CN103634083A - 一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，属于网络技术领域，涉及一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法。解决现有ARQ丢包重传机制和静态网络编码丢包重传机制丢包重传次数高，传输效率低而导对网络资源造成浪费的问题。本发明通过将丢失数据包记录在列表中，以指针指示需要重传的数据包，并通过动态编码尽可能多的编码列表中来自于不同节点的丢失数据包，并且能够采用最简单的异或编码方式实现，从而以最简单的方式达到减少重传次数，提高传输效率，节约网络资源的目的。本发明用于传感器网络中目的节点多，丢包重传次数高的网络路由策略中。

Description

一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法

技术领域

本发明属于网络技术领域，涉及一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法。

背景技术

无线网络相对于有线网络的优势在于其利用无线信道的广播优势，然而问题也源自无线信道的开放性，其表现为源节点将需要发送的数据报文通过无线信道传送到目的节点，期间无论是单径，还是多径，都要受到环境、节点失效、网络流量负载过重等因素的影响，导致中继瓶颈节点出现拥塞、丢包等问题。面对可能产生的问题，我们就需要采用可靠的方法，保证问题节点尽量少传输数据，充分利用负载较小的节点，使整个网络处于均衡状态。

2000年，蔡宁和李硕彦等人提出了网络编码(NetworkCoding)的概念，随着许多学者的不断研究，网络编码在提高网络吞吐量，提高带宽利用率，降低计算复杂度和提高网络可靠性方面的优势就显示出来了。

网络编码的出现使通信领域有了重大突破，其基本思想是不仅数据流的源节点和目的节点进行数据的编译码处理，原先仅用于转发数据的中间节点也可以参与数据的编解码过程。此想法大幅提高了网络性能，并且这种策略可以应用到各种无线网络中。

针对单点到多点的丢包重传策略，经典的ARQ(AutomaticRepeatRequest)：假如一个目的节点在当前时隙中一个数据包丢失，并且这个数据包在先前的时隙中从未被成功接收过，此时立即向中继节点发负反馈NAK应答，中继节点重传此数据包直到此目的节点成功收到此数据包。这也就暗示着一个数据包只有被所有目的节点都收到，才会接着发送下一数据包。

MIT学者提出的利用网络编码进行丢包重传，简要思想是：目的节点的协议和ARQ策略相似，即当没有正确接收一个数据包，就会立即向中继节点发送负反馈NAK应答。然而，中继节点当收到目的节点发送来的NAK应答时不会立即重传此数据包。而是，中继节点会维持一个列表，这个列表中按顺序存储着需要重传的丢失的数据包，以及每个丢失的数据包所对应的目的节点的序号。中继节点等到将一个数据段的N个数据包都传送完之后再进行重传。在重传阶段，通过XOR（异或）的方式，来重传丢失的数据包。此编码数据包是需要重传给所有目的节点的。在重传过程中，此编码数据包可能会丢失，此时中继节点需要再次重传这个编码数据包，直到所有的目的节点都收到此编码数据包。按照此种方式中继节点重传在维持列表中的丢失数据包，直到所有的丢失的数据包都被相应的目的节点正确接收到时，中继节点清空列表，然后传送下一个集合中的原始数据包。这是一种静态的编码丢包重传策略。

上述两种针对单点到多点或多点到多点的重传策略都有一个明显的缺陷是：当部分目的节点已接收到自己丢失的数据包时，中继节点还是要传输数据包或编码包，直到所有的目的节点都收到此数据包或编码包，这种机制导致资源极大浪费。

发明内容

为了解决现有丢包重传机制丢包重传次数高，传输效率低而导致的对网络资源浪费的问题，本发明提出了一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，具体包括以下步骤：

第一步：源节点通过已知的路径向中继节点发送数据包；中继节点通过已知路径向所覆盖的目的节点广播数据包；每个目的节点根据每次的接收情况，通过原有路径实时的向中继节点反馈接收情况，即ACK应答和NAK应答；

第二步：当中继点收到目的节点反馈NAK应答时不会立即重传此数据包，而是会维持一个列表，列表中按顺序存储着需要重传的丢失的数据包，以及每个丢失的数据包所对应的目的节点的序号；

