CN105263122B - 一种基于rs编码的无线广播传输优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RS编码的无线广播传输优化方法，在基于MANET的移动流媒体系统中，通过使用Reed‑Solomon编码，利用其通过使用冗余数据块进行修复的思想，对无线广播传输进行了优化，先对原始数据块进行等大小分割，然后再进行编码，并将编码后的数据块用广播形式发送出去，数据请求节点、广播监听节点、中间转发节点对收到的编码后的数据进行解码得到还原后的原始数据块，本发明方法计算简单，通用性和扩展性强，编码算法和解码算法都是异或运算，只需要耗费极少的编解码时间，就可以大大提高无线广播传输的成功率，适用于任何需要进行数据修复的场景。

Description

一种基于RS编码的无线广播传输优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于RS编码的无线广播传输优化方法。

背景技术

随着以智能手机为代表的移动终端设备和无线通信技术的飞速发展以及WiFi、4G网络的逐步普及，推动了移动互联网这一新兴产业的兴起和蓬勃发展，信息社会已经逐渐步入移动互联网时代。

目前移动互联网应用服务所使用的网络有2G，3G，4G以及WiFi。移动通信网络的劣势在于受网络带宽的限制，比如2G和3G的网络传输速度较慢，且用户需要为网络访问产生的数据流量向运营商支付较为昂贵的流量费。无论是移动通信网络还是WiFi网络，都属于“基站接入”式的网络。“基站接入”网络服务模式势必会因为用户带宽需求的不断提高而形成网络服务瓶颈，使得一些实时性较强的移动互联网应用的QoS很低，如移动流媒体服务等。

当我们乘坐高铁或者地铁时，由于列车速度非常快，使得与我们手机相连的基站切换非常频繁，导致我们手中的移动设备的信号非常不稳定。又由于高铁一般运行在偏远的乡村，地铁一般运行在地下，这些地方的基站覆盖不是很全面，会导致我们手中的移动设备只能接受到微弱的信号，甚至接收不到信号。

正是基于以上这些情形，为我们建立基于移动设备协作的网络服务模式提供了途径与机遇。

在无线传输中，广播的传输性能不如单播，这是因为在IEEE 802.11g中，单播传输使用了RTS/CTS机制，而广播则没有。

对于无线MAC层存在隐藏终端问题，在两个相距较远的工作站利用一个访问接入点(Access Point)AP点进行连接时，这两个工作站都能够发现AP的存在，而相互之间可能由于障碍或者距离原因而无法获取对方的存在。为解决这个问题，802.11在MAC层引入了新的RTS/CTS选项，当这个选项打开后，一个发送工作站传送一个RTS信号，随后等待访问接入点回送RTS信号，由于所有的网络中的工作站都能够检测到访问接入点发出的信号，所以CTS能够让它们停止传送数据，这样，发送端可以发送数据并接收ACK信号而不会造成数据的冲突。这样间接解决了隐藏终端问题。

由于无线WiFi技术的不断发展与普及，在真实的工作环境中，我们周围总是充斥着许许多多的WiFi信号，而无线信道只有13种，所以必然会产生冲突。无线单播利用RTS/CTS机制去解决隐藏终端问题，类似TCP协议中的三次握手，保证数据的可达性。而无线广播则没有这个机制，它只管监听到信道中没有占用，就向外发送，也不管数据是不是可达，所以就经常会发生与隐藏终端的冲突碰撞，导致其传输效果不如单播。对于终端用户来说，手机通过修改网卡参数使其可以支持Adhoc模式，这样手机与手机之间就可以组成一个P2P无线局域网，手机利用无线广播进行视频数据传输时，虽然可以降低本地数据传输开销，但是其传输性能不如单播。

本发明中涉及到的对无线广播传输优化的方法，通过使用Reed-Solomon编码，只需要耗费极少的编解码时间，就可以大大提高无线广播传输的成功率，从而可以使用户看视频时可以节约更多的流量。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于RS编码的无线广播传输优化方法，提高无线广播传输的成功率。

