物理层网络编码系统中ARQ的设计*

罗 康，张胜利，丁 凡,2

(1. 深圳大学 信息工程学院，广东 深圳 518000；2.韶关学院 物理与机电工程学院，广东 韶关 512005)

物理层网络编码系统中ARQ的设计*

罗 康1，张胜利1，丁 凡1,2

(1. 深圳大学 信息工程学院，广东 深圳 518000；2.韶关学院 物理与机电工程学院，广东 韶关 512005)

在物理层网络编码系统中，链路层差错控制采用基于终端节点的自动重传请求(TO-ARQ)方案。文中针对TO-ARQ系统存在传输速率慢、延时较大的缺点，在TO-ARQ的基础上，提出了一种基于终端和中继的自动重传请求(TR-ARQ)方案。该方案在中继接收的物理层网络编码数据包受损时，中继将立即发送反馈信息请求终端节点重传相应的数据分组，从而降低数据传输的反馈延时。实验结果表明，相比TO-ARQ，TR-ARQ方案改善了系统的延时，并显著提高了系统的传输速率。

物理层网路编码；链路层差错控制；TO-ARQ方案；TR-ARQ方案

0 引言

网络编码[1](Network Coding, NC)的概念最早在有线网络中提出，研究发现利用NC技术可以提高系统资源利用率和提升网络吞吐量。2006年，Zhang等人[2]将网络编码的思想应用到无线网络中，创新性地提出了物理层网络编码(Physical-layer Network Coding, PNC)的概念。其基本思想是中继节点将同时接收到的叠加的电磁波信号映射为相应数据比特的异或，从而有效提升网络吞吐量和系统的传输效率。物理层网络编码与网络编码相比，系统获得了更大的吞吐量增益，因此获得越来越多的关注[3-4]。

双向中继信道作为一种典型的传输信道，常常应用于物理层网络编码的研究中，其简单模型为两个终端节点通过中继节点交换信息。Lu Lu等人[5-6]在软件定义无线电平台上实现了双向中继信道的物理层网络编码系统，为PNC的进一步应用奠定了坚实基础。然而，在PNC的实现过程中，由于信号在传输过程中一定会受到各种衰落和干扰的影响，为了对抗无线信道中不利因素的影响，实现可靠有效的数据通信，需要采用具有差错检测功能的ARQ技术。在PNC系统中，链路层差错控制采用端到端的ARQ机制[6]，即基于终端节点的ARQ(TO-ARQ)，但存在传输速率慢、延时较大的缺点。本文在Lu Lu等人的研究基础上，根据参与ARQ机制节点的不同，提出了一种基于终端节点和中继的ARQ(TR-ARQ)方案。相比TO-ARQ，TR-ARQ在中继接收PNC映射数据包出错时，中继将发送NACK信息请求终端节点重传相应的数据分组，从而降低数据传输的反馈延时。相比TO-ARQ，TR-ARQ改善了系统的延时，提高了系统的传输速率。

1 系统模型和ARQ方案

本文考虑的物理层网络编码系统模型如图1所示。终端节点A、B之间希望传输各自的信息给对方，但节点A、B均不在对方的可靠通信范围之内，所以只能通过中继R协作进行通信。

终端节点A、B之间的信息交互由两个阶段组成，多址接入(MA)阶段和广播(BC)阶段。假设节点A、B之间交换K个分组，分别用SA[i]和SB[i]表示，其中i=0,1,...，K-1。在MA阶段，节点A、B分别向中继R同时发送分组SA[i]和SB[i]，在BC阶段，中继R将收到的叠加的信息分组映射成网络编码的数据包SR[i]。

SR[i]=SA[i]⊕SB[i],i=0,...,K-1

(1)

当获得的SR[i]正确时，中继R将SR[i]广播给节点A、B，因为节点A、B已知各自的发送信息，可以分别利用自己的信息从成功接收到的XOR包中获取另一个节点的数据，实现信息的交互。

SB[i]=SR[i]⊕SA[i],i=0,...,K-1

(2)

