CN102970235B - 无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由方法，针对无线网状网络多播路由在传输效率和可靠性方面的需求，将流内网络编码和流间网络编码相结合并应用于无线网状网络多播路由。本发明主要包括3个方面：（1）在多播会话内使用流内网络编码，提高数据传输可靠性；（2）在多播会话间使用流间网络编码，减少数据传输次数，提高数据传输效率；（3）在重传机制中，采用零空间机制和编码重传机制，减少反馈和重传次数，提高重传效率。与现有基于网络编码的无线网状网络多播路由相比，本发明将流内网络和流间网络编码相结合，在提高多播路由可靠性的同时，减少了数据传输和重传次数，提高多播路由的效率和吞吐量。

Description

无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由方法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，具体为一种无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由方法，主要适用于无线网状网络中多播路由发现和数据传输路径选择，将流内网络编码和流间网络编码相结合应用于多播路由，并结合反馈机制和编码重传机制提高多播传输性能。

背景技术

无线网状网络是一种定位于高容量、高速率的新型宽带多跳无线网络, 在部署目标、网络结构和流量特征方面与移动Ad Hoc网络、无线传感器网络等传统多跳无线网络相比均存在诸多差异。其骨干路由节点准静止、能量无约束等特征使无线网状网络在增加网络容量、扩大无线覆盖范围、支持多频段无线设备、提高网络可靠性和鲁棒性方面显示出很大的优势。无线网状网络部署代价小、组网方式灵活简单，被认为是无线宽带接入的有效方式，非常适合为城市、乡村、校园等不同规模和环境下的业务提供宽带无线接入，而且可以为物联网等提供高效的无线接入，因此具有广阔的应用前景。

无线网状网络按照其组织结构，可以分为骨干式结构、客户端结构和混合结构。骨干式网状网络由网状路由器按照无线多跳的方式自组织构成主干网络。在骨干式网状网络中，网状客户端接入网状路由器，网状客户端之间的通信必须通过网状路由器。客户端结构网状网络由网状客户端按照无线多跳的方式自组织构成网络，没有网状路由器的参与。而混合结构网状网络是前两种结构的混合，网状路由器自组织构成骨干网络，网状客户端自组织构成底层网络，网状客户端接入对应的网状路由器。本发明是针对骨干式结构的无线网状网络。

无线网状网络是一种面向实用的网络，现有很多应用如视频会议、内容分发、远程医疗护理等需要多播服务的支持。多播是一种由一个源节点向多个目的节点同时发送数据的通信服务。多播路由的性能对多播服务起到关键的作用。多播路由构成的路径，由源节点到各个目的节点，其形状像树，因此也被称为多播树。目前已经有一些适用于无线网状网络的多播路由被相继提出。但是无线网状网络中，无线链路具有时变特性，且容易受到节点负载、干扰等因素的影响，如何提供可靠、高效的多播路由是一个巨大的挑战。

传统网络中，节点以存储转发方式工作。节点对收到的数据包不进行任何操作。网络编码改变了这一工作方式，允许节点对收到的数据包进行数学运算，这种数学运算被称为网络编码。网络编码中，未进行任何数学运算的数据包被称为原始数据包。

由于网络编码在提高网络吞吐量和提高数据传输效率方面的优势，研究人员提出了一些基于网络编码的路由技术。目前适用于无线路由的网络编码主要分为流内网络编码和流间网络编码。进行网络编码运算以后的数据包被称为编码数据包。

流内网络编码，是指参与编码的数据来自同一数据流。流内网络编码让源节点对发送数据进行线性编码。依据矩阵论，当目的节点在收到足够数目的编码包后，进行线性运算即可得到原始数据包。流内网络编码能够避免节点之间频繁的确认机制，提高数据传输的可靠性。

流间网络编码，是指参与编码的数据来自不同数据流。流间网络编码，能够充分利用无线信道的广播特性，对来自不同数据流的数据包采用异或运算，并将编码包广播出去，从而减少数据传输次数，节约带宽资源，提高网络吞吐量和数据传输效率。

但目前的无线网状网络多播路由，大多单纯采用一种网络编码，而没有充分发掘两类网络编码在提升路由性能方面的能力。

多播环境下的一个数据流表示一个多播会话，包括源节点、目的节点集合和多播路径。流内网络编码的实现通常采用随机线性网络编码。随机线性网络编码，是指对参与编码的数据包进行线性运算，而线性运算时采用的编码系数从有限域中随机选取。流间网络编码实现通常采用异或运算。

