CN104579584A - 一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法，将网络编码和喷泉编码结合，信源节点产生一次喷泉编码分组数据，中继节点检测无差错，则存储在中继节点并转发给信宿节点，检测出差错，中继节点对所有该中继节点储存的一次编码分组数据进行二次喷泉编码分组数据，并发给信宿节点，信宿节点接收到全部编码分组数据进行差错检测，出现差错的编码分组数据丢弃，直到储存的所有无差错编码分组数据的数量达到译码条件后，对信宿节点存储的喷泉编码分组数据进行译码。不仅有效的提高了网络的数据吞吐能力和可靠性，且达到缩短信宿节点成功喷泉译码所需时间的目的，提高了译码效率。

Description

一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法

技术领域

本发明涉及通讯编码技术领域，具体是一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，通信的频率越来越高，无线网络的覆盖问题越来越引起业界的重视，中继技术能够有效的解决这一问题，并且已经在分布式和蜂窝网络中得到了广泛的应用。尤其在分布式网络中，中继技术占有着不可替代的重要地位，当网络中有多个节点进行通信时，当信源和信宿之间的距离过远时就需要寻找中继进行协作传输，如果可选中继的数量多于一个，则可以同时选择多个中继，此时可以使用网络编码来进一步提高传输信息的效率和可靠性。网络编码是网络信息论今年来的研究热点，使用网络编码可以节约带宽、降低功耗、实现网络的负载均衡等。但是网路编码的理论在开始时有一条重要的假设，那就是网络中的各节点能够可靠的传输数据。然而，一个实际的网络中，各节点之间传输数据必然存在差错，更为严重的是，使用网络编码会使这种差错扩散，会降低整个网络的数据传输可靠性。为了解决这个问题，人们提出了应用于网络编码中的差错控制技术，可以针对整个网络进行差错控制，但是编码复杂度往往很高，并且会降低网络的传输效率。

喷泉码是一种新型的编码技术。码率无关性是喷泉编码的最大特点，喷泉编码器可以源源不断的进行无限的喷泉编码，当有M个原始分组数据要传输时，信源对这M个原始分组数据不断的进行喷泉编码生成新的编码分组数据，然后把编码分组数据发送给信宿，编码分组数据要具有差测检验能力。信宿接收到编码分组数据后会对编码分组数据进行差错检测，保留无差错的编码分组数据，并删除有差错的编码分组数据，直到接收到M个或略大于M个编码分组数据后，信宿进行喷泉解码得到M个原始分组数据，并通知信源成功译码。信源接收到信宿发来的成功译码信息后停止喷泉编码，结束此次通信。喷泉编码应用于无线通信系统，能够显著的提高通信的可靠性。

在无线通信系统的中继传输过程中，使用网络编码可以提高网络的资源利用率和吞吐量，使用喷泉编码能够提高无线传输的可靠性，两者的结合能够弥补各自的缺点，使得无线网络的可靠性和有效性得到显著的提高。

中国专利文献公开了一种“一种基于喷泉码的网络编码方法”(公开号：CN101567755，公开日：2009-10-28)，该网络编码方法在于将网络编码与喷泉编码相结合，使得在无线网络中实现可靠高效传输。通过对信源进行第一级喷泉编码、将第一级喷泉编码符号再以喷泉编码的方式向中间节点传输、中间节点进行喷泉译码、中间节点进行喷泉广播、信宿节点收集喷泉编码符号并进行喷泉译码的方式，得到基于喷泉码的网络编码方法，虽然有效的提高了网络的数据吞吐能力和可靠性，但是该网络编码方法中的中间节点接收到错误的一次喷泉编码符号后会直接丢弃，直到等到接收到正确的一次喷泉编码符号后才会向信宿节点转发，大大增加了信宿节点成功喷泉译码所需时间。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术的不足，提供一种效率更高的一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法。

本发明采用的技术方案是，一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法，所述网络编码方法主要由信源节点、中继节点和信宿节点组成，该信源节点进行喷泉编码产生的一次编码分组数据的编码方式和中继节点进行喷泉编码产生的二次编码分组数据的编码方式相同，且该二次编码分组数据和一次编码分组数据可以一起在信宿节点进行译码，该网络编码方法步骤为：

