CN102065472B

CN102065472B - 基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法

Info

Publication number: CN102065472B
Application number: CN 201010580967
Authority: CN
Inventors: 任智; 丁冬; 郑爱利
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: CN102065472A

Abstract

基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法，属于使用网络编码技术且具有全局统一时钟机制的无线网络领域，它由分组收发时间跨层获取和存储、编码运算参与分组收发时间传递、解码运算参与分组确定三个步骤构成。本发明以较小的通信开销，实现对网络编码运算参与分组的准确确定，保障网络编码运算与操作的正确性和可靠性；与现有的无线网络编码运算参与分组确定方法相比，在保证方法的适用性和可扩展性的同时，减少了网络带宽资源的消耗，提高了带宽使用率。

Description

基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法

技术领域

本发明属于使用网络编码技术的无线网络领域，具体涉及采用统一时间信息的多个无线网络节点，在这些无线网络节点中采用的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法。

背景技术

网络编码（Network Coding, NC）是由R. Ahlswede等人提出的一种网络信息传输技术（参见文献：R. Ahlswede, N..Cai, S.-Y. R. Li, R. W. Yeung. Network Information Flow[J]. IEEE Transactions on Information Theory, Vol.46, No.4, July 2000:1204-1216.）。在无线通信网络中，由于无线节点通信距离有限等原因，源和目的节点之间需要通过中间节点转发进行多跳传输才能实现通信。根据传统的无线网络的通信模式，端到端路径的中间节点仅完成数据包的存储、转发，不对数据包进行任何处理。而在采用网络编码技术的无线网络中，中间节点（下文简称为“编码节点”）不但具有转发功能还具有计算功能，当它接收到不同源节点发送的数据分组后对这些数据分组（下文简称为“被编码分组”）进行编码运算，将多个被编码分组编码成一个或多个输出数据分组（下文简称为“编码分组”），然后再把它们以组播的形式转发出去，发送给多个目的节点（下文简称为“解码节点”），最后由各个解码节点分别进行解码得到所需数据分组。这样，通过引入节点的编解码运算，可以增加分组转发的信息量，减少数据分组的发送次数，获得较高的转发效率，提高无线带宽的利用率，从而提高无线网络的吞吐量并增强无线信息传输的安全性和健壮性。

网络编码技术具有多种网络编解码方案，其中异或编解码方案因为简单可靠而且易于实现，具有较好的实用性，因而成为一种常用的网络编码方案。中间节点通过对接收到的数据分组进行异或运算完成信息合并，实现中间节点的数据压缩，这是网络编码技术应用于无线网络的最直接的一种形式（参见文献：S. Katti, H. Rahul, W. Hu, D. Katabi, M. Medard, J. Crowcroft. XORs in the Air: Practical Wireless Network Coding[C]. Proceedings of the 2006 Conference on Applications, Technologies, Architectures, and Protocols for Computer Communications, September 11-15, 2006, Pisa, Italy: 243-254.）。

网络编码作为通信网络中的信息处理和传输理论研究的重大突破，具有重要的理论价值和广阔的应用前景，被认为是下一代网络关键技术之一。由于无线链路的广播特性非常适合采用网络编码技术，网络编码在无线网络中具有良好的应用前景，将网路编码应用到无线网络中能够节省无线信道的带宽，提高网络吞吐量，增强网络的健壮性和安全性。目前人们在网络编码的研究和应用方面已开展了一些工作并取得一定进展，如A. Argyriou提出了一套增强现有无线网络MAC协议的方法，能够在使用网络编码技术时提高编码决策的效率并查证被传输分组的解码能力，从而达到提高网络吞吐率等性能的效果（参见文献：A. Argyriou. Wireless network coding with improved opportunistic listening[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 8, No. 4, April 2009:2014-2023.）；H. Yomo等人设计了一种机会地选择被编码分组和解码节点、并根据时变信道状况和分组长度选择编码分组调制参数的方案，达到提高网络整体吞吐量的效果（参见文献：H. Yomo, P. Popovski. Opportunistic Scheduling for Wireless Network Coding[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 8, No. 6, June 2009:2766-2770.）；肖潇等人研究了多个节点情况下的无线广播重传问题，提出一种基于网络编码的重传组合策略，将多个信息包编码组合后发送，一次组合包重传操作可以实现原有策略多次操作的目的，有效地减少了信息包的传输次数，节省了网络带宽（参见文献：肖潇, 杨路明, 蒲保兴. 基于网络编码的多节点无线广播重传策略. 计算机应用, Vo1. 28, No. 4, Apr. 2008:849-852.）。

