一種基于散列鄰域搜索網絡編碼的機會中繼重傳方法

邵 鵬 飛， 趙 燕 偉，方 朝 曦

（1.浙江工業大學計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310023；2.浙江萬里學院電子信息學院，浙江 寧波 315100；3.浙江工業大學機械工程學院，浙江 杭州 310023）

一種基于散列鄰域搜索網絡編碼的機會中繼重傳方法

邵 鵬 飛1，2， 趙 燕 偉3，方 朝 曦2

（1.浙江工業大學計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310023；2.浙江萬里學院電子信息學院，浙江 寧波 315100；3.浙江工業大學機械工程學院，浙江 杭州 310023）

在無線多播網絡中，傳統的方法沒有考慮某些接收節點與源節點及其他接收節點之間可能具有更好的鏈路質量。 為此提出了一種基于散列鄰域搜索網絡編碼的機會中繼重傳方法，該方法動態選擇數據分組接收情況最好的且信道質量優于源節點的接收節點作為中繼，并采用散列鄰域搜索網絡編碼策略進行其他接收節點的丟失分組重傳。 仿真結果表明，相對于現有的其他網絡編碼重傳方法，該方法能有效減少平均重傳次數，提高重傳效率，尤其當一些接收節點因受到干擾與源節點之間的信道質量變得很差時，該方法能取得很高的重傳增益。

無線多播；網絡編碼；機會中繼；重傳

1 引言

隨著通信技術的進步和發展及泛在物聯網物與物之間 的 智 能 互 聯 和 大 規 模 分 布 式 計 算［1，2］，越 來 越 多 的 網 絡 應用和服務滲透到日常生活中。在物聯網基礎架構中，除了物理基礎設施外，基于通信網絡收集和交換各種有用的信息才能充分發揮物聯網的優勢。無線通信系統是物聯網中最重要的基礎通信網絡之一，使用越來越廣泛。由于無線通信系統的傳輸可靠性較低，重傳技術一直是該領域研究的 重 點［3，4］。

在無線多播網絡中，基于傳統的直接重傳方式，比如ARQ 或 HARQ［5］等 ，源 節 點 逐 個 重 傳 各 接 收 節 點 丟 失 的 數據分組，傳輸效率低、能耗大。利用信道的廣播特性，基于網絡編碼的廣播重傳已被證明能有效減少平均重傳次數，提 升 傳 輸 性 能［6-8］。該 方 式 下 ，源 節 點 根 據 各 接 收 節 點 不 同的數據分組丟失情況，對丟失分組進行調度和優化組合后編碼重傳，每一次重傳能夠同時讓盡量多的接收節點恢復其丟失分組，從而減少總的重傳次數。盡管相對于傳統的直接重傳方式，基于網絡編碼的重傳技術大大提高了傳輸效率，降低了傳輸能耗，但是目前主要的研究都是假設信道 相 互 獨 立 且 信 道 狀 態 不 變［9-11］，沒 有 考 慮 無 線 鏈 路 狀 態的實時變化及這些變化對重傳增益的影響，與實際網絡情況 仍 有 較 大 的 差 距 。參 考 文 獻［12］雖 然 考 慮 了 每 個 節 點 接收鏈路分組丟失率的不同，提出了基于機會網絡編碼的加權廣播重傳方法，將減少重傳次數轉化為基于加權的最大增益問題，但當源節點與某接收節點的信道質量變差時，重傳性能將快速惡化。

在無線中繼網絡中，通過中繼協作轉發信息，可以有效利用信道并獲得分集增益，提高傳輸可靠性。將機會中繼協作傳輸技術應用于重傳，利用質量較好的無線信道實現中繼重傳，能有效提升重傳性能。但對中繼協作通信的研 究 目 前 主 要 集 中 于 單 源 — 單 中 繼 — 兩 目 的［13］、兩 源 — 單中 繼 — 兩 目 的［8，14］、兩 源 — 單 中 繼 — 單 目 的［15］等 中 繼 通 信 系統，在單跳無線網絡中很少提及。