步骤1.信源节点进行喷泉编码

信源节点对M个原始分组数据进行源源不断的喷泉编码，每一次喷泉编码产生K个一次编码分组数据；

步骤2.信源节点把每一次喷泉编码产生的K个一次编码分组数据发送给一一对应的K个中继节点；

步骤3.中继节点接收到一次编码分组数据后，进行差错检测

—如果没有检测出差错，则向信宿节点转发无差错的一次编码分组数据，并把无差错的一次编码分组数据存储在该中继节点；

—如果检测出差错，则丢弃出差错的一次编码分组数据，并对之前该中继节点存储的所有无差错一次编码分组数据进行二次喷泉编码，得到一个二次编码分组数据，再把编码的该二次编码分组数据发送给信宿节点；

步骤4.信宿节点接收到中继节点转发的一次编码分组数据或中继节点产生的二次编码分组数据后,

Ⅰ.进行差错检测，

—如果没有检测出差错，则把无差错的该一次编码分组数据或二次编码分组数据存储在信宿节点；

—如果检测出差错，则丢弃接收到的一次编码分组数据或二次编码分组数据；

Ⅱ.当信宿节点内存储的一次编码分组数据和二次编码分组数据的总数量大于等于M个时，信宿节点尝试进行译码

—信宿节点喷泉译码成功，则信宿节点向K个中继节点同时发送译码成功信息；

—信宿节点不能成功进行喷泉译码，则继续等待接收的无差错编码分组数据进行喷泉译码，直到能够正确喷泉译码得到全部的原始分组数据后，信宿节点向K个中继节点同时发送译码成功信息；

步骤5.中继节点接收到信宿节点发送的译码成功信息后，把译码成功信息转发给信源节点，信源节点接收到中继节点转发的译码成功信息后，立刻停止喷泉编码。

所述网络编码方法采用线性方程组的编码方式。

本发明的有益效果是：

1.本发明达到了缩短信宿节点成功喷泉译码所需时间的目的，提高了译码效率；

2.与公开号CN101567755(对比文件)的技术相较而言，

相同点：网络模型相同，都是一个发送端，多个中继节点，一个接收节点；

不同点：

1).信源节点处

对比文件：一次产生相当于信源符号数的第一级喷泉编码符号，并按照信道容量大小分成N组，每一组对应一个中继节点；并把每一组第一级喷泉编码符号重新进行第二级喷泉编码；

本发明：信源节点不断的进行第一次喷泉编码，每次产生k个喷泉编码分组数据，分别对应于一个中继节点，不会在信源节点处进行二次喷泉编码，对比文件的二次喷泉编码与一次喷泉编码是不同的编码方案，不能看成一样的；

2).中继节点处

对比文件：中继节点接收源节点发来的二次喷泉编码符号，并尝试进行二次喷泉解码，成功二次喷泉解码后，中继节点重新进行二次喷泉编码并发送到接收节点；

本发明：中继节点接收信源节点发送过来的一次喷泉编码分组数据，并进行差错检查；如果没有出现差错；则把接收到的正确的一次喷泉编码分组数据存储在中继节点，并把该正确的一次喷泉编码分组数据向信宿节点转发；如果出现差错，则对该节点存储的所有正确一次喷泉编码分组数据进行二次喷泉编码产生一个二次喷泉编码分组数据，并向信宿节点转发,由于使用了与一次喷泉编码相同的编码方案，中继节点处的二次喷泉编码分组数据相当于信源处进行特定的一次喷泉编码产生的一次喷泉编码分组数据，在接收节点处可以把信源的一次喷泉编码分组数据和中继节点处的二次喷泉编码分组数据放在一起进行喷泉译码；本申请专利把中继节点接收到错误的一次喷泉编码分组数据而进行等待的时间利用起来，用来进行二次喷泉编码，从而使信宿节点能够接收到更多的喷泉编码分组数据，达到缩短接收节点成功喷泉译码所需时间的目的；

3).接收节点

对比文件：接收节点首先对中继节点转发过来的二次喷泉编码符号进行二次喷泉解码后得到一次喷泉编码符号，等收集到足够的一次喷泉编码符号后进行一次喷泉解码，从而得到信源符号；

本发明：接收节点一直等到正确接收的喷泉编码分组数据达到要求后，开始尝试进行一次喷泉译码，直到成功译码得到信源分组数据为止。

由上述分析可知，本发明较对比文件更优，效率更高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的网络示意图。

图2是本发明信源节点的流程图。

图3是本发明中继节点接收到一次编码分组数据后的处理流程图。

图4是本发明信宿节点的流程图。

具体实施方式

参见图1、图2、图3、图4所示：本发明是一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法，所述网络编码方法主要由信源节点、中继节点和信宿节点组成，该信源节点进行喷泉编码产生的一次编码分组数据的编码方式和该中继节点产生出二次编码分组数据的编码方式相同，信宿节点对接收到的二次编码分组数据和一次编码分组数据一起进行译码。

