CN102594529A - 基于网络编码的发射端广播重传方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络编码的发射端广播重传方法及系统，通过构建重传缓冲池、初始化重传缓冲池、组合重传数据包，然后发送重传数据包，减少了传输次数，提高了能量效率，当数据量较大时，减小了网络时延，提高了网络传输效率，减小了网络丢包率，增加了传输的可靠性，能达到网络最大信息流。

Description

基于网络编码的发射端广播重传方法及系统

技术领域

本发明涉及一种广播重传方法及系统，尤其涉及一种基于网络编码的发射端广播重传方法及系统。

背景技术

目前在传统的点到点通信网络中大多采用的是存储转发的路由策略，如Internet网，无线ad hoc网络等。相反，网络编码是一种通过路由中继节点对信息进行编解码来达到多播网络容量的技术，该技术由R.Ahlswede等人在2000年首次提出，利用图论中最大流最小割理论从理论上证明了网络编码能达到网络最大信息流，而这对于传统的存储转发路由技术是无法实现的。在传统的数据传输技术中，中继节点只负责数据的存储转发，而基于网络编码技术的网络的中继节点在具备传统中继功能的基础上，根据网络编码规则将接收到的信息进行线性或非线性处理再进行传播。网络编码彻底改变了通信网络中信息处理和传输的方式，是信息理论研究领域的重大突破，已经引起学术界广泛关注和高度重视.国际许多著名大学和研究机构，国外许多著名大学，如麻省理工大学、普林斯顿大学、瑞士EPFL学院等以及多家IT公司的研究中心，包括贝尔实验室、微软研究院、A T&T的香农信息实验室等都在积极开展对网络编码理论和应用的研究；网络编码也逐渐引起了国内学术界的关注和重视，我国的清华大学、南京大学、西安电子科技大学等对网络编码进行了探索。

在传统的传输模式中，节点一般是采用点对点传输模式。如图1所示，中继节点根据存储转发原则和先进先出原则(First Input First Output)发送数据。图2给出了传统传输方式接收数据示意图。首先节点A，B竞争信道，因节点A先于节点B发送传输请求，因此节点C先接收节点A的数据，随后接收来自节点B的数据；然后根据先进先出规则，转发数据X₁、X₂。当然图2.a并不是唯一传输形式，如中继节点C在接收数据X1后先转发，后接收来自节点B的数据。

与有线网络的信号集束性不同，无线网络的电波扩散特性使得网络编码在减少无线传输次数方面有很好的应用。与传统的有线网络相比，无线网络拥有较高的比特出错率，重传效率问题显得更加重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种基于网络编码的发射端广播重传方法及系统，克服现有技术重发数据包过多的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种基于网络编码的发射端广播重传方法，包括如下步骤：

构建重传缓冲池：构建重传缓冲池矩阵，所述重传缓冲池矩阵的行数据表示接收节点的接收情况，所述重传缓冲池矩阵的列数据表示数据包的接收情况；

初始化重传缓冲池：根据广播发送中ACK/NAKs反馈生成的数据包接收情况初始化所述重传缓冲池矩阵；

组合重传数据包：对于任意接收节点已正确接收至少i-1个数据包，对该i个数据包采用异或运算编码成重传数据包，重传数据包数量小于等于接收节点个数，其中，i为组合中数据包个数；

发送重传数据包：以广播形式发送已编码的数据包组合。

本发明的进一步技术方案是：所述数据包的接收情况为在数据包接收成功时为接收成功标志，在数据包接收不成功时为请求重发标志。

本发明的进一步技术方案是：在组合重传数据包步骤中，还包括检测是否达到重传上限，若达到重传上限，则发送组合的重传数据包。

本发明的进一步技术方案是：在组合重传数据包步骤中，还包括检测是否达到重传上限，若未达到重传上限，则继续组合重传数据包。

本发明的技术方案是：构建一种基于网络编码的发射端广播重传系统，包括构建重传缓冲池的构建单元、初始化重传缓冲池的初始化单元、组合重传数据包的组合单元、发送重传数据包的发送单元，所述构建单元构建重传缓冲池矩阵，所述重传缓冲池矩阵的行数据表示接收节点的接收情况，所述重传缓冲池矩阵的列数据表示数据包的接收情况；所述初始化单元根据广播发送中ACK/NAKs反馈生成的数据包接收情况初始化所述重传缓冲池矩阵；所述组合单元对于任意接收节点已正确接收至少i-1个数据包，对该i个数据包采用异或运算编码成重传数据包，重传数据包数量小于等于接收节点个数，其中，i为组合中数据包个数；所述发送单元将广播重传数据包组合。

