CN104468050B - 一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法，属于通信网络技术领域；该方法首先构建初始动态传输拓扑，然后确定数据包的传输方式，选择传输效率最大的数据包或数据包组合进行传输，并更新数据包动态传输拓扑，直到所有数据包均传输完，最后将数据包和数据包组合的传输顺序，作为无线网络中的数据传输顺序，本发明着重关注了在无线网络中数据包在多速率传输和截止时间约束下的调度和传输，提高了传输效率，并支持支持4种传输方法：模拟网络编码ANC、传统网络编码CNC，普通路由传输PR和直接传输NR，基于动态图集，提出的方法降低了计算的复杂度。

Description

一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法
技术领域
本发明属于通信网络技术领域，特别涉及一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法。
背景技术
随着计算能力赴的提升和无线领域多种技术的突破，在商业无线网络中许多严格时延要求的服务应运而生，例如在移动蜂窝网中的实时视频通讯；在这些应用中，数据包有严格的截止期限限制，在截止期限前必须到达他们的目的节点，否则他们将变的无效并且被抛弃。
近些年出现了一些新兴的协作传输方法，例如传统网络编码(conventionalnetwork coding，CNC)和模拟网络编码(analog network coding，ANC)；CNC一方面可以允许一个中继将至少两个来自不同源节点的数据包编码成一个数据包，然后将编码的数据包广播至目的节点，目的节点解码出所需要的数据包，这个过程减少了传输时间，另一方面，如果目的节点没有接收到足够的用来解码的数据包，CNC的解码延迟可能变得严重；与CNC相比，ANC允许两个信号同时从源节点传输，并且可以在中继叠加来进一步减少传输时间，然而，ANC在信道条件和网络拓扑上有更多的严格的限制。
目前有技术将CNC和ANC与传统的传输方式，例如直接传输(non-relay，NR)和普通的存储转发传输(plain routing，PR)相结合，自适应地选择传输方式，但是这些技术并没有考虑数据包的时间约束条件，因此，这些技术在具有截止期限的数据包的传输问题中并不能有效提高网络传输效率，减少丢包率；在那些考虑到数据包截止期限的技术中，其中一些仅是对数据包的传输顺序进行优化，传输方式依然是单一的传统方式，这就限制了丢包率的进一步改善；另外一些技术考虑了CNC，NR和PR三种传输方式，但是它们采用的链路容量相同，实际情况中，无线环境由于其不稳定性和多样性，信链路容量很难相同，这就使得这些技术在链路状况存在差异时变得不适用；目前并没有一种技术将CNC，ANC，PR和NR四种传输方式相结合，在数据包具有截止期限的条件下自适应地选择合适的传输方案，在这种情况下要获得最优传输方案，可以采用直接的遍历搜索算法，但是这种算法的复杂度很高，为指数级，不适宜实际应用。
发明内容
对现有技术的不足，本发明提出一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法，以达到提高传输效率、减少丢包率和降低计算复杂度的目的。
本发明技术方案如下：
一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法，包括以下步骤：
步骤1、构建初始数据包动态传输拓扑，并确定所有数据包的传输方式，具体步骤如下：
步骤1.1、设定需要传输的数据包个数与每个数据包对应的截止期限，随机选定网络中传输数据包的计算机，每个计算机传输一个数据包，根据选定计算机在网络拓扑中的位置，构建初始数据包动态传输拓扑；
步骤1.2、获得数据包动态传输拓扑中每个数据包单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间，并选择该时间对应的传输方式进行数据包传输；
步骤1.3、判断任意数据包ei与任意数据包ej是否能够进行传统网络编码传输或模拟网络编码传输，若是，则执行步骤1.4，否则，将数据包进行单独传输；
步骤1.4、获得数据包ei与数据包ej的组合ei,j进行传统网络编码传输所需的时间，同时获得该数据包组合进行模拟网络编码传输所需的时间，确定其中最短传输时间Ti,j，并选择该时间对应的传输方式进行数据包组合传输；
步骤1.5、获得数据包ei单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间Ti；并获得数据包ej单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间Tj，将获得的数据包ei最短传输时间Ti与数据包ej最短传输时间Tj进行求和；
