CN108200626A

CN108200626A - 一种基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法

Info

Publication number: CN108200626A
Application number: CN201711428475.0A
Authority: CN
Inventors: 殷俊; 杨余旺; 李鑫; 王磊
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2018-06-22
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: CN108200626B

Abstract

本发明提供了一种基于网络编码的飞行自组网中的多路径数据传输方法，飞行自组网包含源节点、目的节点和若干中间节点；多路径数据传输包含链路状态的获取、多径路由寻径过程、多路径建立和基于网络编码的数据传输四个部分。链路状态获取过程是节点与其邻居节点的链路状态信息，由节点间周期性的交互完成。寻径过程是在源节点与目的节点有数据传输请求时负责寻找源节点与目的节点的所有可能路径。多路径建立是源节对源节点与目的节点间多路径的选择过程。网络编码过程是数据包经过建立的多路径上传输时对传输的数据包进行编码、解码的过程。本发明能够大幅减少网络中的控制信息洪范广播，提高链路状态获取效率，提高数据传输的吞吐量。

Description

一种基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法

本发明涉及飞行器组网的路由与数据传输领域，尤其涉及一种基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法。

背景技术

多个无人机组成飞行自组网络，可实现无人机间的协同，相比较于单无人机，在执行任务的效率、生存力、可靠性和扩展性等方面具有明显优势，因此飞行自组网得到了广泛关注和研究。

由于飞行节点的高速移动造成组网路由过程需要面对网络拓扑结构快速变化、路由随时失效、节点密度变化迅速等困难。

多径路由协议通过路由发现的过程在源到目的端建立多条数据传输路径，利用这样的路径和数据传输冗余性，提高数据传输的可靠性和吞吐量。

根据不同路径间的相关程度和节点之间的相交性，如图1所示多径路由可分成：

1)，节点不相交多径路由(如图1a，多条路径既无共用链路，也无共用节点)；

2)，链路不相交多径路由(如图1b，即多条路径没有共用链路但可以有共用节点)；

3)，相交多径路由(如图1c，多条路径可共用链路或节点)。

因为不要求路由是节点不相交或者链路不相交，所以在网络中，相交多径路由数目多于节点或链路不相交多径路由的数目。由于这种拓扑局限性弱，因此相交多径路由较易构造。

但是，相交多径路由的路由可靠性要弱于不相交多径路由，因为不相交路由提供了数据传输的冗余线路。其中，节点不相交多径路由在多个路径间无共享的节点和链路，因此对比于链路不相交多径路由，节点不相交多径路由的容错能力更强。

这几种多径路由各有利弊。相交多径路由构造过程简单，开销小，但是可靠性较弱。节点不相交多径路由和链路不相交多径路由是单一结构的多径路由，具有数据包交付路径独立的优点，但是在飞行自组网节点高速运动环境下，由于节点的随机移动，非常容易造成网络内节点分布不均，进而导致路由维护困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法，当飞行自组网中有两个飞行器节点间有数据传输任务时，能够根据节点间当前网络链路、拓扑情况，自适应地构造一种混合多径路由，增加路由构造性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法，所述的飞行自组网包含源节点、目的节点和若干中间节点，所述多路径数据传输方法包含以下步骤：

步骤1)，目的节点广播RREQ数据包，通过RREQ数据包的传递，告知源节点发出传输路由请求，所述的RREQ数据包包含源节点ID、目的节点ID和Path Accumulation，所述PathAccumulation用于在RREQ数据包的传递路径中、按照顺序添加上其路过中间节点的ID；

步骤2)，源节点通过接收到的各个RREQ数据包获知到达目的端的各条路径后进行反馈RACK数据包、即构建路由，优先选择不相交多径中的中间节点不相交多径；当中间节点不相交路径数量不能满足数据传输的要求时，再选择链路不相交多径路由作为补充；所述RACK数据包包含源节点ID、目的节点ID、中间节点数m和各个中间节点的ID；

步骤3)，网络编码操作：在源节点、相交节点处、目的节点，执行网络编码的编解码操作以提高数据传输的吞吐量；

步骤3.1)，源节点编码：

步骤3.1.1)，源节点根据待传输数据X的大小将其分割成m个原始数据组，即X＝[X₁,X₂,…,X_m]^T，其中数据块X_i是一个n维的向量，即X_i＝[x_i1,x_i2,…,x_in]，m、n均为大于等于1的自然数；

