CN102170613B - 基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法，主要解决现有方法在自组织网络拓扑频繁变化时，不断获取全网拓扑信息造成无线频谱资源的大量损耗，以及局部拓扑变化或某条链路出错导致部分信宿节点不能成功解码的问题。其具体过程为：发hello包获取网络拓扑状态；按最大连接度分群算法对网络进行分群；对已划分好的群进行分级；从级数最大的群开始，逐级在每个群中构造最优网络编码方案；所有节点分级进行数据传输；若信宿节点都正确接收数据结束本次多播。本发明降低了在不断更新拓扑信息时无线资源的损耗，提高了信宿节点成功解码的概率，减少了数据成功传输时间，用于自组织网络多播场景中。

Description

基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及网络编码多播方法，应用于无线自组织网络多播场景的数据传输过程中。

背景技术

传统的多播传输是通过构造多播树实现的，典型的多播树，如最小费用的Steiner树，其构造过程一般是个NP完全问题，因此大多数的近似算法均不能使多播传输达到“最大流最小割”定理确定的最大理论传输容量。这主要是由于现有通信网络中，中间节点往往仅对收到的信息进行存储和转发而造成的。香港中文大学R.Alshwede等人在2000年的IEEE信息论会刊上首次提出了网络编码的概念，并从理论上证明：对于传输的信息，若网络中的节点除了可以进行存储转发外，还可以按照某种合适的方式进行编码处理，如模二加、有限域上的运算等，则基于该网络编码方式的网络多播就能够实现理论上的最大网络传输容量。

网络编码是指网络中的节点对传输信息进行操作和处理的过程。网络编码彻底改变了通信网络中信息处理和传输的方式，是进入21世纪信息理论研究领域的重大突破。图1给出了网络编码在无线网络中的几个简单应用。图1(a)中节点S1发出信息P1节点S2发出信息P2，节点C对P1和P2进行异或再转发，从而完成节点S1、S2之间的信息交互。可见，在该场景中采用网络编码能够将传输次数从4降低到3，多播速率提高4/3＝1.33。图1(b)为两源两宿的情况，同样在中间节点C对收到的信息进行异或，利用无线网络的广播特性，有效利用侦听信息在信宿节点成功完成解码，将需要广播4次才能完成的信息交互只用了3次，多播速率同样提高4/3＝1.33。图1(c)为星型网络，外围四个节点S1，S2，S3，S4都可以侦听到自己邻居节点发送的信息，它们都要通过中心节点C完成与非邻居节点的信息交互，采用网络编码后，传输次数从8降低到5，多播速率提高8/5＝1.6。图1表明，较之传统的存储转发方式，采用网络编码之后降低了信息的传输次数，相同时间内传输了更多的信息，节省了终端功率和无线网络资源的损耗，提高了网络吞吐量，改善了网络性能。

无线自组织网络是由一组自主的无线节点或终端相互合作而形成的，是一种没有预定基础设施支撑的自动创建、自动组织、自我管理的网络。因其组网迅速以及适应环境能力强等特点被用于军事通信、移动会议、紧急服务和灾难恢复等不便利用现有网络基础设施的场景中。未来移动通信要求网络组网灵活，具有良好的适应性和生存能力，因此，自组织网络将在未来移动通信网络中扮演重要的角色。但是，随着无线通信业务的不断发展，无线资源尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何高效利用这些有限的通信资源已经成为无线通信技术发展的焦点所在。又由于自组织网络中节点通常依靠电池供电，为了延长电池的使用时间，需要考虑尽量节约节点的电池损耗，维持网络通信时间。结合网络编码的特点以及所带来的优势，将网络编码技术应用在无线自组织网路中成为无线通信的一个新的发展方向，利用网络编码可以减少数据传输次数的优点，节省自组织网络中终端发射功率和无线资源的利用，提高网络容量，改善自组织网络性能。

已有文献表明，线性网络编码是最简单有效的一种编码方法，在适宜的条件下可以达到网络的最大容量，因此目前线性网络编码被大量使用。在线性网络编码中，假设某编码节点收到信息是s₁，s₂，L，s_m，则经过这个编码节点之后输出信息为：

y_i＝g_i1s₁+g_i2s₂+L+g_ims_m    (1)

如果这个编码节点的m条输出链路选取的线性编码系数依次表示为：g₁₁，g₁₂，L，g_1m，L L，g_m1，g_m2，L，g_mm，编码之后的信息为y₁，y₂，L，y_m，则这个节点的编码过程表示为：

