CN110113131A - 一种基于批编码的网络通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于批编码的网络通信方法与系统。该方法包括以下步骤：S100，源节点中的传输层接收数据文件，每个数据文件包括多个第一数据包；S210，批编码的外码对多个第一数据包进行编码生成包含多个第二数据包的批；S220，批编码的内码对批中的多个第二数据包进行重编码生成包含多个第三数据包的批，批随后通过物理层被发送至下一节点；S300，对批编码的内码进行物理层与网络层的联合解码，生成包含多个第二数据包的批；S400，当网络层接收到批时，检测当前节点是否为目的节点，如果不是目的节点，则进行步骤S220，如果是目的节点则进行步骤S500；S500，对接收到的多个批进行联合解码，恢复数据文件。

Description

一种基于批编码的网络通信方法及系统
技术领域
本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种基于批编码的网络通信方法及系统。
背景技术
无线通信中，数据的传输通过链路上的多个节点转发完成，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。多跳就是多次转发，而每一跳都可能引入错误。
传统的网络通信协议，如TCP/IP，是基于分层的网络结构，其中物理层为每一跳提供可靠的通信，当物理层中的包不能被正确解码时，该包被删除或者按照丢包处理。现有技术中，由于实际网络通信中的限制，例如缓冲区大小的限制，物理层中有限的数据块的编码不能保证没有丢包，而在链路层进行重传也不能完全消除丢包。
在网络通信过程中，假设每一跳的丢包率是∈，如果网络层只转发其接收到的包，则具有L跳的通信网络的端对端的吞吐量受(1-∈)L所限制，即吞吐量随L的增加而呈指数下降。当通信网络中L变得很大时(如在无线电网络中与水下网络)，网络的吞吐量会大幅下降。
网络编码是基于提高端对端吞吐量这一目的而被提出，其中，中间节点可以产生并发送新的包而不仅是转发接收到的包。使用高效的网络编码方案，如分批稀疏编码，在中间节点的存储器大小为O(ln ln L)时，可以使端对端的吞吐量被限制在Ω(1/ln L)。
现有技术中，网络层、传输层的通信与物理层的通信是分开的。物理层的通信关注每跳之间点对点的可靠性，同时误码被当作丢包处理。而网络层、传输层的通信是基于丢包网络而提供端对端的可靠性。将网络层、传输层通信与物理层通信分开并不是一种最为优化的方式，因此，需要一种能将两者融合的编码方式以提高网络通信效率。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种基于批编码的网络通信方法，在容量较小的缓存器的前提下，通过内码在中间节点进行物理层和网络层的联合编码解码以及目的节点的联合解码，实现网络通信速率以及网络通信质量的提高。
为此，本发明的第二个目的是提供一种基于批编码的网络通信系统，基于批编码的网络通信方法，实现网络通信速率以及网络通信质量的提高。
本发明提出了一种基于批编码的网络编码方法，该方法包括从物理层到传输层的通信；批编码具有外码和内码，其中，外码将数据包编码成批，每个批是一组编码数据包，而内码对属于同一批的数据包进行物理层和网络层共用的通用网络编码，即分别在每个批的网络节点上重新编码。
本发明所采用的技术方案是：
本发明的第一目的是提出了一种基于批编码的网络通信方法，包括以下步骤：S100，源节点中的传输层接收数据文件，每个数据文件包括多个第一数据包；S210，批编码的外码对多个第一数据包进行编码生成包含多个第二数据包的批；S220，批编码的内码对批中的多个第二数据包进行重编码生成包含多个第三数据包的批，批随后通过物理层被发送至下一节点；S300，对批编码的内码进行物理层与网络层的联合解码，生成包含多个第二数据包的批；S400，当网络层接收到批时，检测当前节点是否为目的节点，如果不是目的节点，则进行步骤S220，如果是目的节点则进行步骤S500；S500，对接收到的多个批进行联合解码，恢复数据文件。
