一种无线多跳传输方法、系统、存储介质、设备及终端

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无线多跳传输方法、系统、存储介质、设备及终端。

背景技术

目前，第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)，对网络互连及高速率通信提出更高要求。基于5G的物联网、车联网、扩展现实(Extendedreality，XR)等应用场景对无线网络通信提出了超高速、高可靠、超低时延的苛刻要求。为了达到如此苛刻的性能，毫米波因其大带宽就将在5G中扮演一个关键角色。但是，毫米波信号不能穿透大多数固体材料，且信号衰减较大。高传播损耗和中不可避免的阻塞现象就要求高密度部署5G基站。综合性能与经济上的考量，第三代合作伙伴计划(The3rd Generation Partnership Project，3GPP)提出了综合接入回传(Integrated Accessand Backhaul，IAB)：让部分gNB采用传统的光纤接入核心网，而剩余的gNBs采用无线回传。这样，传统基站与终端的单跳无线网络就变成了多跳无线网络。在实际的通信过程中，不仅是5G将要使用到的毫米波通信，其余所有的无线通信链路都面临不可避免的衰落、损耗等问题。这些影响因素使得数据包在传输过程中存在丢失现象，使得数据包在传输过程中存在丢失现象。与拥塞引起的丢包不同，这些由于信道本身特性引起的丢包问题无法通过控制传输速率来解决。为了解决上述问题，现在采用较多的方法是自动请求重传(AutomaticRepeat Request，ARQ)、前向纠错(Forward Error Correction，FEC)和混合自动请求重传(Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ)。这些方式可以较好地保证单跳链路的可靠传输。但是在传统的多跳路由网络中，中间节点只负责存储转发，仅采用上述方式无法解决每一跳链路的错误累积问题。如何保证多跳无线网络的错误累积问题，并在此基础上满足社会对无线网络的更高要求成为时下的热点问题。2000年，R.Ahlswede、N.Cai等人首次提出网络编码(Network Coding，NC)的概念，指出：网络中间节点对接收到的数据包进行编码处理后再发送，而不仅仅是存储转发，则可以达到多播网络理论最大容量。中间节点对数据进行编码处理后，可以消除多跳链路中的错误累积，提高传输可靠性，进而减少重传次数、降低时延。

但是，现有基于网络编码的方法(如BATS码等)中源节点和中间节点的编码操作均采取有限域GF(q)上的随机编码，不能保证最大距离可分(MDS)性质，这将会降低接收端收到一个分组以后可以译码的概率。同时，现有方法中接收端为了对一个分组进行译码会向发送端反馈多次信息，由于链路往返时延的存在，多次反馈会大大增加数据包时延。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)在传统多跳路由网络中，中间节点只负责存储转发，仅采用自动请求重传、前向纠错和混合自动请求重传方式无法解决每一跳链路的错误累积问题。(2)现有方法中源节点和中间节点的编码操作均采取GF(q)上的随机编码，不能保证最大距离可分性质，将会降低接收端收到一个分组以后可以译码的概率。

(3)现有方法中接收端为了对一个分组进行译码会向发送端反馈多次信息，由于链路往返时延的存在，多次反馈会大大增加数据包时延。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线多跳传输方法、系统、存储介质、设备及终端，尤其涉及一种基于MDS网络编码的无线多跳传输方法、系统、介质、设备及终端。

本发明是这样实现的，一种无线多跳传输方法，所述无线多跳传输方法包括：信源根据容量和往返时延在内的信道特性，以及事先确定的最大包时延和成功率需求在内的传输指标计算合适的分组大小，基于分组大小在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码矩阵；信源编码矩阵对每一分组进行编码并发送，中间节点采用满足MDS性质特定上三角矩阵对数据包进行再编码。

