陳君勝，楊小勇，徐怡杭

(1.甘肅省無線電監(jiān)測站，甘肅 蘭州 730030；2.國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 電子信息學院，陜西 西安 710072)

0 引言

隨著我國 4G/5G[1-3]網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，各種蜂窩網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)以及其所組成的其他無線網(wǎng)絡[4-5]承擔著人們生活和工作中大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿铡榱嗽跓o線信道下進行可靠數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)的自動傳發(fā)請求(ARQ)協(xié)議[6-7]引入了差錯控制機制，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具有瓶頸效應，導致系統(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，隨機網(wǎng)絡編碼[8-10]作為通信網(wǎng)絡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)絡吞吐量的手段。但在無線網(wǎng)絡中，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，導致了隨機網(wǎng)絡編碼性能的降低。尤其是在傳輸數(shù)據(jù)量大、延時要求低的多媒體數(shù)據(jù)時，隨機網(wǎng)絡編碼在衰落信道下的性能會進一步下降。

另一方面，中繼傳輸策略[11-13]通過在無線網(wǎng)絡中引入中繼，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)絡傳輸?shù)男省１疚奶岢隽艘环N基于隨機網(wǎng)絡編碼的無線中繼網(wǎng)絡協(xié)作傳輸算法，針對多媒體數(shù)據(jù)的特點，設計編碼深度可調(diào)的自適應網(wǎng)絡編碼，并充分利用無線網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點作用，設計了基站與中繼協(xié)作以選擇最佳編碼包進行傳輸?shù)淖赃m應調(diào)度方案，以期在規(guī)定的數(shù)據(jù)延時內(nèi)獲取最大化的網(wǎng)絡吞吐量，并在此基礎上利用仿真實驗討論了網(wǎng)絡參數(shù)對吞吐量的影響。

在以往的工作中，文獻[14]中研究了延時受限的多播數(shù)據(jù)傳輸。文獻[15]的研究工作則推導得到了無線多播網(wǎng)絡中使用網(wǎng)絡編碼(NC)的能耗下界。文獻[11]將隨機線性網(wǎng)絡編碼(RLNC)和信道編碼聯(lián)合設計以優(yōu)化時延性能。文獻[16]中提出了一種采用網(wǎng)絡編碼傳輸多播對延時敏感的視頻數(shù)據(jù)的自適應調(diào)度算法。文獻[17]則在多播多媒體數(shù)據(jù)傳輸時使用了跨層設計。但在這些研究工作中都沒考慮利用中繼協(xié)作進行網(wǎng)絡編碼的傳輸。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)的隨機網(wǎng)絡編碼和中繼節(jié)點來進行多媒體數(shù)據(jù)傳輸算法，有效提高了無線網(wǎng)絡的吞吐量。

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R向N個用戶分時傳輸L個數(shù)據(jù)包，假設傳輸?shù)慕刂箷r間為T(T≥L)(圖像幀的最大延時)，并規(guī)定系統(tǒng)每個時隙傳輸一個數(shù)據(jù)包?；纠每刂菩诺阔@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)點狀態(tài)信息，因此該模型假設反饋信息包不會發(fā)生錯誤和丟失。在該無線網(wǎng)絡中，所有用戶之間的鏈路均為獨立衰落信道，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通過信道估計獲知上述信道狀況。

2 算法原理設計

為了提高視頻數(shù)據(jù)傳輸過程中的網(wǎng)絡吞吐量，針對多媒體數(shù)據(jù)包的特點，設計了一種編碼深度可調(diào)的隨機網(wǎng)絡編碼，并在該編碼方式的基礎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行編碼包傳輸，從而優(yōu)化了網(wǎng)絡編碼的傳輸效率，獲得了網(wǎng)絡整體性能的提升。