进一步地，步骤S100还包括：数据文件被分割成一个或多个包含多个数据包的批，每个批具有相同数量的数据包。
进一步地，步骤S220还包括：重编码包括对多个数据包引入冗余，冗余包括对批中的多个数据包的线性组合。
其中，当两个或两个以上源节点传输相同数据文件到同一个目的节点时，目的节点可以联合两个或两个以上源节点的批进行解码。
进一步地，中间节点传输的批的重编码包的数量与在源节点进行重编码后的第三数据包的数量相同。
本发明的第二个目的是提供一种基于批编码的网络通信系统，该系统包括：源节点，源节点用于接收数据文件，数据文件包括多个数据包，数据包在源节点经过编码后生成用于向其它节点传输的至少一个批；中间节点，中间节点用于接收、处理并转发批；以及目的节点，目的节点接收中间节点转发的批，并对批进行联合解码。
进一步地，中间节点包括缓存器，缓存器容量大小与批中数据包大小及网络跳数相关。
进一步地，目的节点包括解码器，解码器用于联合解码。
具体的，对于一般网络的批编码，假设网络具有一组节点V，并且对于任何v,v′∈V，存在定向通信链路(v,v′)，尽管一些链路可能仅以零速率通信。值得注意的是，(v,v′)和(v′,v)不是相同的链路。
具体的，假设K、n和M为正整数。批编码具有外码和内码，批编码的外码生成n个批次，每个批都有M个数据包，这里M称为批的大小，n称为外部块的长度。批编码的内码分别在每个批上执行，包括以下操作：在生成批的源节点处，对批的原始M个数据包进行重编码，以生成在源节点的输出链路上传输的多个重编码的数据包；在不需要解码输入数据包的中间网络节点v处，对属于同一批的接收数据包执行解码--重编码，以生成要在v的输出链路上发送的多个重编码的数据包。在目的节点处，联合解码属于不同批的所有接收到的数据包。
当批的大小M任意大时，批编码将包括相同的网络的任何其他方案。当M是一个相对较小的、不随网络规模变化的确定的数值时，中间节点的计算和存储要求实际上是可行的，即只对属于该网络同一批的数据包进行重编码，重编码的计算复杂度受M的函数限制。如果M足够小，对于合适的算法，重编码的计算复杂度就会在可以接受的范围内；针对特定的批编码方案，中间节点仅需要缓冲O(M)重编码的数据包。
另一方面，基于上述批编码网络通信方法，本发明还提出了一种设置缓存器大小的方法，即将缓存器的大小设置分为两部分，一部分缓存所需发送的数据包，另一部分缓存计数器状态信息。其中B1表示缓存批数据包所需的缓存大小，B2表示缓存计数器状态所需的缓存大小，缓存器大小B＝B1+B2。其中，B1与网络跳数L无关，B1的大小取决于所需传输的批的大小，当B2取值为O(ln ln L)时，端对端传输可达到理想带宽Ω(1/ln L)。因此，当L趋于无穷大，B2也趋于无穷大。然而，在实际可应用信道中，L的大小是有限的且确定的，B2的取值很小，且远小于B1。因此，在实际网络通信，B2的大小可以忽略不计，因此缓存器大小约等于B1。
本发明的有益效果是：
本发明基于较小的缓存器的前提下，通过内码在中间节点进行物理层和网络层的联合编码解码以及目的节点的联合解码，实现了网络通信速率以及网络通信质量的提高。
本发明通过限制中间节点缓存器的大小，在节约了缓存器内存的同时，保证了数据的正常存储，提高了网络通信的速率。
附图说明
图1示出了基于批编码的网络通信方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例示出了基于批编码的网络通信方法的流程。整个通信过程被分成两个阶段，即源节点处与其他节点处。在源节点处，执行的步骤包括：S100，源节点中的传输层接收数据文件，每个数据文件包括多个第一数据包；S210，批编码的外码对多个第一数据包进行编码生成包含多个第二数据包的批；S220，批编码的内码对批中的多个第二数据包进行重编码生成包含多个第三数据包的批，批随后通过物理层被发送至下一节点。在其他节点处，执行的步骤包括：S300，对批编码的内码进行物理层与网络层的联合解码，生成包含多个第二数据包的批；S400，当网络层接收到批时，检测当前节点是否为目的节点，如果不是目的节点，则进行步骤S220，如果是目的节点则进行步骤S500；S500，对接收到的多个批进行联合解码，恢复数据文件。
