CN105553621B - 基于簇内侦听的网络编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，形成多个簇结构，每个簇结构包括一个簇头节点和多个簇成员节点；步骤二，形成覆盖簇结构，具有根节点的树结构；步骤三，给树结构中的所有节点分配树地址；步骤四，当第一数据流和第二数据流在当前编码节点相遇时，根据地址判断第一数据流和第二数据流是否满足编码条件，如果满足编码条件则将第一数据流和第二数据流进行异或运算形成当前编码流；以及步骤五，将当前节点地址更新为当前编码数据流的当前临时源地址以及将第一数据流和第二数据流的临时源地址更新为当前编码数据流的当前临时目的地址，并根据当前临时源地址和目的地址对当前编码数据包进行数据转发。

Description

基于簇内侦听的网络编码方法
技术领域
本发明涉及一种网络编码方法，特别涉及一种利用网络编码解决无线传感器网络中能量有限和能耗不均衡的基于簇内侦听的网络编码方法。
背景技术
一方面，为了降低无线传感器网络中节点能耗不均的问题，现有技术采用簇头轮换策，也就说让节点轮流担任簇头的角色，负责收集簇成员的数据。然后簇头节点之间相互形成的主干结构中仍然存在能耗不均的问题。另一方面，现有技术用对编码技术的应用主要是通过编码缓解流量拥塞，提高吞吐量，并没有和能耗均衡相关。
异或编码在链型拓扑和X拓扑结构下的运用如图1中(a)和(b)两种情况所示，在这两种情况下，一个数据流a和另一个数据流b在R点相遇，R对a和b进行了异或编码，然后将转发到下一跳，下一跳节点A和B(D1和D2)同时接收到编码数据流，并且将传输次数从四次将为三次。(a)和(b)两种情况不同的地方在于，情况(b)是采用邻居侦听的方式获得解码机会。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种降低网络能量，提高网络吞吐量，促进能耗均衡，提高网络寿命的基于簇内侦听的网络编码方法。
本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤一，形成多个簇结构，每个簇结构包括一个簇头节点和多个簇成员节点；
步骤二，形成覆盖簇结构，具有根节点的树结构；
步骤三，给树结构中的所有节点分配树地址；
步骤四，当第一数据流和第二数据流在当前编码节点相遇时，根据树地址判断第一数据流和第二数据流是否满足编码条件，如果满足编码条件则将第一数据流和第二数据流进行异或运算形成当前编码数据流；以及
步骤五，将当前编码节点的树地址作为当前编码数据流的当前临时源地址；以及对应的最优解码节点的地址作为当前编码数据流的当前临时目的地址，并根据当前临时源地址和当前临时目的地址对当前编码数据流进行数据转发,
其中，树结构中簇头节点形成主干，簇成员节点形成枝叶，
编码条件为当前编码节点和第一数据流的临时目的地址之间的树路径经过第二数据流的临时源地址的至少一个同簇节点或邻居节点且当前编码节点与第二数据流的临时目的地址节点之间的树路径经过第一数据流的临时源地址的至少一个同簇节点或邻居节点。
本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，还具有这样的特征：其中，簇头节点根据节点的剩余能量和节点密度周期性选举，一个簇结构中的簇成员节点数量可以根据需求调整。
本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，还具有这样的特征：其中，簇头节点、簇成员节点、根节点在每一个树上的地址按照Zigbee或802.15.4协议进行分配。
本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，还具有这样的特征：其中，树结构还包括：桥节点，当簇头节点的通信范围内没有找到其他的簇头节点作为父节点，簇头节点在n倍通信半径的范围内搜索距离第一个根节点最近的簇头节点作为目标节点，并选择通往该目标节点最短路径上的节点为桥节点，桥节点在多根多树结构的形成过程中转化为簇头节点。
本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，还具有这样的特征：其中，根节点的数量可以根据需求进行调整。
本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，还具有这样的特征：在步骤四和步骤五之间还执行以下步骤，在当前编码节点接收的第一数据流和第二数据流的临时目的地址和当前编码节点的地址一致时，对第一数据流和第二数据流进行解码操作，然后执行步骤五。