SA[i]=SR[i]⊕SB[i],i=0,...,K-1

(3)

在节点A、B信息交互过程中，因为无线信道中的路径损耗、衰落等因素的影响，系统在MA和BC阶段都有可能出错。在MA阶段，中继R可能丢失XOR数据包或者获得的XOR数据包受损。在BC阶段，节点A、B可能丢失XOR数据包或者接收的XOR数据包受损。为了确保数据的正确传输，提高系统的传输效率，必须重传出错的数据包。接下来首先介绍PNC系统中基于终端节点的重传方案TO-ARQ，然后介绍改进的基于终端节点和中继的重传方案TR-ARQ。

1.1 TO-ARQ方案

TO-ARQ方案是端到端的ARQ方案，即基于终端节点的ARQ。在TO-ARQ中，中继不参与ARQ过程，中继只转发正确的网络编码的数据包，并且在MA阶段，如果中继获得的XOR数据包出错，中继不请求终端节点重传相应的数据分组。文献[7-8]介绍了PNC系统中TO-ARQ方案，采用的是窗为N的自动选择重传，ACK放在数据包的头部。图2介绍了在TO-ARQ中中继获得的XOR数据包错误时的情景，其中终端节点数据分组的第一位数字代表分组的序号，第二位数字代表ACK。假设N=8，节点A、B分别发送分组SA[0]、SB[0]时，中继节点获得的网络编码数据包SR[0]为False。在TO-ARQ方案中，中继节点不发送NACK信息请求终端节点重传，节点A、B将分别丢失分组SB[0]、SA[0]。节点A、B在窗内继续发送，并将正确接收的失序分组缓存，当发送窗的长度等于8时，重发分组SA[0]、SB[0]。节点A、B按序接收到丢失的分组SB[0]、SA[0]后，将缓存的数据一起按序交付给上层应用，然后发送ACK=8。当节点A、B收到ACK后，采用累积确认的方式，更新发送窗口为[8,15]。

1.2 TR-ARQ方案

TR-ARQ是基于终端节点和中继的重传方案，中继和终端节点都参与ARQ过程，采用的是窗为N的自动选择重传。在TO-ARQ方案中，中继获得的XOR数据包出错时，中继不请求终端节点重发使XOR数据包出错的分组。在TR-ARQ方案中，中继发送NACK信息请求终端节点重传相应的分组。图3介绍了在TR-ARQ中中继获得的XOR数据包错误时的情景，假设N=8，节点A、B分别发送SA[0]、SB[0]时，中继获得的SR[0]为False。在TR-ARQ中，中继R发送NACK请求节点A、B分别重传SA[0]、SB[0]。节点A、B接收的失序分组SB[1]、SA[1]将被缓存直到丢失的分组SB[0]、SA[0]被收到为止，这时才将分组0、1按序交付给上层应用，然后发送ACK=2。当节点A、B收到ACK=2后，采用累积确认的方式，更新发送窗口为[2,9]，重复接收的分组SA[1]、SB[1]忽略。接下来按序接收的分组直接交付给上层。定义节点的相对平均速率为按序接收分组的平均速率与接收分组的平均速率的比值，这个比值越大，按序接收的数据分组的比例越大，往上层应用交付数据越快，系统延越较小。对比TR-ARQ和TO-ARQ，很显然，TR-ARQ方案的反馈延时较小，相对平均速率更大。

2 基于TR-ARQ的PNC系统设计

基于TR-ARQ的双向中继PNC 系统架构如图4。终端节点TCP/IP层上运行着实际的应用，并且TCP/IP层和逻辑链路控制(LLC)层、媒体访问控制(MAC)层、物理(PHY)层交互。中继没有应用，因此只有MAC层和PHY层。

在PNC系统中，MAC层协调终端节点和中继的传输，LLC层提供可靠的数据通信。为了支持实际应用，实现两终端节点通过中继交换信息，终端节点应用层数据通过TCP套接字与LLC层通信，并在ARQ控制下发送数据。为了验证TR-ARQ的可行性和可靠性，PNC系统LLC层差错控制采用TR-ARQ方案。