实施例2
本实施例公开了具有线性内码与线性外码的批编码方法。令为大小为2m的有限域。对于线性批编码，其中T为正整数。批编码的外码产生n个批，每个批包括来自的M个数据包，其中M为正整数。
对于线性外码，假设源节点具有来自的K个输入数据包，这里B＝[b1…bk]可以看作是上的T×K矩阵，其中，矩阵的每一列是批中的一个数据包。对于常规的线性外码，一系列的批Xi,i＝1,2,…,可以由下列公式产生其中是上K×M矩阵，称为批i的生成矩阵。
本实施例示出了两类可能具有有效编码与解码算法的线性外码。在第一类中，生成矩阵有多个零行，的非零行数称为批i的度，可以对这样的生成矩阵执行喷泉码类型编码。为生成批i，首先通过对度分布进行采样来确定度的值di；然后选择di个输入数据包，并通过并置这di个数据包形成矩阵Bi；最后，批i通过下面公式得到Xi＝BiGi，其中Gi由的非零行够成。因为可以生成的批数是无限的，这类外码被称为喷泉外码。
在第二类线性外码中，批次的数据包满足确定的低密度奇偶校验(LDPC)约束，所以叫做LDPC外码。LDPC外码具有固定的外部块长度n和固定数量的奇偶校验约束，每个奇偶校验约束涉及若干个编码数据包，例如v1,…,vd，其中d被称为这个奇偶校验约束的度，这些编码数据包可能属于不同批，并满足v1+…+vd＝0，每个批次的数据包可以涉及零个、一个或多个奇偶校验，其被称为数据包的度。
现在讨论线性内码。设m是可以被m′整除的整数，则是的子域。由于相同的重编码独立的作用在所有的批上，考虑一个通用批X。通过把在里的一个符号表示成个上的符号，X可以看成是一个矩阵。令其中I是上M×M单位矩阵。链路上的传输可以按照l从0到L-1递归定义：节点vl使用X(l)生成N个物理层数据包，表示为U(l+1)，然后将这些数据包通过N次使用链路(vl,vl+1)传输；然后节点vl+1使用(vl,vl+1)的N个输出，表示为Y(l+1)，解码生成X(l+1)，其和X(l)满足如下关系
X(l+1)＝X(l)H(l+1)+W(l+1) (1)
其中H(l+1)被称为批传输矩阵，W(l+1)被称为误码矩阵，两个矩阵均是未知的。值得注意的是，X(l+1)的列数依赖于算法，但是通常不会大于M。
X(l)中的每一列都可以看做一个数据包，或是在上的一个向量，其中前M个中符号构成的子向量被称为系数向量。把X(l)看成上的一个矩阵，其前M行被称为系数矩阵。通过将(1)递归扩展，可以得到一个批的端对端的传输公式
其中可以被节点vL观察到，但是H，W与这三个矩阵不能直接被节点vL得知。
实施例3
本实施例公开了一种将批编码应用于二进制对称信道的方法。
本实施例基于乘积编码的跨层编码，即对X(l)的重编码使用乘积编码。把X(l)看作一个在上的矩阵。首先，对X(l)的每一行做编码生成具体计算公式为其中Ψ(l)为域上的N″列矩阵；其次，对的每一列做编码生成U(l+1)，具体计算公式为其中为(Tm+Mm′)×N″二进制矩阵，且Φ是N′行二进制矩阵。矩阵U(l+1)总共有N＝N′N″比特且可以通过对链路(vl,vl+1)的N次使用实现传输。
节点vl+1接收到N比特并生成N′×N″二进制矩阵Y(l+1)，该二进制矩阵用于恢复的若干列，构成X(l+1)。迭代解码可以在上述过程中使用：在每次迭代中，行码与列码被顺序地解码。使用软输入/软输出解码器可以实现更好的迭代效果。每个解码迭代都有两个步骤，在第一步中，使用软输入/软输出消息传递算法对列代码进行解码，该算法返回Y(l +1)中每个位的对数似然比(LLR)；在第二步中，通过使用某种软输入/软输出算法对行码进行解码来更新LLR。每次迭代过程中都可以做出判决：如果Y(l+1)的某一列的判决可以通过正确性检查，则该列被附加到X(l+1)。当X(l+1)的系数矩阵具有秩M或迭代次数达到上限时，解码停止。
