CN102547856B - 一种Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法，该方法的具体步骤如下：1)确定Ad Hoc网络的多路径路由方法的网络模型；2)建立交换代数理论的节点网络编码方案；3)确定Ad Hoc网络多路径路由节点的网络编码机制；4)确定Ad Hoc网络多路径路由的选择算法，根据路由代价选取其中最优的N条用于数据传输。本发明根据路径的可靠性和节点的网络编码方案动态地在多条路径上传输数据分组，实现多条路径的网络流量均衡，从而实现最大化地提高网络的数据吞吐量以及延长网络生存期。

Description

一种Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法

技术领域

本发明属于无线移动Ad Hoc网络技术领域，具体为一种Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法，主要适用于Ad Hoc网络中多路径路由的发现和数据传输路径的选择，有利于提高Ad Hoc网络的系统性能。

背景技术

2000年，香港中文大学的几位教授(R.Ahlswede，蔡宁，李硕彦和杨伟豪)在其著名论文“Network Information Flow”(R.Ahlswede，N.Cai，S.-Y.R.Li，and R.W.Yeung.Network information flow.IEEETransactions on Information Theory，2000，46(4)：1204-1216)中创造性地提出了“网络编码(Network Coding，NC)”新概念，首次将网络编码与路由技术有机地融合为一体，建立了一种全新的网络体系结构，不仅解决了广播路由这一信息论中的经典难题，而且从理论上证明了网络编码可以达到最大传输容量和效率，其精髓来自于图论中著名的Max-flow Min-cut理论。

2003年，李硕彦，杨伟豪和蔡宁又发表了著名论文“LinearNetwork Coding”(S.-Y.R.Li，R.W.Yeung，N.Cai.Linear networkcoding.IEEE Transactions on Information Theory，2003，49(2)：371-381)，指出线性网络编码可以达到多播传输的最大容量。随后的研究成果构建了网络编码的最基本框架，从此，网络编码成为了世界各位知名大学和实验室最热门的研究领域之一。网络编码改变了传统网络中中间节点仅充当转发节点的特点，中间节点能够对需要转发的信息进行相关的编码，在接收节点处可以完成相关的解码功能，从而还原信息本身。

2005年，Katti等学者提出的COPE协议是第一个将网络编码应用到实际网络中的编码协议，实验结果证明，此编码协议显著地提高了网络吞吐量。2010年Yuan等学者(Yuan Yuan，Kui Wu，Weijia Jia，and Yuming Jiang.Performance of Acyclic Stochastic Networks withNetwork Coding.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，08 Nov.2010，DOI：10.1109/TPDS.2010.192)基于非周期性随机网络与网络编码也进行了性能比较，并指出：与ARQ协议相比，网络编码明显减少数据包重传次数；这些性能分析比较说明网络编码技术对于无线网络具有较好的特性。网络编码的思想是指网络中的节点不再局限于只能对收到的信息进行存储和转发，突破了传统数据传输的固定模式，可以实现网络流量的最大化。有了网络编码，传统的路由方案就可以被看作是一种特殊形式的网络编码，只不过在这种方式下，节点的输出是接收到的信息的排列。

现有的Ad Hoc网络多路径路由机制都在路由发现阶段预先确定了传输路径，没有考虑到数据包传输过程中存在的网络编码机制。这些多路径路由机制没有很好地发挥利用网络编码机制的优势，因此网络的吞吐量没有被充分地发挥出来。

发明内容

本发明的目的是在现有的Ad Hoc网络多路由方法的基础上，提供一种在关健节点上利用网络编码机制建立从源节点到目的节点之间的Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法，以平衡各路径的网络流量，从而实现最大化地提高网络的数据吞吐量以及延长网络生存期。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法，其具体步骤为：

1)确定Ad Hoc网络的多路径路由方法的网络模型

一个Ad Hoc网络可表示成一个加权图G(V，E，C)，其中V表示节点集，E表示连接节点的通信链路集，C表示连接节点通信链路的代价。|V|和|E|分别表示该网络中的节点数和链路数。在G中，元素P∈E具有一组有序数列(v₁，v₂，...，v_m)作为P的属性，或称为弧P的权，用C来计算。假定从源节点到目的节点之间的路径可以用(v₁，v₂，...，v_m)，v₁＝S，v_m＝D表示。