PNC的实现是以OFDM为基础的。在多址接入阶段，中继节点同时接收两个信源节点到达的OFDM 信号，中继节点根据接收的和信号中的导频信息进行信道估计，然后对信号进行均衡、检测、映射及OFDM 调制，在广播阶段将处理后的和信号同时发给两个信源节点。整个系统的工作流程如下：

(1)中继节点首先发送一个IEEE 802.11a/g标准格式的信标Beacon触发终端节点同时发送数据。

(2)终端节点接收到Beacon后，以一定时间间隔将带有时间戳的M个数据分组发送出去。终端节点在MAC层协议控制下保证数据同时发送。

(3)中继节点接收到两个终端节点同时到达的分组后，进行PNC映射，将数据映射成x1⊕x2、x1⊕jx2、5QAM形式，然后直接发送出去。如果PNC映射的数据包经校验有错，中继将发送NACK信息请求终端节点重传相应的数据分组。

(4)终端节点根据信道系数之间的关系确定接收到的是哪种编码形式(x1⊕x2、x1⊕jx2、5QAM)，然后结合自身数据解码出对方节点的信息。如果接收到NACK，终端节点重发相应的数据分组。

3 实验验证分析

为了验证TR-ARQ的可行性和可靠性，在实验室部署三节点网络的双向中继PNC实验系统，实现节点A、B通过中继R互传图片数据文件，如图5所示。

本文的双向中继PNC测试系统是在Linux 12.04 LTS 桌面版系统上通过USRP/GNU Radio软件定义无线电(SDR)平台实现，采用3台计算机分别连接3台USRP N210，来搭建一个三节点中继通信系统。USRP N210使用千兆以太网线和计算机连接。USRP的子板是RFX2400双工子板/2.4 GHz频段，主要负责数据采集和数字上下变频，信号处理的功能由PC来完成。在图5中，上行链路和下行链路的天线分别位于垂直和水平两个不同平面，以尽可能避免同一USRP不同链路之间天线的干扰。

为了对比分析TR-ARQ与TO-ARQ的优缺点，在PNC实验系统中分别采用TR-ARQ和TO-ARQ重传方案。图6和图7是在相同传输条件下分别采用TO-ARQ和TR-ARQ的PNC系统节点A的应用层，用来显示接收节点B的图片信息。图6中显示在343.53 s时接收数据的平均速率为241.77 kb/s，图7中显示在343.97 s时接收数据的平均速率为274.11 kb/s。图8是在相同传输条件下PNC系统分别采用TO-ARQ和TR-ARQ，节点A应用层接收数据的平均速率随接收数据包数的变化情况。从图6、图7和图8可以看出，相比TO-ARQ，TR-ARQ系统的传输速率有明显的提高。节点B也有类似的结果。

图9所示为在中继接收2 000个PNC映射数据包时节点A接收数据的相对平均速率随中继误包率的变化情况。从图9中看出，相比TO-ARQ，采用TR-ARQ方案的PNC系统相对平均速率更快，相应的系统延时较小，并且在中继误包率相对较大时，TR-ARQ的PNC系统的相对平均速率相比TO-ARQ提高较大，相应降低系统延时更加明显。节点B也有类似结果。

4 结论

本文在TO-ARQ方案的基础上提出了一种基于终端节点和中继的重传方案TR-ARQ。从理论上分析了这两种方案的特点，并通过实验比较分析了两种不同重传方案的PNC系统的性能。实验结果表明，TR-ARQ方案是可行的，其能够提供可靠的数据通信；并且相比TO-ARQ，TR-ARQ方案降低了系统的延时，改善了系统的传输速率。实验中还发现，在中继误包率较大时，TR-ARQ改善系统延时更加明显。

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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

国家自然科学基金(61372078)

TN925

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.022

罗康，张胜利，丁凡.物理层网络编码系统中ARQ的设计[J].微型机与应用，2017,36(5)：72-75，79.

2016-10-12)

罗康(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：物理层网络编码。

张胜利(1978-)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：物理层网络编码、无线通信、软件定义网络。