CN112600647B - 基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法 - Google Patents

基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法，其具体步骤包括：1、对待发送的数据包分组；2、生成编码数据包；3、发送编码数据包；4、循环冗余校验；5、转发编码数据包；6、对出错编码数据包续航；7、提取编码数据包；8、判断编码数据包个数是否小于N；9、更新接收缓存队列；10、判断系数矩阵的秩是否等于k；11、译码；12、发送反馈信息；13、判断重传次数是否小于最大重传次数；14、生成重传编码数据包；15、判断是否传输完所有组；16、完成数据包的传输。本发明具有降低多跳无线网络数据包传输时延，提高传输成功率的优点。

Description

基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法。本发明可以用于单路多跳和具有时延的实际网络中，实现了网络编码续航的、动态的多跳无线网络传输流程控制。
背景技术
单路多跳无线网络是由一个发送端、一个接收端和若干个中继节点组成的线性网络。单路多跳无线网络中的数据包是由发送端生成并发送，经过中继节点转发，最后到达无线网络中的接收端。在实际的无线通信中，无线信道受各种因素影响，数据包在信道传输过程中可能存在丢失的情况。自动重传请求ARQ(Automatic-repeat-request)和纠删码EC(Erasure code)是解决信道丢包问题的两种主要方法。但在ARQ中，每个数据包的反馈要占用网络资源且存在时延，在信道性能较差的情况下，反馈带来的开销也是极大的。纠删码中，如数字喷泉码DF(Digital Fountain Code)在传统的路由网络中能保证单跳丢包信道上的数据可靠传输，但其无法解决多跳丢包网络上的丢包累积问题，而且会产生较多的编码冗余。网络编码NC(Network Coding)最初是由Ahlswede等在2000年提出的，其实质是允许中继节点在处理其接收到的信息之后再执行转发操作。由于网络中的中继节点具备了编码能力，且接收端通过编码包之间的相关性进行译码，译码成功率大大提高，解决了多跳网络中的丢包累积问题，减少数据包重传次数，提高网络吞吐量和数据传输的可靠性。
西安交通大学在其申请的专利文献“一种在多跳传输系统中基于BATS码的高效编码设计方法”(申请日：2020年07月08日，申请号：2020106536592，公开号：CN111917512A)中公开了一种在多跳传输系统中基于BATS码的无线网络传输方法，来解决多跳无线网络传输中的编码冗余和低效率问题。该方法的实现步骤为：第一，将原始文件划分成k个等长的原始数据包。第二，发送端将k个等长的原始数据包采用BATS码的高效编码设计方案进行BATS码的外码编码，得编码包。第三，将步骤二得到的编码包通过无线信道发送至中继节点。第四，中继节点接收编码包，对属于同一批次的编码包使用BATS码内码编码，得重新编码的编码包。第五，中继节点将重新编码的编码包发送至下一个中继节点。第六，接收端寻找属于同一批次的编码包，再对同一批次的编码包进行迭代译码，然后对同一批次的编码包进行高斯消元译码，得原始数据包。该方法存在的不足之处是有两点：其一，发送端将k个数据包编码成N个数据包，N通常是个很大的值，接收端需要收到至少N个包才能开始译码，而且发送端需要等到该组数据包译码完成才能继续发送下一组数据包，使得多跳无线网络整体的传输时延较大。其二，中间节点要对同一批次的编码包进行内编码，一旦同一批次内有编码包丢失，会影响目的节点中同一批次内编码包的秩，进而影响目的节点译码，使得多跳无线网络的传输成功率下降。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法，以解决多跳无线网络传输的高时延问题，同时提高网络传输成功率。
实现本发明目的的具体思路是：针对BATS码应用在多跳无线网络传输的高时延和低传输成功率问题，考虑在发送端先对原始数据包分组，根据无线信道擦出概率确定需要加入的冗余包个数，然后对每组原始数据包进行系统型随机线性网络编码并发送到无线信道中，这样，接收端收到正确的原始数据包就可以直接确定该原始数据包的译码时刻，而不必等到该组数据包全部到达才能译码得到译码时刻，达到降低数据包传输时延的目的；中继节点若收到出错的数据包，则用已收到的同组的正确数据包进行随机线性混合，用混合后的数据包替换出错的数据包，而不是直接将出错的数据包丢掉，对数据包进行续航操作提高了接收端收到满秩数据包的概率，进而提高多跳无线网络的传输成功率；同时，不同分组之间的传输方式采用流传输，发送端发完某一组就继续发送下一组，如果需要重传数据包，就把生成的重传数据包插入到发送队列，而不是等到某一组数据包译码完成才开始下一组数据包的发送，这样也降低了数据包传输时延。
