羅 康，張勝利，丁 凡,2

(1. 深圳大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518000；2.韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005)

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中ARQ的設(shè)計(jì)*

羅 康1，張勝利1，丁 凡1,2

(1. 深圳大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518000；2.韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005)

在物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中，鏈路層差錯(cuò)控制采用基于終端節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)重傳請(qǐng)求(TO-ARQ)方案。文中針對(duì)TO-ARQ系統(tǒng)存在傳輸速率慢、延時(shí)較大的缺點(diǎn)，在TO-ARQ的基礎(chǔ)上，提出了一種基于終端和中繼的自動(dòng)重傳請(qǐng)求(TR-ARQ)方案。該方案在中繼接收的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)包受損時(shí)，中繼將立即發(fā)送反饋信息請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)分組，從而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆答佈訒r(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比TO-ARQ，TR-ARQ方案改善了系統(tǒng)的延時(shí)，并顯著提高了系統(tǒng)的傳輸速率。

物理層網(wǎng)路編碼；鏈路層差錯(cuò)控制；TO-ARQ方案；TR-ARQ方案

0 引言

網(wǎng)絡(luò)編碼[1](Network Coding, NC)的概念最早在有線網(wǎng)絡(luò)中提出，研究發(fā)現(xiàn)利用NC技術(shù)可以提高系統(tǒng)資源利用率和提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。2006年，Zhang等人[2]將網(wǎng)絡(luò)編碼的思想應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)中，創(chuàng)新性地提出了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-layer Network Coding, PNC)的概念。其基本思想是中繼節(jié)點(diǎn)將同時(shí)接收到的疊加的電磁波信號(hào)映射為相應(yīng)數(shù)據(jù)比特的異或，從而有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和系統(tǒng)的傳輸效率。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼與網(wǎng)絡(luò)編碼相比，系統(tǒng)獲得了更大的吞吐量增益，因此獲得越來越多的關(guān)注[3-4]。

雙向中繼信道作為一種典型的傳輸信道，常常應(yīng)用于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究中，其簡單模型為兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)交換信息。Lu Lu等人[5-6]在軟件定義無線電平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了雙向中繼信道的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)，為PNC的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而，在PNC的實(shí)現(xiàn)過程中，由于信號(hào)在傳輸過程中一定會(huì)受到各種衰落和干擾的影響，為了對(duì)抗無線信道中不利因素的影響，實(shí)現(xiàn)可靠有效的數(shù)據(jù)通信，需要采用具有差錯(cuò)檢測功能的ARQ技術(shù)。在PNC系統(tǒng)中，鏈路層差錯(cuò)控制采用端到端的ARQ機(jī)制[6]，即基于終端節(jié)點(diǎn)的ARQ(TO-ARQ)，但存在傳輸速率慢、延時(shí)較大的缺點(diǎn)。本文在Lu Lu等人的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)參與ARQ機(jī)制節(jié)點(diǎn)的不同，提出了一種基于終端節(jié)點(diǎn)和中繼的ARQ(TR-ARQ)方案。相比TO-ARQ，TR-ARQ在中繼接收PNC映射數(shù)據(jù)包出錯(cuò)時(shí)，中繼將發(fā)送NACK信息請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)分組，從而降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆答佈訒r(shí)。相比TO-ARQ，TR-ARQ改善了系統(tǒng)的延時(shí)，提高了系統(tǒng)的傳輸速率。

1 系統(tǒng)模型和ARQ方案

本文考慮的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)模型如圖1所示。終端節(jié)點(diǎn)A、B之間希望傳輸各自的信息給對(duì)方，但節(jié)點(diǎn)A、B均不在對(duì)方的可靠通信范圍之內(nèi)，所以只能通過中繼R協(xié)作進(jìn)行通信。

終端節(jié)點(diǎn)A、B之間的信息交互由兩個(gè)階段組成，多址接入(MA)階段和廣播(BC)階段。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B之間交換K個(gè)分組，分別用SA[i]和SB[i]表示，其中i=0,1,...，K-1。在MA階段，節(jié)點(diǎn)A、B分別向中繼R同時(shí)發(fā)送分組SA[i]和SB[i]，在BC階段，中繼R將收到的疊加的信息分組映射成網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包SR[i]。