但是从上述文献和研究现况来看，虽然人们在MAC协议优化、广播操作和选择编码分组等方面获得一些研究成果，但在确定参与解码运算的分组（下文简称为“解码分组”，即该解码节点发送的、被编码节点用于网络编码的“被编码分组”）方面仍存在问题：目前的无线网络编码方案中，通常采用两种方法来确定参与解码运算的分组：（1）在特定条件下，根据分组收发的次序来确定，如在一段时间内发送1个分组后便只接收分组，然后使用这些收发的分组来进行解码运算，许多方案使用这种方法；但这种方法只适用于一些特殊的网络场景，在适用性和可扩展性方面有欠缺。（2）为传输的每个数据分组加入序列号，根据序列号来确定参与解码运算的分组，如上文中肖潇等人设计的方案就采用这种方法；这种方法能够满足无线网络在适用性和可扩展性方面的要求，但会消耗一定的无线网络带宽。本发明将针对确定解码运算参与分组的问题，提出一种新的基于跨层设计的方法，在满足适用性和可扩展性要求的同时，又能比现有方法更节约带宽资源。

不难看出，现有的无线网络编码技术中存在如下问题：通常情况下，解码节点发送和接收的分组不会只有1个，因此在进行解码时，解码节点面临着如何在已有的多个分组中确定参与解码运算的解码分组的问题，只有准确地找到解码分组，才能正确解算出数据分组，保证网络编码过程和运算的正确性。针对这个问题，我们提出用发送和接收时间来判断节点进行解码运算所需分组的方法（即时间戳法），通过跨层信息交互，以较小的通信开销有效而准确地为解码节点找到解码运算所需分组，保障无线网络编码运算和操作的可靠性和正确性。

发明内容

本发明的目的是采用在无线网络编码分组中增加被编码分组接收或发送时间信息的方式，以较小的通信开销为解码节点确定参与解码运算的分组，从而使解码运算能够获得正确结果，保障无线网络编码的正确性的可靠性。

本发明提出的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法是：在网络编码过程中，由编、解码节点通过跨层信息共享在网络层获取并存储分组的收发时间；编码节点将参与编码运算的分组的接收或发送时间作为时间戳放入通过编码运算形成的编码分组中，以组播的形式把编码分组发送给多个解码节点，解码节点收到编码分组后提取出相应的时间信息；然后解码节点将这些时间信息与它自己存储的分组收发时间进行比较，推算出对应的分组收发时间，进而确定对应的参与解码运算的分组。在本发明所提方法的实现过程中需要所有节点具有全局统一的时钟，可以由一些现有的全局时间机制提供，如GPS系统或同步网。

为实现本发明的目的而采用的技术方案是这样的，即一种基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法，其特征是：包括以下三个步骤：

