基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，包括如下步驟：根據(jù)各接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息，構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣；以加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣為基礎(chǔ)，在源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼數(shù)據(jù)包的選??；源節(jié)點(diǎn)將選取的數(shù)據(jù)包進(jìn)行XOR編碼后，廣播重傳給各接收節(jié)點(diǎn)；各接收節(jié)點(diǎn)在接收到編碼數(shù)據(jù)包后進(jìn)行譯碼，并將譯碼后的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息反饋給源節(jié)點(diǎn)；源節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的反饋信息，判斷傳輸是否完成，如未完成則重新開始新一輪的編碼重傳。本發(fā)明的方法，能在鏈路狀態(tài)不均衡網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，以低的計(jì)算復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)高的傳輸效率?？蓮V泛適用于各種具有反饋的廣播網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)編碼【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種兼顧傳輸效率和計(jì)算復(fù)雜度的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法。
【背景技術(shù)】
[0002]網(wǎng)絡(luò)編碼的概念于2000年首次提出，它能極大提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，因此受到了越來越多的關(guān)注。研究表明，網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用于無線組播/廣播服務(wù)網(wǎng)能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和傳輸效率，并減小傳輸時延。然而，有文獻(xiàn)已經(jīng)證明，要達(dá)到網(wǎng)絡(luò)編碼的最大吞吐量是一個NP-hard問題。因此，人們提出了一些啟發(fā)式方法將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用到無線組播/廣播網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)重傳中，以提高傳輸效率。
[0003]Dong Nguyen等給出了兩種將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用到無線組播/廣播系統(tǒng)的方案。在這兩種方案中，源節(jié)點(diǎn)通過對來自不同接收節(jié)點(diǎn)的丟包進(jìn)行編碼，使系統(tǒng)通過一次重傳可以讓多個接收節(jié)點(diǎn)恢復(fù)出丟包。幾乎在同一時期，Tran等人提出了類似的重傳方案，并將該方案命名為機(jī)會式網(wǎng)絡(luò)編碼重傳(Opportunistic Network Coding Retransmission,0NCR)。另一種方案使用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，它用有限域GF(2l)中的隨機(jī)系數(shù)對所有的丟包進(jìn)行編碼，然后將編碼包進(jìn)行重傳，這種方案被命名為隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼重傳(Random Network CodingRetransmission, RNCR)。與ARQ/HARQ協(xié)議相比，無論是ONCR還是RNCR都能極大提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸效率。
[0004]雖然RNCR傳輸效率高，但其解碼太過復(fù)雜，在很多節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力受限的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中并不適用。而ONCR方案只需要進(jìn)行XOR操作就可實(shí)現(xiàn)解碼，因此對ONCR的研究逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，并取得了很多成果。Kumar Sundararajan J.等使用“自由度”而不是原始數(shù)據(jù)包來表示接收節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，引入了 “虛擬隊(duì)列”的概念，并給出了一種“看見即丟棄”的算法來實(shí)現(xiàn)這一方案，該方案將重傳次數(shù)由0(1/(1-P)2)量級減小到0(1/(1-P))量級。Fragouli C.等證明了在廣播系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡(luò)編碼可以在能量效率上獲得很大的增益，并提出了一種簡單的算法予以實(shí)現(xiàn)。Lu等結(jié)合FEC和基于網(wǎng)絡(luò)編碼的ARQ方案，以最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量和確保廣播通信的視頻質(zhì)量。Wu等人提出了 CoRET方案，給出了基于漢明距的數(shù)據(jù)包選擇算法來挑選編碼數(shù)據(jù)包。肖瀟等給出了一種NCWBR重傳方案，該方案能有效減少平均傳輸次數(shù)。呂振興等提出了 XNCC編碼算法，該算法采用逐列搜索方法，在一定程度上提高了傳輸效率，但其重點(diǎn)在于研究聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)-信道譯碼的設(shè)計(jì)方法。Sun等中提出了兩種更加高效的重傳策略(INCBR和WBR0NC)，在提高重傳效率的同時減小了計(jì)算復(fù)雜度。