步骤1.6、判断数据包ei最短传输时间Ti与数据包ej最短传输时间Tj之和是否大于数据包组合ei,j最短传输时间Ti,j，若是，则选择最短传输时间Ti,j所对应的传输方式进行数据包组合传输，否则，将数据包进行单独传输；
步骤2、设定初始时，数据包动态传输拓扑的数据包累积传输时间为0；
步骤3、在所有数据包组合中，将当前数据包累积传输时间与任意数据包组合最短传输时间进行求和，判断所求传输时间之和是否小于该数据包组合中任意数据包的截止期限，若是，保留该数据包组合，否则，将该数据包组合中的数据包进行单独传输；
步骤4、在所有单独数据包中，将当前数据包累积传输时间与任意数据包单独传输最短时间进行求和，判断所求传输时间之和是否小于该数据包的截止期限，若是，保留该数据包，否则，将该数据包删除；
步骤5、获得数据包动态传输拓扑中，每个数据包或数据包组合的传输效率，并确定需要传输的数据包或数据包组合，具体步骤如下：
步骤5.1、设置初始时，数据包动态传输拓扑中每个数据包或数据包组合的传输效率为0；
步骤5.2、获得由于每个数据包或数据包组合的传输，所导致超过截止期限到达目的计算机的其他数据包的个数；
步骤5.3、获得每个数据包或数据包组合的传输效率，即该数据包的个数或数据包组合包含的数据包的个数，与所获超过截止期限到达目的计算机的其他数据包的个数之差，并选择传输效率最大的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.4、判断传输效率最大的数据包或数据包组合的个数是否有多个，若是，执行步骤5.5，否则，将传输效率最大的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.5、在所有传输效率最大的数据包或数据包组合中，选择截止期限最小值所对应的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.6、判断截止期限最小值所对应数据包或数据包组合的个数是否有多个，若是，执行步骤5.7，否则，将截止期限最小值所对应的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.7、在所有传输效率最大、截止期限最小的数据包或数据包组合中，选择传输时间最短的数据包或数据包组合进行传输；
步骤6、将当前数据包或数据包组合的最短传输时间累加到数据包累积传输时间；
步骤7、更新数据包动态传输拓扑，具体步骤如下：
步骤7.1、将当前数据包或数据包组合删除；
步骤7.2、将每个数据包或数据包组合的传输效率清零；
步骤8、判断数据包动态传输拓扑中是否还有未传输的数据包，若是，执行步骤9，否则，返回执行步骤3；
步骤9、将数据包动态传输拓扑中数据包和数据包组合的传输顺序作为无线网络中的数据传输顺序。
步骤5.3所述的数据包的个数或数据包组合包含的数据包的个数，当数据包进行单独传输时，包含的数据包个数为1；当数据包进行组合传输时，包含的数据包个数为2。
本发明的有益效果：
本发明着重关注了在无线网络中数据包在多速率传输和截止时间约束下的传输，提高了传输效率；支持4种传输方法：ANC，CNC，PR和NR；通过探索数据包传输序列和通过遍历搜索获得的相互传输方法的最优解决方案，本发明基于动态图集，提出的方法降低了计算的复杂度。
附图说明
图1为本发明一种实施例的协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法流程图；
图2为本发明一种实施例的构建初始数据包动态传输拓扑，并确定所有数据包的传输方式流程图；
图3为本发明一种实施例的第一次数据包传输前的数据包动态传输拓扑示意图；
图4为本发明一种实施例的确定需要传输的数据包或数据包组合方法流程图；
图5为本发明一种实施例的第一次数据包传输后的数据包动态传输拓扑示意图；
图6为本发明一种实施例的平均丢包率与数据包数量之间的关系图；
图7为本发明一种实施例的平均丢包率与最大传输功率之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
本发明实施例中利用MATLAB软件，首先将传输功率固定为5dBm，数据包的个数设置从1变化到6，在每种数据包数目下运行10000次，每次设置不同的网络拓扑，然后在不同传输功率下进行模拟仿真，每种不同传输功率下运行10000次，每次设置不同的网络拓扑，并传输6个数据包；本发明实施例中设定一个中继节点被放置在500×500m2正方形的中心，16个目的计算机被均匀分布在其中，随机选择源计算机和目的计算机，数据包由源计算机产生；本发明实施例中考虑莱斯因子γ＝5dB的莱斯平坦衰落信道，噪音功率密度是174dBm/Hz，带宽是1MHz，噪音系数是6dB；数据包的截止期限设置成三类(100ms,400ms,1s)。
