CN107947903A - 基于飞行自组网的wvefc快速编码方法 - Google Patents

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CN107947903A CN201711278170.6A CN201711278170A CN107947903A CN 107947903 A CN107947903 A CN 107947903A CN 201711278170 A CN201711278170 A CN 201711278170A CN 107947903 A CN107947903 A CN 107947903A
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韩晨
杨余旺
夏吉安
王吟吟
汪文娟
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Abstract

本发明公开了一种基于飞行自组网的WVEFC快速编码方法，针对在飞行自组网中不同数据包对于实时性和安全性要求不同的特点，利用范德蒙矩阵的线性无关性，以范德蒙矩阵为基础构造扩展的范德蒙阶梯编码矩阵，并以该矩阵对数据进行编码传输。本发明提高了飞行自组网的健壮性，最后的离散事件仿真实验也验证了该编码优秀的快速交付性能。

Description

基于飞行自组网的WVEFC快速编码方法
技术领域
本发明涉及属于无线通信技术领域的网络编码技术，尤其是一种高实时性的快速网络编码方法。
背景技术
目前的飞行自组网的节点移动特性带来网络传输不稳定的问题。网络编码的出现为解决这些问题提供了一种途径。目前大多数的网络编码算法的编码方法建立在随机线性网络编码的基础上，对于随机线性编码来说，其最大的缺点就是无法保证数据包的线性无关性。使得源节点不得不发出远远多于源数据包个数的编码包来保证目的节点能够成功地将源数据包解码出来。这样的数据包极大地增加了网络的负担，造成了极大地冗余以及转发无用数据包的能量消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于飞行自组网的快速编码方法WVEFC(WeightVandermonde echelon fast coding strategy权重范德蒙阶梯快速编码方法)，该方法利用范德蒙矩阵的不相关性，对不同数据进行区别编码，从而达到快速编码的目的。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于飞行自组网的WVEFC快速编码方法，包含分组模块、编码模块，解码模块；其中
分组模块在源节点需要发送数据包的时候，将数据进行分组，分组的依据为数据的紧急-秘密H-S权重；
编码模块依照数据包的H-S权重，采用编码矩阵中不同的列向量进行编码；对于紧急而不需要加密的控制命令，使用第1列至第n1列编码向量进行编码，对于不紧急但保密要求高的信息使用第n1列至第n2列编码向量进行编码；
解码模块接受到足够多的编码向量后，通过编码矩阵求逆即可解码出原有数据。
权重范德蒙阶梯快速编码方法的基本思想如下：
1.在源节点需要发送数据包的时候，将数据进行分组。分组的依据就是数据的紧急-秘密(H-S)权重。H-S权重反应的是这个数据包的重要性(数据包中可能包含不希望被侦听到的信息)以及这个数据包的时效性(数据包可能在很短时间内失效或是无法按时到达会给网络造成巨大损失)。
2.依照数据包的H-S权重，采用权重范德蒙阶梯快速编码方法生成的编码矩阵中不同的列向量进行编码。对于最紧急而不需要加密的控制命令,可以使用第一列进行编码。任何节点在收到了这一个编码包后立刻就可以针对命令采取相应的策略。基本原则就是紧急而不重要的数据包使用列号越少的列进行编码，秘密而不紧急的数据包则使用列号较大的列进行编码。在编码的过程中，根据实际情况的要求，该编码矩阵的前n1列可以由三角矩阵进行扩展。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)在数据包数量不多的时候，尽可能使用n＜n1的列系数进行编码，这样可以降低节点大规模运算的时间。在飞行自组网中，节点的能源一般受到限制，节约能源是非常必要的。(2)在使用WVEFC编码方法得到的编码包中任取n1个编码包会导致一定程度的线性不相关，但其性能较通常的线性编码方式更为优。(3)对于不同H-S权重的数据包采用不同的编码方式，保证需要快速响应的数据包能够尽快地被解码出来，而不必等目的节点获得n1个以上的编码包才能被解码出来；同时需要加密的数据包能够得到尽可能强的加密效果，窃听节点获取少量的编码包无法解码出任何一个数据包。
附图说明
图1是控制报文信息和平均交付时延的关系。
图2是数据包传输数量和平均传输时延的关系。
具体实施方式
在飞行自组网中，传输的信息分为两类，一类是数据信息，这类信息一般由传感器节点向中心节点发送。这些数据可能拥有需要加密的属性，可以用网络编码等方式对数据进行加密，使窃听节点就算获得一部分编码包也无法解码出任何一个源数据包。另一类是控制信息，这类信息一般由中心节点向传感器节点发送，用于网络环境变化时及时调整整个网络的部署以适应环境的变化。这类信息一般只是简单的控制指令，不需要加密处理。