2)建立交换代数的网络编码构造方法

以交换代数理论为基础，在有限域F(q)上构造网络编码和网络解码操作，以此对数据分组进行编码/解码处理。

3)确定Ad Hoc网络路由的网络编码方案；

当Ad Hoc网络的编码节点接收到上游节点发过来的数据分组时，对其数据分组进行网络编码操作，形成新的数据分组，然后再向下游节点转发出去，而非编码节点只对数据分组进行存储转发操作。

4)确定从源节点到目标节点的多路径路由发现机制

在该方法中，源节点首先确定一个新的路由请求Hello信息，具有网络编码机制的中间节点i接收到路由请求Hello信息后，将网络编码信息加入到Hello信息中，再更新路由表中的路由信息，然后向下一跳节点发送路由请求Hello信息，当目的节点D收到路由请求时，向源节点发送一个包括所发现的路由以及路由上每条链路上的网络编码节点信息的路由应答。一个路由请求通常会经过多条路径传送到目标节点，所以路由发现过程结束时源节点可以得到多条通往目标节点的路由。

5)确定从源节点到目标节点的多路径的数据传输，实现网络流量均衡传输

在网络的多路径路由上对部分主要路径进行网络编码操作，而对次要路径保持原来数据分组存储转发机制，当目的节点D收到源节点从多路径路由上转发过来的数据分组时，对数据分组进行网络解码操作，恢复出原来的数据。

本发明根据路径的可靠性和网络编码机制动态地在多条路径上进行数据分组的传输，让多条路径均衡网络流量负载，并且最大化的提高网络的吞吐量。

附图说明

图1为节点的网络编码机制示意图。

图2为本发明多路径网络编码方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明首先明确Ad Hoc网络多路径路由的网络编码方案，再通过多路径路由发现机制选择从源节点到目标节点的所有路由，最后确定多路径路由传输数据分组。

本发明的具体步骤如下：

1)确定Ad Hoc网络的节点网络编码机制

例如，图1是Ad Hoc网络节点的网络编码机制，在这个机制中，两个节点通过中间节点交换数据分组x₁和x₂，网络编码使用一个“存储-编码-转发”机制实现数据分组的传输过程。

2)建立交换代数理论的节点网络编码方案

交换代数是以(含幺)交换环、域为主要研究对象的一门代数学科。交换代数作为代数几何的代数工具，还需要比交换环更进一步的代数结构，这就是“环上的代数”。A称为环R上的代数(或简称为R代数)，是指：①(A，+，·)为环，②(A，+)为R模，③对于每个r∈R，α、b∈A，r(αb)＝(rα)b＝α(rb)。若A又是交换环，则称A为R上的交换代数。R上的交换代数A称为有限生成的，是指存在有限个元素 $K={\stackrel{\‾}{p}}_1/{\stackrel{\‾}{p}}_0,$ 使得 $k=\mathrm{\Σ}{\stackrel{\‾}{p}}_1{q}_1/\mathrm{\Σ}{\stackrel{\‾}{p}}_0{q}_1.$

3)制定Ad Hoc网络的节点网络编码模型

对于源节点s，构造源节点S和目的节点D之间的p条不相交的路径集P，P上每一条边e的ω维列向量fe有：

$f_e=\underset{d\∈\mathrm{In}\left(v\right)}{\mathrm{\Σ}}{k}_{d,e}{f}_d,$ v为非源节点，e∈Out(v)         (1)

或相似的描述形式：

[f_e]_e∈E·(I_|E|-K_C)＝J_ω，|E|          (2)

det(I_|E|-K_C)[f_e]_e∈E＝J_ω，|E|·Adj(I_|E|-K_C)   (3)

在求解f_e时，必须保证对任意接收节点R∈T存在一个包含p条链路的集合C_R，且这p条链路的全局编码内核G_t＝{fe)|e∈C_R}是K_C的一个基。

4)制定Ad Hoc网络多路径路由的节点网络编码机制

多节点不相交路径结构如图2所示，主路径S-v₁-v₂-v₃-D和次路径S-v₄-v₅-D。在主路径上，源节点S分别向节点v₁和节点v₂发送数据分组1和数据分组2，节点v₁对收到的两个分组进行网络编码，然后再转发出去，节点v₂只对收到的数据分组进行存储转发，一直到目的节点D；在次路径上，节点v₅收到数据分组1，而数据分组2没有正确接收和转发，则只对数据分组1进行存储转发；在目的节点D上，目的节点D从次路径S-v₄-v₅-D中只接收到数据分组1，而从主路径S-v₁-v₂-v₃-D中接收到网络编码的数据分组，进行网络编码解码运算，从而解码出数据分组1和数据分组2。

