CN109982405B - 一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式。该发明利用数据流之间的网络编码增益来找出具有最小任何路径成本的路由，并在多跳网络编码中，根据数据的动态加载自适应地改变路由，从而使得数据在从源节点到目的节点的传输过程中代价最小。

Description

一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式
技术领域
本发明涉及无线多跳网络技术领域，尤其涉及无线多跳网络中的路由方法，具体为一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式。
背景技术
网络编码首先由Ahlswede等人提出。网络编码按照所编码的数据流是否属于同一数据流可被划分为流内网络编码(IANC)和流间网络编码(IRNC)。IANC对同一数据流的数据进行网络编码，可考虑利用随机网络编码对流内的数据包进行编码，接收端接收到足够多的编码系数线性无关的数据包即可完成网络译码。流间网络编码对不同数据流间的数据进行网络编码，可充分利用网络拓扑空间中的冗余信息，从而提升网络数据吞吐量。
传统路由方法根据一定的度量标准为每个数据流选择确定的路由路径，机会路由根据无线链路连接可靠性，在其相邻节点中选择正确接收到的节点转发数据包，可充分利用无线链路广播特性来替身系统性能。本发明考虑将会话间网络编码技术与机会路由相结合考虑，在选择路由路径时充分考虑会话间网络编码机会，利用网络编码性能增益来提升机会路由性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中传统的路由方法重传次数高的技术问题，提供一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，能够有效的降低节点之间数据包的重传次数。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，获取度量标准，捕获通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数；
步骤B，基于所述度量标准，捕获多个数据流通过中间节点在多个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数；
步骤C，以步骤B中的多数据流间的预期编码传输次数作为会话间网络编码的机会路由的代价，寻找数据包从源节点向目的节点传输的最优路径。
优选地，步骤A中，所述度量标准是获得两个节点成功交换数据包所需的预期传输次数。
优选地，两个节点成功交换数据包的预期传输次数为
Figure BDA0002005684080000021
其中pij表示双向传递的成功概率，满足0～1正态分布。
优选地，捕获通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数的步骤包括：对于X型网络拓扑结构中的节点1、节点2、节点3，节点2具有分组数据包a，节点3具有分组数据包b，节点2的分组数据包a通过节点1传送到节点3，同时，节点3的分组数据包b通过节点1传送到节点2，在有编码情况下，节点1执行编码，节点 1分别接收节点2和节点3的分组数据包后进行网络编码，然后节点1向节点2和节点3 广播编码数据包，节点2和节点3接收来自节点1的编码数据包，提取各自所需的数据包，通过式(1)计算得到通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数，
Figure BDA0002005684080000022
具体地，
Figure BDA0002005684080000023
是编码增益。
优选地，步骤B中，通过式(2)计算得到多个数据流通过中间节点在多个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数，
Figure BDA0002005684080000024
其中，pij来表示双向传递的成功概率，包括确认，即pij＝pi→jpj→i。由此计算公式(2) 可以得到任意多个数据流在会话间网络编码中由源节点到目的节点的预期编码传输次数。