[0005]然而，以上方法都是基于鏈路狀態(tài)相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對于鏈路狀態(tài)不均衡，即各路徑丟包率不同條件下的ONCR重傳方法研究很少。到目前為止，僅有Wang等人在其論文中提出了一種基于圖論的最大加權(quán)團(tuán)算法(Maximum Weighted Clique,MWC)。然而,該算法計(jì)算復(fù)雜度隨數(shù)據(jù)包數(shù)目、節(jié)點(diǎn)數(shù)目和丟包率呈指數(shù)增長，不適用于節(jié)點(diǎn)能量和處理能力有限，以及規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星廣播網(wǎng)絡(luò)和IPN行星網(wǎng)等。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是:在鏈路狀態(tài)不均衡網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，傳輸效率低， 計(jì)算復(fù)雜度高，影響系統(tǒng)廣播傳輸效率和傳輸時延。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，在鏈路狀態(tài)不均衡網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，以低的計(jì)算復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)高的傳輸效率。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，包括如下步驟:
[0009]10)構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣:根據(jù)各接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息，構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣；
[0010]20)選取編碼數(shù)據(jù)包:以加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣為基礎(chǔ)，在源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼數(shù)據(jù)包的選取；
[0011]30)數(shù)據(jù)包XOR編碼重傳:源節(jié)點(diǎn)將選取的數(shù)據(jù)包進(jìn)行XOR編碼后，廣播重傳給各接收節(jié)點(diǎn)；
[0012]40)數(shù)據(jù)包譯碼反饋:各接收節(jié)點(diǎn)在接收到編碼數(shù)據(jù)包后進(jìn)行譯碼，并將譯碼后的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息反饋給源節(jié)點(diǎn)；
[0013]50)判斷傳輸是否完成:源節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的反饋信息，判斷傳輸是否完成，如未完成則重新開始新一輪的編碼重傳。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及顯著效果:
[0015]1、傳輸效率高:較之現(xiàn)有的各種類似方法，本發(fā)明方法的傳輸效率與MWC方案相當(dāng)，而比其它各種方法都好；
[0016]2、計(jì)算復(fù)雜度低:本發(fā)明直接使用WPDM進(jìn)行編碼數(shù)據(jù)包的調(diào)度選取，簡單而又直觀，在保證高效傳輸?shù)耐瑫r，相較于MWC方案大大減小了計(jì)算復(fù)雜度；
[0017]3、反饋信息量較少:本發(fā)明只在交互的ACK、NACK信息中附帶少量的數(shù)據(jù)包分布信息和鏈路狀態(tài)信息，因而反饋信息量較少，不會造成太大的信令開銷；
[0018]4、適用范圍廣:本發(fā)明方法適用于各種具有反饋的廣播網(wǎng)絡(luò)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星廣播網(wǎng)、行星際互聯(lián)網(wǎng)中的衛(wèi)星網(wǎng)等資源受限網(wǎng)絡(luò)。
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法適用的網(wǎng)絡(luò)模型舉例。
[0021]圖2是本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法的主流程圖；
[0022]圖3是圖2中構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣步驟流程圖。
[0023]圖4是圖2中選取編碼數(shù)據(jù)包步驟流程圖。
[0024]圖5是選取編碼數(shù)據(jù)包過程示意圖。
[0025]圖6是數(shù)據(jù)包數(shù)目變化情況下本發(fā)明方法與其它方法的重傳性能比較圖。
[0026]圖7是接收節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化情況下本發(fā)明方法與其它方法的重傳性能比較圖。
[0027]圖8是丟包率變化情況下本發(fā)明方法與其它方法的重傳性能比較圖。
[0028]圖9是數(shù)據(jù)包數(shù)目變化情況下本發(fā)明方法與其它方法的計(jì)算復(fù)雜度比較圖。
[0029]圖10是接收節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化情況下本發(fā)明方法與其它方法的計(jì)算復(fù)雜度比較圖。[0030]圖11是丟包率變化情況下本發(fā)明方法與其它方法的計(jì)算復(fù)雜度比較圖。
[0031]圖12是表I加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣(WPDM)示例。