本发明将基于骨干式网状网络，提供一种基于流内网络编码和流间网络编码的多播路由方法。相比于现有的无线网状网络多播路由，其特殊性和创新性在于该方法将流内网络编码和流间网络编码结合，在多播会话内应用流内网络编码提升多播传输可靠性，在多播会话间应用流间网络编码减少数据传输提升传输效率，克服了现有路由方法仅利用一种网络编码的局限。

发明内容

技术问题： 现有的无线网状网络基于网络编码的多播路由，单纯使用一种网络编码，如流内网络编码或流间网络编码，而没有将两者结合充分挖掘两种网络编码各自的优势。本发明的目的主要是针对无线网状网络，提出一种无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由方法，利用流内网络编码提高数据传输可靠性，利用流间网络编码减少数据传输次数提高数据传输效率，并结合反馈机制和编码重传机制减少重传次数，提高多播效率。

技术方案： 本发明的无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由方法包括以下内容：

（1）源节点到接收节点集合的多播路由发现：源节点分别向各个接收节点发送路由请求报文。路由请求报文在中继节点转发的过程中，将收集各跳链路的期望传输次数ETX（Expected Transmission Count）信息。

（2）路由选择：多播路由发现结束后，源节点将得到到达每个接收节点的多条路由，以及每条路由上每条链路的ETX信息。路由选择算法，将依据源节点到每个接收节点的路径，构建源节点到接收节点集合的多播路由，并计算每个多播路由的ETX值。在构建多播路由的过程中，将合并重复的链路。路由选择算法将选择ETX值最小的多播路径作为最终的多播路由。

（3）基于滑动窗口和流内网络编码的多播会话内数据传输：源节点建立多播路由后，将开始基于流内网络编码的数据传输。源节点将K个原始数据包组成一组，为每个数据包分配一个从有限域中随机选择的一个数字作为编码系数，然后这K个数据包和对应的K个随机数相乘，而后做线性运算得到1个编码数据包。每次生成编码数据包时，编码系数重新选取。

源节点沿着多播路径，向各接收节点发送生成的编码数据包。但由于源节点到各接收节点的路径质量不同，会引起路径质量较好的接收节点等待路径质量较差的接收节点的现象。为此，在每个多播会话中的源节点和每个接收节点分别设置大小同为W的发送窗口和接收窗口。窗口的大小W要保证多播传输中不出现路径较好接收节点等待路径质量较差接收节点的现象。

（4）多播会话间数据传输

多播路由中的中间节点在发送数据过程中，如果该节点有其他多播会话的数据流经过，则该节点判断如果在该节点将来自不同多播会话的数据进行编码，下一跳节点能否正确解码。如果下一跳节点能够正确解码，则在该节点实施流间网络编码。否则该节点不对数据包进行任何操作。

（5）基于零空间的反馈机制

多播传输的某个接收节点在收到第一个编码包后等待了时间T，且没有收到同组内足够数目的编码包用于解码，该接收节点统计已经接收到的编码向量线性独立编码包的编码向量。若线性独立编码向量数目为n，则计算这些向量组成的矩阵对应的零空间。依据矩阵论，零空间是由(K-n)个变量表示的空间。接收节点向源节点反馈该零空间。

（6）基于编码的重传机制

源节点在收到每个接收节点的零空间以后，将各节点的零空间具体化，具体方法是：对节点j的零空间，其由(K-n_j)个变量表示，每次将其中的一个变量固定为1，其余变量固定为0，则可以得到(K-n_j)个线性独立的向量，构成该节点的零空间向量集。源节点从每个节点的零空间向量集中取出一个向量，做加法运算得到重传数据包的编码向量，据此编码向量生成重传编码包，发送给各接收节点。源节点重复此工作，直到所有节点的零空间向量集都为空集。