优选地，步骤C中，机会路由代价的具体计算包括：标注目的节点的代价为0，其余节点到目的节点的代价为无穷大，从目的节点出发，遍历所有可达路径，选择更靠近源节点的节点，在每一次的遍历过程中判断遍历到的节点是否存在编码机会，如果不存在编码机会，则按传统的存储转发模式计算两个节点之间的预编码传输次数，如果存在编码机会，则在该次的计算预编码传输次数过程中减掉编码增益，该增益与可编码的数据流的个数有关；接着以刚刚遍历到的节点作为目的节点，遍历所有可达路径，选择更靠近源节点的节点，在每一次的遍历过程中判断遍历到的节点是否存在编码机会，如果不存在编码机会，则按传统的存储转发模式计算两个节点之间的预编码传输次数，如果存在编码机会，则在该次的计算预编码传输次数过程中减掉编码增益；依次类推，直到遍历到源节点；至此，从源节点到目的节点的多条路径代价已知。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，克服了现有技术中传统的路由方法重传次数高的技术问题，能够有效的降低节点之间数据包的重传次数。
附图说明
图1为根据实施例的本发明所适用的简单网络拓扑示意图；
图2为根据实施例利用本发明进行无线多跳网络间数据包传送的流程示意图；
图3为根据实施例在数据流个数不同的情形下本发明的多条数据流的机会路由算法与传统路由算法的重传次数对比图；
图4为根据实施例在随机网络模式下本发明的多条数据流的机会路由算法与传统路由算法的重传次数对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种会话间网络编码中考虑多数据流的机会路由算法，包括以下步骤：
步骤A，我们首先定义一个度量标准，捕获通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数。
步骤B，基于上述度量标准，考虑多个数据流通过中间节点在多个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数。
步骤C，以B中的多数据流间网络编码预期传输次数作为会话间网络编码机会路由的代价。
进一步的，步骤A中，新的度量标准是获得两个节点之间成功交换数据包所需的预期传输次数。两个节点成功交换数据包的预期传输次数为
Figure BDA0002005684080000031
其中pij表示双向传递的成功概率，满足0～1正态分布。
进一步的，捕获通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数，具体过程包括：
可以使用两个节点通过一个公共的中间节点交换信息的例子来说明无线网络中编码的益处。考虑图1所示的情形，节点2的分组数据包a需要通过节点1传送到节点3，同时，节点3的分组数据包b也需要通过节点1传送到节点2。让我们假设信道是完美的，即没有传输丢失也没有编码，总共需要4次无线传输(分组数据包a从节点2经由节点1 传送到节点3，分组数据包b从节点3经由节点1传送到节点2)。另一方面，如果采用编码，节点1分别接收到来节点2和节点3的分组数据包后进行网络编码，然后节点1向节点2和节点3广播该编码数据包，一旦节点2或节点3收到来自1的编码数据包，则他们可以提取所需的数据包。这样可以有效的将编码交换从4次降低到3次。如图1所示，采用a xor b的网络编码方式。本发明方法在具体实施中，亦可采用现有的其他编码方式进行网络编码。
让我们再次考虑图1中所示的场景，现在假设从节点i到节点j的单向传递概率由pi→j给出。我们使用pij来表示双向传递的成功概率，包括确认，即pij＝pi→jpj→i。根据ETX 度量，无编码成功交换的预期传输次数为
Figure BDA0002005684080000041
即使使用编码，由于只有节点1执行网络编码，我们仍然需要节点2和节点3的
Figure BDA0002005684080000042
次传输以将两个未编码分组传送到节点1。为了完成交换，节点1需要成功地将编码分组传送到节点2和节点3，需要
Figure 2
次传输，通过计算的结果为
Figure BDA0002005684080000044
所以在图1所示的一次编码传输中共需要进行
Figure BDA0002005684080000045
次数据包的交换，其中
Figure BDA0002005684080000046
是编码增益。
进一步的，考虑多个数据流通过中间节点在多个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数。具体计算公式为：
Figure BDA0002005684080000051
由此计算公式可以得到任意多个数据流在会话间网络编码中由源节点到目的节点的预期编码传输次数。
进一步的，机会路由代价的具体计算包括：
标注目的节点的代价为0，其余节点到目的节点的代价为无穷大。从目的节点出发，遍历所有可达路径，选择更靠近源节点的节点，在每一次的遍历过程中判断遍历到的节点是否存在编码机会，如果不存在编码机会，则按传统的存储转发模式计算两个节点之间的重传次数，如果存在编码机会，则在该次的计算过程中减掉编码增益，该增益与可编码的数据流的个数有关。
依次类推，直到遍历到源节点。至此，从源节点到目的节点的多条路径代价已知。
实施例1
