CN101895376B - 用于实现多跳无线网络中数据广播的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于实现多跳无线网络中数据广播的传输方法，包括：各数据发送端在每个发送时隙随机选取一个数据包进行发送；中继节点在接收到上一跳节点发送的数据包后，或者在接收到的数据包中选择两个进行异或计算向下一跳节点发送而丢弃其余的数据包，或者在接收到的数据包中随机选择一个向下一跳节点广播，其余数据包丢弃；各数据接收端在从上一跳中继节点接收数据包后利用所接收到的数据包进行LT解码直至数据发送端所存储的待广播数据包全部恢复才停止接收数据包，并向发送端发送反馈信息说明接收成功；当一个数据发送端接收到所有数据接收端所发送的反馈信息后，所有数据发送端停止发送当前存储的待广播数据。

Description

用于实现多跳无线网络中数据广播的传输方法

技术领域

本发明涉及喷泉码和网络编码，属于无线数据传输领域。

背景技术

在LT codes以及Raptor codes作为喷泉码的两种实现形式被提出并且加以研究之后，喷泉码被证明是一种拥有优秀的传输性能和低复杂度的实现过程的数据编码方式，因此喷泉码也被看作是实现大规模数据广播的理想传输手段，并且已被列入作为具体的3GPP和DVB-H的相关标准。该技术的关键就是通过核心的LT编码器，在数据发送端由K个源数据包产生出无限多个被称为LT codes的编码码字，而接收端的LT解码器只需要从中正确接收到任意的稍大于K的N个LT codes，就可以恢复出左右的K个源数据包。

传统的数据传输技术需要在发送端与接收端之间建立一条信道（backhaul）来处理来自接收端的数据重传请求（ARQ），而在组播、广播服务中，发送端可能需要处理来自不同接收端的针对不同数据包的ARQ，这些处理过程将会严重降低网络的吞吐量，时延等性能。而当使用喷泉码来进行数据传输时，如果传输信道是删除信道，那么在该信道上发送的数据包要么被丢弃，要么被接收端正确无误地收到，于是在删除信道的环境下使用喷泉码进行传输时，接收端只需要不断接收信道上传输的LT codes，无论在接收过程中有多少的LT codes被信道删除，数据接收端最终必然可以成功接收到N个LT codes从而成功恢复出K个源数据包。因此在使用喷泉码后，发送端将不再需要处理来自接收端的ARQ，只需要一直发送LT codes，直到所有的接收端都反馈完成接收后就可以停止传输当前数据了。

喷泉码在无线信道上也能可靠的传输，传输系统使用CRC方式来确保源数据的正确恢复。

网络编码的基本原理是赋予多跳无线网络中的中继节点以编码解码能力。通过在中继节点进行数据编码，网络的容量得到了一定程度的提高。另外网络编码带给无线传输领域的好处不仅仅是提高网网络的容量，网络编码也同时在网络安全，测量方面也有较大的贡献。

网络编码和喷泉码的编码过程相当类似，在每一个编码时隙，两者的编码都是通过在节点随机选取几个输入的数据包再将这些数据包进行异或运算，得到的计算结果作为编码结果进行输出。因此我们可以利用喷泉码的数据接收特性以及网络编码带给网络数据传输的高效性，发展出一种融合了网络编码和喷泉码特点的，新的数据传输方式，以此来实现多跳无线网络上可靠的数据广播，并且对其性能做一定的改善。

现有数据广播技术，数据发送端在广播数据包时，将其所存储的各个数据包依次向数据接收端进行广播，如果存在数据接收端没有将数据完全接收，那么接收端在第一次将所有的数据包依次发送结束后，将要将这些数据包再依次发送第二遍，或者更多遍，直到所有的数据接收端都成功接收数据为止。因此只要有一个数据接收端没有完成数据接收，数据发送端就必须将所有的广播数据包依次发送一遍，这造成了相当大的资源浪费，同时数据广播的效率也十分低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的用于实现多跳无线网络中数据广播的传输方法。

为实现上述目的，本发明提出了基于喷泉码和网络编码技术融合的数据传输方式，利用多跳无线网络中中继节点的编码能力，在数据从发送端经过各个中继节点直至被接收端接收的过程中，实现喷泉码的编码过程，使得数据在接收端被接收后可以经过喷泉码解码恢复出原始数据。