（1）分组收发时间跨层获取和存储

无线网络节点依靠全局统一的时间信息（可以通过GPS系统等途径获取），通过跨层信息共享的方式在无线节点所在的网络层记录网络编码过程中每个分组的收发时间值；具体步骤为：

a、参与网络编码的无线节点的网络层在发送分组的时候，记录分组对应帧的最后一位刚好发完时刻的时间值，并将该值作为该分组的发送时间值；在接收分组的时候，物理层记录分组对应帧的最后一位刚好收完时刻的时间值，以该值作为该分组的接收时间值；

b、无线节点的物理层和MAC层将第a步骤记录的分组收发时间值及其对应分组的信息（如在节点内部使用的分组编号）通过跨层信息共享的方式传送给无线节点的网络层，并按分组-时间对应的映射关系进行存储；

c、无线节点所在的网络层设置有1个有限的缓存空间，按时间顺序保存a步骤记录下的分组收发的时间值，所述缓存空间采取先进先出的数据溢出方式对存储的时间值进行更新，以便在有限的空间中保存最近一段时间内所发分组的时间值；

（2）编码运算参与分组收发时间传递

进行网络编码运算的无线节点为编码节点，由编码节点查找出编码运算参与分组接收或发送的时间值，然后将它们封装进编码后形成的编码分组，并把该编码分组封装的时间值通过组播形式发送给进行解码运算的无线节点，以进行解码运算的无线节点为解码节点，解码节点从收到的编码分组中提取出相应的收发时间值；具体步骤如下:

a、编码节点运行完编码运算，将运算结果写入编码分组的同时，根据分组-时间对应的映射关系，查找出编码运算参与分组的接收或发送的时间值，其中，编码节点接收或发送的未编码分组都可以成为编码运算参与分组；

b、编码节点将编码运算参与分组的收发时间值写入编码分组中专设的相应字段；

c、编码节点将编码分组以组播的形式发送给若干个解码节点，编码运算参与分组的收发时间值也随之被传递；

d、解码节点接收编码分组，并从中提取出上述编码运算参与分组的收发时间值，以便在确定解码运算参与分组时使用；

（3）解码运算参与分组确定

进行网络解码运算的无线节点为解码节点，解码节点对从前述编码分组中提取的编码运算参与分组的收发时间值和自己存储的分组收发时间值进行比较，得到与自己相关的编码运算参与分组的收发时间，然后再根据该时间确定对应的分组，这些分组即为所求的参与解码运算的分组；具体步骤如下：

a、解码节点用提取出的编码运算参与分组的收发时间值，与自己存储的分组发送或接收的时间值逐一比较，查找出对应于同一编码运算参与分组的发送或接收时间值；

b、根据步骤（3）a得到的时间值，通过查询按步骤（1）b存储的分组-时间映射关系，确定出对应的参与编码运算的分组，则这些分组即为所求的参与解码计算的分组。

显然，本发明所提的上述方法包括两个主要机制：时间信息的处理和运算分组的确定。

1、时间信息的处理机制

在使用网络编码的无线网络中，设有两个解码节点Na、Nb和1个编码节点Nc，Na和Nb各有1个分组要经过Nc中继转发给对方。

Na记录每个分组的发送时间a_i, i=1,2,3,…；Nb记录每个分组的发送时间b_j, j=1,2,3,…；当Na发送分组Pa给Nc时，Nc记录收到分组Pa的时间t₁；当Nb发送分组Pb给Nc时，Nc记录收到分组Pb的时间t₂；然后Nc将Pa和Pb的数据部分取出进行异或，接着把异或结果、t₁和t₂封装成一个分组Pc，并以组播的形式将Pc发送给Na和Nb；Na和Nb收到Pc后，Na提取出数据部分和t₁备用，Nb提取出数据部分和t₂备用。

2、运算分组的确定机制

节点Na收到分组Pc并提取出数据部分和t₁后，将t₁与自己记录的发送时间a_i逐个比较，如果a_i<t₁<a_i+1，即min(t₁-a_i)&&(a_i<t₁)，那么a _i即是与t₁对应的分组发送时间，则a_i对应的被发送分组Pa就是t₁时刻对应的被接收分组，即解码运算所需要确定的分组；节点Nb收到分组Pc并提取出数据部分和t₂后，将t₂与自己记录的发送时间b_i逐个比较，如果b_j<t₂<b_j+1，即min(t₂-b_j)&&(b_j<t₂)，那么b_j即是与t₂对应的分组发送时间，则b_j对应的被发送分组Pb就是t₂时刻对应的被接收分组，即解码运算所需要确定的分组。

