CN102075292A - 一种喷泉网络编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷泉网络编码方法，具体涉及一种在无线通信网络中实现可靠网络编码的方法，属于通信编码技术领域。采用将网络编码与喷泉编码相结合的方法使得信息在无线网络中实现可靠高效传输，步骤包括对信源进行喷泉编码、信源将喷泉编码分组再以广播的方式向中间节点传输、中间节点进行喷泉译码、中间节点重新进行喷泉编码并以广播的方式向下一级节点传输、信宿节点收集喷泉编码分组并进行喷泉译码。本发明可以降低实际网络的网络编码的复杂度，融合了喷泉码后的网络编码的通信可靠性得到显著提高，能够实现在无线信道环境下到达最大流最小割理论决定的网络容量。

Description

一种喷泉网络编码方法

技术领域

本发明涉及一种喷泉网络编码方法，具体涉及一种在无线通信网络中实现可靠网络编码的方法，属于通信编码技术领域。

背景技术

根据网络编码理论，对于一个多节点的通信网络，如果允许各节点对多条输入信道上的信息进行一定的线性或非线性操作，然后再转发出去，则该网络的多播速率可以达到最大流最小割定理所决定的网络容量。网络编码理论是网络信息论新的研究热点。研究发现，网络编码不但能够节约网络的带宽资源，还可以节约终端节点能量消耗、均衡网络负载、提高网络的鲁棒性等。初期的网络编码研究隐含地使用了一条重要假设：网络中各节点之间的信道是可靠的。对于像Internet这样的网络，由于传输的高可靠性，这样的假设与实际符合。然而，对于一个实际的无线网络，各节点之间的链路是不可靠的，允许节点对输入的各支路数据进行网络编码再转发，确实能够实现最大流最小割理论指出的组播容量，但使用编码转发，各转发节点的一个输入错误会由于编码造成多个输出支路输出错误数据，此差错还会继续沿着网络扩散。这种差错扩散带来的可靠性下降会削弱甚至很快超过使用网络编码带来的好处。为了降低网络编码对每段链路传输可靠性的要求，人们提出了基于网络编码的差错控制技术。基于网络编码的差错控制是针对网络、而非一条链路或一条路径进行操作的。这种网络编码差错控制是一种新的差错控制方式，但使用此方式构造纠错编码，当网络节点数较多时，纠错码需要在很大的有限域下进行构造，因而这种码的编译码复杂度都很高。

喷泉码是一种应用于删除信道的纠错码技术。喷泉编码的典型应用包括无线组播和广播业务、无线协作与中继、分布式网络存储等。喷泉码的基本思想是，在发送端使用无比率编码方法将K个信源数据分组编成半无穷数据分组序列再进行发送。每一个接收点正确接收到K个编码分组或者略大于K个编码分组即可解出原发送的K个信源数据分组。接收机正确译出所发送K个源数据分组后，即向发送端发送单次确认信号，结束此次通信。使用喷泉编码技术，只要接收端收到K个编码数据分组，接收端就能够正确地译出源数据分组序列。喷泉码技术应用在多播网罗中能显著提高数据吞吐能力。

网络编码和喷泉编码都可应用于多播系统提高网络的数据吞吐能力，但二者各自独立应用于无线衰落环境下的多节点分布式网络，都具有其自身的局限，而且两者具有互补性。因此，有必要融合网络编码和喷泉编码，研究无线信道环境下新型网络纠错编码方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服网络编码和喷泉编码两者各自的局限性，将网络编码与喷泉编码相结合，提出了一种喷泉网络编码方法，能够在无线网络中实现高效可靠传输。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种喷泉网络编码方法，应用于单向传输网络，网络环境中包含一个信源节点、一个或者一个以上的中间节点和一个或者一个以上信宿节点，信源节点中有K个信源分组需要最终传送到信宿节点，其步骤如下：