第三步：待一个数据段的数据包传输结束时，中继点将丢失需要重传的数据包进行编码，进行丢包重传，编码要求每次尽可能多的编码发往不同目的节点的丢失数据包；

第四步：中继节点将第一次的编码数据包沿原有路径广播给所有的目的节点；

第五步：中继节点根据目的节点反馈的ACK和NAK应答情况，对丢失数据包重新进行编码处理并重传；

情形1：当中继节点收到的都是ACK应答时，维持列表中的指针都向下移一位，将指针对应的下一个丢失数码包进行编码；

情形2：当中继节点收到的都是NAK应答时，维持列表中的指针都保持不变，中继节点再次向目的节点广播此编码包即可；

情形3：当中继节点收到部分ACK应答和部分NAK应答时，将列表中ACK应答对应的目的节点序号的指针向下移一位，而对于NAK应答的目的节点序号指针保持不变，所对应丢失数据包继续参与编码；

第六步：当目的节点成功接收到编码数据包时，利用之前接收到数据包，通过解码获得丢失的数据包；

第七步：重复第五和第六步，当所有丢失的数据包都传输完毕时结束。

本发明优点：

通过本发明方法，可以减少平均传输次数也就是减少了丢包重传次数，同时节点数目越多，本发明所述方法相比与静态编码方式丢包重传算法本发明所体现出的优势越明显，因此将动态编码丢包重传算法应用得到多播的路由策略中时，可以有效提高传输效率，约提高5%以上。

附图说明

图1为动态网络编码丢包重传算法流程图；

图2为动态网络编码重传反馈数据包格式；

图3为广播数据包包头格式；

图4为动态网络编码丢包重传机制示意图；

图5为两目的节点下，平均传输次数与丢包率的关系曲线；

图6为两目的节点下，编码增益与数据丢包率的关系曲线；

图7为平均传输次数与目的节点数之间的关系曲线；

图8为分编码增益与丢包率之间的关系曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法如图1所示，具体包括以下步骤：

第一步：源节点通过已知的路径向中继节点发送数据包；中继节点通过已知路径向所覆盖的目的节点广播数据包；每个目的节点根据每次的接收情况，通过原有路径实时的向中继节点反馈接收情况；

第二步：当中继点收到目的节点发送来的负反馈NAK应答时不会立即重传此数据包，而是会维持一个列表，列表中按顺序存储着需要重传的丢失的数据包，以及每个丢失的数据包所对应的目的节点的序号；

第三步：待一个数据段的数据包传输结束时，中继点将丢失需要重传的数据包进行编码，进行丢包重传，编码要求每次尽可能多的编码发往不同目的节点的丢失数据包；

第四步：中继节点将第一次的编码数据包沿原有路径广播给所有的目的节点；

第五步：中继节点根据目的节点反馈的ACK和NAK应答情况，对丢失数据包重新进行编码处理并重传；

第六步：当目的节点成功接收到编码数据包时，利用之前接收到数据包，通过解码获得丢失的数据包；

第七步：重复第五和第六步，当所有丢失的数据包都传输完毕时结束。

具体实施方式二：本实施方式中一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，与具体实施方式一的不同之处在于：第五步当中继节点收到的都是ACK应答时，维持列表中的指针都向下移一位，将指针对应的下一个丢失数码包进行编码；其余与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式中一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，与具体实施方式一的不同之处在于：第五步当中继节点收到的都是NAK应答时，维持列表中的指针都保持不变，中继节点再次向目的节点广播此编码包；其余与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式中一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，与具体实施方式一的不同之处在于：第五步当中继节点收到部分ACK应答和部分NAK应答时，将列表中ACK应答对应的目的节点序号的指针向下移一位，而对于NAK应答的目的节点序号指针保持不变，所对应丢失数据包继续参与编码；其余与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式中一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，与具体实施方式一至四之一的不同之处在于步骤三、步骤五以及步骤六中所使用的编码、解码方式为异或编码、异或解码。其余与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式中一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，与具体实施方式五的不同之处在于步骤一至步骤六中所述的目的节点的数目大于2。

