CN102694623A - 一种多跳无线网络中基于会话间网络编码的速率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种多跳无线网络中基于会话间网络编码的速率分配方法。本发明主要考虑了无线网络中的链路不可靠性,利用会话间网络编码技术提高网络有效的吞吐量以及总效用。本发明方法包括效用函数及约束条件的确定,计算端到端的可靠性,求解效用函数的最优值三个步骤。本发明与传统基于网络编码的速率分配方法相比网络总吞吐量最多可以提升100%,网络总效用也有显著的提升。
Description
技术领域
本发明属于无线通信资源分配领域,涉及一种多跳无线网络中基于会话间网络编码的速率分配方法。
背景技术
随着无线通信和移动技术的飞速发展,无线网络正受到人们的越来越多的关注。高速发展的无线通信技术以及3G时代的到来,也促使人们对无线通信系统的业务需求有了更高的要求。为了满足多速率多媒体通信的要求,新一代的无线通信系统必须更有效地利用无线网络资源,不仅要提高数据传输速率,还要确保系统能在不同媒体所要求下达到相应的服务质量。
在传统的通信网络中,信息流从源节点发出,各级中间节点仅对接收到的信号进行复制、放大和转发。在这种模式下,难以实现最大流最小割定理所规定的上界。2000年Ahlswede等人提出网络编码理论,彻底打破了这种限制。它扩展了传统的路由概念,允许中间节点将接收到的信息进行编码,并将接收到的多个数据包按照一定的规则进行组合后再传送给其他节点。研究表明网络编码能够有效提升网络容量和传输效率。因此,网络编码的提出已经成为21世纪以来通信网络领域中的一项重大突破。
由于无线网络自身的特性,网络编码应用于无线网络可以提高网络的传输容量和降低功耗等。无线网络与网络编码相结合的研究正成为一个新的研究热点。
网络编码可以分为会话内编码和会话间编码。前者是指参与编码的数据包来自同一数据流,后者是可以来自不同的数据流。由于信道条件差以及噪声干扰等原因,无线网络中数据丢包率比较高。因此,需要一种策略来提高无线网络的性能。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种多跳无线网络中基于会话间网络编码的速率分配方法,该方法主要考虑了无线网络中的链路不可靠性,利用会话间网络编码技术提高网络有效的吞吐量以及总效用。
本发明方法包括效用函数及约束条件的确定,计算端到端的可靠性,求解效用函数的最优值三个步骤。
具体步骤如下:
步骤1:确定效用函数及约束条件
用图G=(V, E)来表示无线网络,其中V和E分别表示无线网络节点和无线网络链路的集合。用S表示所有会话的集合,则对于所有会话 且,G是路由子图和网络编码子图的叠加。其中和分别表示路由子图中所有节点和链路的集合,和分别表示网络编码子图中所有节点和链路的集合。定义和分别表示源节点和目的节点。
(1)
其中表示源节点在路由子图中第条路径上数据传输速率,表示源节点在网络编码子图中第l条网络编码路径和第m条网络编码路径上的传输速率。表示路由子图中源节点和目的节点之间条路径集合中的最大值。和分别表示网络编码子图中l条和m条网络编码路径集合中的最大值。
对于任意会话,无线网络链路e上的总流量负载表示如下:
其中表示无线网络链路e是否被源节点和目的节点之间的第条路径所占用。当时表示被占用,否则;表示无线网络链路e中在集合的条路径中至少有一条网络编码路径,否则。表示无线网络链路e中在集合的条路径中至少存在一条网络编码路径。表示和之间的最大值。
约束条件包括:
步骤2:计算端到端的可靠性
2)计算网络编码子图中端到端的可靠性:利用成对网络编码的特性以及相邻节点间的链路可靠性存在递归的关系来计算网络编码子图中端到端的可靠性。对于网络编码子图,定义和分别表示节点u和v正确接收原始数据、编码数据或修复数据的概率。由于源节点和数据传输成功率为100%,定义。对于网络编码子图中的任意节点,令表示在网络编码子图中所有流入节点v的相邻节点集合。则相邻节点之间的可靠性存在如下的递归关系:
步骤3:求解效用函数的最优值
1) 将效用函数的最优值问题转化为拉格朗日对偶函数。
则效用函数最优值的拉格朗日对偶问题表示为
其中。即通过求解拉格朗日对偶问题的最小值得到效用函数的最优值。
2) 利用梯度投影法求解拉格朗日对偶问题,
(10)
当满足如下收敛条件时,
本发明所具有的有益效果:
本发明针对多跳无线网络的场景,充分考虑了无线网络中会出现的丢包情况,采用递归算法计算得到端到端的可靠性。本发明与传统基于网络编码的速率分配方法相比网络总吞吐量最多可以提升100%,网络总效用也有显著的提升。
附图说明
图1为多跳无线网络示意图。
图2为蝴蝶型网络拓扑示意图。
图3为基于会话间网络编码速率分配方法的流程图。
图4为基于会话间网络编码的速率分配方法与传统基于网络编码的速率分配方法的性能仿真结果对比图。
具体实施方式