当行码是随机线性码且列码是LDPC码时，且解码在第一次迭代的第一步后做出判决。该乘积编码变成传统的分层编码方法：既物理层解码和网络层解码分别、次序进行。在一般情况下，乘积编码方法优于分层编码方法，因为前者可以进行更多次的迭代解码，且可以选择更好的行码和列码的组合。
实施例4
本实施例公开了一种基于卷积行码的乘积编码方法。实施例3中，使用随机线性行码时，当M很大时，会因计算与缓存量较大导致解码效率低下。针对此问题，本实施例公开了一种基于卷积行码的乘积编码方法。
令M′表示X(l)的列数。把X(l)看成是上的一个行矩阵，对其每一行使用下述的卷积编码作为行编码。对来自的M′输入符号进行编码，使用具有2m′种状态的μ长移位寄存器的卷积码。假设N″可被M′+μ整除。对于每个输入的中的符号，卷积码生成域上的N″/(M′+μ)个符号。这种卷积码也被称作(2m′,μ,N″/(M′+μ))格子码。
值得注意的是，节点vl通过一行接一行利用上述卷积码产生U(l+1)，且一列接一列的传输U(l+1)中的位。当节点vl+1接收到足够多数量的Y(l+1)列时，节点vl+1开始使用类似于涡轮(turbo)码的迭代解码算法进行解码。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于批编码的网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，源节点中的传输层接收数据文件，每个所述数据文件包括多个第一数据包；
S210，源节点中的传输层利用批编码的外码对所述多个第一数据包进行编码生成包含多个第二数据包的批；
S220，批编码的内码对所述批中的多个第二数据包进行重编码生成包含多个第三数据包的批，所述批随后通过物理层被发送至下一节点；
S300，对批编码的内码进行物理层与网络层的联合解码，生成包含多个第二数据包的批；
S400，检测当前节点是否为目的节点，如果不是目的节点，则进行步骤S220，如果是目的节点则进行步骤S500；
S500，对接收到的多个所述批进行联合解码，恢复所述数据文件。
2.根据权利要求1所述的基于批编码的网络通信方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：
所述数据文件被分割成一个或多个包含多个数据包的批，每个批具有相同数量的数据包。
3.根据权利要求1所述的基于批编码的网络通信方法，其特征在于，所述步骤S220还包括：
所述重编码包括对多个数据包引入冗余，所述冗余包括对所述批中的多个数据包的线性组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于批编码的网络通信方法，其特征在于，包括：
当两个或两个以上所述源节点传输相同数据文件到同一个所述目的节点时，所述目的节点可以联合所述两个或两个以上源节点的所述批进行解码。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于批编码的网络通信方法，其特征在于，还包括中间节点传输的批的重编码包的数量与在源节点进行重编码后的第三数据包的数量相同。
6.一种基于批编码的网络通信系统，其特征在于，包括：
源节点，所述源节点用于接收数据文件，所述数据文件包括多个数据包，所述数据包在源节点经过编码后生成用于向其它节点传输的至少一个批；
中间节点，所述中间节点用于接收、处理并转发所述批；以及
目的节点，所述目的节点接收中间节点转发的批，并对所述批进行联合解码。
7.根据权利要求6所述的基于批编码的网络通信系统，其特征在于，所述中间节点包括缓存器，所述缓存器容量大小与批中数据包大小及网络跳数相关。
8.根据权利要求7所述的基于批编码的网络通信系统，其特征在于，所述目的节点包括解码器，所述解码器用于联合解码。
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