5)Ad Hoc网络的多路径路由的发现机制

一个网络可表示成一个加权图G(V，E，C)，其中V表示节点集，E表示连接节点的通信链路集，C表示连接节点通信链路的代价。|V|和|E|分别表示该网络中的节点数和链路数。假定从源节点到目的节点之间的路径可以用(v₁，v₂，...，v_m)，v₁＝S，v_m＝D表示；在该方法中，源节点首先确定一个新的路由请求Hello信息，具有网络编码机制的中间节点i接收到路由请求Hello信息后，将网络编码信息加入到Hello信息中，再更新路由表中的路由信息，然后向下一跳节点发送路由请求Hello信息，当目的节点D收到路由请求时，向源节点发送一个包括所发现的路由以及路由上每条链路上的网络编码节点信息的路由应答。一个路由请求通常会经过多条路径传送到目标节点，所以路由发现过程结束时源节点可以得到多条通往目标节点的路由。从源节点到目的节点之间N条路径的Dijkstra算法如下：

例如在图2中，利用MultiPath Dijkstra Algorithm，使用链路代价测度可以计算出从源节点S到目的节点D的主路径S-v₁-v₂-v₃-D和次路径S-v₄-v₅-D。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法，该方法的具体步骤如下：

第一步骤：确定Ad Hoc网络的多路径路由方法的网络模型

一个Ad Hoc网络表示成一个加权图G(V,E,C)，其中V表示节点集，E表示连接节点的通信链路集，C表示连接节点通信链路的代价，|V|和|E|分别表示该网络中的节点数和链路数，在加权图G中，元素P∈E具有一组有序数列v₁,v₂,…,v_m作为P的属性，或称为弧P的权，用C来计算，设定从源节点到目的节点之间的路径为v₁,v₂,…,v_m，其中：v₁为源节点S，v_m为目的节点D；

第二步骤：建立交换代数理论的节点网络编码方案

网络编码方案将以交换代数作为主要的编码工具，建立一种基于交换代数的线性网络编码方案；

第三步骤：确定Ad Hoc网络多路径路由节点的网络编码机制

对于源节点S，构造源节点S和目的节点D之间的p条不相交的路径集P，P上每一条边e的ω维列向量f_e有：

$f_e=\underset{e\∈\mathrm{Out}\left(v\right)}{\mathrm{\Σ}}{k}_{D,e}{f}_D,$ v为非源节点  (1)

或相似的描述形式：

[f_e]_e∈E·(I_|E|-K_C)＝J_ω,|E|  (2)

det(I_|E|-K_C)[f_e]_e∈E＝J_ω,|E|·Adj(I_|E|-K_C)  (3)

公式中：In(v)表示节点v的入度，Out(v)表示节点v的出度，f_e,f_D分别表示编码和解码向量，k_D,e表示编解码系数向量；I_|E|表示单位矩阵，K_C为|E|×|E|矩阵，ω为加权图G的维数，J_ω,|E|表示基于ω,|E|的雅可比矩阵，det(I_|E|-K_C)表示I_|E|-K_C的行列式的值,Adj(I_|E|-K_C)表示(I_|E|-K_C)的伴随矩阵；

在求解f_e时，必须保证对任意目的节点D存在一个包含p条链路的集合C_R，且这p条链路的全局编码内核G_D＝{f(e)|e_∈C_R}是K_C的一个基；

Ad Hoc网络节点的网络编码机制是指在多路径路由的关键节点上利用基于交换代数的线性网络编码技术对数据分组进行编码操作，然后将数据转发给下一节点；

第四步骤：确定Ad Hoc网络多路径路由的选择算法

Ad Hoc网络多路径路由的选择用多路径Dijkstra算法选择N条从源节点S到目的节点D的路径，从而完成N路径路由。

2.如权利要求1所述的Ad Hoc网络中基于网络编码的多路径路由方法，其特征在于：还包括

第五步骤：确定从源节点到目标节点的多路径的数据传输，实现网络流量均衡传输

在网络的多路径路由上对部分主要路径进行网络编码操作，而对次要路径保持原来数据分组存储转发机制，当目的节点D收到源节点从多路径路由上转发过来的数据分组时，对数据分组进行网络解码操作，恢复出原来的数据。