CN102647253B - 多中继网络中基于网络编码的传输控制方法 - Google Patents

多中继网络中基于网络编码的传输控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多中继网络中基于网络编码的传输控制方法，其采用协作式的传输控制方法，目的节点在接收到中继节点发送的数据包后广播数据包接收情况，实现目的节点与中继节点关于接收情况的信息的共享，使得中继节点能够融合目的节点和自身的信息做出更好的发送决策，避免了发送具有相关性的数据包的情况，从而使得本发明的多中继网络中基于网络编码的传输控制方法在发送时间及能效方面有明显的性能提升，有效的改善了多中继网络的传输性能，增加了网络吞吐率并提升了节点的能量利用率。

Description

多中继网络中基于网络编码的传输控制方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其地，涉及一种多中继网络中基于网络编码的传输控制方法。
背景技术
随着无线通信技术迅猛发展，各种基于无线通信技术的应用渗透到人们生活生产的方方面面中。多中继网络作为一种典型的网络形式，广泛体现在无线体域网、水下声波网络等场景中。采用多中继网络可有效对抗丢包。理论和实验表明，采用网络编码技术可提升多中继网络的吞吐率，提高传输节点的能效。网络编码由R.Ahlswede等人于2000年提出，其核心思想是利用传输节点的运算能力，对多个数据包进行处理后再发送，在接收端再次运算以得到初始数据包。
传统的传输方式是各中继节点收到编码数据包后再次进行编码，然后依次发送给目的节点。然而，由于任意两个中继节点接收到的数据包来自同一个源节点，因而可能接收到相同数据包，再次编码后的编码数据包则可能存在相关数据包。发送相关数据包造成能源、时间等资源的浪费，限制了吞吐量的提高，同时也限制了能效的提升。
发明内容
本发明针对上述现有传输方式的不足，提出了一种多中继网络中基于网络编码的传输控制方法，其采用协作式的传输控制方法(NCCF，Network Coding withCooperative Forwarding)，目的节点在接收到中继节点发送的数据包后广播数据包接收情况，实现目的节点与中继节点关于接收情况的信息的共享，使得中继节点能够融合目的节点和自身的信息做出更好的发送决策，避免了发送具有相关性的数据包的情况，从而有效提高了网络编码在多中继网络中的性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种多中继网络中基于网络编码的传输控制方法，其包括以下步骤：
步骤一：源节点首先对初始数据包进行网络编码，然后给各个已编码的数据包添加区分标签后发送；
步骤二：各中继节点接收所述源节点发送来的的数据包，读取所述数据包的区分标签并将所述区分标签记录到一个向量中，其中，中继节点i生成的向量记为αi，中继节点i再次编码所接收到的数据包并发送，同时发送所述向量αi，i＝1；
步骤三：目的节点构造一个接收情况反映矩阵Ti，所述矩阵初始为空，即T0＝0，当接收到中继节点i发来的数据包及向量αi后，将αi以及从中继节点i接收到的数目包数目Ri作为所述Ti的最后一行添加到所述Ti中，并广播所述Ti；
步骤四：下一个将要发送的中继节点i+1接收到由目的节点发送的矩阵Ti后，结合所述中继节点i+1生成的向量αi+1确定所述中继节点i+1发送数据包的数目并发送相应数目的数据包，且i＝i+1；
步骤五：重复步骤三，步骤四，直到最后一个中继节点发送完毕。
根据上述的多中继传输网络中基于网络编码的传输控制方法，其中，所述矩阵Ti为
T i = α 1 R 1 α 2 R 2 · · α i R i = x 11 x 21 · x K 1 R 1 x 12 x 22 · x K 2 R 2 · · · · · x 1 i x 2 i · x Ki R i
其中，x1i··xKi是αi中的组成元素，Ri为中继节点i接收到的数目包数目，xij表示中继节点j是否接收到源节点i的数据包，当xij＝0表示没有接收到数据包，当xij＝1表示接收到数据包，K为数据包的数目。
根据上述的多中继传输网络中基于网络编码的传输控制方法，其中，所述中继节点为3个。
根据上述的多中继传输网络中基于网络编码的传输控制方法，其中，源节点到中继节点的数据包以及中继节点到目的节点的数据包的成功传输概率相同。
与传统传输控制方式相比，本发明的多中继网络中基于网络编码的传输控制方法在发送时间及能效方面有明显的性能提升，有效的改善了多中继网络的传输性能，增加了网络吞吐率并提升了节点的能量利用率。
附图说明
图1是本发明的多中继网络中基于网络编码的传输控制方法中仿真场景的拓扑结构图；
图2是在不同的数据包成功传输概率下本发明的协作式的传输控制方法与传统传输控制方法的能效指数对比图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果，但本发明并不局限于下述实施例。
本发明的多中继网络中基于网络编码的传输控制方法的步骤如下：
步骤一：源节点首先对初始数据包进行网络编码，然后给各个已编码的数据包添加区分标签，并发送经上述处理后的数据包；
步骤二：各中继节点接收源节点发送来的数据包，并读取各个数据包的区分标签并将区分标签记录到一个向量中，中继节点i生成的向量记为αi，中继节点i再次编码所接收到的数据包并发送，同时发送向量αi，i＝1；