$\left(\begin{array}{ccc}{g}_{11}& L& g_{1m}\\ M& O& M\\ g_{M1}& L& g_{\mathrm{mm}}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ M\\ s_m\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ M\\ y_m\end{array}\right)---\left(2\right)$

那么，信宿节点的解码过程表示为：

$\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ M\\ s_m\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}{g}_{11}& L& g_{1m}\\ M& O& M\\ g_{m1}& L& g_{\mathrm{mm}}\end{array}\right)}^{-1}\·\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ M\\ y_m\end{array}\right)---\left(3\right)$

很明显，编码节点对信息进行线性运算之后信息已经完全改变，若要正确解码获得信息s₁，s₂，L，s_m，必须编码节点的这m条输出链路y₁，y₂，L，y_m均能够正确传输。故网络编码的应用需要全网链路相互协作，只有当所有链路均传输正确时才能成功解码，获得信源发送的信息。

目前已经存在很多基于网络编码的自组织网络多播方法，都是根据网络拓扑全网统一管理构造网络编码的集中式方法。但是，这种方法存在以下不足：

第一，在无线自组织网络中，节点的移动造成网络拓扑频繁变化，当网络的局部拓扑发生变化时，基于全网网络编码的多播方法会导致部分信宿节点不能成功解码；

第二，集中式的网络编码方法需不断获取全网的拓扑，随着无线自组织网络规模的增大，网络拓扑的获取会占用大量的无线频谱资源；

第三，无线链路存在不可靠性，当某条链路传输发生错误时，基于全网网络编码的多播方法会导致部分信宿节点不能成功解码。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法，在网络拓扑发生变化或无线链路传输出错的情况下，提高信宿节点成功解码的概率，减少为获取网络拓扑而耗费的无线频谱资源。

为实现上述目的，本发明的多播传输方法包括如下步骤：

(1)网络中所有节点进行拓扑发现，获取网络拓扑状态；

(2)根据已获取的拓扑状态对网络进行分群：将信源节点作为一个群首，其余群首利用最大连接度分群算法进行选举，将群首的三跳内节点作为本群的成员节点，将相邻两个群交叠部分的节点作为网关节点，分群后网络中的节点被分为3种：群首、网关节点及普通节点；

(3)对已分好的群进行分级，将信源节点所在的群作为第一级群，将与第一级群有交叠部分的群作为第二级群，依此类推，完成对群的分级；

(4)从网络中级数最高的群开始，按照级数减少的顺序，逐级按照如下步骤在每个群中构造最优网络编码方案：

(4.1)群首根据本群拓扑状态，依次选取与本群相邻且级数低一级群之间的网关节点作为待选编码网关节点，以待选编码网关节点作为本群内信源节点，以本群内信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点作为本群内信宿节点，设计本群的多播网络编码方案，并计算该网络编码方案的多播速率，作为待选编码网关节点的多播速率；

(4.2)群首通过比较，选取多播速率最大的待选编码网关节点作为本群的编码网关节点，将其网络编码方案作为本群的最优网络编码方案，并将选取结果告诉本群内所有节点；

(4.3)判断群首是否为信源节点，若是，将信源节点作为第一级群的编码网关节点，转步骤(5)，否则将本群选出的编码网关节点告诉与本群相邻且级数低一级群的群首，对与本群相邻且未构造出最优网络编码方案的群，返回步骤(4.1)；

(5)从信源节点所在的第一级群开始，按照级数增加的顺序，采用每个群中的最优网络编码方案，分级进行数据分组的传输：

(5.1)编码网关节点按照本群的最优网络编码方案，将数据分组发送给本群信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点；

(5.2)若本群信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点正确接收，转步骤(5.1)进行后续数据分组的持续传输，若出错，按照步骤(4)重新构造本群的最优网络编码方案后，转步骤(5.1)对出错的数据分组进行重传；

(6)结束本次多播过程，若网络中有其他节点发起多播，将其作为新的信源节点，转步骤(2)。

本发明与现有自组织网络中的多播方法比较有如下优点：

(1)本发明由于对自组织网络进行分群，信源节点只需管理所有群首，而群首只需管理本群内的所有节点，避免了每个节点需要了解其他所有节点的信息而增加的网络开销，减少了节点获取不断变化的拓扑信息时所耗费的无线频谱资源。

