CN111343668B - 基于背压策略的编码感知路由方法 - Google Patents

基于背压策略的编码感知路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于背压策略的编码感知路由方法，包括：节点接收来自一个或多个数据流的数据包，更新各数据流的积压时间；根据第一预定义规则，从一个或多个数据流中寻找编码组合，并基于编码组合编码数据包；根据第二预定义规则，发送所述经编码的数据包，通过该方案，解决了确定性路由在时变网络中吞吐量问题，提升了网络吞吐量和传输稳定性。

Description

基于背压策略的编码感知路由方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于背压策略的编码感知路由方法。
背景技术
无线多跳网络是一种由带有无线收发设备的节点，以自组织的方式构建的无线通信系统。网络中每个节点功能与地位对等，没有中心化节点，也不需要任何网络基础设施，无线多跳网络可以在极端环境下快速部署网络，且网络具有组网灵活、部署快速、成本低廉、可扩展性强、抗毁性和健壮性强等优势。尽管无线网络易于组织，转移位置方便，但还存在一些限制性的特征，例如多径效应、信道冲突、信号衰落、通信盲区等相关问题都会使得无线网络的性能大打折扣。
为了解决无线网络中资源管理和可靠性传输等相关问题，Ahlswede等人在2000年提出了网络编码理论，将网络编码传输技术与路由协议相结合，深入研究基于网络编码的自组织对等式多跳移动通信网络的路由策略和编码机会，并对其进行优化和完善，解决了原有无线网络通信方式中中间节点只能单纯放大转发数据分组的限制，充分利用网络资源，以最小化代价对数据进行传输，提高了无线链路数据传输效率以及安全性。
目前在无线网络中典型的编码感知路由协议如：网络编码路由方案(NetworkCoding Routing，NCRT)、分布式编码感知路由方案(Distributed Coding Aware Routing，DCAR)和基于连通支配集和流导向的编码感知路由(Connected Dominating Set(CDS)-based and Flow-oriented Coding aware Routing，CFCR)。这些方案的设计都侧重于静态设计，仅考虑固定路由和不变数据流情况下的编码机会。但静态设计使得路由算法并不适用于实际网络中动态的拓扑变化和动态的数据流变化，从而降低了时变网络中路由的吞吐量。因此，亟需一种在时变网络中能够自主感知数据路由环境的路由方法，以解决当前技术无法更好地适应动态时变网络的路由问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种路由方法，尤其涉及一种基于背压策略的编码感知路由方法，以解决所述动态时变网络中的路由问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于背压策略的编码感知路由方法，其特征在于：节点接收来自一个或多个数据流的数据包，更新各数据流的积压时间；根据第一预定义规则，从一个或多个数据流中寻找编码组合，并基于编码组合编码数据包；根据第二预定义规则，发送所述经编码的数据包。
优选地，所述节点接收来自一个或多个数据流的数据包还包括判断数据包类型，若是未编码数据，直接缓存入队列中；若是经编码的数据，则先解码后再缓存如队列中。
优选地，所述数据流的积压时间是指数据包从入队开始到更新时间点的时间长度。
优选地，所述第一预定义规则为分别以多个数据流中的每一个数据流作为主发送流，其他数据流作为次发送流，从编码机会矩阵中获得最佳编码组合。
优选地，所述从编码机会矩阵中获得最佳编码组合包括使得形成最大团的组合为最佳组合。
优选地，所述第二预定义规则包括以节点中编码率、节点间队列积压差和数据最大积压时间为参数，计算链路权值。
优选地，所述计算链路权值包括计算节点间主发送流c在任意ab节点间的权值：
Figure BDA0002398671950000031
其中，i∈M表示数据流i属于数据流集合M，j∈N表示j属于数据流i的下一跳节点集合N，
Figure BDA0002398671950000032
表示在节点a以c为主流，fi为次流的编码率，
Figure BDA0002398671950000033
表示数据流c在t时刻ab节点间的队列积压差，
Figure BDA0002398671950000034
表示链路(a,b)中数据流c的最长积压时间。
优选地，所述第二规则为，选择权重最大的链路发送所述最佳编码组合的编码数据，权重为：
Figure BDA0002398671950000035