本发明的步骤包括如下：
(1)对待发送的数据包进行分组：
将所有待发送的数据包均匀分组，对最后不够分组的数据包用全零包补齐，每个数据包以矩阵形式存储；
(2)生成编码数据包：
(2a)选取一组待发送的数据包矩阵；
(2b)生成一个M行L列的全零矩阵，将全零矩阵的前P行设置为单位阵，剩余行的元素值在有限域中随机选取，得到编码系数矩阵，其中，M＝N，L＝k，M＞L，P＝L，N表示由
Figure BDA0002822769450000031
计算得到的编码后数据包的总数，
Figure BDA0002822769450000032
表示向上取整操作，k表示每组中数据包的总数，ε表示在[0,0.9]范围内选取的无线网络中相邻节点间无线信道的擦除概率；
(2c)用编码系数矩阵左乘所选组待发送的数据包矩阵，得到编码包矩阵，将编码系数矩阵与编码包矩阵按列进行拼接，将得到的编码数据包添加到发送端的发送队列中；
(2d)判断是否选完所有的待发送的数据包矩阵，若是，则执行步骤(3)，否则，执行步骤(2a)；
(3)发送端依次发送队列中的一个编码数据包发送到无线信道；
(4)中继节点通过循环冗余校验方法判断接收到的编码数据包是否正确，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(6)；
(5)转发编码数据包：
中继节点将正确的编码数据包添加到自己的接收缓存队列后向下一节点转发正确的编码数据包；
(6)对出错编码数据包进行续航：
(6a)中继节点从自己的接收缓存队列中提取与出错编码数据包的组号相同的所有编码数据包；
(6b)将所有提取的编码数据包进行随机线性混合，得到混合后的编码数据包；
(6c)中继节点用混合后的编码数据包替换出错的编码数据包，将混合后的编码数据包添加到自己的接收缓存队列中，向下一节点转发混合后的编码数据包；
(7)提取编码数据包：
接收端收到编码数据包后，从自己的接收缓存队列中提取与所接收到的编码数据包组号相同的所有编码数据包；
(8)接收端判断所提取的编码数据包的总数是否小于编码后的数据包的总数N，若是，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(10)；
(9)更新接收缓存队列：
接收端将收到的编码数据包添加到自己的接收缓存队列，执行步骤(3)；
(10)计算接收端所提取的编码数据包中系数矩阵的秩r，比较r与k的大小，若r＝k，则执行步骤(11)，否则，执行步骤(12)，其中，r的取值范围是[0,k]；
(11)译码：
接收端用高斯消元法对所提取的编码数据包译码，完成该组编码数据包传输，执行步骤(15)；
(12)发送反馈信息：
按照DOF＝k-r，计算接收端所提取的编码数据包译码的自由度DOF，其中，DOF取值范围为[0,k-1]；接收端向发送端反馈所提取的编码数据包的组号和自由度；
(13)发送端判断接收的编码数据包组号的重传次数是否小于最大重传次数，若是，则执行步骤(14)，否则，此组数据包传输完成，执行步骤(15)；
(14)生成重传编码数据包：
(14a)发送端从反馈信息中提取编码数据包组号和自由度DOF；
(14b)发送端在有限域上随机生成D行C列的编码系数矩阵，用编码系数矩阵左乘组号与发送端所提取的组号相同的数据包矩阵得到D个编码包矩阵，将编码系数矩阵与编码包矩阵按列进行拼接，得到拼接后的编码数据包，其中，D＝DOF，C＝k；
(14c)将拼接后的编码数据包插入到发送端的发送队列，将该编码数据包组号的重传次数加1后执行步骤(3)；
(15)判断是否传输完所有组的数据包，若是，则执行步骤(16)，否则执行步骤(3)；
(16)结束传输过程。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明生成并发送编码数据包，进行系统型随机线性网络编码，克服了现有技术中多跳无线网络整体的传输时延较大的不足，使得本发明可以降低多跳无线网络中数据包的传输时延。
