CN101577629B - 组播网络中基于图着色的编码向量动态分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组播网络中基于图着色的编码向量动态分配方法：为基于网络编码的组播网络分配编码向量时，需要保证目的节点收到的全局编码向量线性无关。基于此目的，本发明提出一种基于图着色的编码向量分配方法：首先把需要分配编码向量的组播树转化为线图，然后划分线图为不同区域进行简单平面图的构造，接着把不同颜色映射为不同编码向量分配给区域中的每个顶点(也即组播树中的每条边)。为组播树中的各边分配好全局编码向量之后，需要源节点记录原始编码向量，目的节点记录解码矩阵，编码节点计算并记录局部编码向量。在传输数据时，源节点和编码节点需要把信息向量和编码向量线性组合向下传输，目的节点调用解码矩阵采用高斯消元法解码。

Description

组播网络中基于图着色的编码向量动态分配方法

技术领域

本发明设计的是组播网络中的编码向量的分配方法，主要采用基于图着色的动态分配的方法对网络编码组播网络中的编码向量进行配置。

背景技术

随着网络技术的飞速发展，组播作为未来网络中不可或缺的一项技术，已经被看作是支持诸如高清电视(HDTV)，多媒体文件分发以及分布游戏等多种点对多点宽带应用的关键技术。与此同时，用户数量的激增，网络服务的多样化以及对网络传输质量要求的不断提高，如何提高现有网络资源的利用率，优化网络，已成为当今网络通信研究的重要课题之一。网络编码(Network coding)是一个新兴起的技术，它的提出适应了现代网络中的这种需求，其理论和应用已成为通信领域研究的新热点。和传统的存储转发机制不同的是，网络编码融合了编码和路由两个概念，通过允许中间节点对接收到的多个数据包进行编码组合，增加单次传输的信息量，在网络中维持着最大的信息流量，从而提高网络整体性能，满足不断增长的业务传输的需求。

对于网路编码的理论研究分布在各个方面，其中有对网络编码性能的研究，对线性和非线性网络编码的研究，对编码向量分配的研究以及对编码向量取值的有限域的研究。线性网络编码以其编码操作的复杂度低，适应性广泛和可操作性强等优点逐渐成为了网络编码的主要研究方向。

线性网络编码指的是编码节点输出的编码后的信息和接收到的待编码的信息之间的数学关系是线性的关系，也即编码节点把所接收到的信息，和某一个算术系数进行线性组合，从而完成编码操作，这里的算术系数就被称作编码向量。编码向量有全局编码向量和局部编码向量之分，全局编码向量表明了每条链路上所承载的信息与源节点所发出的信息之间的数学关系。局部编码向量指的是节点所拥有的编码向量，它表明了编码节点收到的全局编码向量和生成的全局编码向量之间的数学关系。在一个基于网络编码的组播网络中，需要先对网络中的节点和链路分配编码向量，这样才可以保证数据在网络中的有效地进行编码传输。另一方面，为了保证目的节点能够正确解码，成功获得信源组播过来的信息数据，编码向量分配时需要保证目的节点从连接其自身的链路上所接收到的全局编码向量组成的向量矩阵是满秩的。保证连接该目的节点的所有链路上的编码向量的线性不相关性，是向量分配时所需要解决的关键问题。

目前传统的的编码向量的分配方法主要有：集中式和分布式分配编码向量的方法。其中集中式编码向量分配方法的特点在于：信源节点根据已知的网络拓扑，为每条链路分配有限域里面的编码向量，同时为每个中间节点都分配一个局部编码向量，用于生成编码节点下游链路的全局编码向量。在分配编码向量的同时，要竭力保证目的节点所收到的编码向量所构成的解码矩阵是满秩的，以便可以成功解码。这种方法的局限性在于，随着网络中编码节点的增多，分配编码向量所需要的有限域的字母表会越来越大。当这个有限域不是足够大时，就会造成目的节点的解码矩阵不满秩而解码失败。另外一个局限性在于，当网络拓扑动态变化时，编码向量需要重新分配，适应性不强。