技术方案：为实现上述目的，本发明的基于RS编码的无线广播传输优化方法包括以下步骤：

(1)数据存储节点在接到数据请求节点发送的数据请求后，根据数据id在缓存中查找对应的原始数据块，将所述数据块按照预设分割块数进行平均分割形成若干个等比特数据块，并对所述等比特数据块按照编码规则进行编码得到校验比特数据块，然后将编码比特数据块通过广播方式依次发送出去，所述编码比特数据块包括等比特数据块和校验比特数据块；

(2)所述数据请求节点接收所述数据存储节点发送的编码比特数据块并根据所述编码规则进行解码得到还原后的原始数据块；

(3)广播监听节点接收所述数据存储节点发送的编码比特数据块，首先根据所述编码规则进行解码得到还原后的原始数据块，然后将解码还原的数据块存入磁盘缓存；

(4)中间转发节点接收所述数据存储节点发送的编码比特数据块，首先将接收到的比特数据块进行转发，然后再根据所述编码规则进行解码得到还原后的原始数据块，最后将解码还原的数据块存入磁盘缓存。

其中，所述校验比特数据块的比特数与所述等比特数据块的比特数一致，所述校验比特数据块的任意一位比特数据的值为所述等比特数据块对应位置异或的结果。

进一步地，所述数据存储节点对所述编码比特数据块进行了编号：先对所述等比特数据块按照存储的数据在所述原始数据块中的位置进行依次编号，再将所述校验比特数据块按序编号。

其中，所述原始数据块为48KB，所述预设分割块数为3。

其中，所述数据请求节点对接收到的编码比特数据块进行解码包括以下步骤：

(1)若接收到的编码比特数据块数量达到所述预设分割块数且编号各不相同时，则根据编码比特数据块的编号判断所接收的数据块是否均为等比特数据块；

(2)若接收到的编码比特数据块均为等比特数据块，则按照编号顺序对等比特数据块进行按顺序拼接得到还原后的原始数据块；

(3)若接收到的编码比特数据块中存在校验比特数据块，则将所有编码比特数据块的每一位数据进行异或得到相应位置的数据作为还原后的等比特数据块，将接收到的等比特数据块和还原后的等比特数据块按编号顺序进行拼接得到还原后的原始数据块。

所述广播监听节点对接收到的编码比特数据块进行解码包括以下步骤：

(1)若接收到的编码比特数据块数量达到所述预设分割块数且编号各不相同时，则根据编码比特数据块的编号判断所接收的数据块是否均为等比特数据块；

(2)若接收到的编码比特数据块均为等比特数据块，则按照编号顺序对等比特数据块进行按顺序拼接得到还原后的原始数据块；

(3)若接收到的编码比特数据块中存在校验比特数据块，则将所有编码比特数据块的每一位数据进行异或得到相应位置的数据作为还原后的等比特数据块，将接收到的等比特数据块和还原后的等比特数据块按编号顺序进行拼接得到还原后的原始数据块。

所述中间转发节点对接收到的编码比特数据块进行解码包括以下步骤：

(1)若接收到的编码比特数据块数量达到所述预设分割块数且编号各不相同时，则根据编码比特数据块的编号判断所接收的数据块是否均为等比特数据块；

(2)若接收到的编码比特数据块均为等比特数据块，则按照编号顺序对等比特数据块进行按顺序拼接得到还原后的原始数据块；

(3)若接收到的编码比特数据块中存在校验比特数据块，则将所有编码比特数据块的每一位数据进行异或得到相应位置的数据作为还原后的等比特数据块，将接收到的等比特数据块和还原后的等比特数据块按编号顺序进行拼接得到还原后的原始数据块。

更进一步地，所述数据请求节点、广播监听节点、中间转发节点对接收到的编码比特数据块均设置有比特数据块最大存储时间，当接收到的编码比特数据块超过所述最大存储时间仍未被解码处理则对其进行清理。