步骤三：目的节点构造一个接收情况反映矩阵Ti，所述矩阵初始为空，即T0＝0，当接收到中继节点i发来的数据包及向量αi后，将αi以及从中继节点i接收到的数目包数目Ri作为所述Ti的最后一行添加到所述Ti中，并广播所述Ti；
步骤四：下一个将要发送的中继节点i+1接收到由目的节点发送的矩阵Ti后，结合所述中继节点i+1生成的向量αi+1确定所述中继节点i+1发送数据包的数目并发送相应数目的数据包，且i＝i+1；
步骤五：重复步骤三，步骤四，直到最后一个中继节点发送完毕。
具体地，接收情况反映矩阵Ti的结构如下：
T i = α 1 R 1 α 2 R 2 · · α i R i = x 11 x 21 · x K 1 R 1 x 12 x 22 · x K 2 R 2 · · · · · x 1 i x 2 i · x Ki R i
其中，x1i··xKi是αi中的组成元素，Ri为中继节点i接收到的数目包数目，xij表示中继节点j是否接收到源节点i的数据包，当xij＝0表示没有接收到数据包，当xij＝1表示接收到数据包，K为数据包的数目。
在本发明的一个优选实施例中，编码数据包数目K＝10，源节点发送一个编码数据包时间为单位时间1，源节点到中继节点的数据包以及中继节点到目的节点的数据包的成功传输概率假定为相同。
图1为本发明的优选实施例中仿真场景的拓扑结构，其中Source节点为源节点，Relay1、Relay2、Relay3为三个中继节点，Sink节点为目的节点。
其具体步骤如下：
步骤一：源节点给10个编码数据包分别添加标签1至10，并发送添加标签后的编码数据包；
步骤二：中继节点1至3分别接收上述源节点发送来的数据包，并读取所接收到的数据包的标签，分别存储在向量α1，α2，α3中，中继节点1再次编码接收到的数据包并发送，同时发送α1；
步骤三：目的节点接收中继节点1发送来的数据包及α1，并由α1和中继节点1接收到的数目包数目R1生成矩阵T1，并广播矩阵T1；
步骤四：中继节点2依据T1，α2，确定接收缓存中目的节点未接收到的自由度数目，再次编码接收到的数据包并发送相应数目的数据包及α2，其中相应数目等于中继节点2未接收到的自由度数目；
步骤五：目的节点接收中继节点2发送来的数据包及α2，并将α2以及从中继节点2接收到的数目包数目R2添加到T1的最后一行，从而生成矩阵T2，并广播矩阵T2；
步骤六：中继节点3依据T2，α3确定接收缓存中目的节点未接收到的自由度数目，再次编码接收到的数据包并发送相应数目的数据包，其中相应数目等于中继节点3未接收到的自由度数目；
步骤七：目的节点接收数据包，发送完成。
在本发明中，能效指数定义为总发送时间除以接收到的有效自由度(DOF)，即接收一个自由度的平均时间。
图2给出了在不同的数据包成功传输概率下本实施例方法(NCCF)与传统传输控制方法(Conventional NC)的能效指数。从图中可以看出本发明的方法优于传统传输控制方法，并且优势随着成功传输概率增长而增长。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多中继传输网络中基于网络编码的传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：源节点首先对初始数据包进行网络编码，然后给各个已编码的数据包添加区分标签后发送；
步骤二：各中继节点接收所述源节点发送来的的数据包，读取所述数据包的区分标签并将所述区分标签记录到一个向量中，其中，中继节点i生成的向量记为αi，中继节点i再次编码所接收到的数据包并发送，同时发送所述向量αi，i＝1；
步骤三：目的节点构造一个接收情况反映矩阵Ti，所述矩阵初始为空，即T0＝0，当接收到中继节点i发来的数据包及向量αi后，将αi以及从中继节点i接收到的数据包数目Ri作为所述Ti的最后一行添加到所述Ti中，并广播所述Ti；
所述矩阵Ti为
T i = α 1 R 1 α 2 R 2 · · α i R 1 = x 11 x 21 · x K 1 R 1 x 12 x 22 · x K 2 R 2 · · · · · x 1 i x 2 i · x Ki R i
其中，x1i..xKi是αi中的组成元素，Ri为目的节点从中继节点i接收到的数据包数目，xij表示中继节点j是否接收到第i个数据包，当xij＝0表示没有接收到数据包，当xij＝1表示接收到数据包，K为数据包的数目；
步骤四：下一个将要发送的中继节点i+1接收到由目的节点发送的矩阵Ti后，结合所述中继节点i+1生成的向量αi+1，确定所述目的节点未接收到的自由度数目和所述中继节点i+1发送数据包的数目，再次编码接收到的数据包并发送相应数目的数据包及αi+1，所述相应数目等于所述中继节点i+1未接收到的自由度数目，且i＝i+1；
步骤五：重复步骤三，步骤四，直到最后一个中继节点发送完毕。
2.根据权利要求1所述的多中继传输网络中基于网络编码的传输控制方法，其特征在于，所述中继节点为3个。
3.根据权利要求1所述的多中继传输网络中基于网络编码的传输控制方法，其特征在于，源节点到中继节点的数据包以及中继节点到目的节点的数据包的成功传输概率相同。
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