本发明适用于多跳无线网络的应用场景,如图1所示。下面结合附图,进一步说明多跳无线网络中基于网络编码的速率分配方法的具体实施方式。
如图2所示,用蝴蝶型网络拓扑表示多跳无线网络。则网络表示为有向无环图。其中表示网络中所有节点的集合,表示所有链路的集合。中的每一个元素都可以用中某两个元素的有序对表示,即,代表链路是一条从节点到节点的通信信道。其中节点称为节点的输出边,节点的输入边。用表示流入节点的链路集合,用表示流出节点的链路集合。
建立成对的会话间网络编码模型。定义集合表示网络中所有单播会话的集合。每一个会话可以用表示,其中和分别表示会话的源节点和目的节点。个成对的会话间网络编码子图可以表示为,其中,且。这样对于每个会话,路由子图包含了所有从源节点到目的节点的路由路径。定义表示链路属于会话的第条路径;否则,。定义和分别表示子图和网络编码子图中所有路由路径的集合。可以看作是所有路由子图和网络编码子图的叠加。
本发明方法包括确定效用函数及约束条件,计算端到端的可靠性,求解效用函数的最优值三个步骤。
如图3所示,具体步骤如下:
步骤1:确定效用函数及约束条件
其中表示源节点在路由子图中第条路径上数据传输速率,表示源节点在网络编码子图中第l条网络编码路径和第m条网络编码路径上的传输速率。表示路由子图中源节点和目的节点之间条路径集合中的最大值。和分别表示网络编码子图中l条和m条网络编码路径集合中的最大值。
其中表示无线网络链路e是否被源节点和目的节点之间的第条路径所占用。当时表示被占用,否则;表示无线网络链路e中在集合的条路径中至少有一条网络编码路径,否则。表示无线网络链路e中在集合的条路径中至少存在一条网络编码路径。表示和之间的最大值。
约束条件包括:
步骤2:计算端到端的可靠性
2)计算网络编码子图中端到端的可靠性:利用成对网络编码的特性以及相邻节点间的链路可靠性存在递归的关系来计算网络编码子图中端到端的可靠性。对于网络编码子图,定义和分别表示节点u和v正确接收原始数据、编码数据或修复数据的概率。由于源节点和数据传输成功率为100%,定义。对于网络编码子图中的任意节点,令表示在网络编码子图中所有流入节点v的相邻节点集合。则相邻节点之间的可靠性存在如下的递归关系:
步骤3:求解效用函数的最优值
3) 将效用函数的最优值问题转化为拉格朗日对偶函数。
对于任意会话,拉格朗日对偶函数如下:
则效用函数最优值的拉格朗日对偶问题表示为:
4) 利用梯度投影法求解拉格朗日对偶问题,
当满足如下收敛条件时,
随机生成8次网络拓扑,每个拓扑随机包含10-15个无线节点。在每个拓扑中随机选取1-2条链路的丢包率设为50%。仿真结果如图4所示,基于会话间网络编码的速率分配方法考虑了链路可靠性,与传统基于网络编码的速率分配方法相比网络总吞吐量最多可以提升100%,网络总效用也有显著的提升。
Claims (1)
1. 一种多跳无线网络中基于会话间网络编码的速率分配方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤1:确定效用函数及约束条件;
用图G=(V, E)来表示无线网络,其中V和E分别表示无线网络节点和无线网络链路的集合;用S表示所有会话的集合,则对于所有会话 且,G是路由子图和网络编码子图的叠加;其中和分别表示路由子图中所有节点和链路的集合,和分别表示网络编码子图中所有节点和链路的集合;定义和分别表示源节点和目的节点;
其中表示源节点在路由子图中第条路径上数据传输速率,表示源节点在网络编码子图中第l条网络编码路径和第m条网络编码路径上的传输速率;表示路由子图中源节点和目的节点之间条路径集合中的最大值;和分别表示网络编码子图中l条和m条网络编码路径集合中的最大值;
其中表示无线网络链路e是否被源节点和目的节点之间的第条路径所占用;当时,表示被占用,否则;表示无线网络链路e中在集合的条路径中至少有一条网络编码路径,否则;表示无线网络链路e中在集合的条路径中至少存在一条网络编码路径;表示和之间的最大值;
无线网络链路总接收速率效用函数表示如下:
约束条件包括:
2),表示成对会话间网络编码的特性;
步骤2:计算端到端的可靠性;
2)计算网络编码子图中端到端的可靠性:利用成对网络编码的特性以及相邻节点间的链路可靠性存在递归的关系来计算网络编码子图中端到端的可靠性;对于网络编码子图,定义和分别表示节点u和v正确接收原始数据、编码数据或修复数据的概率;由于源节点和数据传输成功率为100%,定义;对于网络编码子图中的任意节点,令表示在网络编码子图中所有流入节点v的相邻节点集合,则相邻节点之间的可靠性存在如下的递归关系:
步骤3:求解效用函数的最优值;
将效用函数的最优值问题转化为拉格朗日对偶函数;
则效用函数最优值的拉格朗日对偶问题表示为
利用梯度投影法求解拉格朗日对偶问题,
(11)
(13)
当满足如下收敛条件时,
(14)
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