SR[i]=SA[i]⊕SB[i],i=0,...,K-1

(1)

當(dāng)獲得的SR[i]正確時(shí)，中繼R將SR[i]廣播給節(jié)點(diǎn)A、B，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)A、B已知各自的發(fā)送信息，可以分別利用自己的信息從成功接收到的XOR包中獲取另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的交互。

SB[i]=SR[i]⊕SA[i],i=0,...,K-1

(2)

SA[i]=SR[i]⊕SB[i],i=0,...,K-1

(3)

在節(jié)點(diǎn)A、B信息交互過程中，因?yàn)闊o線信道中的路徑損耗、衰落等因素的影響，系統(tǒng)在MA和BC階段都有可能出錯(cuò)。在MA階段，中繼R可能丟失XOR數(shù)據(jù)包或者獲得的XOR數(shù)據(jù)包受損。在BC階段，節(jié)點(diǎn)A、B可能丟失XOR數(shù)據(jù)包或者接收的XOR數(shù)據(jù)包受損。為了確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，提高系統(tǒng)的傳輸效率，必須重傳出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包。接下來首先介紹PNC系統(tǒng)中基于終端節(jié)點(diǎn)的重傳方案TO-ARQ，然后介紹改進(jìn)的基于終端節(jié)點(diǎn)和中繼的重傳方案TR-ARQ。

1.1 TO-ARQ方案

TO-ARQ方案是端到端的ARQ方案，即基于終端節(jié)點(diǎn)的ARQ。在TO-ARQ中，中繼不參與ARQ過程，中繼只轉(zhuǎn)發(fā)正確的網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)包，并且在MA階段，如果中繼獲得的XOR數(shù)據(jù)包出錯(cuò)，中繼不請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)分組。文獻(xiàn)[7-8]介紹了PNC系統(tǒng)中TO-ARQ方案，采用的是窗為N的自動(dòng)選擇重傳，ACK放在數(shù)據(jù)包的頭部。圖2介紹了在TO-ARQ中中繼獲得的XOR數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤時(shí)的情景，其中終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組的第一位數(shù)字代表分組的序號(hào)，第二位數(shù)字代表ACK。假設(shè)N=8，節(jié)點(diǎn)A、B分別發(fā)送分組SA[0]、SB[0]時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)獲得的網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)包SR[0]為False。在TO-ARQ方案中，中繼節(jié)點(diǎn)不發(fā)送NACK信息請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)重傳，節(jié)點(diǎn)A、B將分別丟失分組SB[0]、SA[0]。節(jié)點(diǎn)A、B在窗內(nèi)繼續(xù)發(fā)送，并將正確接收的失序分組緩存，當(dāng)發(fā)送窗的長度等于8時(shí)，重發(fā)分組SA[0]、SB[0]。節(jié)點(diǎn)A、B按序接收到丟失的分組SB[0]、SA[0]后，將緩存的數(shù)據(jù)一起按序交付給上層應(yīng)用，然后發(fā)送ACK=8。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A、B收到ACK后，采用累積確認(rèn)的方式，更新發(fā)送窗口為[8,15]。