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1所示，為本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法所適用的網(wǎng)絡(luò)模型。包括一個源節(jié)點(diǎn)S和N個接收節(jié)點(diǎn)R= (R1,..., RJ的廣播系統(tǒng)，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)廣播M個原始數(shù)據(jù)包P= (P1,...,PmI給N個接收節(jié)點(diǎn)，其廣播過程分為兩個階段:原始數(shù)據(jù)包傳輸?shù)某跏茧A段和重傳階段。在初始階段，源節(jié)點(diǎn)逐個廣播M個原始數(shù)據(jù)包給N個接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)接收到原始數(shù)據(jù)包后，將每個數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息(成功接收或丟失)反饋給源節(jié)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的ARQ方案中，源節(jié)點(diǎn)在重傳階段簡單地對丟包逐個進(jìn)行重傳，這對于已接收到該數(shù)據(jù)包的接收節(jié)點(diǎn)而言無疑是一種帶寬的浪費(fèi)；而在基于機(jī)會網(wǎng)絡(luò)編碼的方法中，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)反饋給源節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息選擇來自不同接收節(jié)點(diǎn)的丟包進(jìn)行XOR編碼，再將編碼包重傳給接收節(jié)點(diǎn)。當(dāng)某個接收節(jié)點(diǎn)接收到編碼包后，它具有一定的概率通過XOR解碼從該編碼包中譯出一個原始丟包，然后該接收節(jié)點(diǎn)將新的狀態(tài)信息反饋給源節(jié)點(diǎn)。這種方法能通過一次重傳使更多接收節(jié)點(diǎn)獲取丟包，提高了帶寬利用率。而在基于機(jī)會網(wǎng)絡(luò)編碼的廣播網(wǎng)中，如何選取進(jìn)行編碼的原始數(shù)據(jù)包依賴于每個接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和每個源-接收節(jié)點(diǎn)對的鏈路狀態(tài)信息。
[0033]如圖2所示，本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，包括如下步驟:
[0034]10)構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣:根據(jù)各接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息，構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣。
[0035]加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣(WeightedPacket Distribution Matrix, WPDM)指傳輸過程中源節(jié)點(diǎn)通過收集各接收節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息形成的列表。該矩陣是一個大小為NXM的矩陣，行系數(shù)和列系數(shù)分別表示接收節(jié)點(diǎn)和原始數(shù)據(jù)包。
[0036]初始傳輸階段，源節(jié)點(diǎn)將所有的原始數(shù)據(jù)包廣播給所有的接收節(jié)點(diǎn)。在初始傳輸之后，或是在某次重傳結(jié)束之后，對WPDM矩陣進(jìn)行初始化或更新。源節(jié)點(diǎn)首先通過無線信道從每個接收節(jié)點(diǎn)接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息，然后根據(jù)這些狀態(tài)信息形成 WDM。
[0037]所述構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣(10)步驟具體為:
[0038]11)構(gòu)建數(shù)據(jù)包分布矩陣:構(gòu)建一個NXM的數(shù)據(jù)包分布矩陣，其中N為接收節(jié)點(diǎn)數(shù)目，M為一個廣播段的數(shù)據(jù)包數(shù)目；
[0039]12)矩陣元素賦初值:根據(jù)各接收節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息，對數(shù)據(jù)包分布矩陣中各元素賦初值，形成一個“0，I”矩陣；
[0040]所述矩陣元素賦初值(12)步驟具體為:如果接收節(jié)點(diǎn)Ri成功接收數(shù)據(jù)包匕，則 PDM(i, j)=0,否則 PDM(i, j)=l，其中 PDM 為數(shù)據(jù)包分布矩陣(Packet DistributionMatrix, F1DM)。
[0041]13)矩陣元素二次賦值:源節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)估計(jì)并反饋的鏈路丟包率，對數(shù)據(jù)包分布矩陣進(jìn)行第二次賦值，從而完成加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣的構(gòu)建。
[0042]所述矩陣元素二次賦值(13)步驟具體為:
[0043]131)以每個(1- Pi)乘以PDM矩陣的第i行形成加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣WPDM ；WPDM矩陣中的元素用{wi;j} (O ^wi；J<l;i=l,2,...,N;j=l,2,...,M)表示；
[0044]132)如果Wi，」=1 - Pi>0,表示接收節(jié)點(diǎn)Ri沒有接收到數(shù)據(jù)包P」，且源節(jié)點(diǎn)和Ri之間的鏈路成功傳輸一個數(shù)據(jù)包的概率為1- Pi，其中Pi為源節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)Ri之間鏈路的丟包率；
[0045]133)如果WiJ=O,表示Ri已成功接收到數(shù)據(jù)包Pj ;其中，{wi；J} (O ( wi；J<l; i=l, 2，...，N;j=l，2，...，M)表示加權(quán)數(shù)據(jù)包矩陣中的元素，PDM為數(shù)據(jù)包分布矩陣。表1給出了 I個具有6個接收節(jié)點(diǎn)和8個原始數(shù)據(jù)包的WPDM示例。
[0046]20)選取編碼數(shù)據(jù)包:以加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣為基礎(chǔ)，在源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼數(shù)據(jù)包的選??；