通过以上两种机制的运行，能够有效解决无线网络编码的解码运算中解码分组的确定问题，防止解码时的运算错误，保障网络编码运算和过程的正确性和可靠性。

为了从理论上说明通过收发时间来确定被发送或被接收分组的可靠性，我们在此证明：在发送节点发完帧的时刻t_s和接收节点收完帧的时刻t_r之间，不会出现另一帧被完整收发的情况。

证明：由全局统一的时钟，可得t_s和t_r之间的差值t：t= t_r- t_s, 且有 t>0. 又根据无线通信传播的原理，有：t = d / c ; d是收发节点的距离，c是光速，c = 3 x 10⁸m/s, 取d =10000m, 有t = 10000 / 3 x 10⁸= 3.3 x 10^-5s.

现在推算在无线节点之间从第1帧发完到下一帧发完之间最少需要的时间t_min:

t_min = t_v + t_f + t_a, 其中t_v表示连续发送的两帧间的最小间隔, t_f表示以无线信道能够支持的最大速率B发送1个长度最短的帧L_min所需要的时间，t_a表示无线信号传过最短的节点距离所需要的时间。

t_f = L_min/ B, 以目前现实中使用的最快速的无线网络标准IEEE802.11n为例，它能够达到的最快速度为600Mbps; 而802.11n使用的地址为48 bits, ∴L_min = 2 x 48 +1 = 97 (bits);

t_f = 97 / 6 x 10⁸ ≈ 1.6 x 10^-7.

t_a = d_min / c= 0.5 / 3 x 10⁸≈ 1.7 x 10^-9. 此处取节点之间的最小距离为0.5m.

根据IEEE802.11系列标准，t_v> 1 x 10^-3 s

t_min = t_v + t_f + t_a > 1.6 x 10^-7+1.7 x 10^-9+1 x 10 ^-3 s

t_min > 1000.1617 x 10^-6s

比较t和t_min, 有 t < t_min.

对于采用TDM机制的MAC接入方式，由于TDM帧之间设置有足够长的安全时隙以避免前后两帧在传输中交叠，因此同样有：t < t_min.

以上两种情况均说明，在发送节点发完帧的时刻t_s和接收节点收完同一帧的时刻t_r之间，不会出现另一帧被完整收发的情况。证毕。

本发明在分组收发时间跨层获取和存储阶段具有如下特征：

1、无线节点的网络层通过跨层信息共享的方式，从物理层和MAC层获得每个分组的发送或接收时间以及对应的分组信息；

2、网络层存储跨层获取的信息并建立“分组-时间”对应的映射关系；

3、网络层建立了采用“先进先出”溢出方式的有限缓存空间用于存储时间和分组信息，既考虑了资源的限制，又能保存最近一段时间内所发分组的时间信息。

本发明在分组收发时间跨层获取和存储阶段的创新在于：通过使用跨层信息共享的方式，使网络编码过程中的每个节点的网络层能够获取并存储每个分组的发送或接收时间以及“分组-时间”对应关系，为解码运算分组的确定提供了必要的索引信息；同时，“先进先出”有限缓存空间的建立，也在资源限制和存储需求之间实现了平衡。

本发明在分组收发时间跨层获取和存储阶段的实质是：无线节点的网络层通过与物理层和MAC层的跨层信息共享获得并存储每个分组的发送或接收时间，为解码运算分组的确定提供了必要的索引信息和基本条件。