步骤一、信源节点对K个信源分组进行喷泉编码，产生喷泉编码分组，并以广播的方式向信源节点邻近的下一级中间节点传输喷泉编码分组；

步骤二、当中间节点接收到喷泉编码分组的数量达到可执行数量N后开始进行喷泉译码，译码成功后，中间节点向信源节点发送译码成功的确认信号；信源节点收到所有与该信源节点邻近的接收节点的确认信号后，停止喷泉编码发送；

步骤三、本级中间节点译出信源分组后，重新进行新的喷泉编码分组，并向其相邻的下一级节点以广播的方式传输喷泉编码分组，若下一级节点为信宿节点时，转至步骤四；否则下一级节点仍为中间节点，当下一级中间节点接收到喷泉编码分组的数量达到可执行数量N后开始进行喷泉译码，译码成功后，下一级中间节点向本级中间节点发送译码成功的确认信号；本级中间节点收到所有下一级中间节点的确认信号后，停止喷泉编码发送；将下一级中间节点升级为本级中间节点并重复步骤三；

步骤四、信宿节点从其上一级中间节点接收喷泉编码分组，当接收到的喷泉编码分组达到可执行数量N后开始进行喷泉译码，译码成功后并向其上一级发送节点发送一个译码成功的确认信号，此时信宿节点恢复信源分组成功；

步骤五、当信宿节点的上一级中间节点收到所有信宿节点的确认信号后，停止喷泉编码发送，喷泉网络编码方法处理完毕；

上述步骤二、步骤三和步骤四中的可执行数量N由所采用的喷泉编码方式和译码方式决定；

上述步骤二中喷泉译码的算法为BP译码算法或者高斯消元法；

上述步骤三种重新进行新的喷泉编码分组的过程可以通过更新喷泉编码器的随机种子来实现。

有益效果

本发明可以降低实际网络的网络编码的复杂度，融合了喷泉码后的网络编码的通信可靠性得到显著提高，能够实现在无线信道环境下到达最大流最小割理论决定的网络容量。

附图说明

图1为本发明的实施例的网络信号示意图；

图2为本发明编码方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示的网络，共包含6个网路节点，分别为1个信源节点S、3个中间节点T、U、W和2个信宿节点Y、Z，每条链路都有相同的传输能力，某时刻信源有100个信源分组要传输到信宿Y和Z。

该网络采用本发明的喷泉网络编码方法，实现网络编码和信息的传送，其流程如图2所示，具体步骤包括：

步骤一、信源节点S对100个信源分组进行喷泉编码，产生喷泉编码分组，并以广播的方式向节点T和节点U传输100个喷泉编码分组；

步骤二、中间节点T和U处接收到100个喷泉编码分组后，译码恢复100个信源分组，并向发送端也即信源节点S发送译码成功的确认信号，信源节点S停止喷泉编码的传输；

步骤三、节点T和U更新喷泉编码器的随机种子，重新对100个信源分组进行新的喷泉编码，以广播方式向节点W、Y和Z传输；中间节点W从节点T和节点U获得的喷泉编码分组的数量累计达到100个后，中间节点W译出100个编码分组并向节点T和U发送译码成功的确认信号；中间节点W更新喷泉编码器的随机种子，重新对100个信源分组进行新的喷泉编码，并以广播的方式向信宿节点Y和Z传输；

步骤四、信宿节点Y从中间节点T和W获得的喷泉编码分组的数量累计达到100个后，信宿节点Y译出100个编码分组，并向中间节点T和W发送确认信号；信宿节点Z从中间节点U和W获得的喷泉编码分组的数量累计达到100个后，信宿节点Z译出100个编码分组，并向中间节点U和W发送确认信号；

步骤五、节点T、U和W收到全部对应下一级节点发送的确认信号后，停止喷泉编码的发送，喷泉网络编码方法处理完毕。

上述步骤中，喷泉编码方式采用RS码，译码方式采用高斯消元法，由此决定了每个节点译码所需的喷泉编码分组数量为原始信源节点所发送的信源分组的数量，即100。

实施例2

如图1所示的网络，共包含6个网路节点，分别为1个信源节点S、3个中间节点T、U、W和2个信宿节点Y、Z，每条链路都有相同的传输能力，某时刻信源有100个信源分组要传输到信宿Y和Z。