為此，本文提出了一種適合單跳多播網絡的基于散列鄰 域 搜 索 網 絡 編 碼 的 機 會 中 繼 重 傳 （hash neighborhood search network coding opportunistic relaying retransmission，HNS-NCORR）方法。該方法充分考慮節點之間的信道質量，動態選擇數據分組接收情況最好的且信道質量優于源節點的接收節點作為中繼，進行其他接收節點的丟失分組重傳，重傳方法基于散列鄰域搜索網絡編碼策略。與現有的網絡編碼重傳方法相比，這種結合機會中繼的網絡編碼重傳方法由于選擇了信道質量更好的鏈路進行重傳，提高了每一次重傳的效率，從而能夠提高整體的傳輸性能，尤其當個別接收節點由于受到干擾與源節點之間的信道質量變得非常差時，其作用將更加明顯。

2 系統模型

如 圖 1 所 示，本 文基 于 通 用 的 無 線 多 播模 型 ，一 個 源節 點 S 和 N 個 接 收 節 點 Ri（N≥3，1≤i≤N）進 行 通 信 。 假定系統采用時分多址技術，源節點和各接收節點之間的信道相互獨立，信道環境變化緩慢，即數據重傳時的信道增益變化可忽略不計，且反饋信道是可靠的，狀態信息在反饋信道中不存在丟失。整個通信過程分為兩個階段：初始階段和丟失分組重傳階段。在初始階段，源節點向接收節點 逐 個 廣 播 M 個 原 始 數 據 分 組 Qj（1≤j≤M），各 接 收 節 點Ri采用 ACK／NACK 同步反饋其丟失分組信息。當 S 發送完M 個數據分組后，能得到 N 個接收節點的接收狀態信息。

圖1 通用無線多播通信系統

在丟失分組重傳階段，根據節點間信道狀態，動態選擇數據分組接收情況最好的且信道質量優于源節點的接收節點作為中繼，進行其他接收節點的丟失分組重傳。若不存在這種情況，則直接采用散列鄰域搜索網絡編碼重傳方 法［11］進 行 重 傳 。

機會中繼選擇準則：中繼節點到目的節點的鏈路質量由中繼節點到多個目的節點的鏈路質量中較差的一路決定，而端到端的信道質量由源—中繼和中繼—目的信道中質量較差的一路決定，最佳中繼節點擁有最好的端到端的信道質量。以鏈路分組丟失率作為衡量鏈路質量的指標，假設 接 收 節 點 Ri被 選 為 最 佳 中 繼 節 點 ，PS，Ri為源節點到 Ri的分 組 丟 失 率 ，PRi，Rk為 Ri到 其 他 接 收 節 點 的 分 組 丟 失 率 ，PS，Rk為源節點到其他接收節點的分組丟失率，則 Ri需滿足：

在具有3個接收節點無線多播網絡中：

（1）若 唯 一 存 在 符 合 式 （1）的 接 收 節 點 Ri，則 選 擇 Ri作為重傳中繼，并采用本文的 NCORR 方法；

（2）若同時存在符合式（1）的兩個接收節點，則隨機選擇其一作為重傳中繼，轉化為（1）進行處理。

在具有多個（超過 3 個）接收節點的無線多播網絡中：

（1）若 唯 一 存 在 符 合 式 （1）的 接 收 節 點 Ri，則 選 擇 Ri作為重傳中繼，并采用本文的 NCORR 方法；

（2）若同時存在符合式（1）的兩個接收節點，則隨機選擇其一作為重傳中繼，轉化為步驟（1）進行處理；

（3）若 同 時 存 在 符 合 式 （1）的 K（K＞2）個 接 收 節 點 Rj，則按與每個 Rj之間鏈路的信道質量按照就高原則進行區域劃分，將重傳 劃 分為 K 個重 傳 簇；在每個重 傳 簇 內選擇Rj作為重傳中繼，轉化為步驟（1）進行處理；若某個重傳簇內節點數少于 3，則與鄰近重傳簇合并，合并后根據步驟（1）或（2）進行處理。

因 此 ，在 無 線 多播 網 絡 中，無 論是 只 有 3 個 接 收 節 點還是具有更多接收節點，本文的重傳處理思想是相同的，最終都轉化為唯一存在符合式（1）的接收節點的情形進行處理。下文中，將以具有 3個接收節點的無線多播網絡為例，闡述本文的方法。