实施例

下面通过实施例具体说明本发明技术方案中的技术要点。

首先通过数学方法证明本发明过程

动态网络编码丢包重传方案，当缓存器阈值N很大时，这里我们选择缓存器阈值N＝1000，对于M个目的节点的平均传输次数为

${\mathrm{\η}}_C=\frac{1}{1-{\max }_{i\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·\}}\left\{p_i\right\}}---\left(1\right)$

证明：首先分析简单的两个目的节点的情况，通常情况下丢包率存在p₁≤p₂关系。由定性分析部分可知动态编码重传方案是根据目的节点的接收情况，动态的进行异或编码。假如一个编码数据包在发送后，一个目的节点丢失，另一个没有丢失，则在下次编码时，只需将未丢失的目的节点的下一个丢失数据包与丢失节点的原来数据包编码，组成新的编码包。这就暗示着丢包率大的目的节点会传输更多次。这就意味着将N个数据包传送到两个目的节点，等价将其传送给丢包率大的目的节点。可得

${\mathrm{\η}}_C=\frac{1}{1-\max \{p_1,p_2\}}=\frac{1}{1-p_2}---\left(2\right)$

利用相同的分析思路可以得到，对于M个目的节点的传输总次数为

$F=\frac{N}{1-{\max }_{i\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·M\}}\left\{p_i\right\}}---\left(3\right)$

因此其平均传输次数为

${\mathrm{\η}}_C=\frac{F}{N}=\frac{1}{1-{\max }_{i\∈\{\mathrm{1,2},\·\·\·M\}}\left\{p_i\right\}}---\left(4\right)$

我们分析了不同的调度方案的平均传输次数，现在定义编码增益来更为直观的观察基于网络编码的两种方案带来的好处。

编码增益的定义为

$G_B=\frac{{\mathrm{\η}}_A}{{\mathrm{\η}}_B}---\left(5\right)$

和

$G_C=\frac{{\mathrm{\η}}_A}{{\mathrm{\η}}_C}---\left(6\right)$

其中η_A是经典的自动重传算法(ARQ:AutomaticRepeatRequest)对应的平均传输次数，

η_B是静态编码重传方案的平均传输次数，

η_C是动态编码重传方案的平均传输次数。

对于两个节点，且丢包率相等，均为p时，增益为

$G_B=\frac{1+2p}{1+p+p^2}$ 和 $G_C=\frac{1+2p}{1+p}$             (7)

由(7)知，当p₁＝p₂＝0时，网络编码增益为1，即没有增益；

但是当目的节点较多时，不可能保证所有的丢包率都为0，由此通过数学方法证明了本发明方法能够降低平均传输次数。

本发明中所使用的反馈信息包（RREP）包头格式，如图2所示：

如果接收端成功地接收到数据包，此时发送的反馈信息包（RREP）称为ACK应答，如果接收端没有收到的数据包，则发送的反馈信息包(RREP)称为NAK应答。图中第一个字节区分该反馈信息包（RREP）是ACK还是NAK。如果n＝0，表示此反馈信息包（RREP）是ACK应答；如果n=1，表示此反馈信息包（RREP）是NAK应答。后面用1个4字节的字段分别代表需要重传的丢失数据包的ID。

本发明中所使用的播信息包的包头格式，如图3所示：

信息包的第一个字节用来表示该数据包是编码包，还是原始数据包。如果l＝1，表示则表示发送的是原始数据包。如果l＞1，说明该数据包是编码包，并且包含l个原始数据包。包头后续字段分为l个6字节的字段，每个字段包含两个部分，其中前4个字节表示原始数据包的编号（ID），图中用j_i表示，后2个字节表示表示数据包的长度，用表示。