该网络采用本发明的喷泉网络编码方法，实现网络编码和信息的传送，其流程如图2所示，具体步骤包括：

步骤一、信源节点S对100个信源分组进行喷泉编码，产生喷泉编码分组，并以广播的方式向节点T和节点U传输喷泉编码分组；

步骤二、中间节点T和U处接收到110个喷泉编码分组后，译码恢复100个信源分组，并向发送端也即信源节点S发送译码成功的确认信号，信源节点S停止喷泉编码的传输；

步骤三、节点T和U更新喷泉编码器的随机种子，重新对100个信源分组进行新的喷泉编码，以广播方式向节点W、Y和Z传输；中间节点W从节点T和节点U获得的喷泉编码分组的数量累计达到110个后，中间节点W译出100个编码分组并向节点T和U发送译码成功的确认信号；中间节点W更新喷泉编码器的随机种子，重新对100个信源分组进行新的喷泉编码，并以广播的方式向信宿节点Y和Z传输；

步骤四、信宿节点Y从中间节点T和W获得的喷泉编码分组的数量累计达到110个后，信宿节点Y译出100个编码分组，并向中间节点T和W发送确认信号；信宿节点Z从中间节点U和W获得的喷泉编码分组的数量累计达到110个后，信宿节点Z译出100个编码分组，并向中间节点U和W发送确认信号；

步骤五、节点T、U和W收到全部对应下一级节点发送的确认信号后，停止喷泉编码的发送，喷泉网络编码方法处理完毕。

上述步骤中，喷泉编码方式采用LT码，译码方式采用BP译码算法，由此决定了每个节点译码所需的喷泉编码分组数量为原始信源节点所发送的信源分组的数量的110％，即110。

Claims (4)

1.一种喷泉网络编码方法，应用于单向传输网络，网络环境中包含一个信源节点、一个或者一个以上的中间节点和一个或者一个以上信宿节点，信源节点中有K个信源分组需要最终传送到信宿节点，其特征在于步骤如下：

步骤一、信源节点对K个信源分组进行喷泉编码，产生喷泉编码分组，并以广播的方式向信源节点邻近的下一级中间节点传输喷泉编码分组；

步骤二、当中间节点接收到喷泉编码分组的数量达到可执行数量N后开始进行喷泉译码，译码成功后，中间节点向信源节点发送译码成功的确认信号；信源节点收到所有与该信源节点邻近的接收节点的确认信号后，停止喷泉编码发送；

步骤三、本级中间节点译出信源分组后，重新进行新的喷泉编码分组，并向其相邻的下一级节点以广播的方式传输喷泉编码分组，若下一级节点为信宿节点时，转至步骤四；否则下一级节点仍为中间节点，当下一级中间节点接收到喷泉编码分组的数量达到可执行数量N后开始进行喷泉译码，译码成功后，下一级中间节点向本级中间节点发送译码成功的确认信号；本级中间节点收到所有下一级中间节点的确认信号后，停止喷泉编码发送；将下一级中间节点升级为本级中间节点并重复步骤三；

步骤四、信宿节点从其上一级中间节点接收喷泉编码分组，当接收到的喷泉编码分组达到可执行数量N后开始进行喷泉译码，译码成功后向其上一级发送节点发送一个译码成功的确认信号，此时信宿节点恢复信源分组成功；

步骤五、当信宿节点的上一级中间节点收到所有信宿节点的确认信号后，停止喷泉编码发送，喷泉网络编码方法处理完毕；

上述步骤二、步骤三和步骤四中的可执行数量N由所采用的喷泉编码方式和译码方式决定。

2.根据权利要求1所述的一种喷泉网络编码方法，其特征在于：所述喷泉编码方法为RS码或者LT码。

3.根据权利要求1所述的一种喷泉网络编码方法，其特征在于：所述步骤二中喷泉译码的算法为BP译码算法或者高斯消元法。 

4.根据权利要求1所述的一种喷泉网络编码方法，其特征在于：所述步骤三中重新进行新的喷泉编码分组的过程通过更新喷泉编码器的随机种子来实现。 

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