其中，a∈N，b∈N分别表示节点a和b属于节点集合N，μab(t)表示t时刻链路ab间的传输速率，
Figure BDA0002398671950000036
优选地，所述链路ab上数据流c在t时刻的积压差
Figure BDA0002398671950000037
其中
Figure BDA0002398671950000038
为数据流c在节点a中缓存的数据包的数量，
Figure BDA0002398671950000039
为数据流c在节点b中缓存的数据包的数量。
优选地，所述链路ab上数据流c在t时刻的最大积压时间
Figure BDA00023986719500000310
其中
Figure BDA00023986719500000311
表示数据流c的最大积压时间。
本公开中的方法利用中继节点实时计算最佳编码组合和最大路由权值方法，圆满地解决了动态时变网络中的编码感知路由技术问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的网络模型；
图2为本发明第一实施例的流程框图；
图3本发明第二实施例的流程框图；
图4为本发明的判断编码机会流程框图；
图5a为本发明的编码机会示意图；
图5b为本发明的编码机会示意图；
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步的说明。
图1是本发明的网络模型。图1中，包括多个节点组成的无线网络100。无线网络100中包括节点s、a、b、c、d、e。一般情况下，节点之间可以通过空中接口或其他通信链路进行单向、双向通信。比如图1中所示，节点b，节点c，节点d，节点e，节点s均可与节点a进行双向通信，未示出的还可以包括节点b，节点c，节点d，节点e，节点s相互之间，或者与其他节点之间的通信链路。任一节点也可以具有中继转发功能，使得不相邻的节点也可以经由多跳节点的辅助进行通信。节点也可以具有侦听的能力，即可以从网络中接收目的节点不是自己的数据。
在图1中，节点通常包括至少三类。在一次通信过程中，发送数据的节点可以被称为源节点，该数据的目标节点可以被称为目的节点，通信过程中，数据所流经的除源节点和目的节点以外的节点可以被称为中继节点/转发节点。从源节点发起数据开始，到目的节点接收数据为止，数据所经历的节点及节点的连线可以串接为一路径，在路径上传输的数据可以被称为数据流。
仍参考图1，举例示意数据流通信的整体概念。在任意时刻t-1，节点s向目的节点b发送数据流f1。在时刻t，该数据流到达节点a，节点a接收该数据。此时，如节点a还接收到或者缓存有其他数据流的数据包，为了增加传输效率，可以将其他数据流与t时刻接收到的数据流f1一起进行编码，并通过预定义的规则、算法等条件，选择最符合条件的链路，在t+n(n＞0)时刻节点a将编码后的数据包发送至目的节点b(或下一跳中继节点)及其他节点c、d、e。
图2描述了本发明一优选实施例的方法流程。如图中所示，在步骤201中，节点接收各个数据流发送过来的数据包，对数据包进行入队处理，更新数据包的积压时间。随后，在步骤203，节点根据第一预定义规则，从数据流中根据编码机会确定最佳编码组合，并对最佳编码组合中的数据进行编码。应当注意的是，编码的时间点可在多个位置进行，比如在后续步骤205中也可以进行。在步骤205中，节点需要根据第二预定义规则，选取最佳的路径，发送编码后的数据包。
借助图1所示的系统，参考图3所述又一实施例的流程框图。在数据流处理过程中，每个节点都有对应各个数据流的缓存队列。假定节点s在t-1时刻向一或多个目的节点发送数据包，形成多个数据流fi(i＝1,2,...,m)。在步骤301中，节点a在t时刻接收所述的节点s发送的数据包。步骤303中，对于节点a而言，接收到数据包后，需要判断该所接收到的数据包类型，比如，确定该数据包是否是经过编码的数据包Pcoded，若是Pcoded，则如步骤305所示，将该接收到的数据包先行解码，从中恢复出数据流fi的数据包，然后将其存入对应的缓存中；若确定该数据包是未经编码的数据包Pnative，则直接将其存入对应的缓存中。步骤307，节点a将接收到的数据包缓存后，更新缓存中每个数据流fi中数据包的最大积压时间
Figure BDA0002398671950000051
所述最大积压时间为每个数据流队首数据包从入队开始至t时刻的积压时间。
在步骤309中，节点a还需要确定自身是否是数据包的目的节点，若节点a是目的节点，则直接接收并处理缓存中的该数据包，结束流程。若节点a不是数据包的目的节点，则可以将其与其他目的节点的数据包按照数据流进行标记或分类等类似处理，以便于按照数据流的方式进行后续处理。
