一种面向多个单播场景的侧信息感知有限域复用重传及评价方法

本发明属于无线通信，涉及一种多用户可靠传输中的数据重传及评价方法。

背景技术：

1、随着车联网（vehicle-to-everything, v2x）、物联网（internet of things,iot）、工业互联网和移动多媒体业务的发展，无线系统中同时接入的用户设备数量持续增加。在许多实际业务中，不同用户设备并不总是请求同一组数据包，而是分别属于不同业务会话，所需数据内容存在明显差异。例如，多个车辆可能分别请求不同的道路状态更新，多个传感器或终端可能分别请求不同控制信息或应用数据。这类业务可抽象为多个单播会话共存的可靠传输场景。由于无线信道衰落、噪声、遮挡和干扰等因素，初始传输后各用户设备对自身目标数据包的接收状态不同，因此需要执行高效的重传。

2、在多个单播场景中，重传设计不仅需要考虑用户设备是否已经接收某个数据包，还需要考虑该数据包是否属于该用户设备的需求集合。与广播或组播场景中所有用户设备面向同一组源数据包不同，多个单播场景中的用户需求具有异构性：某一数据包可能是部分用户设备的目标请求，但对其他用户设备而言属于非需求数据包。在按需接收模型下，用户设备通常只长期缓存自身请求且成功接收的数据包，而不额外缓存非需求数据包，以降低终端能耗、存储开销和反馈维护复杂度。因此，非需求数据包虽然不计入该用户设备的重传收益，却可能在跨会话并发发送时增加其检测未知负载。

3、传统自动重传请求（automatic repeat request, arq）机制通常以单个数据包为重传单位，虽然实现简单，但难以利用不同用户设备之间的侧信息差异。在多个单播会话中，arq需要逐一服务大量用户设备与数据包之间的目标请求对，导致完成时延和平均解码时延较大。

4、随机线性网络编码（random linear network coding, rlnc）能够通过有限域线性组合提高吞吐能力，但接收端通常需要累积足够数量的线性无关编码包后才能联合解码。该机制具有非即时解码特性，并且需要矩阵求逆或高斯消元等运算，难以满足时延敏感业务中用户设备快速恢复自身目标数据包的需求。

5、即时可译网络编码（instantly decodable network coding, idnc）利用接收端已缓存数据包作为侧信息，通过二进制异或构造可即时解码的编码包。然而，传统idnc通常要求目标用户设备在一个编码包中至多缺失一个参与编码的数据包。在多个单播会话中，由于需求集合异构、非需求数据包不作为长期侧信息保存、目标请求与检测未知负载并不一致，传统idnc的可编码组合空间进一步受到限制。

6、有限域复用思想能够为单轮重传提供更高的信息承载能力，但在多个单播会话中，其关键难点并非单纯的有限域映射，而是如何确定哪些数据包可以跨会话同时发送。具体而言，某一数据包可能对部分用户设备是目标请求，对其他用户设备则是非需求未知数据包；前者带来重传收益，后者不产生收益却会增大目标用户设备的检测候选空间。若仍按广播或组播模型处理，就会把所有未缓存数据包都视为目标缺失状态，无法区分目标请求与非需求未知负载，也难以建立适合按需单播业务的反馈更新规则。因此，多个单播可靠重传需要围绕需求矩阵、三值状态反馈矩阵和跨会话可译性检查重新设计调度机制。

技术实现思路

1、本发明旨在解决在多个单播会话共存的可靠重传场景存在不同用户设备需求集合异构、非需求数据包可能增加检测未知负载的问题，以及传统重传方法难以充分利用跨会话并发机会的问题。

2、一种面向多个单播场景的侧信息感知有限域复用重传方法，包括：

3、s1、基站根据各用户设备的业务需求构造需求矩阵，并根据初始传输后的接收状态反馈构造三值状态反馈矩阵；所述三值状态反馈矩阵用于区分目标数据包已缓存、目标数据包仍缺失和非需求数据包三类状态；

4、s2、基站根据三值状态反馈矩阵确定仍存在未满足目标请求的活跃数据包；针对由活跃数据包构成的测试并发数据包集合，确定所述测试并发数据包集合对应的目标用户设备，并根据各目标用户设备在所述测试并发数据包集合中的实际未知数据包数量，判断所述测试并发数据包集合是否满足跨会话可译约束；

5、s3、基站根据各活跃数据包对应的未满足目标请求数量确定目标请求权重，按照目标请求权重选择候选数据包并依次加入测试并发数据包集合；在所述测试并发数据包集合同时满足基站侧最大并发数据包数约束和所述跨会话可译约束时，保留所加入的候选数据包，否则跳过所述候选数据包，从而得到当前轮并发重传数据包集合；

6、s4、基站为并发重传数据包集合中的数据包分配有限域元素对，将数据包比特映射为有限域元素，在有限域上叠加生成有限域和图样，并将所述有限域和图样映射为复平面发射符号进行发送；目标用户设备利用自身已缓存的目标数据包作为侧信息构造受限候选有限域和图样集合，在所述受限候选有限域和图样集合内进行检测，并恢复属于自身需求集合的目标数据包；

7、s5、各目标用户设备将目标数据包恢复结果反馈至基站，基站根据反馈结果更新所述三值状态反馈矩阵并进行下一轮重传，直至所有用户设备的目标请求均被满足；其中，目标用户设备仅将属于自身需求集合且成功恢复的目标数据包加入缓存集合。