第二，由于本发明对出错编码数据包进行续航，用混合后的编码数据包替换出错的编码数据包，克服了现有技术中同一批次内有编码包丢失，会影响接收节点中同一批次内编码包的秩，进而影响接收端译码，使得多跳无线网络的传输成功率下降的不足，使得本发明提高了接收端收到满秩编码数据包的概率，进而提高多跳无线网络的传输成功率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明方法适用的多跳无线网络拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步地描述。
参照图1，对本发明实现的步骤做进一步地描述。
步骤1，对待发送的数据包进行分组。
将所有待发送的数据包均匀分组，对最后不够分组的数据包用全零包补齐，每个数据包以矩阵形式存储。
步骤2，生成编码数据包。
第1步，选取一组待发送的数据包矩阵。
第2步，生成一个M行L列的全零矩阵，将全零矩阵的前P行设置为单位阵，剩余行的元素值在有限域中随机选取，得到编码系数矩阵，其中，M＝N，L＝k，M＞L，P＝L，N表示由
Figure BDA0002822769450000051
计算得到的编码后数据包的总数，
Figure BDA0002822769450000052
表示向上取整操作，k表示每组中数据包的总数，ε表示在[0,0.9]范围内选取的无线网络中相邻节点间无线信道的擦除概率，有限域大小为从GF(2)、GF(23)、GF(26)、GF(28)中随机选取的任意一个值。
第3步，用编码系数矩阵左乘所选组待发送的数据包矩阵，得到编码包矩阵，将编码系数矩阵与编码包矩阵按列进行拼接，将得到的编码数据包添加到发送端的发送队列中。
第4步，判断是否选完所有的待发送的数据包矩阵，若是，则执行步骤3，否则，执行本步骤的第1步。
步骤3，发送端依次发送队列中的一个编码数据包发送到无线信道。
步骤4，中继节点通过循环冗余校验方法判断接收到的编码数据包是否正确，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤6。
步骤5，转发编码数据包。
中继节点将正确的编码数据包添加到自己的接收缓存队列后向下一节点转发正确的编码数据包。
步骤6，对出错编码数据包进行续航。
中继节点从自己的接收缓存队列中提取与出错编码数据包的组号相同的所有编码数据包。
将所有提取的编码数据包进行随机线性混合，得到混合后的编码数据包。
中继节点用混合后的编码数据包替换出错的编码数据包，将混合后的编码数据包添加到自己的接收缓存队列中，向下一节点转发混合后的编码数据包。
步骤7，提取编码数据包。
接收端收到编码数据包后，从自己的接收缓存队列中提取与所接收到的编码数据包组号相同的所有编码数据包。
步骤8，接收端判断所提取的编码数据包的总数是否小于编码后的数据包的总数N，若是，则执行步骤9，否则，执行步骤10。
步骤9，更新接收缓存队列。
接收端将收到的编码数据包添加到自己的接收缓存队列，执行步骤3。
步骤10，计算接收端所提取的编码数据包中系数矩阵的秩r，比较r与k的大小，若r＝k，则执行步骤11，否则，执行步骤12，其中，r的取值范围是[0,k]。
步骤11，译码。
接收端用高斯消元法对所提取的编码数据包译码，完成该组编码数据包传输，执行步骤15。
步骤12，发送反馈信息。
按照DOF＝k-r，计算接收端所提取的编码数据包译码的自由度DOF，其中，DOF取值范围为[0,k-1]；接收端向发送端反馈所提取的编码数据包的组号和自由度。
步骤13，发送端判断接收的编码数据包组号的重传次数是否小于最大重传次数，若是，则执行步骤14，否则，此组数据包传输完成，执行步骤15，其中，最大重传次数是指满足以下条件中的任意一种情形：
条件一，发送端发送一组数据包到接收端，将接收端能够以接近1的概率译码时的重传次数作为最大重传次数。
条件二，当无线信道的擦除概率比较大时，为了防止产生巨大的传输时延，在[0,4]取值范围随机选取的一个整数作为最大重传次数。
步骤14，生成重传编码数据包。
发送端从反馈信息中提取编码数据包组号和自由度DOF。
发送端在有限域上随机生成D行C列的编码系数矩阵，用编码系数矩阵左乘组号与发送端所提取的组号相同的数据包矩阵得到D个编码包矩阵，将编码系数矩阵与编码包矩阵按列进行拼接，得到拼接后的编码数据包，其中，D＝DOF，C＝k。
将拼接后的编码数据包插入到发送端的发送队列，将该编码数据包组号的重传次数加1后执行步骤3。
步骤15，判断是否传输完所有组的数据包，若是，则执行步骤16，否则执行步骤3。
步骤16，结束传输过程。

Claims (2)