步骤3.1.2)，源节点从编码域GF(2^q)上随机选取编码向量g_i＝[g_i1g_i2…g_im](g_ij∈GF(2^q))后，按以下公式对X进行线性编码运算得到编码后的数据块Y_i：

Y_i＝g_i×X＝[y_i1y_i2...y_in]

步骤3.1.3)，将Y_i打包后沿着路由转发给路由上的下一跳节点；

步骤3.2)，中间节点编码：

步骤3.2.1)，中间节点r收到k个同一组标识的数据包后，重新对数据包进行再编码，r、k均为大于等于1的自然数：

记数据包为Y₁,Y₂......Y_k，第i个数据包的编码向量记为g_i,1,g_i,2......g_i,m，随机从GF(2^q)中选取k×C_path个编码向量，C_path为中间节点r的OLSR多径链路数，每组编码向量中有k个元素，记第i组编码向量记为则数据和向量经过以下公式编码计算出k×C_path个新的编码数据块和新的编码向量：

步骤3.2.2)，中间节点r将组标识、新编码产生的数据块和其对应的新码向量打包后，沿着各个多径链路分别传输k个数据包至下一跳；

步骤3.2.3)，重复步骤3.2.1)至步骤3.2.2)，直至目的节点；

步骤3.3)，目的节点解码：目的节点收到具有同一组标识的数据包时，先存储起来，当收到的数据包数量大于等于m个时根据编码系数和编码结果建立线性方程组，采用高斯消去方法求解该方程组，解码得到原始数据。

作为本发明基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法进一步的优化方案，所述步骤1)中，飞行自组网中各个节点间通过构造MPR集合获取其与周围邻居节点的通信链路情况。

作为本发明基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法进一步的优化方案，飞行自组网中各个节点通过周期性的向外广播自己的心跳信息Hello来构造MPR集合。

作为本发明基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法进一步的优化方案，所述RREQ数据包通过构造的MPR集合来进行传递。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明建立一种混合多径路由，这种路由方法可以根据节点间当前网络链路、拓扑情况，自适应地构造一种混合多径路由，增加路由构造性能，适用于网络拓扑多变的飞行自组网络。

2.本发明通过MPR大幅减少网络中的控制信息洪范广播，提高链路状态获取效率。

3.本发明的寻径过程由数据传输的目的端发起，在通过路由请求RREQ数据包的中继过程，源节点就可获取到目的端的多种路径。

4.本发明利用网络编码技术，提高数据传输的吞吐量。

附图说明

图1是现有的飞行自组网多径路由示意图；

图2 NC-OLSR中的Path Accumulation示意图；

图3 NC-OLSR多路径协议算法多径建立的示意图；

图4 RLNC源编码过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法，所述的飞行自组网包含源节点、目的节点和若干中间节点，所述源节点为数据传输任务中的数据信息提供节点；所述目的节点为数据传输任务中的数据请求节点，需要接收来自源节点的数据。所述中间节点为网络内除掉源节点、目的节点外的其他节点，这些节点可被选择作为源节点与目的节点间数据传输时的中继，选择方法是和数据传输过程，包含以下步骤：

步骤1)，寻径；寻径是指在飞行自组网中两个节点间的每次数据传输任务过程均需要根据当前网络状况获取源节点和目的节点间可能存在的路径。本发明所提的方法，寻径过程首先由目的节点发起，目的节点广播RREQ数据包，通过RREQ数据包的传递，告知源节点发出传输路由请求。所述的RREQ数据包格式如下：

源节点ID

目的节点ID

Path Accumulation

网络中节点接收到RREQ数据包时，需要向其他节点转发，并且在转发时在Pathaccumulation域上，按顺序添加自己的ID号，这样RREQ数据包就能够记录下被传递时所经过的节点序列。当RREQ数据包到达源节点时，源节点根据接收到的RREQ数据包PathAccumulation域，获知源节点到达目的节点的节点序列。源节点根据这些节点序列，获得源节点与目的节点间的各个路径，完成本本次数据传输任务过程中的一个寻径过程。

步骤2)，多径路由建立；寻径过程完成后，源节点获知到达目的端的各条路径后负责选径。源节点反馈RACK数据包，节点优先选择不相交多径中的节点不相交多径，当节点不相交路径数量不能满足数据传输的要求时，再选择链路不相交多径路由作为补充。RACK数据包格式如下：

