差距越来越大。

参见图7，该图的测试条件如上，本发明方法(图中iXORARQ)与XOR-ARQ方案(图中XORARQ)相对于传统ARQ方案的编码增益的大小对比图。可见两种方案的仿真数据都低于理论上限值，本发明方法在理论值和仿真值上都优于XOR-ARQ方案，且随着p₃的增大优势愈发明显。

接着，测试增大接收端数量的情况：参见图8，该图显示了D₁＝8，D₂＝10，M＝100，p₁＝0.05，p₂＝0.1，p₃从0.1变化到0.3时，本发明方法(即图中iXORARQ)与传统的ARQ方案(图中ARQ)和XOR-ARQ方案(图中XORARQ)三者传输带宽曲线的对比示意图。可明显看到，此时，本发明方法的传输带宽在理论值和仿真值上都远小于传统的ARQ方案和XOR-ARQ方案的传输带宽。并随着p₃的增大，与传统ARQ方案和XOR-ARQ方案的传输带宽的差距越来越大。

参见图9，其测试条件如上，该图显示了本发明方法(即图中iXORARQ)与传统的XOR-ARQ方案(图中XORARQ)相对于传统ARQ方案的编码增益大小对比示意图。可见该两种方案的仿真值都低于理论上限值，本发明方法在理论和仿真值上都优于XOR-ARQ方案，且随着p₃的增大优势愈发明显。

参见图10，图中显示了M＝100，p₁＝0.05，p₂＝0.1，p₃＝0.3；D₁＝D₂，即两用户群用户数相同，都从1增加到20时，本发明方法(即图中iXORARQ)与传统的ARQ方案(图中ARQ)和XOR-ARQ方案(图中XORARQ)三者传输带宽的对比示意图。可以看出，本发明方法的传输带宽在理论值和仿真值上，都远小于两种传统方法的传输带宽。并且，随着用户数D的增大，与两种传统方法的传输带宽的差距越来越大。

参见图11，其测试条件与上图相同，该图为本发明方法(即图中iXORARQ)与XOR-ARQ方案(图中XORARQ)相对于传统的ARQ方案的编码增益的大小对比示意图。可见这两种方案的仿真值都低于理论数据的上限值，本发明方法在理论值和仿真值上都优于XOR-ARQ方案，且随着用户数D的增大优势愈发明显。

对上述图10～图11中的各图进行总结，发现：用户数D越大，本发明方法的优势越明显。但是，同时，其仿真数据和理论值的差异越大。这是因为用户数D越大，其需要数据包的数量M也越大，这样才能充分利用数据包的组合，达到理论数据的极限值。而在实际应用中，M越大，数据包的延迟越大，造成服务质量下降，过大的延迟对于某些服务而言是不能容忍的。所以，应该根据实际需要，选取合适的M大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种用于双基站单中继多用户的基于网络编码的数据包重传方法，其特征在于：两个基站把各自需要重传的数据包先转交到中继，由中继根据接收状态表对这些数据包进行网络编码组合后，再发送出去；以便对这些重传的数据包进行网络编码，使得每次发送都能让更多用户受益，避免因基站到各用户和中继的许多链路的状态差异，造成基站向中继和各用户重传数据包时，每个用户需要重传的数据包远多于中继能够编码的数据包，解决不能与中继需要重传的数据包进行编码组合重传的难题；该方法包括下述操作步骤：

(1)发送阶段：两个相邻基站S₁与S₂分别使用传统方法发送各自的数据包，位于S₁与S₂之间的中继R对接收的数据包进行异或网络编码后，发送给该两个基站归属的所有用户；该步骤包括下列操作内容：

(11)S₁和S₂分别向中继R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂发送数据包F₁(i)和数据包F₂(i)，式中，自然数i是发送的数据包序号，其最大值为M；

(12)中继R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂分别根据接收情况更新各自的接收状态表：

中继R先检测其接收到的两个数据包F₁(i)和F₂(i)是否全部正确，若是，则对接收的数据包进行异或网络编码，然后再将该编码后的数据包F_R(i)＝F₁(i)⊕F₂(i)发送给两个用户群d₁和d₂；否则，只要接收到的F₁(i)和F₂(i)中有任何一个数据包出错，R就不执行任何操作；

用户群d₁与用户群d₂分别根据各自正确接收到的数据包F₁(i)和F_R(i)以及数据包F₂(i)和F_R(i)，执行各自的解码运算F₁(i)⊕F_R(i)和F₂(i)⊕F_R(i)，从而得到对方基站的数据包F₂(i)和数据包F₁(i)，同时分别相应更新各自的接收状态表；

(13)S₁和S₂分别向中继R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂发送其序号i递增1的下一个数据包，即返回执行步骤(12)；直到i＝M，即S₁和S₂都发送完M个数据包，发送阶段流程结束；

(2)重传第一阶段：S₁与S₂分别向R和各自小区的用户群d₁和用户群d₂进行重传，使得R正确接收到S₁与S₂发送的所有数据包，并获知所有用户对这些数据包的接收状况；该步骤中，第一个基站S₁及其所在小区用户群d₁和中继R执行的操作内容如下：