3 HNS-NCORR 重傳方法

本節將詳細闡述提出的基于散列鄰域搜索網絡編碼的機會中繼重傳方法。在單跳無線多播網絡中，區別于其 他 重 傳 方 式 ，HNS-NCORR 動 態 選 擇 具 有 比 源 節 點 信道質量更好的接收節點作為中繼，進行其他接收節點的丟失分組重傳，從而減少平均重傳次數，提高重傳效率。對丟失分組的調度、組合和編碼采用散列鄰域搜索網絡編碼策略。

3.1 機會中繼策略

具有 3個接收節點的無線多播網絡如圖 2所示。

圖2 具有3個接收節點的無線多播網絡

假設：

由于 R1唯一符合式（1）條件，因此在重傳階段，R1將被選為重傳中繼，其重傳方法如圖 3所示。

情形 1 在初始階段結束后，若 R1正確接收所有分組，R2和 R3存在分組丟失。此時，R1采用散列鄰域搜索網絡編碼策略直接重傳 R2和 R3丟失的數據分組，如圖 3（a）所示。

情 形 2 在 初 始 階 段 結 束 后 ，若 R1、R2和 R3都 存 在 分組丟失，但 R1的接收情況最好且只有少量分組丟失。此時有兩種處理方法。

方法（1） 首先充分利用 R1成功接收的數據分組，R1將自 己成功接收，而 R2和 R3沒 有正確接 收 的數據分 組 進行編碼重傳，直至兩節點都正確接收；然后源節點編碼重傳剩余的3個節點都沒有正確接收的分組。

方 法 （2） 如 圖 3（b）所 示 ，首 先 源 節 點 廣 播 重 傳 R1丟失的分組 ，讓 R1正 確接收所有數據分組，R2和 R3可同時接收這些重傳分組來獲取自己未正確接收的分組；然后選擇 R1作為中繼，編碼重傳 R2和 R3丟失的分組。在可解條 件 下［11］，在 重 傳 R1丟 失 分 組 的 過 程 中 ，可 組 合 R2、R3丟失的其他數據分組進行編碼重傳，進一步提高編碼增益。由于當源節點S和個別接收節點的無線信道質量比較差時 ，方 法（1）仍有可 能 需 要 源 節 點 S 直 接重 傳 該 節 點丟 失的分組，導致重傳性能快速下降，而方法（2）則不存在這種情況，因此本文將采用方法（2）處理情形 2。

圖3 基于網絡編碼的機會中繼重傳方法

方法（3） 對于其他情形，直接采用散列鄰域搜索網絡編碼策略進行重傳。

3.2 散列鄰域搜索網絡編碼重傳

相 對 于 傳 統 的 網 絡 編 碼 重 傳 策 略［9，10］，散 列 鄰 域 搜 索 網絡 編 碼 重 傳 策 略［11］在 對 丟 失 分 組 的 快 速 調 度 和 優 化 組 合 、重傳再丟失的優化處理等方面，有更好的考慮和設計，進一步提高了重傳效率，其主要過程如下。