1.2 TR-ARQ方案

TR-ARQ是基于終端節(jié)點(diǎn)和中繼的重傳方案，中繼和終端節(jié)點(diǎn)都參與ARQ過程，采用的是窗為N的自動(dòng)選擇重傳。在TO-ARQ方案中，中繼獲得的XOR數(shù)據(jù)包出錯(cuò)時(shí)，中繼不請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)重發(fā)使XOR數(shù)據(jù)包出錯(cuò)的分組。在TR-ARQ方案中，中繼發(fā)送NACK信息請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)重傳相應(yīng)的分組。圖3介紹了在TR-ARQ中中繼獲得的XOR數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤時(shí)的情景，假設(shè)N=8，節(jié)點(diǎn)A、B分別發(fā)送SA[0]、SB[0]時(shí)，中繼獲得的SR[0]為False。在TR-ARQ中，中繼R發(fā)送NACK請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)A、B分別重傳SA[0]、SB[0]。節(jié)點(diǎn)A、B接收的失序分組SB[1]、SA[1]將被緩存直到丟失的分組SB[0]、SA[0]被收到為止，這時(shí)才將分組0、1按序交付給上層應(yīng)用，然后發(fā)送ACK=2。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A、B收到ACK=2后，采用累積確認(rèn)的方式，更新發(fā)送窗口為[2,9]，重復(fù)接收的分組SA[1]、SB[1]忽略。接下來按序接收的分組直接交付給上層。定義節(jié)點(diǎn)的相對(duì)平均速率為按序接收分組的平均速率與接收分組的平均速率的比值，這個(gè)比值越大，按序接收的數(shù)據(jù)分組的比例越大，往上層應(yīng)用交付數(shù)據(jù)越快，系統(tǒng)延越較小。對(duì)比TR-ARQ和TO-ARQ，很顯然，TR-ARQ方案的反饋延時(shí)較小，相對(duì)平均速率更大。

2 基于TR-ARQ的PNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于TR-ARQ的雙向中繼PNC 系統(tǒng)架構(gòu)如圖4。終端節(jié)點(diǎn)TCP/IP層上運(yùn)行著實(shí)際的應(yīng)用，并且TCP/IP層和邏輯鏈路控制(LLC)層、媒體訪問控制(MAC)層、物理(PHY)層交互。中繼沒有應(yīng)用，因此只有MAC層和PHY層。

在PNC系統(tǒng)中，MAC層協(xié)調(diào)終端節(jié)點(diǎn)和中繼的傳輸，LLC層提供可靠的數(shù)據(jù)通信。為了支持實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)兩終端節(jié)點(diǎn)通過中繼交換信息，終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)通過TCP套接字與LLC層通信，并在ARQ控制下發(fā)送數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證TR-ARQ的可行性和可靠性，PNC系統(tǒng)LLC層差錯(cuò)控制采用TR-ARQ方案。

PNC的實(shí)現(xiàn)是以O(shè)FDM為基礎(chǔ)的。在多址接入階段，中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收兩個(gè)信源節(jié)點(diǎn)到達(dá)的OFDM 信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的和信號(hào)中的導(dǎo)頻信息進(jìn)行信道估計(jì)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡、檢測、映射及OFDM 調(diào)制，在廣播階段將處理后的和信號(hào)同時(shí)發(fā)給兩個(gè)信源節(jié)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：

(1)中繼節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送一個(gè)IEEE 802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)格式的信標(biāo)Beacon觸發(fā)終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

(2)終端節(jié)點(diǎn)接收到Beacon后，以一定時(shí)間間隔將帶有時(shí)間戳的M個(gè)數(shù)據(jù)分組發(fā)送出去。終端節(jié)點(diǎn)在MAC層協(xié)議控制下保證數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送。

(3)中繼節(jié)點(diǎn)接收到兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)到達(dá)的分組后，進(jìn)行PNC映射，將數(shù)據(jù)映射成x1⊕x2、x1⊕jx2、5QAM形式，然后直接發(fā)送出去。如果PNC映射的數(shù)據(jù)包經(jīng)校驗(yàn)有錯(cuò)，中繼將發(fā)送NACK信息請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)分組。

(4)終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道系數(shù)之間的關(guān)系確定接收到的是哪種編碼形式(x1⊕x2、x1⊕jx2、5QAM)，然后結(jié)合自身數(shù)據(jù)解碼出對(duì)方節(jié)點(diǎn)的信息。如果接收到NACK，終端節(jié)點(diǎn)重發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分組。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證TR-ARQ的可行性和可靠性，在實(shí)驗(yàn)室部署三節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的雙向中繼PNC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A、B通過中繼R互傳圖片數(shù)據(jù)文件，如圖5所示。