具体地说，本发明实现上述目的所采取的技术方案如下：

该用于实现多跳无线网络中数据广播的传输方法是：所述多跳无线网络含有两个以上的数据发送端和一个以上的数据接收端，每跳中继包含一个以上的中继节点，并且所有数据发送端与中继节点都达到同步；所述传输方法包括如下步骤：

（1）所述多跳无线网络的数据中心向各数据发送端发送一组相同的待广播数据包，各数据发送端将所接收的待广播数据包进行存储；

（2）在所有数据发送端对所接收的待广播数据包存储完毕后，所述数据中心停止向各数据发送端发送待广播数据包；

（3）在所述多跳无线网络的每一个数据发送时隙，各数据发送端从所存储的待广播数据包中随机选取一个向第一跳节点进行广播，所述第一跳节点为中继节点；

（4）第一跳节点在所述多跳无线网络的每一个数据接收时隙接收到所有数据发送端所发送的数据包后，以概率P执行网络编码，或者以概率1-P执行直接转发；

所述执行网络编码的步骤为：该第一跳节点在所有接收到的数据包中随机选择两个数据包进行异或计算，并将计算结果作为编码结果在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选择到的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙以接收新的来自所有数据发送端所发送的数据包；

所述执行直接转发的步骤为：该第一跳节点在所有接收到的数据包中随机选择一个，并将选中的数据包在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选中的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙接收新的来自所有数据发送端所发送的数据包；

若所述多跳无线网络为两跳网络，则所述下一跳节点为数据接收端并执行步骤（6）；若所述多跳无线网络为三跳以上的网络，则所述下一跳节点为中继节点并执行步骤（5）；

（5）所述多跳无线网络中的除第一跳节点以外的其他中继节点在每一个数据接收时隙接收到其上一跳节点所发送的数据包后，以概率P执行网络编码，或者以概率1-P执行直接转发；

所述执行网络编码的步骤为：该中继节点将在所有接收到的数据包中随机选择两个数据包进行异或计算，并将计算结果作为编码结果在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选择到的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙以接收新的来自所有数据发送端所发送的数据包；

所述执行直接转发的步骤为：该中继节点将在所有接收到的数据包中随机选择一个，并将选中的数据包在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选中的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙接收新的来自所有数据发送端所发送的数据包；

（6）各数据接收端在从上一跳中继节点接收数据包后利用所接收到的数据包进行LT解码直至所述数据发送端所存储的待广播数据包全部恢复，该数据接收端完成数据接收，并停止接收新的数据包；

（7）各数据接收端在完成数据接收后，向所有的数据发送端发送反馈信息表明数据接收成功；

（8）当一个数据发送端接收到所有数据接收端所发送的反馈信息后，所有数据发送端停止发送当前存储的待广播数据。

与现有技术相比，本发明的优点是：（1）广播数据包在网络传输的过程中，多跳无线网络运用基于概率P的网络编码过程完成的喷泉码编码过程,在各个中继节点对传输的待广播数据包进行异或计算或者直接转发，使得对待广播数据包的LT编码过程得以在数据包在多跳无线网络的传输过程中实现，而数据接收端在接收到一定数量的编码数据包后就可以完全恢复待广播数据包。这种数据广播与网络编码的结合，使得数据接收端可以利用喷泉码的接收特性来更高效地恢复数据；因此提升数据广播的性能。（2）本发明所述的数据广播方式基于喷泉码传输原理，数据广播业务可以以更高的效率进行传输，对比起现有的广播技术，数据发送端可以在遇到有数据接收端未能完成数据接收的情况时，发送更少量的数据包来使得数据接收端完成数据接收，这样就可以降低网络负荷以及数据发送端和接收端的开销。（3）本发明在中继节点的数据处理过程中复杂度很低，适合一般的中继节点使用；同时可以降低传输延时以及能量消耗，是一种成本很低的数据广播的实现方法。