一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法，方法流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、构建初始数据包动态传输拓扑，并确定所有数据包的传输方式，方法流程图如图2所示，具体步骤如下：
步骤1.1、设定需要传输的数据包个数为6，并设置每个数据包对应的截止期限D，随机选定网络中传输数据包的计算机，每个计算机传输一个数据包，根据选定计算机在网络拓扑中的位置，构建初始数据包动态传输拓扑；
步骤1.2、获得数据包动态传输拓扑中每个数据包单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间，并选择该时间对应的传输方式进行数据包传输；
数据包进行普通路由传输所需的时间，采用以下公式：
其中，TPR表示数据包进行普通路由传输所需的时间，PR表示普通路由传输，表示从源计算机m到中继路由器的链路容量，s表示源计算机，sm表示源计算机m，m表示计算机编号m，d表示源计算机m对应的目的计算机，r表示中继路由器，表示从中继路由器到目的计算机n的链路容量，n表示计算机编号n；
数据包进行直接传输所需的时间，采用如下公式：
其中，TNR表示数据包进行直接传输所需的时间，NR表示直接传输，表示从源计算机m到对应的目的计算机n的链路容量；
步骤1.3、判断任意数据包ei与任意数据包ej是否能够进行传统网络编码传输或模拟网络编码传输，若是，则执行步骤1.4，否则，将数据包进行单独传输；
步骤1.4、获得数据包ei与数据包ej的组合ei,j进行传统网络编码传输所需的时间，同时获得该数据包组合进行模拟网络编码传输所需的时间，确定其中最短传输时间Ti,j，并选择该时间对应的传输方式进行数据包组合传输；
数据包组合进行传统网络编码所需的时间，采用以下公式：
其中，TCNC表示数据包组合进行传统网络编码所需的时间，CNC表示传统网络编码，∪nCr,dn表示从中继路由器到所有目的计算机的链路容量，∪n表示链路容量集合，k表示以CNC方式进行传输的数据包的个数，i表示数据包i，表示从源计算机m到中继路由器的链路容量，∪n≠m 表示源计算机m到除其对应目的计算机n所有其他目的计算机的链路容量，∪n≠m表示源计算机m到除其对应目的计算机n其他目的计算机的链路容量集合；
数据包组合进行模拟网络编码传输所需的时间，采用以下公式：
其中，m≠a，n≠b，TANC表示数据包组合进行模拟网络编码传输所需的时间，ANC表示模拟网络编码，表示从源计算机m到对应的目的计算机n的链路容量，表示从源计算机a到对应的目的计算机n的链路容量，表示从源计算机m，到中继路由器，再到对应的目的计算机n的链路容量，表示从源计算机a，到中继路由器，再到对应的目的计算机b的链路容量；
设置每个数据包的截止期限与所获每个数据包或数据包组合的最短传输时间与该时间对应的传输方式如表1所示；
表1
步骤1.5、获得数据包ei单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间Ti；并获得数据包ej单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间Tj，将获得的数据包ei最短传输时间Ti与数据包ej最短传输时间Tj进行求和；
步骤1.6、判断数据包ei最短传输时间Ti与数据包ej最短传输时间Tj之和是否大于数据包组合ei,j最短传输时间Ti,j，若是，则选择最短传输时间Ti,j所对应的传输方式进行数据包组合传输，否则，将数据包进行单独传输；
本发明实施例中，初始时，数据包e2最短传输时间T2与数据包e3最短传输时间T3小于数据包组合e2,3的最短传输时间T2,3，所以数据包e2和数据包e3进行单独传输，同样得到数据包组合e1,2、数据包组合e1,3、数据包组合e1,4、数据包组合e1,6、数据包组合e2,6、数据包组合e3,4、数据包组合e3,6、数据包组合e4,5和数据包组合e4,6中的数据包进行单独传输；
步骤2、设定初始时，数据包动态传输拓扑的数据包累积传输时间t为0；
步骤3、在所有数据包组合中，将当前数据包累积传输时间t与任意数据包组合最短传输时间进行求和，判断所求传输时间之和是否小于该数据包组合中任意数据包的截止期限，若是，保留该数据包组合，否则，将该数据包组合中的数据包进行单独传输；