（1）發送節點基于接收狀態表生成各接收節點丟失分組散列表（接收狀態表表明發送節點有哪些數據分組未能被哪些接收節點正確接收）。

（2）發送節點基于散列鄰域搜索快速選擇符合滿秩條件（可解條件下能從單個重傳數據分組中恢復丟失分組的接收節點數達到最多）的丟失分組或丟失分組組合。

（3）發送節點對選出的丟失分組組合進行異或（XOR）編碼，形成新的重傳分組并發送出去。

（4）發送節點基于鄰域關聯搜索進一步挖掘編碼機會，合并成多個關聯的重傳分組，經 XOR 編碼后發 送出去，并允許接收節點從多個重傳分組中恢復丟失分組。

（5）各接收節點從收到的重傳分組中解碼出自己的丟失分組。

HNS-NCORR 對丟失分組的調度、組合、編碼采用散 列鄰域搜索網絡編碼重傳策略。在重傳階段，HNS-NCORR 在完成機會中繼選擇后，判斷被選出的中繼節點是否存在分組丟失。若中繼節點存在分組丟失，則源節點首先重傳中繼節點的丟失分組，重傳時最大化組合滿足可解條件的其他接收節點的丟失分組，中繼節點和其他接收節點接收該重傳分組并解碼出各自的丟失分組，然后同步反饋接收狀態信息，源節點收到這些信息后更新自己的接收狀態表，直至中繼節點正確接收所有數據分組。若中繼節點不存在分組丟失或經重傳后中繼節點已正確接收所有數據分組，則源節點將接收狀態表信息發送給中繼節點，中繼節點收到該信息后生成自己的接收狀態表（該表只包含其他接收節點的分組接收狀態），并根據此表代替源節點重傳其他接收節點丟失的分組，直至其他節點成功接收所有數據分組，然后反饋重傳結束信息通知源節點進行下一組數據分組的傳輸。當其他接收節點從源節點和中繼節點都收到某重傳分組時，采用最大合并比解碼。

由于無線傳輸的不可靠性，重傳的分組仍會丟失。為了在重傳的分組中不再出現已被所有節點成功接收的數據分組，在每次重傳之前，HNS-NCORR 根據節點反饋的 接收信息更新接收狀態表（源節點重傳則更新源節點的接收狀態表，中繼節點重傳則更新中繼節點的接收狀態表）；然后根據新的接收狀態表，在余下的丟失分組中通過散列鄰域搜索和鄰域關聯搜索快速查找丟失分組組合，形成新的合并數據分組并編碼重傳。這種丟失分組更新機制由于調度組合時結合了最新的丟失分組信息，創造了更多的編碼機會，可以有效提高重傳效率。

3.3 HNS-NCORR 流程

如圖 4 所示，HNS-NCORR 的工作流程分為兩個階段：在初始階段，源節點連續發送 M個數據分組并判斷接收狀況，若這 M 個分組被所有節點成功接收，則發送之后的 M 個數據分組，否則進入重傳階段。在重傳階段，HNS-NCORR 首先根據分組接收情況和節點間鏈路狀態選擇機會中繼；若找不到中繼節點，源節點則采用散列鄰域搜索網絡編碼策略重傳所有節點的丟失分組；若找到中繼節點，則判斷該中繼節點是否已成功接收M個分組；源節點優先重傳中繼節點的丟失分組，直至中繼節點成功接收所有分組，然后中繼節點代替源節點重傳其他接收節點的丟失分組。由于中繼節點具有更好的無線信道質量，因此能取得更好的傳輸增益。

圖4 HNS-NCORR 工作 流 程

4 數學分析

在有 N（N≥3）個接 收節點 的多 播網絡中，假 定 N 個接 收 節 點 的 分 組 丟 失 率 互 不 相 關 且 服 從 伯 努 利 分 布［10-12］，令 pi表 示 接 收 節 點 Ri（1≤i≤N）與 源 節 點 S 之 間 的 鏈 路 分組 丟 失 率 ，pm=max｛p1，p2，… ，pN｝，其 中 ，1≤m ≤N，令 λij為 接收節點 Ri和 Rj之間 的鏈路分組丟失率。當 M 足夠大 時 ，在初始階段的 M 次初始傳輸后，各個接收節點分別有 Mpi個數據分組沒有被正確接收，節點 Rm則是丟失分組最多的節點，丟失 Mpm個數據分組。在重傳階段，若各個接收節點每次正確接收都能獲取 1個原始分組，則每個接收節點正確 接 收 全 部 數 據 分 組 所 需 的 重 傳 次 數 為 Mpi／（1-pi）。由 于pm最大，可 以 得 到 Mpm／（1-pm）最 大 。

（1）當數據分組數 M 足 夠 大時，采用基 于 網 絡編碼的重 傳 方 法［9-12］，每 個 重 傳 分 組 都 可 以 看 成 鏈 路 分 組 丟 失 率最 大 的 接 收 節 點 與 其 余 N-1 個 節 點 丟 失 分 組 的 編 碼 組合，因此總 的 重 傳次 數 為 Mpm／（1-pm），由 分 組 丟 失 率 最 大的 節 點 決 定 。即 M 個 數 據 分 組 的 平 均 重 傳 次 數 TNC［10-13］可表示為：