附图说明

图1是本发明所涉及的多跳无线网络的拓扑图；

图2是本发明传输方法的流程图；

图3是本发明一种实施方式中数据接收端的误包率曲线图。

具体实施方式

图1是本发明所涉及的多跳无线网络的拓扑图，多跳无线网络含有T个（T≥2）数据发送端和一个以上的接收广播数据的数据接收端，每跳中继包含一个以上的中继节点，并且所有数据发送端与中继节点都达到同步。每个数据发送端各自储存着一组相同大小和内容的待广播数据包等待发送，这组数据包来自多跳无线网络的数据中心。数据包从数据发送端发送，经过J+1跳后达到数据接收端，也就是说网络中一共有J跳的中继，每一跳中继包含了n_i个固定位置的中继节点（i＝1,2…J），每个中继节点都有编码的功能，并且能够接收在拓扑图中来自该节点上一跳的所有节点发送的信息，而且只能接收来自上一跳节点的信息，即第一跳中继节点能够接收所有发送端发送的数据包，而第i跳中继中的中继节点能够自由接收所有属于第i-1跳中继的中继节点发送的数据，并且只能收到来自这些中继节点的数据。数据接收端是移动的，因此对于多跳无线网络，尽管第J跳中继发送数据时时广播的，但是由于发送功率的限制，并不是每一个移动数据接收端都能收到其发送的数据，因此在此多跳无线网络广播环境中，各个数据接收端根据当前的位置以及第J层中继节点的发送功率，可以接收M个第J层中继节点发送的数据包。

因此网络的总体拓扑可以表示为(T,n₁,n₂…n_J)，对于每一个数据接收端，它所对应的网络拓扑可以表示为(T,n₁,n₂…n_J-1，M)。

本发明设定：在本发明所述的多跳无线网络中，所有的数据发送端以及网络中的中继节点全部严格同步，所有的节点都在同一时刻（网络定义的数据发送时隙）发送数据包，在同一时刻（网络定义的数据接收时隙）接收数据包。

定义一个参数P，其中0<P<1，参数P表示中继节点选择执行网络编码的概率。

多跳无线网络中的各个数据发送端从服务提供商的数据中心得到一组个数相同，内容相同的待广播数据包，在各数据发送端之间达到同步后，发送端开始向数据接收端进行数据广播。

如图2所示，本发明的具体实施步骤如下：

1）各数据发送端发送数据包

多跳无线网络中的各数据发送端先从广播服务提供商的数据中心获取一组包含当前需要广播的内容的待广播数据包，然后将这组待广播数据包储存。

各数据发送端接收完所有的待广播数据包并将其储存完毕后，数据中心停止向各数据发送端发送待广播数据包，而后数据广播过程开始，每个数据发送端在每个数据发送时隙中随机地从它所存储的所有的待广播数据包中抽取一个，向第一跳的中继节点进行广播；

2）中继节点对数据包进行计算处理

多跳无线网络的各中继节点可以接收位于其上一跳所有的节点所发送的数据包。当多跳无线网络为两跳时，第一跳中继节点在每一个数据接收时隙中收到来自数据发送端发送的T个待广播数据包，在接收到这些数据包后，第一跳的中继节点根据概率P选择是否要在当前时隙在此节点执行网络编码，即执行网络编码的概率为P，不执行的概率是1-P，P的值可任意确定。需要说明的是，P的取值不同使得各个中继执行网络编码的概率发生变化，相应地使数据接收端在恢复数据发送端的数据包时所需要的总体接收时间以及总体接收数据包个数产生不同。如果选择执行网络编码，那么该中继节点就在当前接收时隙接收到的所有的数据包中随机选取两个待广播数据包进行异或计算，将计算结果作为输出向下一跳的数据接收端广播，其余未被选择到执行网络编码的数据包被丢弃。如果不选择执行网络编码，那么该节点就在当前接收时隙从接收到的所有数据包中随机选择一个数据包向下一跳的数据接收端进行广播，其余未被选择到的待广播数据包被随即丢弃。

因此，如果所述多跳无线网络只有两跳，那么数据包在经过第一跳中继的中继节点处理后就直接被广播到数据接收端，数据接收端将利用接收到的数据包进行LT解码直至恢复出数据发送端所存储的全部的待广播数据包。