本发明实施例中，初始时，数据包累积传输时间t与数据包组合e1,5最短传输时间T1,5之和为0.3373s，数据包组合e1,5中数据包e1的截止期限为0.1s，所求传输时间之和超出数据包e1的截止期限，数据包e1与数据包e5进行单独传输，同样得到数据包组合e2,5与数据包组合e5,6中的数据包进行单独传输；
步骤4、在所有单独数据包中，将当前数据包累积传输时间与任意数据包单独传输最短时间进行求和，判断所求传输时间之和是否小于该数据包的截止期限，若是，保留该数据包，否则，将该数据包删除；
本发明实施例中，初始时，所有数据包均满足条件，全部保留；
第一次数据包传输前的数据包动态传输拓扑如图3所示，图中v1到v6表示随机选择的计算机，用直线连接的数据包表示数据包以组合方式传输，用弧线连接的数据包表示该数据包单独传输；
步骤5、获得数据包动态传输拓扑中，每个数据包或数据包组合的传输效率，并确定需要传输的数据包或数据包组合，方法流程图如图4所示，具体步骤如下：
步骤5.1、设置初始时，数据包动态传输拓扑中每个数据包或数据包组合的传输效率为0；
步骤5.2、获得由于每个数据包或数据包组合的传输，所导致超过截止期限到达目的计算机的其他数据包的个数；
本发明实施例中，初始时，当数据包e1传输时，当前数据包累积传输时间t为0，数据包e1的最短传输时间为0.097s，数据包e6的最短传输时间为0.648s，三者之和大于数据包e6的截止期限0.4s，由于数据包e1传输，所导致超过截止期限到达目的计算机的数据包个数为1；
步骤5.3、获得每个数据包或数据包组合的传输效率，即该数据包的个数或数据包组合包含的数据包的个数，与所获超过截止期限到达目的计算机的其他数据包的个数之差，并选择传输效率最大的数据包或数据包组合进行传输；
当数据包进行单独传输时，包含的数据包个数为1；当数据包进行组合传输时，包含的数据包个数为2；
本发明实施例中，初始时，数据包e1单独传输，包含的数据包个数为1，由于数据包e1传输，所导致超过截止期限到达目的计算机的数据包个数为1，所以数据包e1的传输效率为0，同样得到数据包e2的传输效率为-2，数据包e3的传输效率为-2，数据包e4的传输效率为-2，数据包e5的传输效率为-1，数据包e6的传输效率为-1，数据包组合e2,4的传输效率为-1，数据包e3,5的传输效率为0；
步骤5.4、判断传输效率最大的数据包或数据包组合的个数是否有多个，若是，执行步骤5.5，否则，将传输效率最大的数据包或数据包组合进行传输；
本发明实施例中，初始时，获得的数据包e1和数据包组合e3,5的传输效率最大；
步骤5.5、在所有传输效率最大的数据包或数据包组合中，选择截止期限最小值所对应的数据包或数据包组合进行传输；
本发明实施例中，数据包e1的截止期限为0.1s，数据包组合e3,5中最小截止期限为0.4s，选择数据包e1进行传输；
步骤5.6、判断截止期限最小值所对应数据包或数据包组合的个数是否有多个，若是，执行步骤5.7，否则，将截止期限最小值所对应的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.7、在所有传输效率最大、截止期限最小的数据包或数据包组合中，选择传输时间最短的数据包或数据包组合进行传输；
步骤6、将当前数据包或数据包组合的最短传输时间累加到数据包累积传输时间；
本发明实施例中，第一次数据包传输后，将数据包e1的最短传输时间0.0973s累加到数据包累积传输时间；
步骤7、更新数据包动态传输拓扑，具体步骤如下：
步骤7.1、将当前数据包或数据包组合删除；
本发明实施例中，第一次数据包传输后，将数据包e1删除；
步骤7.2、将每个数据包或数据包组合的传输效率清零；
步骤8、判断数据包动态传输拓扑中是否还有未传输的数据包，若是，执行步骤9，否则，返回执行步骤3；
本发明实施例中，第一次数据包传输后，动态传输拓扑中仍然有未传输的数据包，返回执行步骤3，获得第一次数据包传输后的数据包动态传输拓扑如图5所示，对应的剩余数据包最短传输时间表如表2所示，计算每个数据包或者数据包的传输效率，并选择传输效率最大的数据包e5进行传输；
表2
步骤9、获得数据包动态传输拓扑中数据包和数据包组合的传输顺序为e1，e5，e4，e3，将此顺序作为无线网络中的数据传输顺序。
本发明实施例在相同功率不同数据包数目下，分别利用ANC、CNC、PR和NR对数据包进行传输，得到平均丢包率与数据包个数的关系如图6所示，“---△---”曲线表示利用PR和NR方式进行数据包传输的最优传输方案，“---□---”曲线表示利用CNC、PR和NR方式进行数据包传输的最优传输方案，“---▎---”曲线表示本方法的最优传输方案，“——○——”曲线表示实际最优传输方案，从图中可以看出，本方法的最优传输方案最接近实际最优传输方案，丢包率最小；在数据包固定为6个时得到平均丢包率与最大传输功率的关系如图7所示，从图中可以看出，在不同功率下，本方法的最优传输方案最接近实际最优传输方法，丢包率最小。