该多播路由将流内网络编码和流间网络编码相结合应用于多播路由，在多播会话内采用流内网络编码，在多播会话间使用流间网络编码，具体包括以下步骤：

步骤a . 源节点到接收节点集合的多播路由发现，

步骤b . 多播路由选择，

步骤c . 基于滑动窗口和流内网络编码的多播会话内数据传输，

步骤d . 多播会话间数据传输，

步骤e . 基于零空间的多播反馈，

步骤f . 基于编码的多播重传。

所述步骤a包括：

步骤a1.  源节点分别向各个接收节点发送路由请求报文，

步骤a2.  路由请求报文在中继节点转发的过程中，将收集各条链路的期望传输次数ETX（Expected Transmission Count）信息。

所述步骤b包括：

步骤b1.  多播路由发现结束后，源节点将得到到达每个接收节点的多条路由，以及每条路由上每条链路的ETX信息，

步骤b2.  路由选择算法，将依据源节点到每个接收节点的路径，构建源节点到接收节点集合的多播路由，并合并其中的重复链路，

步骤b3.  计算每个多播路由中，所有链路的ETX值的和，

步骤b4.  路由选择算法将选择ETX值最小的多播路径作为最终的多播路由。

所述步骤c包括：

步骤c1.  源节点建立多播路由后，将K个原始数据包组成一组，为每个数据包分配一个从有限域中随机选择的一个数字作为编码系数，然后这K个数据包和对应的K个随机数相乘，而后做线性运算得到1个编码数据包，K为用户预先设定的常数；

步骤c2.  源节点重复步骤c1.  共K次，生成K个编码数据包，

步骤c3.  源节点沿着多播路径，向各接收节点发送生成的编码数据包，

步骤c4.  在每个多播会话中的源节点和每个接收节点分别设置大小同为W的发送窗口和接收窗口。

所述步骤d包括：

步骤d1. 多播路由中的中间节点在发送数据过程中，如果该节点有其他多播会话的数据流经过，则该节点判断如果在该节点将来自不同多播会话的数据进行编码，下一跳节点能否正确解码，

步骤d2.  如果下一跳节点能够正确解码，则在该节点实施流间网络编码，否则该节点不对数据包进行任何操作。

所述步骤e包括：

步骤e1. 多播传输的某个接收节点在收到第一个编码包后等待了预定义时间T，收到的同组内编码向量线性独立的编码包的数目小于K，该接收节点统计已经接收到的编码向量线性独立编码包的编码向量，

步骤e2.  若线性独立编码向量数目为n，则计算这些向量组成的矩阵对应的零空间，这里的零空间采用(K-n)个变量构成的一维向量表示，

步骤e3.  接收节点向源节点反馈该零空间。

所述步骤f包括：

步骤f1.  源节点在收到每个接收节点的零空间以后，将各节点的零空间具体化，对节点j的零空间，其由(K-n_j)个变量表示，每次将其中的一个变量固定为1，其余变量固定为0，则可以得到(K-n_j)个线性独立的向量，构成该节点的零空间向量集，

步骤f2.  源节点从每个节点的零空间向量集中取出一个向量，做加法运算得到重传数据包的编码向量，据此编码向量生成重传编码包，发送给各接收节点，

步骤f3.  源节点重复步骤f1、f2，直到所有节点的零空间向量集都为空集。

有益效果：本发明提出了一种针对无线网状网络的基于流内网络编码和流间网络编码的多播路由方法，该方法具有如下优点：

（1）利用流内网络编码，避免频繁的数据重传，提高多播传输的可靠性，减少多播传输的开销；

（2）利用流间网络编码，减少数据传输次数，提高数据传输的效率和网络吞吐量，节约网络带宽资源和能量消耗；

（3）利用基于异或编码的重传机制，减少重传次数，提高重传效率；

（4）该发明方法具有较好的可扩展性和自适应性，能够适合各种类型的无线网状网络。

附图说明

图1是基于流内和流间网络编码的多播路由流程图。

图2是源节点流内网络编码原理图。

图3是多播传输中源节点和接收节点的滑动窗口机制示例图。

图4是流间网络编码基本编码拓扑结构图。

图5是基于零空间的反馈机制和基于线性编码的重传机制示例图。

具体实施方式

无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由的流程图如图1所示，下面进一步详细说明本发明的技术方案和方法流程。

（1）多播路由发现

源节点分别向各个接收节点发送路由请求报文。路由请求报文以泛洪的方式在网络中传输。为了避免路由请求报文在网络中的泛滥，在路由请求报文中设置跳数阈值和延时阈值，如果路由请求报文在跳数或所经历延时超过相应限制仍未到达目的接收节点，则路由请求报文将被节点丢弃。在中继节点转发的过程中，将收集各跳链路的期望传输次数ETX（Expected Transmission Count）信息。接收节点在收到路由请求报文后，将向源节点返回路由应答报文，路由应答报文保存有路由请求报文探寻到的路径信息和每条链路的ETX值。