1.一种基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法，其特征在于，生成并发送编码数据包，进行系统型随机线性网络编码，对出错编码数据包进行续航；该方法的步骤包括如下：
(1)对待发送的数据包进行分组：
将所有待发送的数据包均匀分组，对最后不够分组的数据包用全零包补齐，每个数据包以矩阵形式存储；
(2)生成编码数据包：
(2a)选取一组待发送的数据包矩阵；
(2b)生成一个M行L列的全零矩阵，将全零矩阵的前P行设置为单位阵，剩余行的元素值在有限域中随机选取，得到编码系数矩阵，其中，M＝N，L＝k，M＞L，P＝L，N表示由
Figure FDA0003240884900000011
计算得到的编码后数据包的总数，
Figure FDA0003240884900000012
表示向上取整操作，k表示每组中数据包的总数，ε表示在[0,0.9]范围内选取的无线网络中相邻节点间无线信道的擦除概率；
(2c)用编码系数矩阵左乘所选组待发送的数据包矩阵，得到编码包矩阵，将编码系数矩阵与编码包矩阵按列进行拼接，将得到的编码数据包添加到发送端的发送队列中；
(2d)判断是否选完所有的待发送的数据包矩阵，若是，则执行步骤(3)，否则，执行步骤(2a)；
(3)发送端依次发送队列中的一个编码数据包发送到无线信道；
(4)中继节点通过循环冗余校验方法判断接收到的编码数据包是否正确，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(6)；
(5)转发编码数据包：
中继节点将正确的编码数据包添加到自己的接收缓存队列后向下一节点转发正确的编码数据包；
(6)对出错编码数据包进行续航：
(6a)中继节点从自己的接收缓存队列中提取与出错编码数据包的组号相同的所有编码数据包；
(6b)将所有提取的编码数据包进行随机线性混合，得到混合后的编码数据包；
(6c)中继节点用混合后的编码数据包替换出错的编码数据包，将混合后的编码数据包添加到自己的接收缓存队列中，向下一节点转发混合后的编码数据包；
(7)提取编码数据包：
接收端收到编码数据包后，从自己的接收缓存队列中提取与所接收到的编码数据包组号相同的所有编码数据包；
(8)接收端判断所提取的编码数据包的总数是否小于编码后的数据包的总数N，若是，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(10)；
(9)更新接收缓存队列：
接收端将收到的编码数据包添加到自己的接收缓存队列，执行步骤(3)；
(10)计算接收端所提取的编码数据包中系数矩阵的秩r，比较r与k的大小，若r＝k，则执行步骤(11)，否则，执行步骤(12)，其中，r的取值范围是[0,k]；
(11)译码：
接收端用高斯消元法对所提取的编码数据包译码，完成该组编码数据包传输，执行步骤(15)；
(12)发送反馈信息：
按照DOF＝k-r，计算接收端所提取的编码数据包译码的自由度DOF，其中，DOF取值范围为[0,k-1]；接收端向发送端反馈所提取的编码数据包的组号和自由度；
(13)发送端判断接收的编码数据包组号的重传次数是否小于最大重传次数，若是，则执行步骤(14)，否则，此组数据包传输完成，执行步骤(15)；
所述的最大重传次数是指满足以下条件中的任意一种情形：
条件一，发送端发送一组数据包到接收端，将接收端能够以接近1的概率译码时的重传次数作为最大重传次数；
条件二，当无线信道的擦除概率比较大时，为了防止产生巨大的传输时延，在[0,4]取值范围随机选取的一个整数作为最大重传次数；
(14)生成重传编码数据包：
(14a)发送端从反馈信息中提取编码数据包组号和自由度DOF；
(14b)发送端在有限域上随机生成D行C列的编码系数矩阵，用编码系数矩阵左乘组号与发送端所提取的组号相同的数据包矩阵得到D个编码包矩阵，将编码系数矩阵与编码包矩阵按列进行拼接，得到拼接后的编码数据包，其中，D＝DOF，C＝k；
(14c)将拼接后的编码数据包插入到发送端的发送队列，将该编码数据包组号的重传次数加1后执行步骤(3)；
(15)判断是否传输完所有组的数据包，若是，则执行步骤(16)，否则执行步骤(3)；
(16)结束传输过程。
2.根据权利要求1所述的基于网络编码续航的多跳无线网络传输方法，其特征在于，步骤(2b)、步骤(14b)所述有限域大小为从GF(2)、GF(23)、GF(26)、GF(28)中随机选取的任意一个值。
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