进一步，所述无线多跳传输方法包括以下步骤：

步骤一，信源根据网络容量C，往返时延RTT及传输要求的最大包时延D

步骤二，在有限域GF(q)生成满足MDS性质的系统型编码矩阵

步骤三，对所有需要发送的P个数据包每k个分一组；如果P不能被k整除，则向最后一组添加全零数据包补齐至k个；

步骤四，采用编码矩阵G对每一个分组进行编码扩充；

步骤五，信源依次发送队列中的数据包；

步骤六，中间节点维护一个上三角再编码矩阵

步骤七，对出错的包进行编码替代；

步骤八，中间节点将正确接收的数据包存入缓存，转发数据包；

步骤九，中间节点判断是否转发完第n组的最后一个数据包，若是，则将该组从缓存中清除，重置再编码矩阵；否则不作任何操作；

步骤十，接收端提取同组数据包；

接收端从自己的缓存队列中提取第n组的所有数据包，并判断提取的数据包数是否超过N；若是，则执行步骤十二，否则执行步骤十一；

步骤十一，更新接收端缓存；

接收端将收到的数据包添入缓存，执行步骤五；

步骤十二，计算所提取的数据包中编码信息组成矩阵的秩r，比较r与k的大小；若r＝k，则执行步骤十三，否则执行步骤十四，其中k的取值为[0，k]；

步骤十三，译码；

接收端采用高斯消元法对第n组进行译码，传输结束，执行步骤十六；

步骤十四，判断是否收到第n组全部N

步骤十五，第n组未能全部译码，传输失败，传输结束，执行步骤十六；

步骤十六，判断是否传输完所有的分组，若是则执行步骤十七，否则执行步骤五；

步骤十七，传输过程结束。

进一步，所述步骤一中的信源根据网络容量C，往返时延RTT及传输要求的最大包时延D

当i跳无线链路每一跳的丢包率均为ε，根据信息论得网络容量为C＝1-ε，则求出每一跳的丢包率ε＝1-C；在信源节点采用MDS编码，中间节点采用满足MDS性质的再编码矩阵对分组进行编码、续航时，只要每一跳均可收到超过k个数据包，接收端则可对分组进行译码；由于传输允许的最大包时延为D

成功率大于等于ps，由此计算出满足条件的分组大小k。

进一步，所述步骤二中的在有限域GF(q)生成满足MDS性质的系统型编码矩阵

给出有限域大小与构造MDS系统型编码矩阵的关系以及构造方法：

针对一个k×N

第k+1列要想与前k列满足MDS性质，则这一列不能含有0元素；由于所有元素取自GF(q)，则第k+1列共有(q-1)

进一步，所述步骤四中的采用编码矩阵G对每一个分组进行编码扩充包括：(1)设这个分组中含有的k个原始数据包为[m

(2)判断是否编码完全部分组，若是则执行步骤五，否则执行步骤(1)。

进一步，所述步骤六～步骤八中的中间节点对再编码矩阵的维护，以及中间节点对数据包的再编码操作为中间节点推测应该得到的数据包，并判断是否丢包，同时根据判断结果维护更新再编码矩阵，具体包括：

(1)中间节点根据已收到的数据包包头信息，网络往返时延去推测这一时刻收到第

其中，R中元素均取自有限域GF(q)；正确接收的数据包在R矩阵中对应的列除对角线位置为1以外，其余位置均为0；丢失的数据包中，第i个包在R中对应的第i列对角线位置为0，这一列的前i-1行与前i-1列满足MDS性质；第j个数据包在R中对应的第j列对角线位置与第i行均为0，其余位置的元素与前面第1到i列、第i+1到j-1列满足MDS性质；中间节点根据接收到的数据包状态以及正确接收的同组数据包序号实时更新再编码矩阵R；

(2)将收到的第n组数据包右乘R第i列，得到第i个数据包的替代包，并将此替代包添入中间节点的缓存中；

(3)向下一节点转发数据包。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的无线多跳传输方法的无线多跳传输系统，所述无线多跳传输系统包括：

分组大小计算模块，用于信源根据容量和往返时延在内的信道特性以及事先确定的最大包时延和成功率需求在内的传输指标计算合适的分组大小；

编码矩阵生成模块，用于基于分组大小在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码矩阵；

分组编码发送模块，用于利用信源编码矩阵对每一分组进行编码并发送，中间节点采用满足MDS性质特定上三角矩阵对数据包进行再编码。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

信源根据容量和往返时延在内的信道特性，以及事先确定的最大包时延和成功率需求在内的传输指标计算合适的分组大小，基于分组大小在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码矩阵；信源编码矩阵对每一分组进行编码并发送，中间节点采用满足MDS性质特定上三角矩阵对数据包进行再编码。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

信源根据容量和往返时延在内的信道特性，以及事先确定的最大包时延和成功率需求在内的传输指标计算合适的分组大小，基于分组大小在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码矩阵；信源编码矩阵对每一分组进行编码并发送，中间节点采用满足MDS性质特定上三角矩阵对数据包进行再编码。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的无线多跳传输系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