有益效果：本发明的基于RS编码的无线广播传输优化方法，通过使用Reed-Solomon编码对无线广播传输进行优化，本发明将Reed-Solomon编码引入到本系统中，通过编码解码的过程，对无线广播传输进行优化，提高无线广播传输的成功率；本发明中编码算法和解码算法都是异或运算，计算简单，通用性和扩展性强，只需要耗费极少的编解码时间，就可以大大提高无线广播传输的成功率，适用于任何需要进行数据修复的场景；本发明在所有节点设置比特数据块最大存储时间释放了内存资源，以防止内存溢出的现象发生。

附图说明

图1基于RS编码的无线广播传输优化方法的总体框架图；

图2是发送端编码流程图；

图3是目的节点解码流程图；

图4是中间转发节点处理流程图；

图5是广播监听节点处理流程图；

图6是解码函数处理流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

本发明基于MANET(Mobile Ad-hoc NETworks，移动自组织网络)的移动流媒体系统介绍基于RS编码的无线广播传输优化方法，本发明中涉及四个节点：数据存储节点、数据请求节点、中间转发节点、广播监听节点，数据存储节点在下文也称为发送端，该节点存储有某个ID号所对应的视频数据块。

图1中的发送端收到数据请求节点的请求后，通过数据块特有的ID号，在缓存中找到该数据块，本实施例以一个48KB的视频数据块作为原始数据块对本发明方法进行介绍，上述发送端为拥有上述48KB的该视频数据块的节点，预设分割块数设置为3。发送端通过编码后其输出为4个16KB的数据块，其中前3块是从原始数据块中拆分出来的等比特数据块，最后一个数据块是编码得到的校验比特数据块；图1中的接收端有3种节点，其输入都是发送端发出的4个16KB的数据块中的任意块数，如果块数满足3块，则通过解码后其输出为还原的原始数据块。发送端对原始数据块进行编码并广播出去，具体包含以下4个主要步骤：1)在发送端，将一个原始数据块拆分成3个小数据块，进行异或编码运算，得到1块校验块，然后对每个数据块进行顺序编号，最后将这4个数据块依次发出；2)在接收端，如果是请求数据的节点，即发送端发送报文的目的节点，只要收到这4个数据块中的任意3个，就可以进行异或解码运算，得到原始的数据块，存入内存缓存中；3)如果接收端是广播监听节点，则也按照目的节点的方式进行处理后存入磁盘缓存中；4)如果接收端是中间转发节点，则首先进行转发，然后再按照目的节点所阐述的方式进行处理后存入磁盘缓存中。

发送端进行数据块的编码如图2所示，数据请求节点向周围的节点发出请求后，收到请求的节点查找自己的缓存(没有特别指出的情况下，本文中的缓存指的是节点的内存缓存和磁盘缓存)，如果没有所请求的数据块则结束本次操作；如果有所请求的数据块，将其从缓存中取出后进行编码操作：

1)编码函数的输入是这个视频数据块，即原始数据块，此数据块用一个长度为49152(48*1024)的比特数组来表示。

2)在函数中，首先声明4个长度为16385(16*1024+1)的比特数组，将它们的第一位，即下标为0的这一位，分别设置为1-4，表示这4个数组的编号，分别用于存储等比特数据块和校验比特数据块。

3)将原始数据块的第一位(数组下标为0)到第16384位(数组下标为16383)复制到编号为1的数组(即第一个等比特数据块)的第二位(数组下标为1)到最后一位(数组下标为16384)；将原始数据块的第16385位(数组下标为16384)到第32768位(数组下标为32767)复制到编号为2的数组(即第二个等比特数据块)的第二位(数组下标为1)到最后一位(数组下标为16384)；将原始数据块的第32769位(数组下标为32768)到最后一位(数组下标为49151)复制到编号为3的数组(即第三个等比特数据块)的第二位(数组下标为1)到最后一位(数组下标为16384)；

4)编号为4的数组(即校验比特数据块)的第一位(数组下标为0)为编号为1的数组的第二位(数组下标为1)异或编号为2的数组的第二位(数组下标为1)再异或编号为3的数组的第二位(数组下标为1)的结果。编号为4的数组的每一位(假设下标为i)都是编号为1-3的数组下标为i+1的位进行异或的结果，按照此方法，去计算编号为4的数组的每一位的值。