本发明的进一步技术方案是：还包括判断是否达到重传上限的判断单元。

本发明的进一步技术方案是：所述数据包的接收情况为在数据包接收成功时为接收成功标志，在数据包接收不成功时为请求重发标志。

本发明的技术效果是：构建一种基于网络编码的发射端广播重传方法及系统，通过构建重传缓冲池、初始化重传缓冲池、组合重传数据包，然后发送重传数据包，减少了传输次数，提高了能量效率，当数据量较大时，减小了网络时延，提高了网络传输效率，减小了网络丢包率，增加了传输的可靠性，能达到网络最大信息流。

附图说明

图1为本发明现有技术点对点传输模式示意图。

图2为本发明现有技术传统传输方式接收数据示意图。

图3为本发明数据交换方式。

图4为本发明数据交换示意图。

图5为本发明的流程图。

图6为本发明重传缓冲池示例。

图7为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

本发明的技术方案是：提供一种基于网络编码的发射端广播重传方法，包括如下步骤：

步骤100：构建重传缓冲池，即：构建重传缓冲池矩阵，所述重传缓冲池矩阵的行数据表示接收节点的接收情况，所述重传缓冲池矩阵的列数据表示数据包的接收情况。

具体实施过程如下：重传缓存池M，是指广播发送中ACK/NAKs反馈生成的数据包接收情况矩阵。该矩阵中行表示接收节点接收情况，列表示信息包接收情况。矩阵赋值规则如表1所示。

表1重传缓存池赋值规则

步骤200：初始化重传缓冲池，即：根据广播发送中ACK/NAKs反馈生成的数据包接收情况初始化所述重传缓冲池矩阵。

具体实施过程如下：根据表1的规则及广播发送中ACK/NAKs反馈生成的数据包接收情况，初始化重传缓冲池。

步骤300：组合重传数据包，即：对于任意接收节点已正确接收至少i-1个数据包，对该i个数据包采用异或运算编码成重传数据包，重传数据包数量小于等于接收节点个数，其中，i为组合中数据包个数。具体实施例中，所述数据包的接收情况为在数据包接收成功时为接收成功标志，在数据包接收不成功时为请求重发标志。还包括检测是否达到重传上限，若达到重传上限，则发送组合的重传数据包；若未达到重传上限，则继续组合重传数据包。

具体实施过程如下：建立矩阵M的目的是从接收节点的重传请求中寻求减少重传次数的机会。假设广播源S广播了数据X₁、X₂，节点A因不能正确接收数据X₁从而发送重传请求给S，节点B不能接收X₂且请求重传。在这种情况下，广播源S首先查看矩阵M，根据信息和网络编码策略，S将广播数据

假设编码后的数据为

其中i≤N。考虑到编码的可解性和高效性，对于N个接收节点的网络编码应该遵循以下规则：

编码规则：

(1)对于X中的数据包，任意接收节点已正确接收至少i-1个数据包。采用异或方式进行网络编码时，如果接收节点收到的已编码数据X中存在多个在重传之前未正确接收的数据，将不能正常解码该数据包。

即：CORRECT(n)≤i-1≤

其中CORRECT(n)为接收节点n接收数据包正确的个数。

(2)尽可能的编码丢失包以保证最大程度的减少重传次数。对于传统的传输方式来说，广播源每接收到一个NACK就需要重新发送一次原始数据，而对于采用网络编码方式的重传机制来说，在网络编码中每增加一个数据包就能节省一次重传次数，因此在寻求编码组合时应编码尽量多的重传数据包。

