CN101146049A - 基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，它通过控制无线自组织网络的路由协议，构建相对静态稳定链路组成的直线和/或环形拓扑结构的主干传输链路，通过网络编码进行高效数据传输。本发明包括以下步骤：1)在无线网络中构建由主干节点组成的直线形和/或环形拓扑结构的主干传输链路；2)在网络中传输数据时，对于在主干传输链路上相向传输的数据，先进行编码，然后再继续传输，最后由收到该编码数据的下一节点对该数据解码；对于主干传输链路上的非相向传输的数据以及在非主干传输链路上传输的数据，则直接转发。本发明在无线自组织网络路由计算和数据转发过程中结合可以利用网络编码技术的拓扑结构，建立数据传输的快速通道，从而实现无线自组织网络中高效数据传输。

Description

基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法

技术领域

本发明涉及利用网络编码技术实现无线自组织网络中数据传输的方法，属于无线移动自组织网络通信技术领域。

背景技术

在现有的计算机通信网络中，信息传输都是由源节点经过中间节点，以存储转发的方式传送到目标节点的。除了数据复制以外，一般来说在网络的中间节点并不需要做任何数据处理。而网络编码是一种网络传输的思想，它通过在中间节点所进行的数据处理来提高数据传输过程的效率。对于网络编码理论的研究，近些年已经成为学术界的一大热点。然而，对于网络编码技术本身，对其理论研究的重视远大于针对其技术的应用。多数设想的应用是针对具体一个点的理论研究给出一个可能的应用点，目前关于其具体应用的设想没有给出一个完整的应用方案。本发明针对网络编码技术及其基本原理的特点，提出了一种新的无线网络构建及其路由技术方案，以及在此网络结构上利用网络编码技术进行数据传输的方法。

发明内容：

本发明的目的是提出一种基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，它在无线自组织网络路由计算和数据转发过程中结合可以利用网络编码技术的拓扑结构，建立数据传输的快速通道，从而实现无线自组织网络中高效数据传输。

为完成本发明的目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，包含以下步骤：

1)在无线网络中构建由主干节点组成的直线形和/或环形拓扑结构的主干传输链路；

2)在网络中传输数据时，对于在主干传输链路上相向传输的数据，先进行编码，然后再继续传输，最后由收到该编码数据的下一节点对该数据解码；对于主干传输链路上的非相向传输的数据以及在非主干传输链路上传输的数据，则直接转发。

所述步骤2)进一步包括以下子步骤：

2.1)中间节点判断自己的节点类型；

2.2)若是普通节点，则直接转发数据；

2.3)若是主干节点，则接管所有经过它的数据传输；

2.4)查找是否存在相向传输的数据，若存在，则对其先进行编码，然后再继续传输；若不存在，则直接进行数据转发；

2.5)对一对或者一个数据单元处理完毕后，转步骤2.4)，继续查找正在进行的数据传输。

本发明在直线形链路与环形链路上进行网络编码传输，从而形成传输的主干网络，而路由协议优先将数据报文就近发送到主干网络上传输。

本发明利用了节点的计算能力远大于网络传输能力的特点，首先将传输数据分解为更小的传输数据单元，考虑将所有相向传输的数据进行编码传输，同时，提出对所有相向数据传输编码的新思想，遇到相向传输的数据，就对传输单元进行编码，当数据到达下一个节点时，先进行解码，然后考虑进一步的传输。

本发明的有益效果是：(1)分析了基础网络编码理论在无线自组织网络中的原理，并通过拆分双向数据流的方法，实现在线形拓扑结构以及环形拓扑结构上的编码方法；(2)利用网络编码的方法可以有效减少无线网络通信量及通信次数，而利用网络编码技术的前提是要存在一定具体的通信场景，本发明通过对路由计算进行限制，在无线网络中创造适合网络编码的逻辑拓扑结构；(3)本发明提出了将无线自组织网络逻辑拓扑结构组织成快速主干环形/直线路径与各节点就近向主干网络辐射连接的拓扑结构，从而有效利用网络编码技术实现数据传输。