(2)本发明由于在每个群中采用网络编码进行数据传输，当网络拓扑局部变化引起群中信宿节点不能成功解码时，通过重新构造本群的最优网络编码方案进行重传，因此提高了信宿节点成功解码的概率。

(3)本发明中每个群的群首通过比较并选取本群最优网络编码方案，使每个群的多播速率得到最大的提高，从而改善了网络性能。

附图说明

图1是现有网络编码在无线网络中的应用图；

图2是本发明基于认知的自组织网络分层网络编码多播流程图；

图3是本发明中节点的分类表示图；

图4是本发明仿真时使用的一个随机产生一百个节点的网络拓扑图；

图5是本发明与现有多播方法在图4场景中的传输时间对比图；

图6是本发明与现有多播方法在不同链路重传概率下的传输时间对比图。

具体实施方式

参照图2，本发明的多播实施步骤如下：

步骤1，网络拓扑发现过程。

网络中所有节点通过广播hello包进行拓扑发现，获取网络拓扑状态。

步骤2，根据已获取的网络拓扑状态，对网络进行分群。

将信源节点作为一个群首，其余群首利用最大连接度分群算法进行选举，将群首的三跳内节点作为本群的成员节点，将相邻两个群交叠部分的节点作为网关节点，分群后网络中的节点被分为3种：群首、网关节点及普通节点，如图3所示，其中群首指一个群的中心节点，它保存着整个群的节点的信息，负责群间数据的转发、协调和管理，使群内各节点合理工作；网关节点是指同时属于相邻两个群的节点，负责中继从而完成各群之间的业务传输，以保证网络的连通性；其余节点为普通节点，只了解其邻居节点的信息，功能比较简单。

步骤3，对已划分好的群进行分级。

首先将信源节点所在的群作为网络的第一级群，然后将与第一级群有交叠部分的群作为第二级群，依此类推，完成网络中群的分级。

步骤4，在分好的每个群中构造最优网络编码方案。

从网络中级数最高即距离信源节点最远网络最外围的群开始，按照级数减少的顺序，逐级从远到近直到信源节点所在的第一级群，按照如下步骤在每个群中构造最优网络编码方案：

(4.1)群首根据本群拓扑状态，依次选取与本群相邻且级数低一级群之间的网关节点，作为待选编码网关节点，以待选编码网关节点作为本群内信源节点，以本群内信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点作为本群内信宿节点，设计本群的多播网络编码方案，并将所传输的数据分组的比特数除以传输所需的次数，以计算该网络编码方案的多播速率，将其作为待选编码网关节点的多播速率；

(4.2)群首通过比较，选取多播速率最大的待选编码网关节点作为本群的编码网关节点，将其网络编码方案作为本群的最优网络编码方案，并将选取结果告诉本群内所有节点；

(4.3)判断群首是否为信源节点，若是，将信源节点作为第一级群的编码网关节点，转步骤(5)，否则将本群选出的编码网关节点告诉与本群相邻且级数低一级群的群首，对与本群相邻且未构造出最优网络编码方案的群，转步骤(4.1)。

步骤5，从信源节点所在的第一级群开始，按照级数增加的顺序，采用每个群中的最优网络编码方案，分级进行数据分组的传输：

(5.1)收到正确数据分组的编码网关节点按照本群的最优网络编码方案，将数据分组发送给本群信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点；

(5.2)若本群信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点正确接收，转步骤(5.1)进行后续数据分组的持续传输，若出错，按照步骤(4)在传输出错的群中根据拓扑的改变重新构造最优网络编码方案，以通过局部调整适应因节点移动带来的网络拓扑变化，之后转步骤(5.1)对出错的数据分组进行重传。

步骤6，结束本次多播过程，若网络中有其他节点发起多播，将其作为新的信源节点，返回步骤2，进行下一次多播过程。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件：

在1000m×1000m的范围内随机产生一百个节点形成一个网络，作为本发明的应用场景拓扑图，如图4所示。网络中所有节点按照802.11协议中的RTS/CTS请求应答交互机制进行数据传输，这里控制帧RTS/CTS的发送条件以及发生冲突后的处理方法均符合IEEE 802.11DCF协议，节点的退避过程采用二维马尔可夫链模型进行描述。