而对于三跳以上的多跳无线网络，则至少包含两跳的中继节点。对于那些不是位于第一跳位置的中继节点，即对于位于第i跳（i≥2）的中继节点，该节点将在每一个数据接收时隙中收到所有由上一跳节点发送的n_i-1个（i>1）经过中继节点处理的数据包。在接收到这些数据包后，该中继节点根据概率P选择是否要在当前时隙在此节点执行网络编码（执行网络编码的概率为P，不执行的概率是1-P）。如果该节点选择执行网络编码，那么该节点就在当前接收时隙接收到的所有的数据包中随机选取两个数据包进行异或计算，将计算结果作为输出向下一层的中继节点（i<J）或者接收端广播（i＝J），其余未被选择到执行网络编码的数据包被丢弃。如果该节点不选择执行网络编码，那么该节点就在当前接收时隙从接收到的所有数据包中随机选择一个数据包向下一跳的中继节点或者数据接收端进行广播，其余未被选择到的数据包被随即丢弃。

3）数据接收端恢复发送端原始广播数据

当某个移动的数据接收端可以接收来自M个属于第J跳中继的中继节点发送的数据。各个数据发送端在经历若干的数据发送时隙（K个）完成了一定量的数据包发送后，该数据接收端一共收到了K*M个数据包，这些数据包可能已经经过了中继节点的网络编码，都是数据发送端所存储的待广播数据包的线性组合。因此对于数据接收端，它相当于接收到了一系列的由数据发送端的待广播数据包经过LT编码产生的LT码字。因此在接收到一定数量的数据包（LT码字）后，数据接收端尝试对接收到的数据包进行LT解码以恢复数据发送端的原始数据包，即所有的待广播数据包。如果当前该数据接收端LT解码失败，原始数据无法完全恢复，此接收端将会继续在接下来的若干个数据接收时隙中接收新的数据包，然后接着再次尝试进行LT解码，直到所有的发送端存储的数据包均被恢复，数据发送端所存储的待广播数据包全部被该接收端接收为止。

4）数据发送端停止数据广播

当一个数据接收端完成发送端数据包恢复后，该数据接收端向所有数据发送端发送一个反馈信号，表示数据接收完毕。当一个数据发送端接收到了来自所有数据接收端的反馈信号后，数据发送端确认所有的接收端都已完成数据接收，该数据广播成功完成，各个数据发送端停止发送数据。

从上述过程我们可以发现，通过在无限多跳无线网络中的中继节点以概率P执行网络编码，传输系统可以在发送端发送的广播数据包在网络传输的过程中完成对这些广播数据包的LT编码过程，使得数据接收端只需要接收到一定量的经过中继节点处理后的数据包，就可以通过LT解码恢复所有的广播数据包。但是通过这种方式所完成的LT编码过程，它所关联的度数分布函数并不是M.Luby提出的效率很高的Robust Soliton Distribution，而是效率比较低的一种度数分布，使得网络传输过程中生成的LT码从性能方面来说并不是最优的。但是这不妨碍数据接收端使用LT解码来恢复发送端发送的广播数据包。也就是说，经过上述的网络编码过程，接收端只要接收到一定数量的编码数据包后，就可以通过LT解码过程来恢复原始数据包，该网络编码过程实现了多跳无线网络中对发送端发送的数据的进行LT编码的过程，而数据接收端利用LT喷泉码的接收特性，以更高的效率完成数据广播的传输。

