CN102299771A - 一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法 - Google Patents

一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法 Download PDF

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CN102299771A CN2011102647582A CN201110264758A CN102299771A CN 102299771 A CN102299771 A CN 102299771A CN 2011102647582 A CN2011102647582 A CN 2011102647582A CN 201110264758 A CN201110264758 A CN 201110264758A CN 102299771 A CN102299771 A CN 102299771A
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梅中辉
杨震
孔媛媛
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Nanjing Post and Telecommunication University
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Abstract

本发明公开了一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法，属于网络编码技术领域。本发明方法通过对多跳-多数据流网络的网络编码条件进行改进，以网络编码后的数据流能被下游有限跳范围内的节点进行网络译码恢复出各自编码前的数据流作为网络编码条件，而非传统的以参与本次网络编码的各数据流能够在其下游数据节点中通过网络译码获得原始数据流作为网络编码条件。从而克服了现有技术所存在的计算复杂度高的缺陷；且由于仅考虑局部网络拓扑结构，当该局部网络拓扑结构外的网络条件发生改变时，并不影响当前所考虑的网络编码条件，因而适用于动态拓扑结构的网络。本发明还公开了一种多跳-多数据流无线网络的数据传输方法。

Description

一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法
技术领域
本发明涉及一种网络编码控制方法，尤其涉及一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法，网络中的中间节点根据网络编码条件是否得到满足确定是否需要进行网络编码，属于网络编码技术领域。
 
背景技术
Ahlsuedu等学者在“IEEE Tran. Info. Theory, 2000, 46(7):1204-1216”上所发表的论文“Network information flow”中以“蝶形”网络结构为例，指出了网络编码方法较传统的路由方法可以获得更高的数据吞吐量。但是并不是对于任何网络拓扑结构，网络编码方法都可以较传统路由方法可以取得更高的数据吞吐量，因而学者们开始关注在何种网络拓扑结构条件下，网络编码方法较传统路由方法可取得更高的网络容量。Saschin等学者在“IEEE/ACM Tran. Networks, 2008, 16(3):497-510”上发表的论文“XORs in the air:Practical wireless network coding”中指出了在双向中继，“X形”以及 “+形”拓扑结构网络中，网络编码方法较传统路由方法可取得更高的数据吞吐量。Ahlsuedu和Saschin均考虑的是几种特殊的网络拓扑结构，而没有提出一般网络拓扑结构条件下的网络编码条件。并不是对于任何网络拓扑结构，网络编码方法都可以较传统路由方法取得更高的数据吞吐量，当网络编码后的数据流在信宿节点不能通过网络译码恢复出原始数据流时，会导致中断事件发生，反而会使数据吞吐量下降，并且网络编码方法较传统路由方法计算复杂度高，因而研究适用于一般拓扑结构网络的网络编码条件就显得至关重要。 
Jilin等学者在“IEEE ICDCS, 2008:462-469”上发表的论文 “DCAR: Distributed coding-aware mechanism for opportunistic routing in wireless mesh networks”中给出了基于多跳－两个数据流条件下的网络编码适用条件。Bin等学者在“IEEE Tran. Vehicular Technology，2011，60(4):1714-1727”上发表的论文“Analysis of general network coding conditions and design of a free-ride-oriented routing metric”中给出了基于多跳－多数据流条件（每对信源-信宿节点间的数据传输形成一条数据流，信源发送的数据可以经过多跳到达信宿结点，网络中可同时存在多条数据流进行数据传输）下的网络编码条件，即参与本次网络编码的各数据流能够在其下游数据节点中通过网络译码获得原始数据流（未编码的数据流），依照该条件可以获得较优的网络编码机会，但是当数据链路较长时，需要对当前节点后的各数据流的下游节点依次考虑其网络译码情况，计算复杂度相对较大，并且当网络的拓扑结构发生改变时，也会影响当前节点的网络编码条件，导致中断事件产生，因此这种网络编码条件也不适用于动态拓扑结构网络。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有多跳－多数据流条件下的网络编码条件计算复杂度大且不适用于动态拓扑结构网络的缺陷，提供一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法，该方法在判断是否满足网络编码条件时，仅考虑局部网络拓扑结构，从而具有较低的计算复杂度，且适用于动态拓扑结构网络。