下面通过举例并结合图4来说明本发明中对丢失数据包的编码方式，本发明中以最简单的异或编码方式为例。

假设目的节点R₂没有正确接收到编码包

，但是R1正确收到了此编码包，在本专利的算法中，不再重传编码包

，而是中继节点发送编码数据包

，如图3所示，这种策略相比静态的重传策略，显然重传次数会减少的。最终的传输方案为

a₇。每个目的节点根据收到的编码包异或解码，例如R₁，其他的同理。

仿真实验结果

针对两个目的节点的仿真情况（缓存器阈值N=1000）：

如图5平均传输次数与丢包率的关系曲线，仿真曲线的横坐标是R₁丢包率，其中p₂＝0.1，M＝2,由曲线可知三种方案的仿真情况与理论值是非常吻合的，从图上可以直观的看到，动态编码（INC）方案是传输次数是最小的，经典的ARQ策略传输次数最多。

如图6编码增益与数据包丢包率的关系曲线所示p₂＝0.1，M＝2，由曲线可知仿真值和理论值十分吻合。

针对多个目的节点的仿真情况（缓存器阈值N=1000）：

如图7平均传输次数与目的节点数之间的关系曲线，p_i＝0.1,i＝1,…,7，从图上可以看出，静态编码（NC）和动态编码（INC）方案性能明显由于方案TR，随着目的节点数的增加其性能的优势越来越大，并且动态编码（INC）方案性能在节点数大于3个时为最优方案。

如图8编码增益与丢包率p₁之间的关系曲线所示，其中p₂＝p₃＝0.1，p₄＝p₁+0.03，p₅＝0.2，M＝5。当p₁＝0.1时方案INC的编码增益为15%。由图8可知，对于两个或多个目的节点，当有不相关的数据包丢失时，在网络编码方案中形成的编码数据包并进行传输，性能更优。

以上实验结果证明了通过本发明方法，可以减少平均传输次数也就是减少了丢包重传次数，同时也证明了节点数目越多，相比与静态编码方式丢包重传算法本发明所体现出的优势越明显，因此将动态编码丢包重传算法应用得到多播的路由策略中时，可以有效提高传输效率。

Claims (6)

1.一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，其特征在于具体包括以下步骤： 

第一步：源节点通过已知的路径向中继节点发送数据包；中继节点通过已知路径向所覆盖的目的节点广播数据包；每个目的节点根据每次的接收情况，通过原有路径实时的向中继节点反馈反应接收情况的NAK应答和ACK应答； 

第二步：当中继点收到目的节点反馈的NAK应答时不会立即重传此数据包，而是会维持一个列表，列表中按顺序存储着需要重传的丢失的数据包，以及每个丢失的数据包所对应的目的节点的序号； 

第三步：待一个数据段的数据包传输结束时，中继点将丢失需要重传的数据包进行编码，对丢失数据包进行重传，编码时，尽可能多的对发往不同目的节点的丢失数据包进行编码； 

第四步：中继节点将第一次的编码数据包沿原有路径广播给所有覆盖的目的节点； 

第五步：中继节点根据目的节点反馈的ACK和NAK应答情况，对丢失数据包重新进行编码处理并重传； 

第六步：当目的节点成功接收到编码数据包时，利用之前接收到数据包，通过解码获得丢失的数据包； 

第七步：重复第五和第六步，当所有丢失的数据包都传输完毕时结束。 

2.根据权利要求1中所述的一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，其特征在于第五步当中继节点收到的都是ACK应答时，维持列表中的指针都向下移一位，将指针对应的下一个丢失数码包进行编码重传。 

3.根据权利要求1中所述的一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，其特征在于第五步当中继节点收到的都是NAK应答时，维持列表中的指针都保持不变，中继节点再次向目的节点广播此编码包。 

4.根据权利要求1中所述的一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，其特征在于第五步当中继节点收到的应答不完全是ACK应答时，将列表中ACK应答对应的目的节点序号的指针向下移一位，而对于NAK应答的目的节点序号指针保持不变，之后将指针所对应的丢失数据包继续参与编码。 

5.根据权利要求1至4之一所述的一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，其特征在于第三步、第五步以及第六步中所使用的编码和解码的方式为异或编码和异或解码。 

6.根据权利要求5中所述的一种适用于传感器网络的动态网络编码丢包重传方法，其特征在于第一步至第六步中所述的目的节点的数量大于2。 

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