5)声明一个用来存储比特数组的动态数组。然后将编号为1-4的比特数组依次加入到此动态数组中。此编码函数的返回值(或者说输出)就是这个动态数组。

6)得到这个动态数组之后，对这个动态数组里面的4个比特数组进行序列化操作，此处的序列化指的是使用Google的开源序列化工具protocolbuffer，加上相应的报头信息，序列化成二进制形式，然后调用发送模块的广播发送方法，将这4个序列化后的数组依次发出，经过序列化操作处理的数据块称为编码数据块，编码数据块拥有与原始数据相同的id号，区别仅在于编码数据块包括了：按顺序编号的等比特数据块和校验比特数据块。

本发明的第二步骤分为3块，分别是3种不同的接收节点的处理。

接收端是视频数据块的请求节点，即发送端发送报文的目的节点，其处理流程如图3所示。收到数据块之后，系统会进行逆序列化操作，然后将逆序列化的结果提交给上层。

对于每一个收到的编码数据块，首先查找自己的缓存列表，如果列表中有此数据块的id号，说明已经获取到所需的原始数据块，则结束本次操作，继续处理后续的数据块。如果没有，则调用存储这些数据块并处理的函数(函数取名为buffermap)，此函数的处理过程如下：

1)此函数的输入是数据块的id号和接收到的编码数据块。首先申明一个用来存储比特数组的动态数组(取名为uri_list)。

2)每个节点有2个hashmap(键为数据块id号，值为存储相同id号的数据块的动态数组)来存储这些收到的数据块，其中1个是目的节点用来存储视频请求的数据块(取名为hashmap_task)。在buffermap函数中，要对hashmap_task进行同步(synchronized)操作。

3)在hashmap_task中查找此数据块的id号，如果没有，则说明当前还未接收到拥有此id号的任何编码数据块，转6)；如果有，将其值取出给uri_list。

4)拿此数据块的第一位和uri_list中存储的每一个数组的第一位进行比较，因为这些数据块的第一位存储的是编号，比较的目的是看这个数据块是否已经在uri_list中，如果在，则hashmap_task函数返回false；如果不在，则首先将此数据块加入到uri_list中，然后看uri_list的大小是不是3，如果不是，则将此数据块的id号作为key，uri_list作为value放入到hashmap_task中，并返回false；如果大小是3，则调用解码函数，解码函数流程如图6所示：

①解码函数的输入是uri_list这个动态数组，首先申明一个长度为49152(48*1024)的比特数组用来存储最终得到的解码还原后的原始数据块(取名为originaldata)。

②将uri_list中每个元素的第一位取出，由于第一位表示的是编号，首先看这3个编号是不是1-3，如果是，则将编号为1的数组的第二位(数组下标为1)到最后一位(数组下标为16384)复制到originaldata的第一位(数组下标为0)到第16384位(数组下标为16383)，将编号为2的数组的第二位(数组下标为1)到最后一位(数组下标为16384)复制到originaldata的第16385位(数组下标为16384)到第32768位(数组下标为32767)，将编号为3的数组的第二位(数组下标为1)到最后一位(数组下标为16384)复制到originaldata的第32769位(数组下标为32768)到最后一位(数组下标为49151)；如果编号不是1-3，则转③。

③申明一个长度为16384(16*1024)的比特数组，这个数组的每一位(假设下标为i)都是uri_list中3个数组下标为i+1的位进行异或的结果，此数组的编号是uri_list中3个数组所缺少的编号。然后按照②中所说的方法，得到还原后的原始数据originaldata。

④最后解码函数返回originaldata。

5)解码得到原始数据块后，调用缓存管理模块，将此数据块放入到内存缓存中，从hashmap_task中删除key为此数据块id的元素，并返回true。

6)将此数据块加入到uri_list中，然后将此数据块的id号作为key，uri_list作为value放入到hashmap_task中，并返回false。

为了减少内存资源的占用与消耗，防止内存溢出现象发生，数据请求节点、广播监听节点、中间转发节点对接收到的编码比特数据块均设置有比特数据块最大存储时间，当接收到的编码比特数据块超过所述最大存储时间仍未被解码处理则对其进行清理，不再对该id对应的编码比特数据进行解码处理。