附图说明：

图1是本发明思想原理图；

图2是数据分解及网络编码传输原理图；

图3是主干网数据传输流程；

图4是可能的主干结构；

图5是节点初始化选择和发送逻辑。

具体实施方式：

本发明目的在于利用网络编码技术的基本原理，提出适宜使用网络编码技术进行无线自组织网络数据传输的方法。

图1给出了网络编码基本原理以及本发明在此基本原理基础上提出的适宜无线网络数据传输的两种网络拓扑结构及传输方法原理。

图中的第一部分给出了网络编码在无线网络应用中的基本原理及其优势。左图为无线网络中数据传输的基本方法，源发送节点S1、S2通过中间节点R分别将数据发送给目的节点D1、D2，在发送过程中需要进行四次数据通信，分别为S1->R、S2->R、R->D1、R->D2。而如果象右图所示，由于在S1、S2向R经过无线链路发送数据时，在通信范围之内的D1、D2也能分别收到S2、S1发送的数据，如果利用这个特征，则可以节省一次通信开销。在S1、S2将数据发给R的过程中，分别被D2、D1同时收到，此时R只需要先进行一次异或运算，将收到的S1、S2的数据进行异或(图中用+表示)，然后同时向D1、D2发送，由于无线通信为广播通信的特点，数据可以同时被D1、D2接收，接收端根据自己已经获得的数据和此次收到的“异或”后的数据，再进行一次“异或”操作，便可以分别还原出最终想要的数据，而此时通信次数却减少为3次，即：S1->R(D2)，S2->R(D1)，R->D1、D2。它依靠在中间节点R的编码和接收节点D1、D2的解码，将原来需要的4次网络通信减少为3次，付出的代价是增加了节点编解码的计算。

第二部分是本发明中给出的网络编码技术应用的第一个基本扩展方式，首先将上述网络编码的中心节点扩展为一条多个中间节点的直线传输链路，有许多数据在链路上传输，有些由左向右，有些由右向左，都经过若干节点组成的直线链路作为中间传输节点。这些中间节点上会有大量相向传输的数据流。基于这种拓扑结构，我们在下图对网络编码方式进行扩展。

第三部分为在此结构之上本发明提出的传输数据分解以及对所有相向数据传输编码的新思想。在接下来的图中可以看出，由R1、R2、R3、R4、R5组成的传输链路上有向左、向右传输的数据流，我们把传输的比特流分解为一个个传输数据单元，分别标上标号。如图所示，相向传输的数据流TS1、TS2被分解为一个个的数据传输单元，TS11、TS12、TS21等。这些数据单元在网络上相向传输，可以利用网络编码技术进行编码传输，节省网络通信开销。

第四部分将直线形扩展的结构首尾相接引入环形传输通道，在传输环路上，将环路上逆时针传输的数据与顺时针传输的数据看作为相向传输的数据，并使用网络编码的方法及传输数据分解的方法在环形结构上对顺时针与逆时针方向传输的数据进行编码传输。

第五部分由上述的思想相结合，在无线自组织网络中引入如图所示的主干结构，主干结构由环形拓扑的结构与直线形拓扑的结构组成，用作数据传输的主要通道，用于大吞吐量的数据传输。直线形拓扑是节点之间的的逻辑拓扑关系为线性结构，除首尾节点每个中间节点有且只有一个前继和一个后继节点；环形拓扑则由上述直线形拓扑结构首尾节点相连构成。

在主干结构网络中，存在大量相向传输的数据，因此可以对大量相向传输的数据利用网络编码技术进行编码传输，形成数据传输的快速通道。同时通过特定的路由策略使得其他节点就近路由到传输主干上传输数据。由此引出本发明提出的无线网络拓扑构建及其适合网络编码技术的路由策略及数据传输方法。