在节点a处，将如图中步骤311所示，循环地以每个数据流作为主流，其他数据流作为次流，获取多个数据流的编码机会。编码机会可以根据现有技术和定义进行判断，在此发明中不再赘述。在具有编码机会的数据流组合中，依照形成最大团的集合，选定最佳编码组合，并且在此基础之上，进行多个数据流的编码，如步骤313所示。
步骤315，计算节点a与相邻节点(如节点b，节点c，节点d，节点e)之间链路的权重，然后选取符合预定义条件的链路作为该最佳编码组合数据包的发送路由。最后，步骤317，根据最佳编码组合将该最佳编码组合所对应的所有数据包进行编码，并在选择的链路上发送该编码后的数据包，并在步骤319中处理数据包，将数据包发送至链路上。
更具体地，结合图1的网络模型，根据本发明的优选实施例，假定节点s向节点a发送数据包，形成数据流f1。在节点a处，接收到数据流f1的数据包后，判断数据包的类型，解码编码包后将数据入队或者直接将原始包入队，并更新各个数据流的最大积压时间。随后，节点a对于链路ab、ac、ad和ae上对应的数据流f1、f2、f3和f4，按照顺序依次/循环地将各链路的数据流作为主发送流，其余数据流为次发送流，分别判断主发送流与其他次发送流之间是否存在编码机会，并寻找最大化编码增益的最佳编码组合。
根据本发明的又一优选实施例，假定节点s节点向节点a发送数据包，形成数据流f1。在节点a，接收到数据流f1的数据包，判断数据包的类型，解码编码包后将数据入队或者直接将原始包入队，并更新各个数据流的最大积压时间。随后，节点a对于链路ab、ac、ad和ae上对应的数据流f1、f2、f3和f4，按照顺序依次/循环地将各链路的数据流作为主发送流，其余数据流为次发送流，分别判断主发送流与其他次发送流之间是否存在编码机会。其中，节点a根据侦听节点b、c、d和e缓存数据包的情况分别判断主发送流与次发送流之间是否存在编码机会，若存在，说明主发送流的数据包和次发送流的数据包可以进行异或(XOR)操作，然后节点a根据各数据流之间编码机会情况寻找最大化编码增益的最佳编码组合，流程如图4所示。
参考图5a，图中所示为根据各数据流判断编码机会的示例，因判断编码机会是现有技术，在此略过。在图5a中，矩阵中的值1代表不同数据流之间存在编码机会，可以将其数据包编码在一起，值0代表不同数据流之间不存在编码机会，无法将其数据包一起编码。矩阵中的f1、f2、f3、f4分别对应于节点b，节点c，节点d和节点e要接收的数据流。从图中可以看出，矩阵为对称矩阵，数据流f1与数据流f2、数据流f3和数据流f4存在编码机会，数据流f2与数据流f4存在编码机会。将存在编码机会的节点连线，转换为图5b中所示的编码图。根据图5a或图5b，可以罗列出至少以下几种编码组合：
Figure BDA0002398671950000071
Figure BDA0002398671950000072
得出编码组合以后，将数据流按照符合图5b中最大团的编码组合进行编码，即要寻找的最佳编码组合，如图中所示的
Figure BDA0002398671950000073
进一步地，在本发明的又一优选实施例中，如图1所示，对于节点a的任一主发送流，在t时刻，节点a将本节点与邻居节点b之间的队列积压差Qab(t)、编码增益Bab(t)和各流的积压时间
Figure BDA0002398671950000074
作为权重参数，计算该节点与各邻居节点的权重值，以便选取最佳传输链路。
继续参考图1，示例本发明的最佳链路选择方案。具体地，在t时刻，若存在数据流f1、f2、f4的最佳编码组合，在节点a处，先选定为主流，f2和f4为次流进行组合。首先，定义节点a与节点b在t时刻的队列积压差为
Figure BDA0002398671950000075
其次，定义f2和f4分别与f1组合编码的编码增益分别为
Figure BDA0002398671950000076
和
Figure BDA0002398671950000077
分别表示，在ac链路上，f1与f2组合编码所带来的编码增益和在ae链路上，f1与f4组合编码所带来的编码增益。它实际上可以表示，数据流f1能够搭载f2和f4的数据量；基于此得出各自的编码率为
Figure BDA0002398671950000078
和
Figure BDA0002398671950000079
分别表示不同数据流的可搭载数据量与节点a与节点b之间队列积压差值的比值。于是，以f1为主流，其他流为次流的系统总编码增益为
Figure BDA00023986719500000710
其中，i∈M表示数据流i属于次流集合M，j∈N表示j属于数据流i的下一跳节点集合N。