分布式网络编码向量的分配方法的特点在于：编码向量的分配和网络中数据的传输同时进行，在数据包的包头记录并随时更新全局编码向量，而在需要编码的节点随机地在某一个有限域中选取元素作为局部编码向量。目的节点根据接收到的数据包提取包头中的全局编码向量进行解码。这种方法也存在其不可避免的局限性，即在包头中附加编码向量信息会占用大量的带宽资源，对于资源相对紧张的网络不适宜采用这种方法。

因此，现有的编码向量的分配方法由于编码向量字母表的限制不能完全保证目的节点所接收到的全局编码向量的线性不相关性，从而不能百分百地保证目的节点能够成功解码，而且还不能动态地适应网络拓扑的变化，有一定的实用局限性。而分布式网络编码向量分配方法比较适用于拓扑未知的网络，有一定的局限性，而且包头信息附加编码向量会影响组播网络的传输性能。

图顶点着色理论是指：设G是一个没有自环的图，对G的每个顶点着色，使得没有两个相邻的顶点着上相同的颜色，这种着色称为图的正常着色。

图G的顶点可用k种颜色正常着色，称G为k-可着色的。使G是k-可着色的数k的最小值称为G的色数，记为χ(G)。如果χ(G)＝k，则称G是k色的。

本发明涉及的是一种自适应的图顶点着色算法分配编码向量的方法，就是先把需要进行编码向量分配的组播树映射为一个需要进行顶点着色的简单子图，每种待着色的颜色代表一种编码向量。保证子图里面相邻的两个顶点着不同的颜色(也即不同的顶点分配不同的编码向量)。这样就可以保证编码向量分配的顺利完成。

发明内容

本发明的目的在于提出一种组播网络中基于图着色的编码向量动态分配方法，以便有效地为组播网络中的各条边分配全局编码向量来提高组播网络中的接收节点成功解码的概率，同时减小网络编码所需的字母表的大小，减小网络编解码的复杂度。另外，当网络中由用户动态地加入或者撤出时，编码向量可以动态地适应性配给。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

设有向图G＝(V，E)为一个点到点的通信网络，其中V是节点的集合，E是传输链路的集合。为了提高网络的传输容量，在该网络中实现基于网络编码的组播，我们需要为每个目的节点建立互不相交(edge-disjoint)的独立的路径，来构造适合网络编码的组播树。然后在该组播树的基础上构造线图。

设G顶点集合为V(G)，边集合为E(G)，图G的线图L(G)是顶点集为V(L(G))＝E(G)，边集为E(L(G))＝{e1e2|e1，e2∈E(G)且/V(e1)∩V(e2)/＝1}的图。S∈V(G)，用<S>表示S在G中的导出子图。也即，对于任意图G，线图L(G)的节点集是由图G的边组成的。当图G的相应两条边有公共的节点时，图L(G)的两个节点相邻。

在组播树中的源节点建立一个编码向量缓存器并维护一个全局编码向量的集合，这个向量的集合是取自某一个有限域Fq的一组基的线性张成空间。这样编码向量的集合中的每一个编码向量都可以由该集合中的另外2个或者2个以上的编码向量张成。采用基于图着色的动态分配编码向量的方法对网络编码组播树进行编码向量配置的具体过程如下：

(1)把网络编码组播树转化为线图，同时标出流变节点也即源节点和编码节点。把具有相同的数据流的分支包含在同一个区域里面作为线图的一个子图，同时保证每个区域只包含一个流变节点。