本发明具体采用以下技术方案：
一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法，接收到多个数据流的网络中间节点判断网络编码条件是否得到满足，如是，则对这多个数据流进行网络编码，并将编码后的数据流转发到参与网络编码的各数据流的下游节点；如否，则分别将这多个数据流转发至各数据流的下游节点；所述网络编码条件是指：对所述多个数据流进行网络编码后的数据流在流经参与网络编码的各数据流的下游节点时，能被下游                                                
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE001
跳范围内的节点进行网络译码恢复出各自编码前的数据流，其中为一预设的有限的整数。
本发明的多跳-多数据流网络的网络编码控制方法，既可用于有线网络也可用于无线网络，考虑到该方法对于具有动态拓扑结构的网络也可适用，因此尤其适用于多跳-多数据流无线网络。
本发明通过对多跳-多数据流网络的网络编码条件进行改进，以网络编码后的数据流能被下游有限跳范围内的节点进行网络译码恢复出各自编码前的数据流作为网络编码条件，而非传统的以参与本次网络编码的各数据流能够在其下游数据节点中通过网络译码获得原始数据流作为网络编码条件。从而克服了现有技术所存在的计算复杂度高的缺陷；且由于仅考虑局部网络拓扑结构，当该局部网络拓扑结构外的网络条件发生改变时，并不影响当前所考虑的网络编码条件，因而适用于动态拓扑结构的网络。
根据本发明的思路，还可得到一种多跳-多数据流无线网络的数据传输方法，所述无线网络中的每个节点能够侦听得到其邻近单跳范围内其它节点所发送的数据，该无线网络中各中间节点作为当前节点时，按照以下步骤进行数据处理：
步骤1、当前节点判断是否接收到网络编码数据流，如是，则当前节点利用从相邻节点所侦听到的数据流对网络编码数据流进行网络译码后，跳转至步骤2；否则，直接跳转至步骤2；
步骤2、当前节点判断是否接收到多个数据流，如果仅接收到单个数据流，则转发该数据流至其下游节点，并结束该节点数据处理流程；否则跳转到步骤3；
步骤3、当前节点判断所接收到的多个数据流中是否有部分或全部数据流满足网络编码条件，如否，则时分转发所接收各数据流至各自的下游节点，并结束该节点数据处理流程；否则跳转到步骤4；其中所述网络编码条件是指：对所述多个数据流进行网络编码后的数据流在流经参与网络编码的各数据流的下游节点时，能被下游
Figure 646324DEST_PATH_IMAGE001
跳范围内的节点进行网络译码恢复出各自编码前的数据流，其中
Figure 215977DEST_PATH_IMAGE001
为一预设的有限的整数；
步骤4、如有部分数据流满足编码条件，则将该部分数据流进行网络编码，并将编码后的数据流和其它数据流时分转发到各自数据流的下游节点；如果当前节点所接收到的全部数据流满足编码条件，则将所接收到的全部数据流进行网络编码，并将编码后的数据流转发到参与网络编码的各数据流的下游节点。
优选地，步骤1中所述当前节点利用从相邻节点所侦听到的数据流对网络编码数据流进行网络译码，具体是指：当前节点利用从相邻节点所侦听到的数据流对网络编码数据流进行异或运算。从而尽可能消除参与网络编码中的其路由线路不经过当前节点的部分数据流。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明在判断是否需要进行网络编码时，仅考虑局部网络拓扑结构，即在流经当前节点各数据流下游有限跳范围内的节点，可相应降低判别当前节点网络编码条件的计算复杂度；并且由于仅考虑局部网络结构来考虑网络编码条件，当该局部网络拓扑结构外的网络条件发生改变时，并不影响当前所考虑的网络编码条件，因而适用于动态拓扑结构网络。
附图说明
图１为具体实施方式中所述的一个多跳－多数据流拓扑结构的无线网络模型示例图；
图２为具体实施方式中的无线网络中每个中间节点的数据处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1是一个多跳－多数据流拓扑结构的无线网络模型示例，该示例中共有如下四个不同的数据流：
　　
Figure 805221DEST_PATH_IMAGE002
：传输数据流；
　　
Figure 598340DEST_PATH_IMAGE004
：传输数据流；
　　：传输数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 168441DEST_PATH_IMAGE008
：传输数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE009
。
图中虚线表示两相邻节点间能够相互侦听对方的数据流，箭头表示数据流的方向。
下面以图1中的网络拓扑为例来说明各中间节点的数据处理过程，本具体实施方式中，跳数限制设为
Figure 128919DEST_PATH_IMAGE010
。如果
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE011
的取值较大，则当前节点需考虑较大范围内的网络拓扑结构来判别网络编码条件，可以相应创造更多的网络编码机会来减少传输数据流所需要的时隙数，但同时会增大判别网络编码条件的计算复杂度，并且如果
Figure 271319DEST_PATH_IMAGE011
跳范围内网络拓扑结构发生改变，当前网络编码条件也发生改变，故不适用于动态网络拓扑结构。因此
Figure 142323DEST_PATH_IMAGE011
值的设定需考虑各方面条件进行均衡。
该网络中各中间节点的数据处理过程如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、当前节点判断是否接收到网络编码数据流（例如，可根据所接收数据帧的帧头标识信息进行判断），如是，则当前节点利用从相邻节点所侦听到的数据流对网络编码数据流进行网络译码后，跳转至步骤2；否则，直接跳转至步骤2；