本文的雙向中繼PNC測試系統(tǒng)是在Linux 12.04 LTS 桌面版系統(tǒng)上通過USRP/GNU Radio軟件定義無線電(SDR)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，采用3臺(tái)計(jì)算機(jī)分別連接3臺(tái)USRP N210，來搭建一個(gè)三節(jié)點(diǎn)中繼通信系統(tǒng)。USRP N210使用千兆以太網(wǎng)線和計(jì)算機(jī)連接。USRP的子板是RFX2400雙工子板/2.4 GHz頻段，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字上下變頻，信號(hào)處理的功能由PC來完成。在圖5中，上行鏈路和下行鏈路的天線分別位于垂直和水平兩個(gè)不同平面，以盡可能避免同一USRP不同鏈路之間天線的干擾。

為了對(duì)比分析TR-ARQ與TO-ARQ的優(yōu)缺點(diǎn)，在PNC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中分別采用TR-ARQ和TO-ARQ重傳方案。圖6和圖7是在相同傳輸條件下分別采用TO-ARQ和TR-ARQ的PNC系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)A的應(yīng)用層，用來顯示接收節(jié)點(diǎn)B的圖片信息。圖6中顯示在343.53 s時(shí)接收數(shù)據(jù)的平均速率為241.77 kb/s，圖7中顯示在343.97 s時(shí)接收數(shù)據(jù)的平均速率為274.11 kb/s。圖8是在相同傳輸條件下PNC系統(tǒng)分別采用TO-ARQ和TR-ARQ，節(jié)點(diǎn)A應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)的平均速率隨接收數(shù)據(jù)包數(shù)的變化情況。從圖6、圖7和圖8可以看出，相比TO-ARQ，TR-ARQ系統(tǒng)的傳輸速率有明顯的提高。節(jié)點(diǎn)B也有類似的結(jié)果。

圖9所示為在中繼接收2 000個(gè)PNC映射數(shù)據(jù)包時(shí)節(jié)點(diǎn)A接收數(shù)據(jù)的相對(duì)平均速率隨中繼誤包率的變化情況。從圖9中看出，相比TO-ARQ，采用TR-ARQ方案的PNC系統(tǒng)相對(duì)平均速率更快，相應(yīng)的系統(tǒng)延時(shí)較小，并且在中繼誤包率相對(duì)較大時(shí)，TR-ARQ的PNC系統(tǒng)的相對(duì)平均速率相比TO-ARQ提高較大，相應(yīng)降低系統(tǒng)延時(shí)更加明顯。節(jié)點(diǎn)B也有類似結(jié)果。

4 結(jié)論

本文在TO-ARQ方案的基礎(chǔ)上提出了一種基于終端節(jié)點(diǎn)和中繼的重傳方案TR-ARQ。從理論上分析了這兩種方案的特點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)比較分析了兩種不同重傳方案的PNC系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TR-ARQ方案是可行的，其能夠提供可靠的數(shù)據(jù)通信；并且相比TO-ARQ，TR-ARQ方案降低了系統(tǒng)的延時(shí)，改善了系統(tǒng)的傳輸速率。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在中繼誤包率較大時(shí)，TR-ARQ改善系統(tǒng)延時(shí)更加明顯。

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ARQ design for physical-layer network coding system

Luo Kang1，Zhang Shengli1，Ding Fan1,2

(1.College of Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518000, China; 2.School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Shaoguan College, Shaoguan 512005, China)

In the physical-layer network coding system, TO-ARQ (Terminal-only ARQ) is a common approach to provide error control at the link-layer. For TO-ARQ system has the problems of slow data transmission rate and large delay, this paper proposes a TR-ARQ(Terminal-relay ARQ)scheme based on TO-ARQ. In this scheme, if the network coded packet in error at relay, the relay will feed back messages to inform the two terminals to retransmit the corresponding data packets, thereby reduce the feedback delay of data transmission. The experimental results show that, compared with TO-ARQ, the TR-ARQ scheme improves the system delay and data transmission rate significantly.

physical-layer network coding; link-layer error control; TO-ARQ scheme; TR-ARQ scheme

國家自然科學(xué)基金(61372078)

TN925

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.022

羅康，張勝利，丁凡.物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中ARQ的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(5)：72-75，79.

2016-10-12)

羅康(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。

張勝利(1978-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：物理層網(wǎng)絡(luò)編碼、無線通信、軟件定義網(wǎng)絡(luò)。