(2)构造简单平面图。把每个子图所在的区域看作简单平面图的一个顶点。找出有相互联系的域并标记连线，构造成一个顶点待着色的简单平面图。

(3)找出该平面图的色数χ(G)，即为该组播网络中所需要的编码向量的最少个数。

(4)分别把各种颜色和各个编码向量相互映射。得出不同的编码向量分配方案。

(5)每个域中的所有节点收到相同的全局编码向量。源节点和目的节点需要记录各自的编码向量，分别用来发送原始信息和构造解码矩阵。

(6)源节点把每个域中都有哪些组播树中的节点和边进行记录，并相应地给出分配给他们的编码向量，生成一个编码向量映射表。然后还原为原本的组播树，进行局部编码向量的计算。

(7)除了源节点和目的节点之外的每个中间节点，根据入边和出边的全局编码向量计算出各自所拥有的局部编码向量并记录下来。这样当传输数据开始时，只需要在源节点给出全局编码向量，让后其他的全局编码向量在每个中间节点进行计算而得到，从而不必每条边都记录自己的全局编码向量。

(8)当网络中需要动态地增删用户时，只需要在线图里面定位所在的域，找到所对应的全局编码向量，然后在源节点编码向量映射表里面更新信息就可以了。

目的节点收到上游链路发送的信息，调用自己事先记录的解码矩阵，采用高斯消元法进行解码。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1网络编码组播树

图2网络编码组播树对应的线图及其分域子图

图3待着色的简单平面图

图4顶点着色后的简单平面图

图5分配了全局编码向量的网路编码组播树

图6局部编码向量和全局编码向量分配完成图

图7编码向量分配流程图

图8数据传输流程图

具体实施方式

下面首先介绍一下本发明所涉及的相关术语。

全局编码向量：进行网络编码时，源节点从有限域中选取的，为每条链路所分配的向量；

局部编码向量，进行网络编码时，源节点为编码节点所分配的，用于计算该节点下游链路的全局编码向量的向量；

不相交路径：从源节点到同一个目的节点所建立的多条edge-disjoint的传输路径；

网络编码所需字母表：信源所发送的信息，链路上携带的信息以及节点上的各种运算准则都是发生在有限域Fq上，称为实现网络编码所需字母表。

网络编码的组播树：基于网络编码的组播网络进行传输数据之前要先建立适合于网络编码的组播树，也即网络编码组播树，这种组播树区别于一般的组播树之处在于：依据网络编码组播树建立算法，要为每一个目的节点建立至少两条边不相交的独立的路径。网络编码组播树建立之后，需要为网络分配全局和局部编码向量，然后再开始传输数据。

本发明的一个优选实例结合附图来详细说明这种基于图着色的编码向量动态分配方法如下：

图1是给定的等待分配编码向量的网络编码组播树，我们需要为每条边分配全局编码向量。如前所述，我们需要把组播树转化为线图，然后把具有相同的数据流的分支包含在同一个区域里面作为线图的一个子图，同时保证每个区域有且仅有一个源节点或者一个编码节点如图2所示。

把每个区域抽象为一个待着色的简单平面图的顶点，这里分别用S1，S2，S3，S4和S5来表示各个顶点。找出相互关联的域并进行连线，其中包含相同目的节点的域之间是相互关联的，如S3和S4都包含了组播树中的其中一个目的节点T，所以他们是相互关联的。同样的还有S4和S5，S5和S2，S1和S3。另外，包含着同一个源节点的域之间也是相互关联的，这里是S1和S2。这样找出所有关联的域之后，就组成了一个顶点待着色的简单平面图，如图3所示。

依据着色原理，分别把相临的顶点着不同的颜色，使用最少的的颜色为图3进行着色结果在图4中有所体现。我们把不同的颜色映射为不同的全局编码向量。那么就可以知道对于给定的网络编码组播树，我们只需要三个编码向量就可以对整个组播树中的边进行分配且可以保证目的节点可以正确有效地解码。这里分别映射的三个全局编码向量分别是(01)，(10)和(11)。按照三种不同的颜色所代表的编码向量对域中的节点进行分配，然后把线图还原成原来的组播树图，就可以看全局编码向量分配的结果如图5所示。