8、进一步地，所述三值状态反馈矩阵，其元素定为：

9、，

10、其中，t表示第轮重传，表示用户设备已经成功接收并缓存其目标数据包，为单播会话涉及的源数据包集合中的数据包；表示用户设备仍缺失且需要恢复目标数据包；表示数据包不属于用户设备的需求集合；表示用户设备需求数据包集合，和为在第轮后的已缓存目标数据包集合和待恢复目标数据包集合，表示差集运算。

11、进一步地，s2所述判断测试并发数据包集合是否满足跨会话可译约束的过程包括：

12、对于用户设备，当前并发重传数据包集合中属于其目标请求的局部待恢复集合，为由活跃数据包构成的测试并发数据包集合；若，则用户设备是第轮重传的目标接收端，否则不是本轮目标接收端；根据确定当前轮目标用户设备集合；

13、满足跨会话可译约束为：用户设备在当前并发重传数据包集合中的检测未知负载；为可译阈值。

14、进一步地，判断测试并发数据包集合是否满足跨会话可译约束的过程中，当前轮并发子集还应满足基站侧并发数量约束：，为基站侧预设最大并发数据包数，k表示第k个源数据包，表示源数据包总数；为第轮调度指示变量，时，=1，否则为0。

15、进一步地，s3所述基站根据各活跃数据包对应的未满足目标请求数量确定目标请求权重的过程包括：

16、在第轮重传开始时，基站读取上一轮更新得到的三值状态反馈矩阵，并逐列统计各数据包当前对应的未满足目标请求数量：对于数据包，基站将其目标请求权重初始化为0，然后依次检查三值状态反馈矩阵第列中的各元素：当时，表明数据包属于用户设备的需求集合且尚未被该用户设备获得，将数据包的目标请求权重增加1；当或时，不增加所述目标请求权重；由此，数据包在第轮开始时的目标请求权重为；若，则该数据包当前不属于活跃目标请求，不参与本轮候选调度；若，则该数据包进入候选队列。

17、进一步地，s3在所述测试并发数据包集合同时满足基站侧最大并发数据包数约束和所述跨会话可译约束时，保留所加入的候选数据包的过程包括：

18、在候选检查阶段，基站将候选数据包临时加入当前并发子集，得到测试集合；测试集合对应的目标用户设备集合为，对任意用户设备，其在测试集合中的检测未知负载为，表示第-1轮重传时的未知集合，为基站发送集合；

19、候选数据包满足跨会话可译约束的条件下，若，则基站接受该候选数据包并令；否则跳过该候选数据包；该过程持续进行，直至当前并发子集达到最大并发数据包数，或者候选队列遍历完毕。

20、进一步地，s4中基站为并发重传数据包集合中的数据包分配有限域元素对的过程中需要进行可译性判定，包括：

21、在步骤s3构造并发重传数据包集合的过程中，每次将候选数据包加入测试并发数据包集合时，均对所述测试并发数据包集合执行可译性判定：测试并发数据包集合中的数据包数量不超过基站侧最大并发数据包数，并且对于所述测试并发数据包集合对应的每一个目标用户设备，其检测未知负载不超过预设可译阈值；由此，步骤s3并发后输出的并发重传数据包集合满足以及。

22、进一步地，s4中基站为并发重传数据包集合中的数据包分配有限域元素对的过程包括：

23、设步骤s3并发后输出的并发重传数据包集合，基站可根据并发阶数选择有限域，并将各并发数据包在第个比特位置的比特映射为有限域元素，形成复用发射符号；在接收符号后，用户设备可在候选空间内执行最大似然检测确定的第个比特位置的比特。

24、进一步地，s5中各目标用户设备将目标数据包恢复结果反馈至基站，基站根据反馈结果更新所述三值状态反馈矩阵并进行下一轮重传的过程包括：

25、第轮重传结束后，各用户设备对自身目标恢复结果进行校验并反馈ack/nack；若目标用户设备成功恢复中的目标数据包，则更新：

26、，

27、确定用户设备在当前并发重传数据包集合中实际未知的数据包集合，对于中的非需求未知数据包，即使用户设备在物理层检测过程中得到其比特估计，也不加入，并且在三值状态反馈矩阵中仍保持状态；若用户设备本轮不是目标接收端，或未成功恢复目标数据包，则其缓存集合和待恢复集合保持不变；

28、基站根据所有用户设备的反馈和需求矩阵更新三值状态反馈矩阵，并进入下一轮编码重传；当所有用户设备的目标请求均已满足时，重传过程结束，其终止条件为：

29、，

30、其中，表示多个单播会话重传过程的完成时延，统计初始传输结束后所需的编码重传轮数。

31、一种面向多个单播场景的侧信息感知有限域复用重传评价方法，针对所述的一种面向多个单播场景的侧信息感知有限域复用重传方法，采用平均解码时延进行评价，包括：

32、针对所有初始传输结束后仍未满足的目标请求计算恢复轮次平均值；对于任意初始目标请求，若单播会话涉及的源数据包集合中的数据包，为在初始时的待恢复目标数据包集合，记为用户设备成功恢复数据包的编码重传轮次，平均解码时延：

33、，

34、其中，表示用户设备个数。

35、有益效果：

36、本发明能够在多个单播会话之间进行跨会话并发重传调度，使重传数据包选择同时考虑目标请求收益和目标用户设备检测未知负载。与逐包重传相比，本发明能够提升单轮重传服务目标请求的能力；与传统二进制即时可译网络编码相比，本发明能够通过有限域复用映射和侧信息辅助检测扩大可行并发组合空间，从而降低完成时延和平均解码时延。