图3包含的曲线表示的是本发明的数据接收端在一种拓扑场景中的接收数据时恢复发送端数据包的误包率曲线，所谓的误包率指的是接收端所恢复的数据包和发送端所存储的待广播数据包相比，错误的数据包所占的百分比。图3曲线代表的是一个接收端的数据恢复情况，可以广泛代表数据广播时所有接收端的平均接收性能。图3误包率曲线是在下面的拓扑环境中实现的：该拓扑包括了2跳的中继，对于曲线所考察的数据接收端，我们将它所对应的拓扑表示(T,n₁,M)，其中T表示传输系统的发送端个数，这些发送端存储着相同的源数据包，在每个时隙中随机选取一个数据包进行发送。n₁表示的是第一跳中继中的中继节点的个数，这些节点各自接收T个数据发送端发送的数据包并且基于概率P选择是否要执行网络编码，然后输出处理后的数据包。M表示的是第二跳中继中可供当前接收端接收数据的中继个数，对于不同的接收端，M的值可以是不同的。图3中，设定数据发送端的待广播数据包个数为1000，一共经历800个数据发送时隙，也就是说每一个发送端各自随机发送800个待广播数据包，P表示各个中继节点执行网络编码的概率。经过网络编码后，图3表示的是接收端从M个第二层中继节点共收集了800*M个数据包以后，使用LT解码恢复源数据包时的误包率。可以发现，当各层的站点增多时，原始数据的恢复性能越好，PER的值越低。同时，在执行网络编码的概率P进行改变时，数据恢复的性能也在跟着变化，但是无论P取什么值，只要各数据发送端持续不断地发送待广播数据包，经过足够长的传输时间（数据传输时隙）后，数据接收端都能够利用LT码的接收特性完全恢复出所有的广播数据包，也就是说，从数据发送端开始发送第一个待广播数据包开始，直到数据接收端通过LT解码完成数据恢复的这段总的数据传输时间，是和P的值有关的，以更短的时间完成广播数据接收代表了更高的数据广播效率。因此，本发明的数据接收端必定能够恢复出所有的广播数据包，本发明所述的用于实现多跳无线网络中数据广播的传输方法是有效的，而选择合适的P值会使得数据广播以更高的效率进行传输。

Claims (1)

1.一种用于实现多跳无线网络中数据广播的传输方法，其特征是：所述多跳无线网络含有两个以上的数据发送端和一个以上的数据接收端，每跳中继包含一个以上的中继节点，并且所有数据发送端与中继节点都达到同步；所述传输方法包括如下步骤：

（1）所述多跳无线网络的数据中心向各数据发送端发送一组相同的待广播数据包，各数据发送端将所接收的待广播数据包进行存储；

（2）在所有数据发送端对所接收的待广播数据包存储完毕后，所述数据中心停止向各数据发送端发送待广播数据包；

（3）在所述多跳无线网络的每一个数据发送时隙，各数据发送端从所存储的待广播数据包中随机选取一个向第一跳节点进行广播，所述第一跳节点为中继节点；

（4）第一跳节点在所述多跳无线网络的每一个数据接收时隙接收到所有数据发送端所发送的数据包后，以概率P执行网络编码，或者以概率1-P执行直接转发；

所述执行网络编码的步骤为：该第一跳节点在所有接收到的数据包中随机选择两个数据包进行异或计算，并将计算结果作为编码结果在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选择到的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙以接收新的来自所有数据发送端所发送的数据包；

所述执行直接转发的步骤为：该第一跳节点在所有接收到的数据包中随机选择一个，并将选中的数据包在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选中的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙接收新的来自所有数据发送端所发送的数据包；

若所述多跳无线网络为两跳网络，则所述下一跳节点为数据接收端并执行步骤（6）；若所述多跳无线网络为三跳以上的网络，则所述下一跳节点为中继节点并执行步骤（5）；

（5）所述多跳无线网络中的除第一跳节点以外的其他中继节点在每一个数据接收时隙接收到其上一跳节点所发送的数据包后，以概率P执行网络编码，或者以概率1-P执行直接转发;

所述执行网络编码的步骤为：该中继节点在所有接收到的数据包中随机选择两个数据包进行异或计算，并将计算结果作为编码结果在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选择到的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙以接收新的来自上一跳中继节点所发送的数据包；

所述执行直接转发的步骤为：该中继节点在所有接收到的数据包中随机选择一个，并将选中的数据包在紧接的下一个数据发送时隙向下一跳节点广播，将其余未被选中的数据包丢弃，接着等待下一个数据接收时隙接收新的来自上一跳中继节点所发送的数据包；

（6）各数据接收端在从上一跳中继节点接收数据包后利用所接收到的数据包进行LT解码直至所述数据发送端所存储的待广播数据包全部恢复，该数据接收端完成数据接收，并停止接收新的数据包；

（7）各数据接收端在完成数据接收后，向所有数据发送端发送反馈信息表明数据接收成功；

（8）当一个数据发送端接收到所有数据接收端所发送的反馈信息后，所有数据发送端停止发送当前存储的待广播数据。

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