(21)为了提高R和本小区用户群d₁重传数据包的功效，每次重传时，S₁都是根据R和d₁的接收状态表S_RS₁和S_d₁S₁选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包；其选择标准是：对于R和本小区的用户群d₁，共D₁+1个接收端，选出的数据包中属于每个接收端的错误数据包数量不超过1；

(22)S₁对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向中继和本小区用户群d₁进行重新发送；

(23)各接收端{R,d₁}、即R及本小区所有用户共D₁+1个接收端分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若R接收错误，则S₁就再次发送该编码数据包，直到R接收正确后，才顺序执行步骤(24)；此时，对于各个用户是否正确接收该重传的编码数据包不作要求；

(24)S₁重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(21)，直到R正确接收到S₁发送的所有数据包F₁；

同样地，该步骤中，第二个基站S₂及其所在小区用户群d₂和中继R执行的操作内容如下：

(2A)为了提高R和本小区用户群d₂重传数据包的功效，每次重传时，S₂都是根据R和d₂的接收状态表S_RS₂和S_d₂S₂选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包，其选择标准是：对于R和本小区的用户群d₂，共D₂+1个接收端，选出的错误数据包中属于每个接收端的错误数据包数量不超过1；

(2B)S₂对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向中继和本小区用户群d₂进行重新发送；

(2C)各接收端{R,d₂}、即R及本小区所有用户共D₂+1个接收端分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若R接收错误，则S₂就再次发送该编码数据包，直到R接收正确后，才顺序执行步骤(2D)；此时，对于各个用户是否正确接收该重传的编码数据包不作要求；

(2D)S₂重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(2A)，直到R正确接收S₂发送的所有数据包F₂；

(3)重传第二阶段：中继R向所有用户重传数据包，使得所有用户都正确接收各基站发送的数据包。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的应用场景是：

两个基站S₁和S₂同时向各自小区的用户群d₁和d₂发送各自的数据包，其中第一个基站S₁的用户群d₁有D₁个相互独立的用户，即第二个基站S₂的用户群d₂有D₂个相互独立的用户，即两个用户群d₁和d₂分别位于对方小区基站S₂和S₁的传输范围以外，且共享中继R；S₁和S₂到R的两条链路传输数据包的错误概率都为p₁，R分别到两个用户群和的共D₁+D₂条链路的传输数据包的错误概率都为p₂，S₁和S₂分别到本小区的两个用户群和的D₁+D₂条链路中的每条链路传输数据包的错误概率都为p₃，且p₁≤p₂≤p₃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述接收状态表有两种，分别由中继和每个用户分别根据其自身的接收数据包的不同状态而建立的：若某个数据包接收正确，则其接收状态表相应位置置“1”；若某个数据包接收错误，则其接收状态表相应位置置“0”，并实时向发送端反馈该接收状态表相应位置的置位信息；该接收状态表采用S_AB格式的字符表示接收端A对源端B发送的数据包的接收状态；

所述方法的通信过程是以S₁和S₂分别发送M个数据包作为一个周期，则S₁和S₂需要发送的数据包分别为F₁和F₂，即F₁＝{F₁(1),F₁(2),...,F₁(M)}和F₂＝{F₂(1),F₂(2),...,F₂(M)}；两个用户群d₁和d₂分别根据各自接收到的数据包F₁、F₂和异或网络编码数据包XOR(F₁,F₂)判断其是否正确接收对方基站发送的数据包F₂和F₁，再分别对其接收状态表的相应位置置位：正确为“1”，或错误为“0”。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括下列操作内容：

(31)因R正确接收所有数据包，故R先将第一个小区用户群d₁对S₁和S₂的接收状态表S_d₁S₁和S_d₁S₂进行合并，得到d₁的总接收状态表S_d₁，即S_d₁＝[S_d₁S₁，S_d₁S₂]；同样地，再将第二个小区用户群d₂对S₁,S₂的接收状态表S_d₂S₁和S_d₂S₂进行合并，得到d₂的总接收状态表S_d₂，即S_d₂＝[S_d₂S₁，S_d₂S₂]；然后，将S₁和S₂各自分别发送的数据包F₁和F₂进行合并，得到发送的所有数据包F，即F＝[F₁，F₂]；此时，R已汇集了所有数据包，其中，S_d₁和S_d₂分别为D₁行2M列和D₂行2M列的矩阵，F是所有2M个数据包的集合；

(32)R根据d₁和d₂新的接收状态表S_d₁和S_d₂，每次重传时都选择尽量多的错误数据包组合成重传数据包，其选择标准是：对于两个小区共D₁+D₂个所有用户而言，选出的错误数据包中属于每个用户的错误数据包数量不超过1；

(33)R对所选择的重传数据包进行异或网络编码后，把该编码数据包向两个小区所有用户{d₁,d₂}进行重新发送；

(34)两个小区的每个用户分别检测其接收的编码数据包是否正确，若是正确接收，就进行相应的异或操作，解码得到各自所需的数据包，并相应更新各自的接收状态表；若有一个用户接收错误，则R就再次发送该编码数据包，直到所有需要接收该编码包的用户都接收正确后，才顺序执行后续步骤(35)；

(35)R重传下一个编码数据包，即返回执行步骤(32)，直到每个用户都正确接收了全部编码数据包。