（2）路由选择

多播路由发现结束后，源节点将得到到达每个接收节点的多条路径，以及每条路由上每条链路的ETX信息。源节点分别选择到每个接收节点的一条路径，并将这些路径合并，其中重复链路合并，构成多播路径。假定接收节点的个数为R，从源节点到第i个接收节点有n_i条可选路径，则多播路由存在                                               种路径。源节点使用穷举法分别计算各种情况下多播路径中所有链路的ETX值的和，选择ETX值的和最小的多播路径作为多播路由。

（3）多播会话内数据传输

对每个多播会话，源节点将需要发送的数据进行分割，每K个数据包组成1组（Batch）。对同一组内的K个原始数据包（P ₁ ,…P _i ,…,P _K ），分配K个随机数，这些随机数从有限域中随机选取。这K个随机数构成编码向量=（C _j1 ,…C _ji ,…,C _jK ），并与对应原始数据包做线性运算。在源节点的数据包编码操作如下：

    (1)

为了使得目的节点能够正确解码数据包，源节点需要不断发送不同编码向量的编码包，其过程类似于矩阵运算，操作如下：

    (2)

其中C为编码矩阵，由各编码包的编码向量构成。编码数据的生成如图2所示。

目的节点在收到编码包后，将进行解码以获得原始数据包，解码包的过程如下：

      (3)

目的节点为了正确解码，需要了解各编码包的编码系数。因此在基于流内和流间网络编码的多播路由中，会话内编码包的头部添加了编码向量域，用于记录编码包的编码向量。此外，组号码、目的节点标识符同样保存于编码包的头部。

（4）滑动窗口机制

在每个多播会话中，在源节点和每个目的节点设置大小相同为W、基于组的滑动窗口。接收节点在收到可以解码的一组数据后，接收窗口前移一组，并向源节点发送确认报文。源节点可以发送处于发送窗口内的组的编码数据。当源节点接收到针对某组的所有接收节点的确认报文后，发送窗口前移1组。滑动窗口机制原理如图3。

窗口的大小W要保证多播传输中不出现路径较好接收节点等待路径质量较差接收节点的现象。假定源节点到接收节点i的路径质量采用各链路ETX值和来衡量，路径质量最好的接收节点的ETX值为ETX _min ，链路质量最差的接收节点的ETX值为ETX _max ，则窗口大小W应该满足：

    (4)

（4）多播会话间数据传输

多播路由中的中间节点在发送数据过程中，如果该节点有其他多播会话的数据流经过，则该节点依据图4的基本编码拓扑结构，判断如果在该节点将来自不同多播会话的数据进行流间网络编码，下一跳节点能否正确解码。如果下一跳节点能够正确解码，则在该节点实施流间网络编码。否则该节点不对数据包进行任何操作。

（5）基于零空间的反馈机制

多播传输的某个接收节点在收到第一个编码包后等待了时间T，且没有收到同组内足够数目的编码包用于解码，该接收节点统计已经接收到的编码向量线性独立编码包的编码向量。若线性独立编码向量数目为n，则计算这些向量组成的矩阵对应的零空间。这里的零空间采用(K-n)个变量表示的空间。接收节点向源节点反馈该零空间。

为了便于说明，以图5中的情况为例。节点S向节点1、2、3、4、5、6多播数据。S以3个数据包为1组，发送了三个线性独立的编码数据包，其编码向量分别为(1,2,1)、(1,1,1)、(0,1,1)。节点1-3分别丢失了一个编码数据包，而节点4-6分别丢失了2个编码数据包，每个节点收到的数据包的编码向量在其下方显示。

为了正确解码得到原始数据包，每个接收节点希望源节点重传的编码包的编码向量与其收到的编码包的编码向量线性独立。引入零空间的思想，接收节点依据收到的编码包的编码向量组成的矩阵Matrix，求取其零空间。节点1收到的编码向量分别为(1,2,1)、(1,1,1)，构成矩阵。依据零空间的概念，，得到其零空间为(x,0,-x)，即由x决定的一维空间。同理得到其他节点的零空间。但需要注意的是，节点4-6的零空间是有2个变量决定的二维空间。如节点4的零空间是(m,n,-(m +2n))，其为变量m和n决定的二维空间。依据零空间的定义，可以发现，节点计算的收到编码数据包编码向量的零空间，实际是其期望源节点发送的编码包编码向量的形式。使用零空间概念后，各接收节点仅需向源节点反馈一个零空间向量即可，大大减少了反馈所需发送的数据量。