考虑到某些数据流积压时间过长而导致系统时延增加，因此将每个数据流的积压时间Ti作为参数，来衡量每条数据流的优先级。
例如，在t时刻，链路(a,b)中流f1的最长积压时间为：
Figure BDA00023986719500000711
其中，t是当前时刻，
Figure BDA00023986719500000712
表示缓存数据流f1的队列中首个数据包的入队时间，根据队列的FIFO原则，队首数据包的积压时间最长。
则计算t时刻链路(a,b)中数据流c的权重为
Figure BDA0002398671950000081
其中，i∈M表示数据流i属于数据流集合M，j∈N表示j属于数据流i的下一跳节点集合N，为
Figure BDA0002398671950000082
表示在节点a，以c为主流，fi为次流的编码率，
Figure BDA0002398671950000083
表示数据流c在t时刻ab节点间的队列积压差，
Figure BDA0002398671950000084
表示链路(a,b)中数据流c的最长积压时间。
进一步地，在节点a中，分别计算以各数据流作为主发送流，其他流作为次发送流的最佳编码组合的权重。链路(a,b)中权重最大的数据流组合如下表示：
Figure BDA0002398671950000085
其中，c∈M表示数据流c属于数据流集合M。
综上，节点在最佳编码组合范围内，计算出分别以其中一个数据流为主流，其他数据流为次流下各种数据流组合的权重值。基于此权重值，再通过t时刻链路传输速率μab(t)进一步筛选，选择权重最大的链路Lmax发送数据包。
Figure BDA0002398671950000086
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于背压策略的编码感知路由方法，其特征在于：节点接收来自多个数据流的数据包，更新各数据流的积压时间；从所述多个数据流中寻找编码组合，包括以多个数据流中的每一个数据流作为主发送流，其他数据流作为次发送流，从编码机会矩阵中获得最佳编码组合，并且所述从编码机会矩阵中获得最佳编码组合包括使得形成最大团的组合为最佳组合；基于寻找的编码组合编码数据包；发送编码后的数据包；其中，所述发送编码后的数据包包括以节点中编码率、节点间队列积压差和数据最大积压时间为参数，计算节点间主发送流c在任意ab节点间的权值：
Figure FDA0003544333500000011
其中，i∈M表示数据流i属于数据流集合M，j∈N表示j属于数据流i的下一跳节点集合N，
Figure FDA0003544333500000012
表示在节点a以c为主流，fi为次流的编码率，
Figure FDA0003544333500000013
表示数据流c在t时刻ab节点间的队列积压差，
Figure FDA0003544333500000014
表示链路(a,b)中数据流c的最长积压时间，并且以权重最大的链路发送编码后的数据包；其中，所述权重最大的链路为满足
Figure FDA0003544333500000015
的链路，a∈N，b∈N分别表示节点a和b属于节点集合N，μab(t)表示t时刻链路ab间的传输速率，
Figure FDA0003544333500000016
2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述节点接收来自一个或多个数据流的数据包还包括判断数据包类型，若是未编码数据，直接缓存入队列中；若是经编码的数据，则先解码后再缓存如队列中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述数据流的积压时间是指数据包从入队开始到更新时间点的时间长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述链路ab上数据流c在t时刻的积压差
Figure FDA0003544333500000017
其中
Figure FDA0003544333500000018
为数据流c在节点a中缓存的数据包的数量，
Figure FDA0003544333500000019
为数据流c在节点b中缓存的数据包的数量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，所述链路ab上数据流c在t时刻的最大积压时间
Figure FDA00035443335000000110
其中
Figure FDA00035443335000000111
表示数据流c的最大积压时间。
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