本发明的具体实施方式分为以下步骤：

1、利用网络编码技术进行数据传输的网络拓扑结构分析

本发明首先提出了两种适宜使用网络编码技术在无线自组织网络中进行快速数据传输的逻辑拓扑结构。为了在此扩展结构上应用网络编码技术，要对网络上传输的数据进行预处理。网络上传输的数据报文不再看作由源节点发往目的节点的数据流，而是一个个如IP数据报类似的传输单元，把网络上的数据看作一个个传输单元顺次传输的过程。

传输过程中，对于同时传送到同一节点的数据单元，从中计算出它的实际传输内容。如果存在数据报文正好相向传输的情况，则在此节点上对数据进行网络编码，同时利用无线广播信道传送给相对的两个相邻节点，当数据到达后立即解码并进行下一步传输。如图2所示，图中给出了在直线拓扑的主干链路上进行数据流分解以及相向传输数据网络编码的方法。图中R1-R5均为网络传输的主干节点，会有大量的数据报文经过这些节点传输。图中描述了两个分别来源于S1、S2节点的相向传输的数据流TS1、TS2，目的节点分别为D1、D2节点，中间都要经过R1-R5进行数据传输。首先，将TS1与TS2进行数据分解，将数据流分解为TS1x、TS2y等若干传输数据单元，其中x，y为自然数，表示分解后的数据单元序号。在T0时刻，设数据流开始发送，S1、S2分别向节点R1、R5发送出第一个分解后的数据单元TS11、TS21；在T1时刻之前，数据单元不断相向传输，但却没有出现传输到同一节点的情况。因此不进行网络编码。在T1时刻，最先发送的数据单元TS11、TS21将要通过R3节点相向传输，此时TS11要通过R3发送给R4，TS21要通过R3发送给R2，而此时R2、R4分别拥有数据单元TS11和TS21，满足网络编码的条件。于是，在数据同时传送到R3节点时，R3节点对相向传输的数据单元TS11、TS21进行编码，并将编码的结果TS11+TS21同时向两边的节点R2、R4发送，R2、R4收到上述编码数据后，与本身已经拥有的TS11、TS21进行解码运算，还原出TS21、TS11的数据，继续下一步的传输。这就完成了第一次相向传输的编码解码工作。上述传输及编解码结束的T2时刻，向左传输的T21与向右传输的T12同时在节点R2处发生相向传输，同理还有T11与T22在R4节点处相向传输，因此T3时刻在R2、R4节点处分别进行编码T21+T12、T11+T22，同时发送给两侧的接收节点进行解码，于是在R1节点上获得T21，R3节点上获得T12与T22，在R5节点上获得T11。此时T3结束时刻，T12与T22又可以进行进一步的网络编码了，直到相向的数据流传输结束。

图3给出了上述编码在主干网数据传输的流程图，在任意主干节点，节点接收到数据报文，首先判断是否经过编码，若是编码数据则进行解码，若不是编码数据则忽略此步骤；然后判断此数据单元是否需要继续在主干网络上传输，若是，则查找相向传输的数据单元，存在此种数据单元则将两者编码发送，若不存在相向传输数据或者不再继续在主干网传输，则直接发送该数据报文单元。

2、利用基于位置信息的路由协议辅助构建适合利用网络编码技术进行数据传输的无线网络的逻辑拓扑结构

此处主要给出主干网络节点选取原则与方法。

主干网络中节点选取的原则有：一是选取当前移动自组织网络中相对静止的节点；二是选取网络中通信较为稳定，能够长时间保证稳定、流畅的通信节点；最后需要考虑网络中主干节点的相互连通问题，根据选择的节点计算出主干网络，由于节点的通信范围有限，主干网络之间可能形成不连通的分支，这不影响数据在网络中的传输，因为只有在主干网络上才考虑使用网络编码技术进行快速编码数据传输。对于网络中节点本身基本不会移动或者很少移动的传感网络中的节点，可以不考虑上述第一点原则。下面给出一种选择方案：

节点加入网络后，首先自己判断是否具有成为主干节点的资格，需要满足一定的表达式约束。我们将约束阈值称为主干节点标准阈值M，即：M＝αt³+βν^-3。其中，v、t分别为节点的移动速度和在线时长，α，β常取固定值常数，用于调整阈值M的大小。