采用线性方程组的编码方式进行编码，该网络编码方法步骤为：

步骤1.信源节点进行喷泉编码

信源节点对M个原始分组数据进行源源不断的喷泉编码，每一次喷泉编码产生K个一次编码分组数据；

为了容易区分，定义信源节点喷泉编码后产生的编码分组数据为一次编码分组数据，中继节点喷泉编码产生的编码分组数据为二次编码分组数据。

M个原始分组数据分别为S₁,S₂，…，S_M，并且要求每个分组数据S_i(1≤i≤M)内包含的二进制符号数量相同，喷泉编码就是不断的对这M个原始分组数据编码产生一次编码分组数据；

对于任意一次喷泉编码产生的第j(1≤j≤k)个编码分组数据来说，包含三个部分：一是数据部分T_j，用于传送信息；二是头部信息，需要包含用于编码的M阶的二进制行向量{G_1,j,G_2,j,…,G_M,j}编码信息，信宿需要使用编码信息来进行喷泉解码；三是CRC校验信息，中继节点和信宿节点可以根据CRC校验信息去检测编码分组数据是否出现差错。

具体的喷泉编码过程如下：当信源节点要进行喷泉编码生成第j个一次编码分组数据时，首先根据不同的喷泉编码方法产生一个M阶的二进制行向量{G_1,j,G_2,j,…,G_M,j}，第j个一次编码分组数据的数据部分T_j可以表示为

$T_j=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{i,j}{S}_i.$

(1)

例如：M＝4时的原始分组数据分别为

$S_1=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\\ 1\\ 0\end{array}\right\},$ $S_2=\left\{\begin{array}{c}1\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right\},$ $S_3=\left\{\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\\ 1\end{array}\right\}$ 和 $S_4=\left\{\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\\ 1\end{array}\right\}.$ (2)

编码信息行向量{G_1,j,G_2,j,G_3,j,G_4,j}为{1,0,0,1}，即G_j,1＝1、G_2,j＝0、G_3,j＝0、G_4,j＝1，使用公式(1)可以得到

$T_j=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{i,j}{S}_i=S_1+S_4=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\\ 1\\ 0\end{array}\right\}+\left\{\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\\ 1\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\\ 1\end{array}\right\}.$

步骤2.信源节点把每一次喷泉编码产生的K个一次编码分组数据发一一对应的送给K个中继节点；

步骤3.中继节点接收到一次编码分组数据后，差错检测

—如果没有检测出差错，则向信宿节点转发无差错的一次编码分组数据，并把无差错的一次编码分组数据存储在该中继节点；

—如果检测出差错，则丢弃出差错的一次编码分组数据，对该节点存储的之前所有无差错一次编码分组数据进行二次喷泉编码，得到一个二次编码分组数据，再把编码的该二次编码分组数据发送给信宿节点；

具体的二次编码过程如下：

如果此时有n个无差错一次编码分组数据存储在本中继节点中，对所有存储的无差错一次编码分组数据按照接收的时间顺序进行从小到大编号，最先接收到的无差错编码分组数据编号为1，最后接收到的无差错编码分组数据编号为n。把n个编码分组数据的数据部分取出构成新的原始分组数据S′₁,S′₂，…，S′_n，并把对应的编码信息组成编码信息序列G′₁,G′₂，…,G′_n，其中任意G′_j(1≤j≤n)为一个M阶的二进制行向量{G′_1,j,G′_2,j,…,G′_M,j}，因此可以得到

$S_j^{\′}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{i,j}^{\′}{S}_i.$

(4)

开始二次喷泉编码之前，按照与信源节点处喷泉编码相同的方式随机产生一组新的n阶二进制行向量{H₁,H₂,…,H_n}，按照喷泉编码方式产生二次编码分组数据的数据部分，用T_n表示，可以得到

$T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{S^{\′}}_j=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{i,j}^{\′}{S}_i=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{G}_{i,j}^{\′}\right).$

(5)