2.1 基于編碼深度可調(diào)的隨機網(wǎng)絡編碼

針對圖像幀的數(shù)據(jù)包具有優(yōu)先級的特點，設計了一種編碼深度可調(diào)的隨機網(wǎng)絡編碼，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)送端設計了編碼深度可調(diào)的線性編碼器，在每個編碼器中入棧并參與編碼的數(shù)據(jù)包個數(shù)呈遞增趨勢。假設圖像幀由L個數(shù)據(jù)包組成，基站則會創(chuàng)建L個編碼器，每個編碼器Gl(1≤l≤L)會對l個連續(xù)的數(shù)據(jù)包{p1，p2，…，pl}進行隨機線性編碼，并輸出編碼包cl。例如，當L=3時，基站會生成3個編碼器來產(chǎn)生深度可調(diào)的網(wǎng)絡編碼包：

編碼器1：對入棧數(shù)據(jù)不做編碼，即c1=p1；

式中，αij是從有限域Fq中隨機獲取的系數(shù)。

該編碼方式相對于傳統(tǒng)的隨機網(wǎng)絡編碼的優(yōu)勢在于，當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)的隨機線性網(wǎng)絡編碼算法每次進行數(shù)據(jù)包編碼時都將3個分層數(shù)據(jù)包進行編碼，用戶至少正確接收到3個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。

2.2 基站與中繼協(xié)作調(diào)度機制參數(shù)說明

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

① 狀態(tài)矩陣Sn(t)。在數(shù)據(jù)傳輸期間，每個用戶以及中繼都會生成一個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)送時隙t進行更新。若用戶t時隙接收到編碼包，則αit(1≤i≤L)表示隨機編碼系數(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)送編碼包的行為構成了基站調(diào)度策略集合。若at∈AB且at={基站在t時刻發(fā)送編碼器G2產(chǎn)生的c2}，則基站在時隙t將G2生成的編碼深度為2的編碼包c2=αt1p1+αt2p2向全網(wǎng)發(fā)送。

⑤ 用戶實時吞吐量r(Sn(t)，at)。r(Sn(t)，at)代表在給定Sn(t)時，系統(tǒng)的調(diào)度策略at在t時刻可以給用戶n所帶來的實時網(wǎng)絡吞吐量，其中Sn(t)代表用戶n在時隙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)時所增長的吞吐量。例如，在狀態(tài)矩陣

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

則根據(jù)隨機網(wǎng)絡編碼特點可知，此時節(jié)點n能夠解碼出2個原始數(shù)據(jù)包(p1和p2)，因此r(Sn(2)|Sn(1)，a1)=2-1=1。同理可知，整個網(wǎng)絡的實時吞吐量r(at)可以表示為：

(3)

基站和中繼通過對r(at)的計算和對比進行協(xié)作調(diào)度，對編碼包的類型和發(fā)送端的類型進行決策，從而決定哪種傳輸策略可以帶來更高的網(wǎng)絡增益。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)絡編碼包的協(xié)作調(diào)度

通過對網(wǎng)絡參數(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。本文算法對編碼包進行自適應協(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個時隙組成，在這一階段基站負責將編碼器生成的編碼包ci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(從時隙(L+1)到時隙T)，基站和中繼將依據(jù)用戶反饋的信息進行自適應協(xié)作傳輸。若在協(xié)作調(diào)度過程中基站在時刻t被選擇為發(fā)射節(jié)點，則基站從生成器Gi選擇編碼包ci向全網(wǎng)廣播；若中繼被系統(tǒng)選擇為發(fā)射節(jié)點，則中繼會從中繼調(diào)度策略集合AR中選擇最佳編碼包類型進行全網(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個元素ai代表了在i時刻系統(tǒng)所做出的調(diào)度策略。與此同時，為了衡量某個Ω的優(yōu)劣，本文定義一個非負實函數(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)絡吞吐量，其ΓΩ可定義為：

(4)

基站與中繼協(xié)作傳輸?shù)哪繕司褪窃赥個傳輸時隙內(nèi)選擇出最優(yōu)協(xié)作傳輸策略Ω*?Ω，使網(wǎng)絡吞吐量ΓΩ最大化：

(5)

針對于此，本文的協(xié)作傳輸算法具體如下：

(6)