多项研究结果表明，对于一个丢包信道，采用满足MDS性质的纠删码可以达到信道容量。针对上述已有技术中信源节点编码和中间节点续航均采用系统型随机编码造成的传输成功率较低的问题，本发明提出一种在有限域GF(q)上构造系统型MDS编码方法。采用这种编码方法，可以让信源对一个分组的编码以及中间节点的再编码均满足MDS性质，这样可以极大地提升接收端收到的数据包之间线性无关的概率，也即可以译码的概率。同时，本发明构造编码矩阵时可以得到所需有限域大小与分组大小的关系，可以直接选取合适的有限域，避免了随机编码选到大尺寸有限域所造成的编译码复杂度上升。

针对已有技术中接收端判断一个分组不能译码后需要多次反馈进而造成较大时延的问题，本发明根据传输性能指标：无线多跳链路信道容量C、最大数据包时延D

另外，由于本发明中信源与采用系统型编码、中间节点采用一种特定的满足MDS性质的上三角矩阵再编码，同样可以保证数据包在中间节点实时转发，在消除中间节点错误累积的同时避免了中间节点收到一整个分组再编码转发所带来的高额时延。

本发明在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码方法；信源节点根据信道容量、往返时延和传输要求的最大包时延、成功率确定分组大小以及编码扩充上限；中间节点采用的满足MDS性质的特定上三角再编码矩阵。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无线多跳传输中的一种基于网络编码的传输方案。本发明可以用于单路多跳链路，可以在保证传输可靠性的同时获得较高的网络吞吐量和较低的数据传输时延。

本发明提供的基于满足MDS性质的网络编码的无线多跳网络传输方案，可以提高一个分组在无线多跳网络传输的可靠性，进而降低时延、提高吞吐量。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：在得知信道容量，信道往返时延以及给定传输性能指标：成功率、最大包时延的情况下，本发明可以计算出传输中应该选取的最佳分组大小以及所需的有限域。进而避免随机编码盲目选择有限域所造成的编译码复杂度增加。

同等仿真参数下本发明与现有网络编码方案的对比结果，如图5所示。从图5中可以清楚看到在同等条件：分组大小k＝60，现有方法设置最大重传次数4的情况下，本发明的吞吐量、平均包时延、最大包时延和成功率等4个指标均优于现有方法，且增益随着网络容量减小逐步增大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的无线多跳传输方法流程图；

图2是本发明实施例提供的无线多跳传输方法原理图；

图3是本发明实施例提供的无线多跳传输系统结构框图；

图4是本发明实施例提供的节点示意图；

图5是本发明实施例提供的本发明与现有方法结果对比图；

图中：1、分组大小计算模块；2、编码矩阵生成模块；3、分组编码发送模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线多跳传输方法、系统、存储介质、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的无线多跳传输方法包括以下步骤：

S101，信源根据容量和往返时延在内的信道特性，以及事先确定的最大包时延和成功率需求在内的传输指标计算合适的分组大小；

S102，基于分组大小在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码矩阵；

S103，信源编码矩阵对每一分组进行编码并发送，中间节点采用满足MDS性质特定上三角矩阵对数据包进行再编码。

本发明实施例提供的无线多跳传输方法原理图如图2所示。

如图3所示，本发明实施例提供的无线多跳传输系统包括：

分组大小计算模块1，用于信源根据容量和往返时延在内的信道特性以及事先确定的最大包时延和成功率需求在内的传输指标计算合适的分组大小；

编码矩阵生成模块2，用于基于分组大小在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码矩阵；

分组编码发送模块3，用于利用信源编码矩阵对每一分组进行编码并发送，中间节点采用满足MDS性质特定上三角矩阵对数据包进行再编码。

多项研究结果表明，对于一个丢包信道，采用满足MDS性质的纠删码可以达到信道容量。针对上述已有技术中信源节点编码和中间节点续航均采用系统型随机编码造成的传输成功率较低的问题，本发明提出一种在有限域GF(q)上构造系统型MDS编码方法。采用这种编码方法，可以让信源对一个分组的编码以及中间节点的再编码均满足MDS性质，这样可以极大地提升接收端收到的数据包之间线性无关的概率，也即可以译码的概率。同时，构造编码矩阵时可以得到所需有限域大小与分组大小的关系，可以直接选取合适的有限域，避免了随机编码选到大尺寸有限域所造成的编译码复杂度上升。

