基于有限反饋隨機網絡編碼數據廣播方法

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據廣播問題。提出了一種有限反饋隨機網絡編碼自動重傳請求（Finite feedback Random Network coding Automatic Repeat reQuest，FRNARQ）方案。通過設計最優度反饋機制，有效降低海量無線終端數據廣播系統的反饋負載，并利用有限隨機網絡編碼進一步降低數據包平均傳輸次數。數值仿真表明，與部分反饋選擇性自動重傳請求方案（Partial feedback Selective ARQ， PSARQ）和網絡編碼自動重傳請求方案（Network coding ARQ， NARQ）相比，FRNARQ能夠在保證數據包平均傳輸次數較小的前提下，有效降低系統的反饋負載，提高數據廣播效率。

關鍵詞：廣播通信 隨機網絡編碼 有限反饋 最優度反饋

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

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

為了解決上述兩個問題，該文提出了一種有限反饋隨機網絡編碼自動重傳請求方案FRNARQ，在重傳階段傳輸為隨機網絡編碼數據包。每一個接收端僅僅需要反饋一個參數，即通過自身數據包不完整度PIR來確定的本地最優“度”（網絡編碼數據包中原始數據包的個數），而不必為每一個丟失的數據包反饋一個NACK信息。其次，提出了一種最優度確定準則，用于在接收端確定重傳網絡編碼數據包最優度。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。基站分別發送N個原始數據包。（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告知自身已經完成對全部原始數據包的接收。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據包。（3）重傳階段。基站在收到全部接收端發來的指示ACK后確定全局最優度，然后根據最優的度生成下一個重傳階段內所有隨機網絡編碼重傳包。

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

2 仿真驗證

首先假設基站廣播的數據包的數目N=100，接收端是數量M=1 000，設備的誤包率。

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

3 結語

該文考慮物聯網海量終端廣播場景中數據高效傳輸問題，提出有限反饋隨機網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，尤其在設備數量較大且信道衰落嚴重的情況下，優于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方案的優越性。

參考文獻

[1] 張銳，趙增華，張燁彬，等.無線Ad hoc網絡中基于網絡編碼的數據廣播協議[J].計算機應用研究，2011（7）：2616-2620.

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

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