本发明在编码运算参与分组收发时间传递阶段具有如下特征：

1、编码节点根据编码运算参与分组的信息查询“分组-时间”关系获得它们的收发时间；

2、编码分组中要设置专门的字段携带编码运算参与分组的收发时间；

3、编码运算参与分组的收发时间随着编码分组的组播被传递给其它节点；

4、解码节点接收到编码分组后，要从中提取出编码运算参与分组的收发时间信息。

本发明在编码运算参与分组收发时间传递阶段的创新在于：编码节点根据编码运算参与分组的信息查询“分组-时间”关系获得它们的收发时间，并将此信息装载到编码分组的专设字段中，随着编码分组的组播传递给其它节点，信息“捎带”的方式减少了通信开销。

本发明在编码运算参与分组收发时间传递阶段的实质是编码节点查查找出编码运算参与分组的收发时间信息，并随着编码分组的组播“捎带”发送给其它节点，用较少的通信开销实现了时间信息的传递。

本发明在解码运算参与分组确定阶段具有如下特征：

1、解码节点要用提取出的编码运算参与分组收发时间值与自己存储的分组发收时间值逐一比较，查找获得对应于同一分组的发送或接收时间值。

2、解码节点要根据查找出的分组收发时间值确定其对应的先前被接收或发送的分组。

本发明在解码运算参与分组确定阶段的创新之处在于：根据分组发送和接收的先后相邻的时间关系，依靠编码节点存储的分组收发时间，解码节点通过比较运算获得自己存储的同一个分组的发收时间，进而通过“分组-时间”映射关系找出该分组用于解码运算，从而实现对网络编码运算分组的准确确定，为网络编码运算和操作的正确进行提供保障。

本发明在解码运算参与分组确定阶段的实质是通过先后相邻的时间关系由编码节点的分组收发时间查找出解码节点的分组发收时间，然后再通过“分组-时间”映射关系确定对应的同一个分组，完成确定解码运算分组的过程。

在具体应用的过程中，可以按照上述三个步骤所确定的方法，通过结合硬件条件的软件编程来实现本发明提出的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法。

本发明具有以下有益效果：

1、现有在无线网络编码中确定解码运算参与分组的方法存在需要特定网络条件和耗用一定网络带宽资源的问题，本发明提出的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法能够实现确定无线网络编码运算分组的功能，同时不需要特定的网络条件，在网络带宽的耗费方面也比现有采用分组序列号的方法更少。

2、本发明提出的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法采用物理层、MAC层和网络层跨层共享信息的方式，使无线节点的网络层能够获得并存储分组的收发信息，增强了网络层的信息获取和存储功能。

3、本发明提出的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法，在全局统一时钟的支持下，能够通过两个节点发送和接收同一个分组的时间关系，准确地推算得出发送节点先前所发分组，从而为网络编码中的解码运算确定运算分组，保障运算的正确性。

附图说明：

图1为使用异或运算的无线网络编码方案示意图

图中的作为中继结点的编码节点通过异或运算对数据进行编码，同时两个解码结点通过异或运算进行解码。通过网络编码的运用，提高了网络的带宽利用率、整体吞吐量、安全性和健壮性。

图2为本发明提出的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法的步骤示意图

基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法分为在时间上有先后顺序的3个步骤，3个步骤相互关联成为一个有机统一的整体。

图3为无线节点的网络层跨层获取和存储分组发送时间示意图

分组发送时间是指节点的物理层发送完该分组对应的帧的最后1bit的时间；网络层获取和存储该时间的功能通过物理层、MAC层和网络层的跨层信息共享来完成。

图4为无线节点的网络层通过跨层信息共享获取和存储分组接收时间示意图

分组接收时间是指节点的物理层接收完1个分组对应的帧的最后1bit的时间；网络层获取和存储该时间的功能通过物理层、MAC层和网络层的跨层信息共享来完成。

图5为编码运算参与分组收发时间传递示意图。

编码运算参与分组收发时间信息的传递可分为4个子步骤，子步骤之间在时间上有先后顺序。

图6为解码运算参与分组确定阶段示意图。

解码运算参与分组确定阶段包含两个步骤：①根据同一分组的发送和接收时间呈先后次序且位置相邻的规律，比较推算获得编码运算参与分组的发送或接收值；②根据发送时间值确定对应的编码运算参与分组，这些分组即是解码运算需要的分组。