在系统的任务管理模块中，有一个线程是专门处理每个请求的生存时间的，如果一个请求的TTL(TTL是Time To Live的缩写，该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量)为0，则会将这个请求的任务从列表中删除，同时也要删除hashmap_task中对应的元素。TTL的设置可以根据节点类型具体设置。如果接收端是中间转发节点，其流程如图4所示。

1)首先调用发送模块将这个数据块立刻转发出去。

2)逆序列化此数据块，判断这个数据块是视频数据块还是AODV(无线自组网按需平面距离向量路由协议)的PDU(协议数据单元)，如果是AODV的PDU，则结束处理；如果是视频数据块，则取出这个视频数据块的id号。查看缓存中是否有这个数据块，如果有，则表明已有此原始数据块，则结束处理，如果没有，转3)。

3)每个节点有2个hashmap(键为数据块id号，值为存储相同id号的数据块的动态数组)来存储这些收到的数据块，第一个在目的节点的处理中已经提到，另一个(取名为hashmap_relay)是中间转发节点和广播监听节点来存储偷听到的数据块的。首先申明一个用来存储比特数组的动态数组(取名为uri_list)。在hashmap_relay中查找此数据块的id号，如果没有，则转6)；如果有，将其值取出给uri_list。

4)拿此数据块的第一位和uri_list中存储的每一个数组的第一位进行比较，看这个数据块是否已经在uri_list中，如果在，则结束处理；如果不在，则首先将此数据块加入到uri_list中，然后看uri_list的大小是不是3，如果不是，则将此数据块的id号作为key，uri_list作为value放入到hashmap_relay中；如果大小是3，则调用解码函数，解码函数的流程和目的节点中所描述的一样。

5)解码得到原始数据块后，调用缓存管理模块，将此数据块放入到磁盘缓存中，并从hashmap_relay中删除key为此数据块id的元素。

6)将此数据块加入到uri_list中，然后将此数据块的id号作为key，uri_list作为value放入到hashmap_relay中。

hashmap_relay申明时其类型为LinkedHashMap，目的是为了可以根据LRU算法对key进行排序，最近访问的元素，排在最后，最旧的元素排在第一。系统中还需创建一个线程，用来对过时的hashmap_relay元素进行处理，此处将编码比特数据块的最大存储时间设置为300毫秒。此线程在系统主线程运行20秒后启动，然后每隔300毫秒对hashmap_relay进行扫描，如果hashmap_relay的元素数大于5，则取出第一个元素，即最旧的元素，然后查看此元素中value的元素个数，如果小于3，则删除这个key-value对，即在最大存储时间内该数据块因仍不符合解码条件而未被处理，则将其删除，不再进行解码处理。其目的是减少内存资源的占用与消耗，防止内存溢出现象发生。

如果接收端是广播监听节点，其流程如图5所示。此节点的处理流程和中间转发节点非常类似，除了没有中间转发节点第一步所描述的进行转发外，其余步骤都是一样的。

本发明方法通过使用Reed-Solomon编码，利用冗余数据块进行修复的思想，在基于MANET的移动流媒体系统中对无线广播传输进行了优化，系统中无线广播传输的性能得到了很好的改善，传输丢包率大大降低，本发明方法计算简单，通用性和扩展性强，对系统的整体性能产生了极大的提升。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于RS编码的无线广播传输优化方法，应用于MANET系统中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)数据存储节点在接到数据请求节点发送的数据请求后，根据数据id在缓存中查找对应的原始数据块，将所述原始数据块按照预设分割块数进行平均分割形成若干个等比特数据块，并对所述等比特数据块按照编码规则进行编码得到校验比特数据块，然后将编码比特数据块通过广播方式依次发送出去，所述编码比特数据块包括等比特数据块和校验比特数据块；