最大一次可编码重传数据包的数量为：

Max(B)＝N

其中B为接收节点可解码的数据包重传编码组合的集合，Max(B)表示最大一次可编码重传数据包的数量。

图6给出了N＝5的重传缓冲池M₁，从图中可以看出，如果广播源发送

节点A、B、C接收后可解出对应的丢失包，如节点A可通过

解得丢失包X₁。

定义存储空间N为长度等于接收节点个数N的编码组合缓存空间向量，其主要的作用是用来暂时存放待编码数据标号。N的格式以及初始值定义如下：

$N=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1& r_2& ...& r_N\\ a_1& a_2& & a_N\end{array}\right]$

其中0≤r_i≤N，0≤a_i≤m

步骤400：发送重传数据包，即：以广播形式发送已编码的数据包组合。

以下结合实例说明本发明的具体实施过程如下：

结合所述编码规则，在重传缓冲池中寻找编码组合的步骤为：

先将接收节点请求重传的数据包标记至矩阵M对应的位置。如图6所示，矩阵M记录了各个接收节点的数据包接收情况，这里按照广播源的发包顺序，将数据包标记为(X₁，…，X₈)，列向量表示某个数据包各个节点的接收情况，行向量表示某个接收节点的各个数据包的接收情况。例如：M(5，2)＝x，表示接收节点B没有成功接收到标号为X₅的数据包，并且广播源收到了重传请求，M(2，4)＝o表示接收节点D已成功接收标号为X₂的数据包。

然后初始化参数：令N(2xN)＝0，(r，a)＝0，t＝0。其中a为矩阵M中的列向量，对应为数据包，r为矩阵M中的行向量，对应为接收节点，t为列指针，指向搜索列。例如当a＝3，r＝2时，M(r，a)对应的是矩阵M中第3列第2行元素o。

根据编码准则(2)判断是否已达一次重传上限，如果已达到，则对编码组合缓存空间的N中数组所对应的数据包进行网络编码。

按照

方式进行网络编码，例如当

$N=\left[\begin{array}{ccccc}1& 2& 3& 4& 5\\ 1& 2& 3& 4& 5\end{array}\right]$

时，网络编码后的数据包应为：

如未达到，如果t＝m+1则对编码组合缓存空间的N中数组所对应的数据包进行网络编码，否则按列搜索在矩阵M中第一个x位。

通过对N的判断可知编码组合是否已达到最大值：如果N中无0项，则已达到一次重传上限，即：N(:，:)≠0。

将x位对应的坐标赋值于(r，a)，如果未能找到x位，则结束该流程，广播源继续广播数据。

广播源S将在矩阵M中按列搜寻第一个x位，以图6为例，第一个x位对应的坐标为(1，1)，因此作此赋值操作：a＝1，r＝1，并将(r，a)加入存储空间N内。如果遍历矩阵M后未发现x位，即所有接收节点均正确接收数据，则结束该流程，广播源继续广播数据。

根据编码规则(1)判断该x位对应的数据是否能够加入到现有的编码组合中。假设x位出现在M(r，a)处，根据编码规则：

(1)当M中r列中x位对应的接收节点均正确接收了信息Xa，即：

M(i，N(1，:))≠M((i，a)|x)    0≤i≤N

则令t＝t+1，并将(r，a)加入存储空间N内。

(2)存在一个i使得M(i，N(1，:))＝M(i，a)＝o，则t＝t+1，根据编码准则(2)判断是否已达一次重传上限，如果已达到，则对编码组合缓存空间的N中数组所对应的数据包进行网络编码。