本发明提供的基于簇内侦听的网络编码方法，还具有这样的特征：临时源地址和目的地址更新采用以下方式，原数据流F1 0的临时源地址和目的地址就为源地址S1和目的地址D1，原数据流的临时源地址和目的地址就为源地址S2和目的地址D2，原数据流的临时源地址和目的地址就为源地址S3和目的地址D3，在原数据流F1 0和原数据流在第一次编码节点编码后形成编码数据流F1 1后，则将第一次编码节点的地址作为已编码数据流F1 1的临时源地址以及将第一次编码对应的最优解码节点的地址作为临时目的地址，在数据流F1 1和原数据流在第二次编码节点编码后形成再编码数据流F1 2后，则将第二次编码节点的地址作为再编码数据流F1 2的临时源地址以及将第二次编码对应的最优解码节点的地址作为临时目的地址。
发明作用和效果
根据本发明所涉及基于簇内侦听的网络编码方法，使得网络编码与能耗相关，也就是越接近根节点的节点数据流量越大，拥有的编码机会也越多；直接根据树地址进行编码条件判断的方法简单，开销小；本发明中的临时目的地址和源地址更新的方法有利于数据流的无限制再编码。
附图说明
图1是现有技术中异或编码在链型拓扑和X拓扑结构下的运用的拓扑图；
图2是本发明在实施例中的基于簇内侦听的网络编码的网络拓扑结构示例图；
图3是本发明在实施例中的基于簇内侦听的网络编码的编码条件示例图；以及
图4是本发明在实施例中的临时源地址和目的地址更新的过程示意图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明所涉及的基于簇内侦听的网络编码方法作详细的描述。
图2是本发明在实施例中的基于簇内侦听的网络编码的网络拓扑结构示例图。
如图2所示，基于簇内侦听的网络编码方法具有以下步骤。
步骤一：形成多个簇结构1-1，每个簇结构包括一个簇头节点1-1-1和多个簇成员节点1-1-2。簇头节点1-1-1根据节点的剩余能量和节点密度周期性选举，一个簇结构中的簇成员节点数量可以根据需求调整。
步骤二：形成如图2所示的覆盖簇头节点1-1-1和簇成员节点1-1-2的树结构1，树结构包括簇头节点1-1-1形成的主干1-1-3和簇成员节点1-1-2形成的枝叶1-1-4，该树结构1还包括桥节点，当簇头节点1-1-1的通信范围内没有找到其他的簇头节点1-1-1作为父节点，簇头节点1-1-1在n倍通信半径的范围内搜索距离第一个根节点1-2最近的簇头节1-1-1点作为目标节点，并选择通往该目标节点最短路径上的节点为桥节点，桥节点1-2在多根多树结构的形成过程中转化为簇头节点1-1-1。根节点1-2的数量可以根据需求进行调整。
步骤三，给所有覆盖簇头节点1-1-1、簇成员节点1-1-2、桥节点和根节点1-2分配树地址。每个节点在每一个树上的地址按照Zigbee或802.15.4协议进行分配，后续根据3个点的树地址就可以判断出两点之间的树路径是否经过第三点。判断方法相对简单。
步骤四，当第一数据流和第二数据流在当前编码节点相遇时，根据地址判断第一数据流和第二数据流是否满足编码条件，如果满足编码条件则将第一数据流和第二数据流进行异或运算形成当前编码数据流。
编码条件为当前编码节点和第一数据流的临时目的地址之间的树路径经过第二数据流的临时源地址的至少一个同簇节点或邻居节点且当前编码节点与第二数据流的临时目的地址节点之间的树路径经过第一数据流的临时源地址的至少一个同簇节点或邻居节点。编码条件这样设置的原因是因为同簇节点和邻居节点会在数据流到达临时目的节点之前提供解码机会。
当数据流为非编码数据流时，临时源地址为数据流的源地址，临时目的地址为数据流的目的地址，当数据流为编码数据流时，临时源地址为数据流的上一次编码对应的编码节点地址，临时目的地址为上一次边对应的最优解码节点地址。
图3是本发明在实施例中的基于簇内侦听的网络编码的编码条件示例图。
如图3所示，数据流a的临时源地址和目的地址分别是S1和D1，数据流b的临时源地址和目的地址分别是S2和D2，数据流a和b在C3相遇，因为C3到数据流a的临时目的地址存在一条树路径经过数据流b的临时源地址S2的同簇节点C4且C3到数据流b的临时目的地址存在一条树路径经过数据流a的临时源地址S1的同簇节点C2，所以可以将数据流a和b进行异或编码。因为，编码数据流在到达临时目的节点D1和D2之前会分别在C2和C4通过簇内侦听获得解码机会。
步骤五，将当前编码节点地址作为当前编码数据流的当前临时源地址；以及将对应的最优解码节点的地址作为当前编码数据流的当前临时目的地址，并根据当前临时源地址和当前临时目的地址对当前编码数据流进行数据转发。
图4是本发明在实施例中的临时源地址和目的地址更新的过程示意图。