(2)所述数据请求节点接收所述数据存储节点发送的编码比特数据块，根据所述编码规则进行解码得到还原后的原始数据块，并将解码还原后的原始数据块存入内存缓存中；

(3)广播监听节点接收所述数据存储节点发送的编码比特数据块，首先根据所述编码规则进行解码得到还原后的原始数据块，然后将解码还原后的原始数据块存入磁盘缓存中；

(4)中间转发节点接收所述数据存储节点发送的编码比特数据块，首先将接收到的比特数据块进行转发，然后再根据所述编码规则进行解码得到还原后的原始数据块，最后将解码还原后的原始数据块存入磁盘缓存中。

2.根据权利要求1所述的基于RS编码的无线广播传输优化方法，其特征在于，所述校验比特数据块的比特数与所述若干个等比特数据块的比特数一致，所述校验比特数据块的任意一位比特数据的值为所述若干个等比特数据块相应位置比特数据的值异或的结果。

3.根据权利要求2所述的基于RS编码的无线广播传输优化方法，其特征在于，所述数据存储节点对所述编码比特数据块进行了编号：先对所述等比特数据块按照存储的数据在所述原始数据块中的位置进行依次编号，再将所述校验比特数据块按序编号。

4.根据权利要求3所述的基于RS编码的无线广播传输优化方法，其特征在于，所述原始数据块为48KB，所述预设分割块数为3。

5.根据权利要求4所述的基于RS编码的无线广播传输优化方法，其特征在于，所述数据请求节点对接收到的编码比特数据块进行解码包括以下步骤：

(1)若接收到的编码比特数据块数量达到所述预设分割块数且编号各不相同时，则根据编码比特数据块的编号判断所接收的数据块是否均为等比特数据块；

(2)若接收到的编码比特数据块均为等比特数据块，则按照编号顺序对等比特数据块进行按顺序拼接得到还原后的原始数据块；

(3)若接收到的编码比特数据块中存在校验比特数据块，则将所有编码比特数据块的每一位数据进行异或得到相应位置的数据作为还原后的等比特数据块，将接收到的等比特数据块和还原后的等比特数据块按编号顺序进行拼接得到还原后的原始数据块。

6.根据权利要求4所述的基于RS编码的无线广播传输优化方法，其特征在于，所述广播监听节点对接收到的编码比特数据块进行解码包括以下步骤：

(1)若接收到的编码比特数据块数量达到所述预设分割块数且编号各不相同时，则根据编码比特数据块的编号判断所接收的数据块是否均为等比特数据块；

(2)若接收到的编码比特数据块均为等比特数据块，则按照编号顺序对等比特数据块进行按顺序拼接得到还原后的原始数据块；

(3)若接收到的编码比特数据块中存在校验比特数据块，则将所有编码比特数据块的每一位数据进行异或得到相应位置的数据作为还原后的等比特数据块，将接收到的等比特数据块和还原后的等比特数据块按编号顺序进行拼接得到还原后的原始数据块。

7.根据权利要求4所述的基于RS编码的无线广播传输优化方法，其特征在于，所述中间转发节点对接收到的编码比特数据块进行解码包括以下步骤：

(1)若接收到的编码比特数据块数量达到所述预设分割块数且编号各不相同时，则根据编码比特数据块的编号判断所接收的数据块是否均为等比特数据块；

(2)若接收到的编码比特数据块均为等比特数据块，则按照编号顺序对等比特数据块进行按顺序拼接得到还原后的原始数据块；

(3)若接收到的编码比特数据块中存在校验比特数据块，则将所有编码比特数据块的每一位数据进行异或得到相应位置的数据作为还原后的等比特数据块，将接收到的等比特数据块和还原后的等比特数据块按编号顺序进行拼接得到还原后的原始数据块。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的基于RS编码的无线广播传输优化方法，其特征在于，所述数据请求节点、广播监听节点、中间转发节点对接收到的编码比特数据块均设置有比特数据块最大存储时间，当接收到的编码比特数据块超过所述最大存储时间仍未被解码处理则对其进行清理。