源节点ID

目的节点ID

中间节点数m

中间节点1ID

…

中间节点m ID

步骤三，网络编码操作。在源节点、相交节点处、目的节点，执行网络编码的编解码操作以提高数据传输的吞吐量。具体包括：源节点编码、中间节点编码和目的节点解码三个子过程。

步骤3.1)，源节点编码：源节点首先需要根据待传输数据X的大小，将其分割成若干个原始数据组(不失一般性记作m个)，即X＝[X₁,X₂,…,X_m]^T，其中数据块X_i是一个n维的向量X_i＝[x_i1,x_i2,…,x_in]；然后，源节点从编码域GF(2^q)上随机选取编码向量g_i＝[g_i1g_i2…g_im](g_ij∈GF(2^q))后，按公式(1)对X进行线性编码运算得到编码后的数据块Y_i，然后将Y_i打包后沿着路由转发给路由上的下一跳节点。

步骤3.2)，中间节点编码：中间节点r收到k个同一组标识的数据包后，需要重新对这些数据包进行再编码。记这组数据包为Y₁,Y₂......Y_k，第i个数据包的编码向量记为g_i,1,g_i,2......g_i,m。中间节点编码时随机从GF(2^q)中选取k×C_path个编码向量(C_path为节点r的OLSR多径链路数)，每组编码向量中有k个元素，记第i组编码向量记为则数据和向量经过公式(2)编码计算出k×C_path个新的编码数据块和新的编码向量，其中

然后，节点r将组标识、新编码产生的数据块和其对应的新码向量打包后，沿着各个多径链路分别传输k个数据包至下一跳。下一跳中间节点重复该过程，直至目的节点。

步骤3.3)，目的节点解码：目的节点在收到具有同一组标识的数据包时，先存储起来，当收到的数据包数量大于等于m个时就可以根据编码系数和编码结果建立线性方程组，采用高斯消去方法求解该方程组，就可解码得到原始数据，完成一轮数据传输过程。

步骤1)中，网络内节点间需要获取其与周围邻居节点的通信链路情况。本发明提出多点中继集合(Multipoint Relays,MPR)思想，让每个节点维持一个到周围邻居节点通信最小集合，通过MPR大幅减少网络中的控制信息洪范广播，使得网络内节点能够高效获取其邻居节点的当前链路状态。

网络内每个节点需要周期性的向外广播自己的心跳信息Hello。邻居节点收到Hello消息后，以确定该节点的存在，作为MPR集合构造的基础。

RREQ数据包设有反映该数据包所通过中继节点的记录域Path Accumulation，记录域大小可根据网络内节点数目预先设置，并且RREQ数据包可以通过构造的MPR集合来进行传递，以减少网络内无效数据包的传递。

1)MPR集合的构造过程算法，算法如表1所示。

表1

2)RREQ数据包Path Accumulation域叠加过程

寻径依赖RREQ数据包，需要中存在Path Accumulation域，能够记录该RREQ经过的路径。如图2所示例子中，节点A请求节点C的寻径RREQ数据包，在被多跳中继过程中，PathAccumulation域负责顺序记录下经过的节点:A,A-B,A-B-C。当RREQ到达目的节点C时，停止RREQ数据包的传递，并给节点A反馈请求已收到数据包RACK。

3)NC-OLSR多径路由选径及其建立过程

如图3所示，源节点S和目的节点D有数据传输任务，需要执行NC-OLSR路由建立。节点D首先根据自己的MPR集合MPR_D，向节点F和G发送到达源节点S的RREQ数据包。节点F收到该RREQ时，首先将自己添加到Path Accumulation域，然后类似于节点D，向节点C、E转发。注意在这个过程中，如果某个节点收到重复的RREQ，它将对比数据包的Path Accumulation长度，如果比已有的短则转发，否则丢弃。如果相等，则需要记录，因为很可能自己是相交节点。如果长则舍弃。例如在图4中，节点F会分别从节点D、E、C收到多个RREQ数据包：D,D-G-E和D-G-E-B-C，节点F仅仅会转发第一个。节点E会收到两个相同跳数的RREQ数据包，D-F和D-G,节点E均会转发，并且标记，因为编码过程需要。因此通过这个寻径过程，节点S会收到的RREQ有：D-F-C-B-S,D-F-E-B-S,D-G-E-B-S,D-G-H-I-S.显然，这些路径有的是节点不相交的有的是相交的，需要选径与网络编码传输。