图5是一个表观的编码向量的分配结果，当数据需要进行编码传输时，需要某些节点调用其局部编码向量来完成数据的整合再生处理。因为非编码中间节点只需要直接下传数据，所以，需要调用局部编码向量的只有局部编码节点。另外，源节点和目的节点在全局编码向量分配好之后就需要记录各自的全局编码向量矩阵，分别用来传输初始编码向量和对收到的数据进行解码操作。

编码节点通过其上下游链路的全局编码向量可以计算出其所拥有的局部编码向量，如果编码节点所收到的编码向量为e1＝(q1 q2)，e2＝(q3 q4)和e3＝(q5 q6)，那么局部编码向量的计算公式如下：

$\left(\begin{array}{cc}q5& q6\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\\ \mathrm{\&beta;}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}q1& q2\\ q3& q4\end{array}\right),\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;}\&Element;\mathrm{Fq}$

这样可以得到网络编码节点所需要的局部编码向量 $\left(\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}\\ \mathrm{\&beta;}\end{array}\right).$

这样在传输数据之前整个编码向量的分配情况就是图6所示。

下面结合图7说明编码向量分配的详细步骤：

步骤1：初始化源节点和目的节点，为发送和接收编码向量做准备；

步骤2：按照前面所述的方法把网路编码组播树图G转化为线图λ(G)；

步骤3：把每个区域作为平面图的顶点构造该线图为简单平面图，并把相邻的顶点着不同的颜色，得到最少色数K。

步骤4：构造全局编码向量映射表。分别把每种颜色映射为一个编码向量。并把每个编码向量所对应的线图里面的每个区域里面的所有节点和该编码向量相映射。

步骤5：如果有节点动态加入或者退出该组播系统，需要查找该节点的相关域，并对全局编码向量映射表进行更新调整。

步骤6：按照全局编码向量映射表，为每个域里面的所有节点分配编码向量。

步骤7：把线图还原为原来的网络编码组播树，并在网络编码节点计算和记录局部编码向量。

步骤8：源节点记录初始编码向量，目的节点记录解码矩阵。

数据传输的情况详细说明在图8.具体步骤如下：

步骤1：初始化源节点和编码向量，为发送数据做准备；

步骤2：在源节点把信息向量和编码向量相乘并把所得到的新的信息向量转发给下游链路；

步骤3：节点接收到上游传送过来的数据，首先查看是不是编码节点，如果不是编码节点就直接把数据包向下游传输。如果是编码节点就到步骤4；

步骤4：编码节点提取自身的局部编码向量，与所接收到的信息向量相乘；

步骤5：节点把所得到的新的数据继续向下游链路转发。

步骤6：目的节点收到上游传送过来的信息后，就调用解码矩阵，采用高斯消元法进行解码，得到所需要的原始数据。

上面对本发明所述的组播网络中基于图着色的编码向量动态分配方法进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.组播网络中基于图着色的编码向量动态分配方法，其特征在于：把需要进行编码向量分配的网络编码组播树映射为一个需要进行顶点着色的简单子图，每种待着色的颜色代表一种全局编码向量；该方法需要将原始的网络编码组播树首先转化为线图，然后将该线图划分为特定的区域，根据图着色原理为相关联的区域进行顶点着色，以保证关联区域颜色不一样，再将每种颜色映射为一个全局编码向量并为每个区域进行分配，最后计算出编码节点所需要的局部编码向量。

2.根据权利要求1所述的组播网络中基于图着色的编码向量动态分配方法，具体的编码向量分配步骤如下：

步骤1：把原始的网络编码组播树转化为线图，并把线图划分为不同的子区域；

步骤2：在线图的基础上，把每个区域看作一个顶点，构造顶点待着色的简单平面图；

步骤3：为简单平面图中的每个顶点进行着色，保证相邻的顶点着不同的颜色；

步骤4：构造全局编码向量映射矩阵，把组播网络中的每条待分配编码向量的边和全局编码向量相映射；

步骤5：计算编码节点的局部编码向量，并完成全部编码向量的分配。

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