（2）采用本文的 HNS-NCORR 方法，M 個數據分組的平均 重 傳 次 數 THNS-NCORR可 表 示 為 ：

代入 φ 和 w，并根據式（5）可得：

因 此 ，當 ?Pm、Pk、λkm滿 足 式 （7）時 ，HNS-NCORR 方 法比其他基于網絡編碼的重傳方法進一步減少了平均重傳次數，獲得了更高的傳輸效率。

HNS-NCORR 方法相對于其他網絡編碼重 傳方法的重傳增益為：

代入式（3）和式（4），可得：

當 pm、pk、λkm滿 足 式 （7）時 ，HNS-NCORR 方 法 就 能 獲得 正 重 傳 增 益 。當 pm遠 大 于 pk、λkm時 ，即 一 個 或 一 個 以 上接收節點與源節點之間的無線鏈路質量因干擾變得很差時，系統將獲得很大的重傳增益。

5 仿真與分析

HNS-NCORR 方法首先根據鏈路狀態檢測 機制計算源節點、各接收節點之間的鏈路分組丟失率，并根據鏈路分組丟失率進行機會中繼選擇，然后采用基于散列鄰域搜索網絡編碼方法進行重傳，重傳分為兩個階段：首先源節點重傳中繼節點的丟失分組，然后中繼節點代替源節點重傳其他 接 收 節 點 的 丟 失 分 組 。參 考 文 獻 ［11］提 出 了 改 進 的 網 絡編碼重傳方法 IONCR，該方法在單跳無線多播網絡中由源節點通過鄰域關聯搜索進行分組丟失組合和編碼重傳，并優先重傳能讓最多接收節點恢復其丟失分組的單個重傳分組，在保持較低算法復雜度的情況下，相對 于 ARQ 直接重 傳 及 其 他 網 絡 編 碼 重 傳 方 法［16，17］，IONCR 能 取 得 更 好 的 重傳性能。為此，在相同的無線網絡環境下，本文直接比較了 HNS-NCORR 算 法 與 IONCR 算 法 的 重 傳 性 能 ，并 以 平均重傳次數作為重傳性能分析的評價指標。

仿真中，考慮實際應用環境，將分別考察兩種系統模型：在 系 統 A 中，源節點 與 所 有接收節 點 的無線鏈 路 質 量都 較 好；在系統 B 中 ，存 在 一個或一 個 以上接收 節 點 與 源節點之間的無線信道由于受到干擾導致高鏈路分組丟失率。當接收節點數 N=4 時，系統 A、B 中源節點 、各接收 節點 之 間 的 信 道 參 數 如 下 （ 行 參 數 為 ［S R1R2R3R4］＇，列 參 數為［S R1R2R3R4］）：

為了 更好地進行 性能比 較，引入中間 系 統 C，系 統 C與系統 B相近但節點受到的干擾較小。在系統 B中，接收節點 R4受到干擾，與源節點之間的鏈路分組丟失率達到0.8。在系統 C 中，接 收 節 點 R4受 到 的 干 擾 比 系 統 B 小 ，與源 節 點 之 間 的 鏈 路 分 組 丟 失 率 為 0.6。在 3 個 系 統 中 ，根 據式（7）和式（1）確定 R1為最佳中繼節點，與式（10）～式（12）節點之間的鏈路質量情況相符。

圖5 比 較 了 N=4 時 3 個 系 統 中 HNS-NCORR 和IONCR 的重傳性能。從仿真結果可以看到，在 3 個系統中，HNS-NCORR 的 平 均 重 傳 次 數 都 要 少 于 IONCR，而 且 當 一個接收節點至源節點的鏈路質量變壞，出現高分組丟失率時，這種優勢更加突出。在系統 A、C、B 中，根據式（9）計算可 得 HNS-NCORR 相 對 于 IONCR 的 重 傳 增 益 分 別 約 為10%、80%和 300%，與 圖 5 中 仿 真 結 果 相 符 。 這 是 因 為HNS-NCORR 有效利用了信道質量最好的接收節點進行 重傳，當某個接收節點與源節點之間的信道變得很差而與機會中繼節點之間的信道保持較好的情況下，將大大提高重傳效率。