4)在NC-OLSR中，由源节点S负责选径和编码过程。在图4的例子中，节点S可以通过反馈RACK数据包，优先选择两条节点不相交多径路由：D-F-C-B-S和D-G-H-I-S。在节点不相交路由基础上，源节点还可以选择链路不相交多径路由D-F-E-B-S,D-G-E-B-S作为补充。注意，此时，节点E作为相交节点，需要执行中间节点网络编码操作。

5)网络编码过程。

(1)源节点编码在源和目的端采用基于RLNC的多径路由进行数据传输时，源节点首先需要根据待传输数据X的大小，将其分割成若干个原始数据组(不失一般性记作m个)，即X＝[X₁,X₂,…,X_m]^T，其中数据块X_i是一个n维的向量X_i＝[x_i1,x_i2,…,x_in]；然后，源节点从编码域GF(2^q)上随机选取编码向量g_i＝[g_i1g_i2…g_im](g_ij∈GF(2^q))后，按公式(1)对X进行线性编码运算得到编码后的数据块Y_i，然后将Y_i打包后沿着路由转发给路由上的下一跳节点。

(2)中间节点编码由于采用RLNC编码的多径数据包路由过程中，中间节点r收到k个同一组标识的数据包后，需要重新对这些数据包进行再编码。记这组数据包为Y₁,Y₂......Y_k，第i个数据包的编码向量记为g_i,1,g_i,2......g_i,m。中间节点编码时随机从GF(2^q)中选取k×C_path个编码向量(C_path为节点r的OLSR多径链路数)，每组编码向量中有k个元素，记第i组编码向量记为则数据和向量经过公式(2)编码计算出k×C_path个新的编码数据块和新的编码向量，其中：

然后，类似于源节点，节点r将组标识、新编码产生的数据块和其对应的新码向量打包后，沿着各个多径链路分别传输k个数据包至下一跳。下一跳中间节点重复该过程，直至目的节点。

(3)目的节点解码目的节点再收到具有同一组标识的数据包时，先存储起来，当收到的数据包数量大于等于m个时就可以进行解码，解码步骤如表2所示。

表2

本发明提供了一种飞行自组网中的多路径数据传输方法，飞行自组网包含源节点、目的节点和若干中间节点；多路径数据传输包含链路状态的获取、多径路由寻径过程、多路径建立和基于网络编码的数据传输四个部分。链路状态获取过程是节点与其邻居节点的链路状态信息，由节点间周期性的交互完成。寻径过程是在源节点与目的节点有数据传输请求时负责寻找源节点与目的节点的所有可能路径，每次数据传输任务的初始化第一步只执行一次。多路径建立是源节对源节点与目的节点间多路径的选择过程，每次数据传输的初始化第二步只执行一次；网络编码过程是数据包经过初始化阶段所建立的多路径上传输时，在源节点、普通节点和目的节点上对传输的数据包进行编码、解码的过程。本发明适用于节点移动迅速、拓扑结构变化快速的飞行自组网环境，利用该方案可以自适应地构造源-目的端多径由，并通过引入网络编码技术来提高数据交付率，增加数据传输吞吐量。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法，所述的飞行自组网包含源节点、目的节点和若干中间节点，其特征在于，所述多路径数据传输方法包含以下步骤：

步骤3.1)，源节点编码：

步骤3.1.2)，源节点从编码域GF(2^q)上随机选取编码向量g_i＝[g_i1 g_i2 … g_im](g_ij∈GF(2^q))后，按以下公式对X进行线性编码运算得到编码后的数据块Y_i：

Y_i＝g_i×X＝[y_i1 y_i2 ... y_in]

步骤3.2)，中间节点编码：

步骤3.2.3)，重复步骤3.2.1)至步骤3.2.2)，直至目的节点；

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法，其特征在于，所述步骤1)中，飞行自组网中各个节点间通过构造MPR集合获取其与周围邻居节点的通信链路情况。

3.根据权利要求2所述的基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法，其特征在于，飞行自组网中各个节点通过周期性的向外广播自己的心跳信息Hello来构造MPR集合。

4.根据权利要求2所述的基于网络编码的飞行自组网多路径数据传输方法，其特征在于，所述RREQ数据包通过构造的MPR集合来进行传递。