若用戶n接收到L個編碼包，此時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n未能解碼部分編碼包時，如未能成功解碼c3，根據(jù)編碼深度可調(diào)編碼器的特點，用戶依然可以解碼出部分優(yōu)先級高的原始數(shù)據(jù)包(p1和p2)，從而保證了基本的視頻觀看質(zhì)量，而視頻效果加強的工作可在編碼包協(xié)作調(diào)度階段進行完成。

(7)

2.4 協(xié)作調(diào)度算法復雜度分析

3 仿真結果與分析

仿真實驗中，本文將視頻圖像數(shù)據(jù)按照SVD編碼方式分為4個數(shù)據(jù)層[18-19](L=4)，并產(chǎn)生p1，p2，p3，p4四個數(shù)據(jù)包。同時，仿真將本文算法(Proposed)與中繼協(xié)助下的自動重傳請求機制(ARQ)和中繼協(xié)作下的傳統(tǒng)網(wǎng)絡編碼(RRT)[20]，以及傳統(tǒng)隨機線性網(wǎng)絡編碼的技術(簡稱RNC)進行對比分析。

平均網(wǎng)絡吞吐量與用戶數(shù)間的關系如圖2所示。設定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，其丟包率依次設為0.15，0.19，0.23，0.27，0.31，0.34，0.38，0.4(對應于εB1，…，εB8)，中繼到用戶的丟包率εRn在(0.1，0.2)間隨機分布，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技術在用戶數(shù)增加時性能下降最嚴重。當用戶數(shù)增加時，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)包之間的相關性和中繼帶來的增益，特別是在信道深度衰落時仍能首先解碼出具有高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，使其性能高于其他算法。

圖2 平均網(wǎng)絡吞吐量與用戶數(shù)間的關系

T對平均網(wǎng)絡吞吐量的影響如圖3所示。仿真設置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)絡吞吐量與T之間的關系

圖3的結果表明：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T足夠大時，無論采用哪種算法，所有用戶都可以解碼出全部4個數(shù)據(jù)包。而當T=4時，RLNC和RRT算法性能最差。這是由于當T很小時，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為即使用戶只收到編碼包的部分集合時，仍能夠解出一部分有用信息。由此可見當網(wǎng)絡中時延是首要考慮的問題時，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平均網(wǎng)絡吞吐量的影響如圖4所示。參數(shù)設定T=6，N=5，εBR=0.2，而εB1=εB2=…=εB5=ζ，其中設ζ從0.05變化到0.3，變化步長為0.05。

圖4 平均網(wǎng)絡吞吐量與基站到用戶的丟包率之間的關系

圖4的結果表明：ζ較小時，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)絡吞吐量。然而在高丟包率狀況下，盡管各算法中平均網(wǎng)絡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仍能發(fā)揮它的優(yōu)勢。

在圖5中，仿真實驗探討基站到中繼間的丟包率與平均網(wǎng)絡吞吐量之間的關系。參數(shù)設定如下：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0.1。

圖5 平均網(wǎng)絡吞吐量與基站到中繼的丟包率之間的關系

從圖5的仿真結果中可以看出，εBR很小時，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)助時的網(wǎng)絡性能也隨之下降。而這一過程中，進行對比的算法中本文算法仍具有最佳性能，且遠好于ARQ機制。

4 結束語

針對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網(wǎng)絡編碼的無線中繼網(wǎng)絡協(xié)作傳輸算法以提高平均網(wǎng)絡吞吐量。該算法充分考慮到多媒體數(shù)據(jù)傳輸時的優(yōu)先級特性和時延敏感性，進而引入了編碼深度可調(diào)的隨機網(wǎng)絡編碼，以使用戶可以解碼出原始數(shù)據(jù)包。基站與中繼根據(jù)用戶反饋的網(wǎng)絡狀態(tài)協(xié)作對編碼包進行發(fā)送。通過這種方式，該算法在每個時隙中都選擇了最佳傳輸動作進而實現(xiàn)網(wǎng)絡吞吐量的最大化。