2.仿真内容及结果：

通过仿真比较本发明与现有方法在不同条件下的数据成功传输时间，假设数据分组按照泊松过程到达，根据802.11a物理层传输分组单元帧格式计算数据传输时间。

仿真a，当无线链路状态稳定即重传概率确定时，信源节点依次发送5，10，15，20，25个数据分组，比较本发明与现有方法的数据成功传输时间，仿真结果如图5所示。图5中横坐标表示传输的数据分组数目，纵坐标表示成功传输所需的时间，黑色直方表示现有方法的数据传输时间，白色直方表示本发明的数据传输时间。通过图5可以看出，当无线链路状态稳定时，信源节点采用本发明和现有方法两种方式发送相同数目数据分组时，本发明明显降低了数据成功传输所需的时间。

仿真b，在无线链路状态不断变化，重传概率依次为0.2，0.3，0.4，0.5，0.6时，比较本发明与现有方法传输相同数据时的数据成功传输时间，仿真结果如图6所示。图6中横坐标表示无线链路不可靠时的各种重传概率，纵坐标表示数据成功传输所需的时间，黑色直方表示现有方法的数据传输时间，白色直方表示本发明的数据传输时间。通过图6可以看出，对于仿真列出的五个重传概率，本发明较之现有方法，均能够明显降低数据的成功传输时间，特别是在链路严重不可靠需要大量重传时性能的提高更加明显。

Claims (4)

1.一种基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法，包括以下步骤： 

（1）网络中所有节点进行拓扑发现，获取网络拓扑状态； 

（2）根据已获取的拓扑状态对网络进行分群：将信源节点作为一个群首，其余群首利用最大连接度分群算法进行选举，将群首的三跳内节点作为本群的成员节点，将相邻两个群交叠部分的节点作为网关节点，分群后网络中的节点被分为3种：群首、网关节点及普通节点； 

（3）对已分好的群进行分级，将信源节点所在的群作为第一级群，将与第一级群有交叠部分的群作为第二级群，依此类推，完成对群的分级； 

（4）从网络中级数最高的群开始，按照级数减少的顺序，逐级按照如下步骤在每个群中构造最优网络编码方案： 

（4.1）群首根据本群拓扑状态，依次选取与本群相邻且级数低一级群之间的网关节点作为待选编码网关节点，以待选编码网关节点作为本群内信源节点，以本群内信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点作为本群内信宿节点，设计本群的多播网络编码方案，并计算该网络编码方案的多播速率，作为待选编码网关节点的多播速率； 

（4.2）群首通过比较，选取多播速率最大的待选编码网关节点作为本群的编码网关节点，将其网络编码方案作为本群的最优网络编码方案，并将选取结果告诉本群内所有节点； 

（4.3）判断群首是否为信源节点，若是，将信源节点作为第一级群的编码网关节点，转步骤（5），否则将本群选出的编码网关节点告诉与本群相邻且级数低一级群的群首，对与本群相邻且未构造出最优网络编码方案的群，返回步骤（4.1）； 

（5）从信源节点所在的第一级群开始，按照级数增加的顺序，采用每个群中的最优网络编码方案，分级进行数据分组的传输： 

（5.1）编码网关节点按照本群的最优网络编码方案，将数据分组发送给本群信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点； 

（5.2）若本群信宿节点和所有与本群相邻且级数高一级群的编码网关节点正确接收，转步骤（5.1）进行后续数据分组的持续传输，若出错，按照步骤（4）重新构 造本群的最优网络编码方案后，转步骤（5.1）对出错的数据分组进行重传； 

（6）结束本次多播过程，若网络中有其他节点发起多播，将其作为新的信源节点，转步骤（2）。 

2.根据权利要求1所述基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法，其中步骤（2）所述的网络中的节点被划分为3种：群首、网关节点及普通节点，其中群首指一个群的中心节点，它保存着整个群的节点的信息，负责群间数据的转发、协调和管理，使群内各节点合理工作；网关节点是指同时属于相邻两个群的节点，负责中继从而完成各群之间的业务传输，以保证网络的连通性；其余节点为普通节点，只了解其邻居节点的信息，功能比较简单。 

3.根据权利要求1所述的基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法，其中步骤（4）所述的从网络中级数最高的群开始，按照级数减少的顺序，是指从距离信源节点最远即网络最外围的群开始，按照级数减少的顺序逐级从远到近直到信源节点所在的第一级群，是一个从距离信源节点最远的信宿节点出发构造网络编码方案的策略。 

4.根据权利要求1所述基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法，其中步骤（5.2）涉及的对数据分组传输出错，要重新构造本群的最优网络编码方案，是指只在传输出错的群中根据本群拓扑的改变进行局部调整，来适应因节点移动引起的网络拓扑变化。 

Images