[0047]在初始化或WPDM更新結(jié)束之后，源節(jié)點(diǎn)開始選取調(diào)度第k次傳輸?shù)木幋a數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包序號存儲于數(shù)組T中。
[0048]所述選取編碼數(shù)據(jù)包(20 )步驟具體為:
[0049]21)確定編碼可解性條件:根據(jù)加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣WPDM確定編碼可解性條件是假設(shè)發(fā)送機(jī)在第k次重傳中發(fā)送編碼數(shù)據(jù)包
[0050]Pc = Pis Φ P, Θ...? 4 W ￡ kk < M),
[0051]如果接收節(jié)點(diǎn)Ri想從該次重傳中恢復(fù)出其中一個丟包，那么它必須擁有這K個原始數(shù)據(jù)包中的另外K-ι個，才能使用XOR方法解出這個丟包。從WPDM的角度看，就是與編碼包對應(yīng)的第i行的第{Iq，k2，...，kK}元素中有且只有一個不為O。即，WPDM必須滿足下
面的條件
[0052]
【權(quán)利要求】
1.一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，其特征在于，包括如下步驟: 10)構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣:根據(jù)各接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息，構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣； 20)選取編碼數(shù)據(jù)包:以加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣為基礎(chǔ)，在源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼數(shù)據(jù)包的選?。? 30)數(shù)據(jù)包XOR編碼重傳:源節(jié)點(diǎn)將選取的數(shù)據(jù)包進(jìn)行XOR編碼后，廣播重傳給各接收節(jié)點(diǎn)； 40)數(shù)據(jù)包譯碼反饋:各接收節(jié)點(diǎn)在接收到編碼數(shù)據(jù)包后進(jìn)行譯碼，并將譯碼后的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息和鏈路狀態(tài)信息反饋給源節(jié)點(diǎn)； 50)判斷傳輸是否完成:源節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的反饋信息，判斷傳輸是否完成，如未完成則重新開始新一輪的編碼重傳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，其特征在于，所述構(gòu)建加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣(10)步驟具體為: 11)構(gòu)建數(shù)據(jù)包分布矩陣:構(gòu)建一個NXM的數(shù)據(jù)包分布矩陣，其中N為接收節(jié)點(diǎn)數(shù)目，M為一個廣播段的數(shù)據(jù)包數(shù)目； 12)矩陣元素賦初值:根據(jù)各接收節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)包狀態(tài)信息，對數(shù)據(jù)包分布矩陣中各元素賦初值，形成一個“0，I”矩陣； 13)矩陣元素二次賦值:源節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)估計(jì)并反饋的鏈路丟包率，對數(shù)據(jù)包分布矩陣進(jìn)行第二次賦值，從而完成加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣的構(gòu)建。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，其特征在于，所述矩陣元素賦初值(12)步驟具體為: 如果接收節(jié)點(diǎn)Ri成功接收數(shù)據(jù)包P」，則PDM(i，j)=0，否則PDM(i，j)=l，其中PDM為數(shù)據(jù)包分布矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，其特征在于，所述矩陣元素二次賦值(13)步驟具體為: 131)以每個(1-Pi)乘以PDM矩陣的第i行形成加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣WPDM； 132)如果Wu=1- Pi>0，表示接收節(jié)點(diǎn)Ri沒有接收到數(shù)據(jù)包P」，且源節(jié)點(diǎn)和Ri之間的鏈路成功傳輸一個數(shù)據(jù)包的概率為1- Pi，其中Pi為源節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)Ri之間鏈路的丟包率； 133)如果\」=0，表示Ri已成功接收到數(shù)據(jù)包Pj；
其中，{wi;j} (O ( wi；j<I; i=l, 2，..., N; j=l, 2，...，M)表示加權(quán)數(shù)據(jù)包矩陣中的元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的加權(quán)廣播重傳方法，其特征在于，所述選取編碼數(shù)據(jù)包(20)步驟具體為: 21)確定編碼可解性條件:假設(shè)在第k次重傳中發(fā)送編碼包咤=及Φ及…，如果接收節(jié)點(diǎn)Ri想從該編碼包中解出它丟失的一個原始包，即具有可解性，那么加權(quán)數(shù)據(jù)包分布矩陣必須滿足下面的條件
Σ「wiA 1 = 1 (W-S ^ M)


V=I22)確定傳輸增益:在第k次傳輸中發(fā)送編碼數(shù)據(jù)包Pt，接收節(jié)點(diǎn)Ri接收并成功譯出一個原始數(shù)據(jù)包的概率為傳輸增益釔，即

【文檔編號】H04L1/00GK103580803SQ201310481617
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】張更新, 茍亮, 邊東明, 謝智東, 胡婧, 張威, 張飛, 李永強(qiáng), 孫謙, 孔博 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)