具体实施方式

本发明适用于使用网络编码技术且具有全局统一时钟的无线网络领域，特别是在网络编码中采用异或运算的情况。方法包括以下三个步骤：

（1）分组收发时间跨层获取和存储

b、无线节点的物理层和MAC层将第a步骤记录的分组收发时间值及其对应分组的信息通过跨层信息共享的方式传送给无线节点的网络层，并按分组-时间对应的映射关系进行存储；

（2）编码运算参与分组收发时间传递

a、编码节点运行完编码运算，将运算结果写入编码分组的同时，根据分组-时间对应的映射关系，查找出编码运算参与分组的接收或发送的时间值，当编码运算参与分组大于2个时，除了使用编码节点收到的分组外，也有可能使用编码节点自己发送的分组；在编码运算中，缺省的编码运算是2个编码运算参与分组进行异或编码运算，因此需要编码运算参与分组有2个，相应的时间值有2个，其它同类的编码运算方法可以采用类似方法进行处理；

（3）解码运算参与分组确定

本发明方法的一个非限定性的例子：在节点数不小于3的使用GPS的无线多跳网络中，有两个节点与同一个中间节点通过无线链路相连，且它们都有数据分组要发给对方，如果他们采用了网络编码技术，则在网络编码的运行过程中可以使用本发明提出的基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法，通过物理层、MAC层和网络层之间的跨层信息共享，在使用较小通信开销的情况下，为执行解码运算的节点准确地确定参与解码的分组，保障网络编码运算的正确性和可靠性。在无线网络的运行过程中，建议每个节点都周期性地用GPS的标准时间来校时，在时间值的记录、存储和传送过程中，如果存储和运载空间允许，建议采用“年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒”的记录方式；如果存储和运载空间不允许或者为了节省开销，在不影响运算准确性的前提下，可以省略一些时间单位的表示，如年、月等，但建议不省略“秒”和“毫秒”等基本而必要的时间单位。

Claims

1.基于跨层设计的确定无线网络编码参与分组的方法，其特征是：包括以下三个步骤：

（1）分组收发时间跨层获取和存储

无线网络节点依靠全局统一的时间信息，通过跨层信息共享的方式在无线节点的网络层记录网络编码过程中每个分组的收发时间值；具体步骤为：

c、无线节点的网络层设置有1个有限的缓存空间，按时间顺序保存步骤（1）a记录下的分组收发的时间值，所述缓存空间采取先进先出的数据溢出方式对存储的时间值进行更新；

（2）编码运算参与分组收发时间传递

进行网络编码运算的无线节点为编码节点，由编码节点查找出编码运算参与分组接收或发送的时间值，然后将它们封装进编码后形成的编码分组，并把该编码分组通过组播形式发送给进行解码运算的无线节点，以进行解码运算的无线节点为解码节点，解码节点从收到的编码分组中提取出相应的收发时间值；具体步骤如下:

a、编码节点运行完编码运算，将运算结果写入编码分组的同时，根据分组-时间对应的映射关系，查找出编码运算参与分组的接收或发送的时间值，其中，编码节点接收或发送的未编码分组也可以成为编码运算参与分组；

c、编码节点将编码分组以组播的形式发送给多个解码节点，编码运算参与分组的收发时间值也随之被传递；

（3）解码运算参与分组确定

进行网络解码运算的无线节点为解码节点；解码节点对从前述编码分组中提取的编码运算参与分组的收发时间值和自己存储的分组收发时间值进行比较，得到与自己相关的编码运算参与分组的收发时间，然后再根据该时间确定对应的分组，这些分组即为所求的参与解码运算的分组；具体步骤如下：