当M>27(α+β)时，认为节点满足成为主干节点的条件，则节点向全网广播此消息，同时接收全网的节点类型更新的消息，利用GPS等位置定位装置的辅助，及与位置信息相关的路由算法，在本地计算全网的主干网络及路由信息，构建如图4所示的网络拓扑。例如，可根据GPS获得的信息，将非主干节点到目的节点的路由分为两类，若到达目的节点的距离小于到达最近主干网络节点距离的2倍，则按照基于地理信心路由协议，直接寻找离目的节点更近的下一跳节点；否则，则将该路由指向最近的环路的节点，具体实现可以设置一条指向主干网络节点的默认路由，只要不满足上述距离条件，均按照此默认路由转发数据。

图4中带标识的节点为网络主干节点，他们组成直线或者环形结构，并且可能出现像N3、N6所示的不同网络主干直接的交汇节点，同时也会存在互不联通的网络主干链路，由于本发明只考虑在存在主干的网络部分使用网络编码技术，所以主干网络分段联通不影响本发明中使用的网络编码策略。

3、利用网络编码技术的数据传输调度

在网络上进行数据传输时，针对网络中不同的通信链路采取不同的传输策略。对主干传输路径上的相向传输数据按照网络编码技术编码传输，对于其他通信链路，数据传输仍按照普通分组转发方式传输。一旦数据被送到主干网络上进行传输，就要针对所有的相向传输数据进行网络编码，流程如图5所示。节点初始化时首先判断节点的类型，若节点是网络中的主干节点，则节点接管所有经过它的数据传输并进行查找，看是否存在相向传输的数据，若存在则进行数据传输单元的编码传输，若不存在则直接进行数据传输，对一对或者一个数据单元处理完毕，则继续查找正在进行的数据传输；若节点是普通节点，则节点按照常规的方法转发数据，不进行数据的编码传输。

数据传输的路由表维护按照以下策略，利用无线网络路由协议，在路由协议的报文中添加一项节点类型的标识字段，这样在节点维护路由表时考虑维护3跳以内到任何节点的路由，和一个到主干节点的路由。此处为得到网络的全局信息，需要使用全局的链路状态协议作为网络基本路由协议。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，其特征在于包含以下步骤：

1)在无线网络中构建由主干节点组成的直线形和/或环形拓扑结构的主干传输链路；

2)在网络中传输数据时，对于在主干传输链路上相向传输的数据，先进行编码，然后再继续传输，最后由收到该编码数据的下一节点对该数据解码；对于主干传输链路上的非相向传输的数据以及在非主干传输链路上传输的数据，则直接转发。

2.如权利要求1所述的基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，其特征在于：

所述步骤2)进一步包括以下子步骤：

2.1)中间节点判断自己的节点类型；

2.2)若是普通节点，则直接转发数据；

2.3)若是主干节点，则接管所有经过它的数据传输；

2.4)查找是否存在相向传输的数据，若存在，则对其先进行编码，然后再继续传输；若不存在，则直接进行数据转发；

2.5)对一对或者一个数据单元处理完毕后，转步骤2.4)，继续查找正在进行的数据传输。

3.如权利要求1或2所述的基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，其特征在于：

所述编码是指主干节点对相向传输的两个数据进行异或运算；

所述解码是指主干节点的下一节点对收到的一个数据和一个经过编码的数据进行异或运算。

4.如权利要求1所述的基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，其特征在于：

所述主干节点是网络中满足阈值M＝αt³+βv^-3的节点，其中，t为节点在线时长，v为节点移动速度。

5.如权利要求1所述的基于网络编码的无线自组织网络数据传输方法，其特征在于：

所述步骤1)进一步包括以下子步骤：

1.1)确定主干节点；

1.2)主干节点向全网广播此消息，同时接收全网的节点类型更新的消息；

1.3)利用位置定位装置和与位置信息相关的路由算法，在本地计算全网的主干网络及路由信息，从而构建直线形和/或环形拓扑结构的主干传输链路。

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