按照方式进行网络编码，例如当

$N=\left[\begin{array}{ccccc}1& 2& 3& 4& 5\\ 1& 2& 3& 4& 5\end{array}\right]$

时，网络编码后的数据包应为：

如未达到，如果t＝m+1则则对编码组合缓存空间的N中数组所对应的数据包进行网络编码，否则按列搜索在矩阵M中第一个x位。。

执行M(:，a)＝o的赋值操作，其中M(:，a)表示M中a列的所有元素。

对编码组合缓存空间的N中数组所对应的数据包进行网络编码。

按照

方式进行网络编码，例如当

$N=\left[\begin{array}{ccccc}1& 2& 3& 4& 5\\ 1& 2& 3& 4& 5\end{array}\right]$

时，网络编码后的数据包应为：

广播源广播编码数据包，并重置参数N(2xN)＝0，(r，a)＝0，t＝0。

检查矩阵M元素是否全为o，如果否，根据编码准则(2)判断是否已达一次重传上限，如果已达到，则对编码组合缓存空间的N中数组所对应的数据包进行网络编码。

按照

方式进行网络编码，例如当

$N=\left[\begin{array}{ccccc}1& 2& 3& 4& 5\\ 1& 2& 3& 4& 5\end{array}\right]$

时，网络编码后的数据包应为：

如未达到，如果t＝m+1则则对编码组合缓存空间的N中数组所对应的数据包进行网络编码，否则按列搜索在矩阵M中第一个x位。

如果是的话，则结束该流程，广播源继续广播数据。

结束该流程，广播源继续广播数据。

如图7所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于网络编码的发射端广播重传系统，包括构建重传缓冲池的构建单元1、初始化重传缓冲池的初始化单元2、组合重传数据包的组合单元3、发送重传数据包的发送单元4，所述构建单元1构建重传缓冲池矩阵，所述重传缓冲池矩阵的行数据表示接收节点的接收情况，所述重传缓冲池矩阵的列数据表示数据包的接收情况；所述初始化单元2根据广播发送中ACK/NAKs反馈生成的数据包接收情况初始化所述重传缓冲池矩阵；所述组合单元3对于任意接收节点已正确接收至少i-1个数据包，对该i个数据包采用异或运算编码成重传数据包，重传数据包数量小于等于接收节点个数，其中，i为组合中数据包个数；所述发送单元4将广播重传数据包组合。

本发明的技术效果是：构建一种基于网络编码的发射端广播重传方法及系统，通过构建重传缓冲池、初始化重传缓冲池、组合重传数据包，然后发送重传数据包，减少了传输次数，提高了能量效率，当数据量较大时，减小了网络时延，提高了网络传输效率，减小了网络丢包率，增加了传输的可靠性，能达到网络最大信息流。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于网络编码的发射端广播重传方法，包括如下步骤

构建重传缓冲池：构建重传缓冲池矩阵，所述重传缓冲池矩阵的行数据表示接收节点的接收情况，所述重传缓冲池矩阵的列数据表示数据包的接收情况；

初始化重传缓冲池：根据广播发送中ACK/NAKs 反馈生成的数据包接收情况初始化所述重传缓冲池矩阵；

组合重传数据包：对于任意接收节点已正确接收至少i-1个数据包，对该i个数据包采用异或运算编码成重传数据包，重传数据包数量小于等于接收节点个数，其中，i为组合中数据包个数；

发送重传数据包：以广播形式发送已编码的数据包组合。

2.根据权利要求1所述基于网络编码的发射端广播重传方法，其特征在于，所述数据包的接收情况为在数据包接收成功时为接收成功标志，在数据包接收不成功时为请求重发标志。

3.根据权利要求1所述基于网络编码的发射端广播重传方法，其特征在于，在组合重传数据包步骤中，还包括检测是否达到重传上限，若达到重传上限，则发送组合的重传数据包。

4.根据权利要求1所述基于网络编码的发射端广播重传方法，其特征在于，在组合重传数据包步骤中，还包括检测是否达到重传上限，若未达到重传上限，则继续组合重传数据包。

5.一种基于网络编码的发射端广播重传系统，其特征在于，包括构建重传缓冲池的构建单元、初始化重传缓冲池的初始化单元、组合重传数据包的组合单元、发送重传数据包的发送单元，所述构建单元构建重传缓冲池矩阵，所述重传缓冲池矩阵的行数据表示接收节点的接收情况，所述重传缓冲池矩阵的列数据表示数据包的接收情况；所述初始化单元根据广播发送中ACK/NAKs 反馈生成的数据包接收情况初始化所述重传缓冲池矩阵；所述组合单元对于任意接收节点已正确接收至少i-1个数据包，对该i个数据包采用异或运算编码成重传数据包，重传数据包数量小于等于接收节点个数，其中，i为组合中数据包个数；所述发送单元将广播重传数据包组合。

6.根据权利要求5所述基于网络编码的发射端广播重传系统，其特征在于，还包括判断是否达到重传上限的判断单元。

7.根据权利要求5所述基于网络编码的发射端广播重传系统，其特征在于，所述数据包的接收情况为在数据包接收成功时为接收成功标志，在数据包接收不成功时为请求重发标志。

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