如果采用传统的满秩矩阵网络编码方式，以范德蒙扩展矩阵为例，必须在目的节点收到所有数据包之后，才能解码出其中的控制命令。而这些控制命令往往需要更快地被节点识别并针对其进行某些改变。同样在网络中也有一些数据包中包含的信息的时间性很强，希望目的节点能够尽快收到这些信息。采用传统的网络编码方法显然不能很好地解决这一问题。使用WVEFC编码方法可以很好地解决这一矛盾。
下面结合附图1-2对本发明作进一步说明。
WVEFC编码方法的基本思想如下：在源节点需要发送数据包的时候，将数据进行分组。分组的依据就是数据的紧急-秘密(H-S)权重。H-S权重反应的是这个数据包的重要性(数据包中可能包含不希望被侦听到的信息)以及这个数据包的时效性(数据包可能在很短时间内失效或是无法按时到达会给网络造成巨大损失)。其编码矩阵如下
FPC是一个n1×n2(n2＞n1)阶的矩阵。其中前n1列子阵是一个上三角矩阵，bij表示上三角矩阵中第i行第j列的元素，值为随机选取；第n1列到第n2列(再次包含第n1列)是一个范德蒙扩展矩阵，表示该范德蒙扩展矩阵中第i+1行第j列的元素。根据使用上三角矩阵和范德蒙扩展矩阵进行编码后编码包的性质可以知道，无论n2取多大，使用进行线性编码后得到的n2个编码包中的任意n1个编码包均具有线性无关的特性，目的节点只要收到这n2个编码包中的任意n1个就可以将源数据包解码出来。
在WVEFC编码方法中，依照数据包的H-S权重，采用中不同的列向量进行编码。对于最紧急而不需要加密的控制命令,可以使用第一列进行编码。任何节点在收到了这一个编码包后立刻就可以针对命令采取相应的策略。基本原则就是紧急而不重要的数据包使用列号越少的列进行编码，秘密而不紧急的数据包则使用列号较大的列进行编码。在编码的过程中，根据实际情况的要求，矩阵的前n1列可以由三角矩阵扩展为阶梯矩阵
这里的只是举了一种代表性的变化，其中参数意义与中相同。根据需要发送的数据包的H-S权重,可以将权重接近的数据包或者有内在联系的数据包使用有相同非零元素数量的列向量组进行编码，从而目的节点在解码的时候中可以将这一部分数据包优先解码出来。根据的的性质，显然使用中F1和F2部分进行线性编码后得到的编码包中的任意n1个编码包均线性无关，使用F3和F4部分进行线性编码后得到的编码包中的任意n1个编码包均线性无关，目的节点只需要收到从个以上的编码包就可以将全部的源数据包解码出来。
但是使用F1和F3部分中的一些列和F2和F4部分中的一些列共同进行编码时，任意n1个编码包可能出现线性相关的情况。出现线性相关的原因是F3部分的0无法保证其线性相关性。这时候编码矩阵退化为使用上三角扩展矩阵进行编码的情况。但是由于F2和F4部分的范德蒙矩阵性质，其线性相关度PPVFC满足：
其中P′PVFC是在上三角矩阵中使用随机数据，扩展部分使用范德蒙矩阵进行编码时出现线性相关编码包的概率。而为使用上三角扩展矩阵进行线性编码所可能出现的线性相关编码包的数量，是使用n1阶随机方阵编码可能出现的线性相关编码包的数量。
将该编码方案与传统编码方案做了比较，实验环境如下：
表1仿真参数
实验中所使用的路由模型为传染路由模型，固定节点通信半径400m，将报文总数增加到50个，并将其中控制报文所占的比例从0％到100％逐步增加，观察这50个数据包在不同编码方式下的平均交付时间的变化。同时为了验证WVEFC快速编码方法在大量数据包需要编码的环境下编码效率，尤其是其编码矩阵的快速生成，又增加了一个实验，实验环境相同，令需要编码的数据包总数从5个增加到100个，并控制其中控制信息报文的比例占总数据包数量的20％，并观察这些数据包在不同编码方式下的平均交付时间的变化。实验结果显示了WVEFC相比于其他几种编码方式的快速交付能力以及编码矩阵的快速生成能力，实验结果见图1和图2，实验结果证明了该编码方法优秀的快速交付能力。

Claims (2)

1.一种基于飞行自组网的WVEFC快速编码方法，其特征在于：包含分组模块、编码模块，解码模块；其中
分组模块在源节点需要发送数据包的时候，将数据进行分组，分组的依据为数据的紧急-秘密H-S权重；
编码模块依照数据包的H-S权重，采用编码矩阵中不同的列向量进行编码；对于紧急而不需要加密的控制命令，使用第1列至第n1列编码向量进行编码，对于不紧急但保密要求高的信息使用第n1列至第n2列编码向量进行编码；
解码模块接受到编码向量后，通过编码矩阵求逆即可解码出原有数据。
2.根据权利要求1所述的基于飞行自组网的WVEFC快速编码方法，其特征在于：所述编码矩阵是一个n1×n2(n2＞n1)阶的矩阵，其中前n1列子阵是一个上三角矩阵，第n1列到第n2列是一个范德蒙扩展矩阵；在编码的过程中，根据实际情况的要求，该编码矩阵的前n1列可以由三角矩阵进行扩展为其他随机阶梯型三角矩阵。
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