如图4所示，原数据流F1 0的临时源地址和目的地址就为源地址S1和目的地址D1，原数据流的临时源地址和目的地址就为源地址S2和目的地址D2，原数据流的临时源地址和目的地址就为源地址S3和目的地址D3，在原数据流F1 0和原数据流在第一次编码节点编码后形成编码数据流F1 1后，则将第一次编码节点的地址作为已编码数据流F1 1的临时源地址以及将第一次编码对应的最优解码节点的地址作为临时目的地址，在数据流F1 1和原数据流在第二次编码节点编码后形成再编码数据流F1 2后，则将第二次编码节点的地址作为再编码数据流F1 2的临时源地址以及将第二次编码对应的最优解码节点的地址作为临时目的地址。
基于簇内侦听的网络编码方法在步骤四与步骤五之间还具有以下步骤：
当前编码节点接收的数据流的临时目的地址和当前编码节点的地址一致，对数据流进行解码操作，然后执行步骤五。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及基于簇内侦听的网络编码方法，使得网络编码与能耗相关，也就是越接近根节点的节点数据流量越大，拥有的编码机会也越多；直接根据树地址进行编码条件判断的方法简单，开销小；本发明中的临时目的地址和源地址更新的方法有利于数据流的无限制再编码。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于簇内侦听的网络编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，形成多个簇结构，每个所述簇结构包括一个簇头节点和多个簇成员节点；
步骤二，形成覆盖所述簇结构，具有根节点的树结构；
步骤三，给所述树结构中的所有节点分配树地址；
步骤四，当第一数据流和第二数据流在当前编码节点相遇时，根据所述树地址判断所述第一数据流和所述第二数据流是否满足编码条件，如果满足所述编码条件则将所述第一数据流和所述第二数据流进行异或运算形成当前编码数据流；以及
步骤五，将所述当前编码节点的所述树地址作为所述当前编码数据流的当前临时源地址；以及将对应的最优解码节点的地址作为所述当前编码数据流的当前临时目的地址，并根据所述当前临时源地址和所述当前临时目的地址对所述当前编码数据流进行数据转发,
其中，所述树结构中所述簇头节点形成主干，所述簇成员节点形成枝叶，
所述编码条件为所述当前编码节点和所述第一数据流的临时目的地址之间的树路径经过所述第二数据流的临时源地址的至少一个同簇节点或邻居节点且所述当前编码节点与所述第二数据流的临时目的地址节点之间的树路径经过所述第一数据流的临时源地址的至少一个同簇节点或邻居节点。
2.根据权利要求1所述的基于簇内侦听的网络编码方法，其特征在于：
其中，所述簇头节点根据节点的剩余能量和节点密度周期性选举，一个簇结构中的簇成员节点数量可以根据需求调整。
3.根据权利要求1所述的基于簇内侦听的网络编码方法，其特征在于：
其中，所述簇头节点、所述簇成员节点、所述根节点在每一个树上的地址按照Zigbee或802.15.4协议进行分配。
4.根据权利要求1所述的基于簇内侦听的网络编码方法，其特征在于：
其中，所述树结构还包括：桥节点，
当所述簇头节点的通信范围内没有找到其他的所述簇头节点作为父节点，所述簇头节点在n倍通信半径的范围内搜索距离第一个根节点最近的簇头节点作为目标节点，并选择通往该目标节点最短路径上的节点为所述桥节点，
所述桥节点在多根多树结构的形成过程中转化为所述簇头节点。
5.根据权利要求1所述的基于簇内侦听的网络编码方法，其特征在于：
其中，所述根节点的数量可以根据需求进行调整。
6.根据权利要求1所述的基于簇内侦听的网络编码方法，其特征在于：在步骤四和步骤五之间还执行以下步骤，在所述当前编码节点接收的所述第一数据流和所述第二数据流的所述临时目的地址和所述当前编码节点的地址一致时，对所述第一数据流和所述第二数据流进行解码操作，然后执行所述步骤五。
7.根据权利要求1所述的基于簇内侦听的网络编码方法，其特征在于：
其中，临时源地址和目的地址更新采用以下方式，原数据流F1 0的临时源地址和目的地址就为源地址S1和目的地址D1，原数据流的临时源地址和目的地址就为源地址S2和目的地址D2，原数据流的临时源地址和目的地址就为源地址S3和目的地址D3，在原数据流F1 0和原数据流在第一次编码节点编码后形成编码数据流F1 1后，则将第一次编码节点的地址作为已编码数据流F1 1的临时源地址以及将第一次编码对应的最优解码节点的地址作为临时目的地址，在数据流F1 1和原数据流在第二次编码节点编码后形成再编码数据流F1 2后，则将第二次编码节点的地址作为再编码数据流F1 2的临时源地址以及将第二次编码对应的最优解码节点的地址作为临时目的地址。
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