步骤2、当前节点判断是否接收到多个数据流，如果仅接收到单个数据流，则转发该数据流至其下游节点，并结束该节点数据处理流程；否则跳转到步骤3；
步骤3、当前节点判断所接收到的多个数据流中是否有部分或全部数据流满足网络编码条件，如否，则时分转发所接收各数据流至各自的下游节点，并结束该节点数据处理流程；否则跳转到步骤4；其中所述网络编码条件是指：对所述多个数据流进行网络编码后的数据流在流经参与网络编码的各数据流的下游节点时，能被下游
Figure 748885DEST_PATH_IMAGE001
跳范围内的节点进行网络译码恢复出各自编码前的数据流，其中
Figure 945511DEST_PATH_IMAGE001
为一预设的有限的整数；
步骤4、如有部分数据流满足编码条件，则将该部分数据流进行网络编码，并将编码后的数据流和其它数据流时分转发到各自数据流的下游节点；如果当前节点所接收到的全部数据流满足编码条件，则将所接收到的全部数据流进行网络编码，并将编码后的数据流转发到参与网络编码的各数据流的下游节点。
下面对如下节点进行重点描述：
节点：节点
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE013
可从
Figure 184655DEST_PATH_IMAGE014
接收到未编码数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE015
，从
Figure 583406DEST_PATH_IMAGE016
接收到未编码数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE017
，可将接收的数据流编码成
Figure 623038DEST_PATH_IMAGE018
，原因是：
Figure 802346DEST_PATH_IMAGE018
可在数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE019
中节点
Figure 215486DEST_PATH_IMAGE020
２跳后的下游节点中利用
Figure 406427DEST_PATH_IMAGE022
恢复出本次编码前的数据流（节点
Figure 345881DEST_PATH_IMAGE021
可以侦听节点
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE023
中的数据流
Figure 565641DEST_PATH_IMAGE024
），
Figure 21809DEST_PATH_IMAGE018
可在数据流
Figure 465560DEST_PATH_IMAGE017
中节点
Figure 557144DEST_PATH_IMAGE020
１跳后的下游节点
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE025
中利用恢复出本次编码前的数据流
Figure 542865DEST_PATH_IMAGE017
（节点
Figure 154588DEST_PATH_IMAGE025
可以侦听节点
Figure 530206DEST_PATH_IMAGE014
中的数据流
Figure 154085DEST_PATH_IMAGE015
）。节点
Figure 298758DEST_PATH_IMAGE020
可以采用一个时隙将网络编码后的数据流
Figure 287574DEST_PATH_IMAGE018
同时传输给节点
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 88171DEST_PATH_IMAGE025
。如果不采用网络编码，则节点
Figure 247232DEST_PATH_IMAGE020
需采用两个时隙分别将数据流
Figure 511992DEST_PATH_IMAGE015
传输给
Figure 734026DEST_PATH_IMAGE027
，将数据流
Figure 818656DEST_PATH_IMAGE017
传输给
Figure 784338DEST_PATH_IMAGE025
。
节点
Figure 903604DEST_PATH_IMAGE027
：节点
Figure 296539DEST_PATH_IMAGE027
可从节点接收到网络编码后的数据流
Figure 634909DEST_PATH_IMAGE018
 (但不能利用网络译码将因网络编码加入的数据流
Figure 608681DEST_PATH_IMAGE017
去除)，从节点
Figure 172518DEST_PATH_IMAGE028
接收到数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE029
，可将接收的数据流编码成，原因是：
Figure 476908DEST_PATH_IMAGE030
可在数据流
Figure 570766DEST_PATH_IMAGE015
中节点
Figure 305504DEST_PATH_IMAGE027
２跳后的下游节点
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE031
中通过数据流间的异或运算消除参与本次编码的数据流
Figure 786777DEST_PATH_IMAGE029
（
Figure 632373DEST_PATH_IMAGE031
可以侦听到节点
Figure 580737DEST_PATH_IMAGE032
中的数据流
Figure 486376DEST_PATH_IMAGE029
），
Figure 520191DEST_PATH_IMAGE030
可在数据流中节点
Figure 237929DEST_PATH_IMAGE027
１跳后的下游节点中通过数据流间的异或运算消除参与本次编码的数据流（