针对已有技术中接收端判断一个分组不能译码后需要多次反馈进而造成较大时延的问题，本发明根据传输性能指标：无线多跳链路信道容量C、最大数据包时延D

另外，由于本发明中信源与采用系统型编码、中间节点采用一种特定的满足MDS性质的上三角矩阵再编码，同样可以保证数据包在中间节点实时转发，在消除中间节点错误累积的同时避免了中间节点收到一整个分组再编码转发所带来的高额时延。

本发明实施例提供的基于MDS网络编码的无线多跳网络传输方案包括：信源根据信道特性：容量、往返时延，以及事先确定的传输指标：最大包时延、成功率需求计算合适的分组大小，基于此在有限域GF(q)上生成满足MDS性质的系统型编码矩阵。信源以此编码矩阵对每一分组进行编码并发送。中间节点采用满足MDS性质特定上三角矩阵对数据包进行再编码。该方法的步骤如下：

(1)信源根据网络容量C，往返时延RTT及传输要求的最大包时延D

本发明可以根据信道条件与传输需求灵活确定分组大小，具体做法如下：假设i跳无线链路每一跳的丢包率均为ε，根据信息论可得该网络容量为C＝1-ε，则可以求出每一跳的丢包率ε＝1-C。在信源节点采用MDS编码，中间节点采用满足MDS性质的再编码矩阵对一个分组进行编码、续航时，只要每一跳均可以收到超过k个数据包，接收端就可以对一个分组进行译码。又因为传输允许的最大包时延为D

这个成功率需要大于等于ps。由此可以计算出满足条件的分组大小k；

(2)在有限域GF(q)生成满足MDS性质的系统型编码矩阵

给出有限域大小与构造MDS系统型编码矩阵的关系，并给出一种构造方法，具体做法如下：

针对一个k×N

不难看出第k+1列要想与前k列满足MDS性质，则这一列不能含有0元素。又由于所有元素取自GF(q)，则第k+1列共有(q-1)

所以只要q＞2且k＞N

(3)对所有需要发送的P个数据包每k个分一组。如果P不能被k整除，则向最后一组添加全零数据包补齐至k个；

(4)采用编码矩阵G对每一个分组进行编码扩充：

(4a)设这个分组中含有的k个原始数据包为[m

(4b)判断是否编码完全部分组，若是则执行步骤(5)，否则执行步骤(4a)；

(5)信源依次发送队列中的数据包；

(6)中间节点维护一个上三角再编码矩阵

(7)对出错的包进行编码替代；

(7a)中间节点根据之前接收到的第n组包信息，生成再编码矩阵R中第i列的系数；

中间节点收到的第n组的编码数据包为[m'

R中元素均取自有限域GF(q)。正确接收的数据包在R矩阵中对应的列除对角线位置为1以外，其余位置均为0。丢失的第i个数据包在R中对应的第i列对角线位置为0，前i-1行与前i-1列满足MDS性质，前i-1行具体系数选择与步骤(2)生成MDS系统型矩阵的方法一致。

(7b)将收到的第n组数据包右乘R第i列，得到此丢失包的替代包。并将此替代包添入中间节点的缓存中；

(7b)向下一节点转发数据包；

(8)中间节点将正确接收的数据包存入缓存，转发数据包；

(9)中间节点判断是否转发完第n组的最后一个数据包，若是，则将该组从缓存中清除，重置再编码矩阵；否则不作任何操作；

(10)接收端提取同组数据包；

接收端从自己的缓存队列中提取第n组的所有数据包，并判断提取的数据包数是否超过N。若是，则执行步骤(12)，否则执行步骤(11)；

(11)更新接收端缓存；

接收端将收到的数据包添入缓存，执行步骤(5)；

(12)计算所提取的数据包中编码信息组成矩阵的秩r，比较r与k的大小。若r＝k，则执行步骤(13)，否则执行步骤(14)。其中k的取值为[0，k]；

(13)译码；

接收端采用高斯消元法对第n组进行译码，这一组传输结束。执行步骤(16)；

(14)判断是否收到第n组全部N

(15)第n组未能全部译码，传输失败，这一组传输结束。执行步骤(16)；

(16)判断是否传输完所有的分组，若是则执行步骤(17)，否则执行步骤(5)；

(17)传输过程结束。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。