圖5 N=4 時不同網絡環境下（好、中、差）重傳性能比較

假 設 N=3 和 N=5 時 ，系 統 A 和 系 統 B 的 信 道 參 數如下：

圖6（a）和圖 6（b）分別比較了較好無線網絡環境和受干擾無線網絡 環境下，不 同 接收節點 數 時 HNS-NCORR 和IONCR 的重傳性能。從仿真結果可以看出，無論在哪種網絡 環 境 下 ，HNS-NCORR 的 重 傳 性 能 都 優 于 IONCR。 這 是因 為 這 些 模 型 的 參 數 都 滿 足 式 （5） 的 條 件 ， 所 以HNS-NCORR 的平均重傳次數要少于 IONCR。 當網絡規模變大、接收節點數增加時，HNS-NCORR 能保持較穩定的重傳性能，在較好的無線網 絡環境下，相對于 IONCR 有 10%左右的重傳增益；在受干擾較差環境下，某接收節點與源節 點 之 間 出 現 高 鏈 路 分 組 丟 失 率 時 ，相 對 于 IONCR 有300%左右的重傳增益。

圖6 不同環境下不同接收節點數的重傳性能比較

6 結束語

在單跳無線多播網絡中，現有的網絡編碼重傳方法普遍選用源節點進行丟失分組重傳，對節點之間無線鏈路的質量及其動態變化考慮不足，本文提出了一種基于散列鄰域 搜 索 網 絡 編 碼 的 機 會 中 繼 重 傳 方 法 ——HNS-NCORR，并分析了該方法適用的條件。HNS-NCORR 方法充分考慮了無線鏈路質量及其狀態的動態變化，利用網絡中具有更高鏈路質量的接收節點代替源節點進行丟失分組重傳，與現有的網絡編碼重傳等方法相比，能減少鏈路中斷率，獲得更好的重傳增益。仿真結果表明，HNS-NCORR 減少了平均重傳次數，提高了重傳效率，尤其當網絡中一個或一個以上接收節點因受到干擾導致高鏈路分組丟失率時，該方法的效果更加明顯。

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A hash-neighborhood-search-network-coding based opportunistic relay retransmission approach

SHAO Pengfei1，2，ZHAO Yanwei3，FANG Zhaoxi2
1.College of Computer Science&Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China 2.School of Electronic and Information Engineering，Zhejiang Wanli University，Ningbo 315100，China 3.College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China

In wireless multicast networks，it is rarely concerned that there may be certain receiving nodes which have better quality links both to the source node and to the other receiving nodes.A novel hash-neighborhoodsearch-network-coding based opportunistic relay retransmission approach was proposed.According to the packet reception status and channel quality，this novel approach dynamically selected the best suitable receiving node whose channel quality was better than the source node as a relay，then hash-neighborhood-search-network-coding strategy was used for the relay to retransmit other receiving nodes’ lost packets.Simulation results show that this novel approach can effectively reduce the number of retransmissions to improve the transmission efficiency with respect to the existing algorithms，especially when one or more of the receiving nodes are interfered and the quality of the channel between receiving nodes and source node continues to decline，this approach can achieve a high retransmission gain.

wireless multicast，network coding，opportunistic relaying，retransmission

s： The NationalNaturalScience Foundation of China （No.61379123，No.61401400）， Ningbo SocialDevelopment Foundation（No.2014C50006）

TN925

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016090

邵鵬飛（1978-），男，浙江工業大學計算機科學與技術學院博士生，浙江萬里學院電子信息學院副教授，主要研究方向為物聯網中的可靠傳輸和信息融合。

趙燕偉（1959-），女，浙江工業大學機械工程學院博士生導師、教授，主要研究方向為先進制造技術、現代物流系統智能配送與優化調度、網絡環境下的數字制造技術等。

方朝曦（1982-），男，博士，浙江萬里學院電子信息學院副教授，主要研究方向為無線通信與網絡、物聯網工程。

2015-11-04；

2016-03-02

趙 燕 偉 ，zyw@zjut.edu.cn

國 家 自 然 科 學 基 金 資 助 項 目 （No.61379123，No.61401400）； 寧 波 市 社 會 發 展 基 金 資 助 項 目 （No.2014C50006）