Figure 504755DEST_PATH_IMAGE033
可以侦听到节点
Figure 957733DEST_PATH_IMAGE025
中的数据流
Figure 880689DEST_PATH_IMAGE018
）。节点
Figure 128131DEST_PATH_IMAGE027
可以采用一个时隙将编码后的数据流
Figure 870959DEST_PATH_IMAGE030
同时传输给节点
Figure 862049DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 636582DEST_PATH_IMAGE033
。如果不采用网络编码，节点
Figure 54925DEST_PATH_IMAGE027
需采用两个时隙分别将数据流传输给
Figure 17513DEST_PATH_IMAGE034
，将数据流
Figure 915062DEST_PATH_IMAGE029
传输给
Figure 504306DEST_PATH_IMAGE033
。
节点：节点
Figure 551689DEST_PATH_IMAGE034
从节点
Figure 303745DEST_PATH_IMAGE027
接收到编码后的数据流，其中数据流
Figure 268607DEST_PATH_IMAGE017
和数据流的路由线路均不经过节点
Figure 11752DEST_PATH_IMAGE034
。节点可以利用从节点中侦听到的数据流
Figure 595593DEST_PATH_IMAGE017
，进行运算
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE035
消除
Figure 994345DEST_PATH_IMAGE030
中参与网络编码的数据流
Figure 96293DEST_PATH_IMAGE017
。
节点：节点
Figure 753987DEST_PATH_IMAGE031
从节点
Figure 69562DEST_PATH_IMAGE034
接收到网络编码后的数据流
Figure 607991DEST_PATH_IMAGE036
，其中数据流的路由线路不经过节点
Figure 288163DEST_PATH_IMAGE031
。节点
Figure 458245DEST_PATH_IMAGE031
可以侦听到节点
Figure 167575DEST_PATH_IMAGE032
中的数据流，进行运算
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE037
消除
Figure 623888DEST_PATH_IMAGE036
中参与网络编码的数据流
Figure 914055DEST_PATH_IMAGE007
。
节点
Figure 794286DEST_PATH_IMAGE038
：节点
Figure 169904DEST_PATH_IMAGE038
从节点
Figure 793783DEST_PATH_IMAGE031
接收到数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE039
，从节点
Figure 876140DEST_PATH_IMAGE040
接收到数据流
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE041
，不能将所接收到的数据流编码成，原因是：
Figure 662623DEST_PATH_IMAGE042
可在数据流
Figure 824614DEST_PATH_IMAGE039
中节点
Figure 89373DEST_PATH_IMAGE038
２跳后的下游节点
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE043
中利用
Figure 983511DEST_PATH_IMAGE044
消除参与本次网络编码的数据流
Figure 268474DEST_PATH_IMAGE041
（可以侦听到
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE045
中的数据流
Figure 291105DEST_PATH_IMAGE041
），但是
Figure 684040DEST_PATH_IMAGE042
需在数据流
Figure 255967DEST_PATH_IMAGE041
中节点
Figure 759760DEST_PATH_IMAGE038
7跳后的下游节点
Figure 996182DEST_PATH_IMAGE046
中利用
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE047
消除参与本次网络编码的数据流
Figure 497702DEST_PATH_IMAGE039
（
Figure 556925DEST_PATH_IMAGE046
可以侦听到
Figure 864409DEST_PATH_IMAGE048
中的数据流
Figure 895950DEST_PATH_IMAGE039
），超过了规定的跳数限制。因此节点
Figure 174277DEST_PATH_IMAGE038
将利用两个时隙将数据流
Figure 82191DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 30555DEST_PATH_IMAGE041
分别转发给节点
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure 811560DEST_PATH_IMAGE050
。
如果不设跳数限制
Figure 845375DEST_PATH_IMAGE010
，判别节点
Figure 494663DEST_PATH_IMAGE038
的网络编码条件时，需逐个依次考虑数据流