（6）基于编码的重传机制

源节点在收到每个接收节点的零空间以后，将各节点的零空间具体化，具体方法是：对节点j的零空间，其由(K-n_j)个变量表示，每次将其中的一个变量固定为1，其余变量固定为0，则可以得到(K-n_j)个线性独立的向量，构成该节点的零空间向量集。源节点从每个节点的零空间向量集中取出一个向量，做加法运算得到重传数据包的编码向量，据此编码向量生成重传编码包，发送给各接收节点。源节点重复此工作，直到所有节点的零空间向量集都为空集。

以图5中的情况说明基于编码的重传机制。源节点在收到各接收节点反馈的零空间后，进行向量具体化。对于一维零空间，将其中的变量固定为1，得到具体的一个零空间向量。对于n维零空间，按序每次将一个变量固定为1，其他变量固定为0，从而得到n个线性独立的零空间向量。如节点1的零空间向量为(1,0,-1)，而节点4的零空间向量为(1,0,-1)和(0,1,-2)。

由零空间得到具体编码向量后，源节点从每个节点的编码向量中取出一个相加得到重传编码向量，如此循环知道所有节点的编码向量都被取完。图5中由2个虚线框内的各节点的编码向量，得到最终的重传编码向量分别为(5,0,-3)和(0,3,-4)。

Claims (1)

1.一种无线网状网络中基于流内和流间网络编码的多播路由方法，其特征在于，该多播路由将流内网络编码和流间网络编码相结合应用于多播路由，在多播会话内采用流内网络编码，在多播会话间使用流间网络编码，包括以下步骤：

步骤a.源节点到接收节点集合的多播路由发现，

步骤b.多播路由选择，

步骤c.基于滑动窗口和流内网络编码的多播会话内数据传输，

步骤d.多播会话间数据传输，

步骤e.基于零空间的多播反馈，

步骤f.基于编码的多播重传；

所述步骤a包括：

步骤a1.源节点分别向各个接收节点发送路由请求报文，

步骤a2.路由请求报文在中继节点转发的过程中，将收集各条链路的期望传输次数ETX信息；

所述步骤b包括：

步骤b1.多播路由发现结束后，源节点将得到到达每个接收节点的多条路由，以及每条路由上每条链路的ETX信息，

步骤b2.路由选择算法，将依据源节点到每个接收节点的路径，构建源节点到接收节点集合的多播路由，并合并其中的重复链路，

步骤b3.计算每个多播路由中，所有链路的ETX值的和，

步骤b4.路由选择算法将选择ETX值最小的多播路径作为最终的多播路由；

所述步骤c包括：

步骤c1.源节点建立多播路由后，将K个原始数据包组成一组，为每个数据包分配一个从有限域中随机选择的一个数字作为编码系数，然后这K个数据包和对应的K个随机数相乘，而后做线性运算得到1个编码数据包，K为用户预先设定的常数；

步骤c2.源节点重复步骤c1.共K次，生成K个编码数据包，

步骤c3.源节点沿着多播路径，向各接收节点发送生成的编码数据包，

步骤c4.在每个多播会话中的源节点和每个接收节点分别设置大小同为W的发送窗口和接收窗口；

所述步骤d包括：

步骤d1.多播路由中的中间节点在发送数据过程中，如果该节点有其他多播会话的数据流经过，则该节点判断如果在该节点将来自不同多播会话的数据进行编码，下一跳节点能否正确解码，

步骤d2.如果下一跳节点能够正确解码，则在该节点实施流间网络编码，否则该节点不对数据包进行任何操作；

所述步骤e包括：

步骤e1.多播传输的某个接收节点在收到第一个编码包后等待了预定义时间T，收到的同组内编码向量线性独立的编码包的数目小于K，该接收节点统计已经接收到的编码向量线性独立编码包的编码向量，

步骤e2.若线性独立编码向量数目为n，则计算这些向量组成的矩阵对应的零空间，这里的零空间采用由(K-n)个变量构成的一维向量表示，

步骤e3.接收节点向源节点反馈该零空间；

所述步骤f包括：

步骤f1.源节点在收到每个接收节点的零空间以后，将各节点的零空间具体化，对节点j的零空间，其由(K-n_j)个变量表示，每次将其中的一个变量固定为1，其余变量固定为0，则可以得到(K-n_j)个线性独立的向量，构成该节点的零空间向量集，

步骤f2.源节点从每个节点的零空间向量集中取出一个向量，做加法运算得到重传数据包的编码向量，据此编码向量生成重传编码包，发送给各接收节点，

步骤f3.源节点重复步骤f1、f2，直到所有节点的零空间向量集都为空集。