Claims (2)

1.一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、构建初始数据包动态传输拓扑，并确定所有数据包的传输方式，具体步骤如下：
步骤1.1、设定需要传输的数据包个数与每个数据包对应的截止期限，随机选定网络中传输数据包的计算机，每个计算机传输一个数据包，根据选定计算机在网络拓扑中的位置，构建初始数据包动态传输拓扑；
步骤1.2、获得数据包动态传输拓扑中每个数据包单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间，并选择该时间对应的传输方式进行数据包传输；
步骤1.3、判断任意数据包ei与任意数据包ej是否能够进行传统网络编码传输或模拟网络编码传输，若是，则执行步骤1.4，否则，将数据包进行单独传输；
步骤1.4、获得数据包ei与数据包ej的组合ei,j进行传统网络编码传输所需的时间，同时获得该数据包组合进行模拟网络编码传输所需的时间，确定其中最短传输时间Ti,j，并选择该时间对应的传输方式进行数据包组合传输；
步骤1.5、获得数据包ei单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间Ti；并获得数据包ej单独传输时，进行普通路由传输所需的时间，与该数据包进行直接传输所需的时间，确定其中最短传输时间Tj，将获得的数据包ei最短传输时间Ti与数据包ej最短传输时间Tj进行求和；
步骤1.6、判断数据包ei最短传输时间Ti与数据包ej最短传输时间Tj之和是否大于数据包组合ei,j最短传输时间Ti,j，若是，则选择最短传输时间Ti,j所对应的传输方式进行数据包组合传输，否则，将数据包进行单独传输；
步骤2、设定初始时，数据包动态传输拓扑的数据包累积传输时间为0；
步骤3、在所有数据包组合中，将当前数据包累积传输时间与任意数据包组合最短传输时间进行求和，判断所求传输时间之和是否小于该数据包组合中任意数据包的截止期限，若是，保留该数据包组合，否则，将该数据包组合中的数据包进行单独传输；
步骤4、在所有单独数据包中，将当前数据包累积传输时间与任意数据包单独传输最短时间进行求和，判断所求传输时间之和是否小于该数据包的截止期限，若是，保留该数据包，否则，将该数据包删除；
步骤5、获得数据包动态传输拓扑中，每个数据包或数据包组合的传输效率，并确定需要传输的数据包或数据包组合，具体步骤如下：
步骤5.1、设置初始时，数据包动态传输拓扑中每个数据包或数据包组合的传输效率为0；
步骤5.2、获得由于每个数据包或数据包组合的传输，所导致超过截止期限到达目的计算机的其他数据包的个数；
步骤5.3、获得每个数据包或数据包组合的传输效率，即该数据包的个数或数据包组合包含的数据包的个数，与所获超过截止期限到达目的计算机的其他数据包的个数之差，并选择传输效率最大的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.4、判断传输效率最大的数据包或数据包组合的个数是否有多个，若是，执行步骤5.5，否则，将传输效率最大的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.5、在所有传输效率最大的数据包或数据包组合中，选择截止期限最小值所对应的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.6、判断截止期限最小值所对应数据包或数据包组合的个数是否有多个，若是，执行步骤5.7，否则，将截止期限最小值所对应的数据包或数据包组合进行传输；
步骤5.7、在所有传输效率最大、截止期限最小的数据包或数据包组合中，选择传输时间最短的数据包或数据包组合进行传输；
步骤6、将当前数据包或数据包组合的最短传输时间累加到数据包累积传输时间；
步骤7、更新数据包动态传输拓扑，具体步骤如下：
步骤7.1、将当前数据包或数据包组合删除；
步骤7.2、将每个数据包或数据包组合的传输效率清零；
步骤8、判断数据包动态传输拓扑中是否还有未传输的数据包，若是，执行步骤9，否则，返回执行步骤3；
步骤9、将数据包动态传输拓扑中数据包和数据包组合的传输顺序作为无线网络中的数据传输顺序。
2.根据权利要求1所述的一种协作无线网络中期限感知的自适应数据包传输方法，其特征在于：步骤5.3所述的数据包的个数或数据包组合包含的数据包的个数，当数据包进行单独传输时，包含的数据包个数为1；当数据包进行组合传输时，包含的数据包个数为2。
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