从公式中可以看到，中继节点进行二次编码后的数据部分相当于信源节点用M阶的二进制行向量 $\{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{G}_{1,j}^{\′},\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{G}_{2,j}^{\′},\·\·\·,\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{G}_{M,j}^{\′}\}---\left(6\right)$ 进行一次喷泉编码得到的数据部分。把T_n作为二次编码分组数据的数据部分，把M阶的二进制行向量 $\{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{G}_{1,j}^{\′},\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{G}_{2,j}^{\′},\·\·\·,\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_j{G}_{M,j}^{\′}\}$ 放入新的头部信息中，再添加CRC校验信息就构成了新的二次编码分组数据；

公式(5)说明中继节点进行二次喷泉编码时使用的原始分组数据与信源节点相同，公式(6)定义的二次喷泉编码的编码信息部分与信源节点的喷泉编码信息在结构上相同，都是M阶二进制行向量。从二次编码的过程可以看到，中继节点进行的二次喷泉编码是对信源节点喷泉编码的补充，在信宿节点可以把信源节点喷泉编码产生的一次编码分组数据和中继节点产生的二次编码分组数据放在一起进行喷泉解码；

步骤4.信宿节点接收到信源节点喷泉编码产生的一次编码分组数据或中继节点产生的二次编码分组数据后,

Ⅰ.进行差错检测，

—如果没有检测出一次编码分组数据或二次编码分组数据出现差错，则把无差错的该一次编码分组数据或二次编码分组数据存储在信宿节点；

—如果检测出一次编码分组数据或二次编码分组数据中出现差错，则丢弃该一次编码分组数据或二次编码分组数据；

Ⅱ.当信宿节点内存储的一次编码分组数据和二次编码分组数据的总数量大于等于M个时，信宿节点开始尝试进行喷泉译码

—信宿节点喷泉译码成功，则信宿节点向K个中继节点同时发送译码成功信息；

—信宿节点不能成功进行喷泉译码，则继续等待接收到一个新的无差错的一次编码分组数据或二次编码分组数据后再尝试进行喷泉译码，直到能够正确喷泉译码得到全部的原始分组数据后，信宿节点向K个中继节点同时发送译码成功信息；

步骤5.中继节点接收到信宿节点发送的译码成功信息后，把译码成功信息转发给信源节点，信源节点接收到中继节点转发的译码成功信息后，立刻停止喷泉编码。

以上实施例的技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制。

Claims (2)

1. 一种基于中继辅助喷泉码的网络编码方法，其特征在于，所述网络编码方法主要由信源节点、中继节点和信宿节点组成，该信源节点进行喷泉编码产生的一次编码分组数据的编码方式和中继节点进行喷泉编码产生的二次编码分组数据的编码方式相同，且该二次编码分组数据和一次编码分组数据一起在信宿节点进行译码，该网络编码方法步骤为：

步骤1.信源节点进行喷泉编码

信源节点对M个原始分组数据进行源源不断的喷泉编码，每一次喷泉编码产生K个一次编码分组数据；

步骤2.信源节点把每一次喷泉编码产生的K个一次编码分组数据发送给一一对应的K个中继节点；

步骤3.中继节点接收到一次编码分组数据后，进行差错检测

—如果没有检测出差错，则向信宿节点转发无差错的一次编码分组数据，并把无差错的一次编码分组数据存储在该中继节点；

—如果检测出差错，则丢弃出差错的一次编码分组数据，并对之前该中继节点存储的所有无差错一次编码分组数据进行二次喷泉编码，得到一个二次编码分组数据，再把编码的该二次编码分组数据发送给信宿节点；

步骤4.信宿节点接收到中继节点转发的一次编码分组数据或中继节点产生的二次编码分组数据后,

Ⅰ.进行差错检测，

—如果没有检测出差错，则把无差错的该一次编码分组数据或二次编码分组数据存储在信宿节点；

—如果检测出差错，则丢弃接收到的一次编码分组数据或二次编码分组数据；

Ⅱ. 当信宿节点内存储的一次编码分组数据和二次编码分组数据的总数量大于等于M个时，信宿节点尝试进行译码

—信宿节点喷泉译码成功，则信宿节点向K个中继节点同时发送译码成功信息；

—信宿节点不能成功进行喷泉译码，则继续等待接收的无差错编码分组数据进行喷泉译码，直到能够正确喷泉译码得到全部的原始分组数据后，信宿节点向K个中继节点同时发送译码成功信息；

步骤5.中继节点接收到信宿节点发送的译码成功信息后，把译码成功信息转发给信源节点，信源节点接收到中继节点转发的译码成功信息后，立刻停止喷泉编码。

2. 根据权利要求1所述基于中继辅助喷泉码的网络编码方法，其特征在于：所述网络编码方法采用线性方程组的编码方式。