参考图2，本实施例中，采用本发明提供的基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，实现无线多跳网络中的数据包传递，包括：
步骤1，源节点向更靠近目的节点的转发集发送原始数据包；
步骤2，转发集判断能够编码多个数据流，如果能，则转步骤3，如果否，则转步骤,5；
步骤3，转发集向目的节点发送编码数据包，在计算该次传输代价时要减去流间编码增益；
步骤4，目的节点接收编码数据包并进行译码；
步骤5，转发集向目的节点转发数据包，计算传输代价；
步骤6，目的节点接收数据包。
实施例2
为了验证本发明算法的优势，本实施例中，针对本发明提出的基于多数据流的机会路由算法进行仿真实验。本实施例采用的仿真实验具体实验条件为：正方形区域为200*200 (km)，节点覆盖范围为400m，节点位置随机分布，两个节点间发送数据包的成功概率满足0～1正态分布。
图3显示的是在X型网络拓扑中仅考虑转发器到下一跳节点之间的数据流的数量与重传次数之间的关系。如图3所示，我们可以得到，数据流越多，从中间节点向下一跳的传输过程中所需要的重传次数越多；可编码数据流越多，本发明的机会路由算法较传统路由算法的优势越明显。
图4显示的是网络节点数目与重传次数的关系。我们选择在相同大小的正方形区域范围内，通过改变网络节点的数目来比较两者之间的关系。如图4所示，我们考虑3条数据流，前两条数据流已知，分别计算第三条数据流从源节点到目的节点的重传次数。由图像可知，网络重传次数与网络节点数量成反比；节点数目相同时，机会路由算法优于传统路由算法，并且随着网络节点数量的增加，这种优势越明显。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，获取度量标准，捕获通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数；
步骤B，基于所述度量标准，通过下式计算多个数据流通过中间节点在多个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数，
Figure FDA0003864964600000011
其中，pij表示双向传递的成功概率，包括确认，即pij＝pi→jpj→i；
步骤C，以步骤B中的多数据流间的预期编码传输次数作为会话间网络编码的机会路由的代价，寻找数据包从源节点向目的节点传输的最优路径，
机会路由代价的具体计算包括：标注目的节点的代价为0，其余节点到目的节点的代价为无穷大，从目的节点出发，遍历所有可达路径，选择更靠近源节点的节点，在每一次的遍历过程中判断遍历到的节点是否存在编码机会，如果不存在编码机会，则按传统的存储转发模式计算两个节点之间的预编码传输次数，如果存在编码机会，则在该次的计算预编码传输次数过程中减掉编码增益，该增益与可编码的数据流的个数有关；接着以刚刚遍历到的节点作为目的节点，遍历所有可达路径，选择更靠近源节点的节点，在每一次的遍历过程中判断遍历到的节点是否存在编码机会，如果不存在编码机会，则按传统的存储转发模式计算两个节点之间的预编码传输次数，如果存在编码机会，则在该次的计算预编码传输次数过程中减掉编码增益；依次类推，直到遍历到源节点；至此，从源节点到目的节点的多条路径代价已知。
2.根据权利要求1所述的一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，其特征在于，步骤A中，所述度量标准是获得两个节点成功交换数据包所需的预期传输次数。
3.根据权利要求2所述的一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，其特征在于，两个节点成功交换数据包的预期传输次数为
Figure FDA0003864964600000021
其中pij表示双向传递的成功概率，满足0～1正态分布。
4.根据权利要求3所述的一种基于多个数据流的会话间网络编码的机会路由方式，其特征在于，捕获通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数的步骤包括：对于X型网络拓扑结构中的节点1、节点2、节点3，节点2具有分组数据包a，节点3具有分组数据包b，节点2的分组数据包a通过节点1传送到节点3，同时，节点3的分组数据包b通过节点1传送到节点2，在有编码情况下，节点1执行编码，节点1分别接收节点2和节点3的分组数据包后进行网络编码，然后节点1向节点2和节点3广播编码数据包，节点2和节点3接收来自节点1的编码数据包，提取各自所需的数据包，通过下式1计算得到通过中间节点在两个节点之间成功交换数据包所需的预期编码传输次数，
Figure FDA0003864964600000022
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