Figure 297533DEST_PATH_IMAGE039
中节点
Figure 371144DEST_PATH_IMAGE038
后的所有下游节点是否可以通过网络译码将数据流
Figure 892255DEST_PATH_IMAGE041
消除，以及逐个依次考虑流
Figure 345233DEST_PATH_IMAGE041
中节点
Figure 2611DEST_PATH_IMAGE038
后的所有下游节点是否可以通过网络译码将数据流
Figure 250053DEST_PATH_IMAGE039
消除，计算复杂度相对较高。设跳数限制
Figure 258460DEST_PATH_IMAGE010
，只需逐个依次考虑数据流
Figure 249550DEST_PATH_IMAGE039
中节点
Figure 27013DEST_PATH_IMAGE038
后的下游节点
Figure 507673DEST_PATH_IMAGE049
，和
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE051
是否可以通过网络译码将数据流
Figure 490768DEST_PATH_IMAGE041
消除，以及逐个依次考虑流中节点
Figure 977562DEST_PATH_IMAGE038
后的下游节点
Figure 632665DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 965557DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 2011102647582100002DEST_PATH_IMAGE053
是否可以通过网络译码将数据流
Figure 652366DEST_PATH_IMAGE039
消除，因而计算复杂度相应降低(尤其当数据链路较长时) 。 
并且，如果不设跳数限制
Figure 350195DEST_PATH_IMAGE010
，节点
Figure 554911DEST_PATH_IMAGE038
将接收到的数据流编码成，对于动态拓扑结构网络，当节点
Figure 298056DEST_PATH_IMAGE048
和节点
Figure 229103DEST_PATH_IMAGE054
间的无线链路变得不可靠时，节点
Figure 855869DEST_PATH_IMAGE054
不能侦听到节点中的数据流
Figure 929316DEST_PATH_IMAGE039
， 则接收节点不能获得所需的数据流 (仅能接收到
Figure 286271DEST_PATH_IMAGE042
)，中断事件产生；如果设跳数限制，将仅依据局部网络拓扑结构来判别网络编码条件，节点不能将接收到的数据流编码成
Figure 353081DEST_PATH_IMAGE042
，当该局部网络拓扑结构外的网络条件发生变化时，并不影响当前网络编码判别条件，接收节点
Figure 19686DEST_PATH_IMAGE055
依然能够获得所需的数据流
Figure 98500DEST_PATH_IMAGE041
。因此本发明方法适用于动态拓扑结构网络。

Claims (4)

1. 一种多跳-多数据流网络的网络编码控制方法，接收到多个数据流的网络中间节点判断网络编码条件是否得到满足，如是，则对这多个数据流进行网络编码，并将编码后的数据流转发到参与网络编码的各数据流的下游节点；如否，则分别将这多个数据流转发至各数据流的下游节点；其特征在于，所述网络编码条件是指：对所述多个数据流进行网络编码后的数据流在流经参与网络编码的各数据流的下游节点时，能被下游                                               
Figure 2011102647582100001DEST_PATH_IMAGE002
跳范围内的节点进行网络译码恢复出各自编码前的数据流，其中
Figure 160751DEST_PATH_IMAGE002
为一预设的有限的整数。
2.如权利要求1所述多跳-多数据流网络的网络编码控制方法，其特征在于，所述多跳-多数据流网络为多跳-多数据流无线网络。
3.一种多跳-多数据流无线网络的数据传输方法，所述无线网络中的每个节点能够侦听得到其邻近单跳范围内其它节点所发送的数据，其特征在于，该无线网络中各中间节点作为当前节点时，按照以下步骤进行数据处理：
步骤1、当前节点判断是否接收到网络编码数据流，如是，则当前节点利用从相邻节点所侦听到的数据流对网络编码数据流进行网络译码后，跳转至步骤2；否则，直接跳转至步骤2；
步骤2、当前节点判断是否接收到多个数据流，如果仅接收到单个数据流，则转发该数据流至其下游节点，并结束该节点数据处理流程；否则跳转到步骤3；
步骤3、当前节点判断所接收到的多个数据流中是否有部分或全部数据流满足网络编码条件，如否，则时分转发所接收各数据流至各自的下游节点，并结束该节点数据处理流程；否则跳转到步骤4；其中所述网络编码条件是指：对所述多个数据流进行网络编码后的数据流在流经参与网络编码的各数据流的下游节点时，能被下游
Figure 62848DEST_PATH_IMAGE002
跳范围内的节点进行网络译码恢复出各自编码前的数据流，其中
Figure 415944DEST_PATH_IMAGE002
为一预设的有限的整数；
步骤4、如有部分数据流满足编码条件，则将该部分数据流进行网络编码，并将编码后的数据流和其它数据流时分转发到各自数据流的下游节点；如果当前节点所接收到的全部数据流满足编码条件，则将所接收到的全部数据流进行网络编码，并将编码后的数据流转发到参与网络编码的各数据流的下游节点。
4.如权利要求3所述多跳-多数据流无线网络的数据传输方法，其特征在于，步骤1中所述当前节点利用从相邻节点所侦听到的数据流对网络编码数据流进行网络译码，具体是指：当前节点利用从相邻节点所侦听到的数据流对网络编码数据流进行异或运算。
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