CN113973349B - 一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法，包括候选节点集的选择，源节点从邻居节点中选出合适的候选节点集，并广播数据包给候选节点；各候选节点计算出自身路由权重，并根据路由权重设置发送等待时延t；候选节点中路由权重最大的节点将数据包放入发送缓存向源节点回复ACK确认并根据网络编码规则发送数据包；当发送端确认下一跳节点已成功接收数据包则认为数据发送成功，并将发送缓存队列中相应的数据包删除；本发明解决了机会式路由和网络编码技术的有效结合问题，充分发挥了两种技术的优点，提高了无线网络的网络吞吐量和传输稳定性。

Description

一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法。

背景技术

无线多跳网络是一种以自组织的方式构成的无线通信系统，网络中每个节点都带有无线收发设备。其主要特点在于网络中每个节点功能对等可同时扮演服务的提供者和服务的享受者，能以自组织的方式构建无线通信系统，不需要任何的基础设施。网络具有组网灵活、成本低廉、易部署、抗摧毁能力强和可扩展性强等优势。但由于无线传输媒介的特殊性，传输信道易受多径效应、噪声、信号干扰等因素的影响，存在数据包易丢失或超过时延约束等问题，使得无线网络性能大打折扣。

为解决无线网络中资源管理和可靠传输的问题，网络编码概念在2000年被Ahlswede等人首次提出，将网络编码技术与路由协议相结合打破了传统的存储-转发机制，提出了编码-转发机制。相比于传统传输方式，网络编码允许节点将多个数据包通过简单的数学运算编码到一个编码包中，一次传输可同时使多个目的节点接收到所需的数据包，充分利用网络资源，提高了无线网络吞吐量以及链路安全性。

目前在在无线网络中结合网络编码技术的典型路由有：网络编码方案(CodingOpportunity Entity,COPE)、网络编码路由方案(Network Coding Routing,NCRT)、分布式编码感知路由方案(Distributed Coding Aware Routing，DCAR)、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 Codingaware Routing，CFCR)和端口路径开销编码感知路由协议(Port Path Cost Coding-AwareRouting,PNCAR)。这些方案的设计基本上都是放在按需路由场景下讨论的，方案的设计都侧重于仅考虑固定路由和不变数据流情况的静态设计。现存大多数静态路由存在片面考虑编码增益问题，导致通常存在负载不均以及网络寿命较低现象，且按需路由在确定路径的同时确定编码机会而路径的选择在传输数据之前，预判的编码机会和实际传输数据时的编码机会存在着较大的误差。静态的按需式路由算法并不适用于实际无线网络中动态的拓扑和数据流变化。因此，亟需一种在时变网络中能够有效利用网络编码技术的路由方法，以解决当前编码感知路由协议无法更好的在动态时变网络中发挥网络编码技术优势的问题。

发明内容

为了解决当前编码感知路由协议无法更好的在动态时变网络中发挥网络编码技术优势的问题，本发明提出一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、候选节点集的选择，源节点从邻居节点中选出合适的候选节点集，并广播数据包给候选节点；

S2、各候选节点计算出自身路由权重，并根据路由权重设置发送等待时延t；

S3、候选节点中路由权重最大的节点将数据包放入发送缓存向源节点回复ACK确认并根据网络编码规则发送数据包；

S4、当发送端确认下一跳节点已成功接收数据包则认为数据发送成功，并将发送缓存队列中相应的数据包删除。

进一步的，发送节点s根据期望传输次数和链路质量阈值d_t从邻居节点集N(s)选择候选节点集C，若邻居节点n到目的节点的期望传输次数值小于发送节点到目的节点的期望传输次数值且d_n＞d_t则将节点加入候选节点集C中。

进一步的，节点的路由权重的计算过程包括：

计算节点的相对剩余能量RE(n)、节点的相对剩余缓存WL(n)、节点的编码机会CC(n)；

将RE(n)、WL(n)、CC(n)值输入模糊逻辑系统利用隶属函数对RE(n)、WL(n)、CC(n)进行模糊化处理；

模糊化后将生成的规则与规则库中的规则进行匹配，计算出每一条规则的价值；

对匹配的结果进行去模糊化，根据每条规则的价值计算出节点的路由权重。

进一步的，行模糊化处理的过程包括：

根据RE(n)、WL(n)、CC(n)的值，分别将RE(n)、WL(n)、CC(n)分为m个等级；

RE(n)、WL(n)、CC(n)的各个等级进行组合得到m³条模糊规则；

对m³条模糊规则进行等级划分，每个等级的模糊规则设定一个价值。

进一步的，将RE(n)、WL(n)、CC(n)分为5个等级，包括very low，low，medium，high以及very high；并将组合后的模糊规则价值进行等级划分，划分为very poor，poor，little poor，passing，well，excellent六个等级，每个等级一次对应的价值为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1。

进一步的，计算隶属函数时，将RE(n)、WL(n)、CC(n)的值归一化到[0,10]区间，对应归一化后RE(n)、WL(n)、CC(n)的值中[0,2.5]对应等级为very low、[2.5，5]对应等级为low、[5,7.5]对应等级为medium、[0,2.5]对应等级为high、[0,2.5]对应等级为very high，并根据划分的等级按区间计算隶属度，对应的隶属度表示为：

其中，y为计算得到的隶属度；x∈{RE(n)，WL(n)，CC(n)}，为RE(n)、WL(n)、CC(n)对应的值。

进一步的，每次根据输入的RE(n)、WL(n)、CC(n)的值获取每个对应的模糊规则等级，RE(n)、WL(n)、CC(n)的值分别对应两个模糊规则等级，三个参数的模糊规则等级进行组合得到8条模糊规则，每条模糊规则中三个参数的隶属函数对应的值的乘积作为该条模糊规则的有效性，将模糊规则的有效性与该条模糊规则的价值的乘积作为节点的路由权重。

进一步的，节点的路由权重表示为：

其中，RW(n)为包含n条模糊规则的节点的路由权重；Rule_i为第i条规则的可取性；v_i为模糊规则Rule_i对应的价值。

进一步的，节点的相对剩余能量RE(n)表示为：

WL(n)＝(n_epc_m)*g；

节点的相对剩余缓存WL(n)表示为：

RE(n)＝(E_cE_i)*g；

节点的编码机会CC(n)表示为：

CC(n)＝a*C_c+(1-a)*C_t；

其中，n_ep表示节点当前发送缓存大小；c_m表示节点初始发送缓存大小；E_c表示节点当前剩余能量；E_i表示节点初始能量；C_c表示当可编码数据包个数；C_t表示一段时间内经过节点的数据流数；g为归一化参数；a表示的是当前编码机会所占比重，取值为[0,1]，则潜在编码机会所占比重为(1-a)。

进一步的，网络编码规则包括：

采用两条数据流进行编码；

在数据包的头部记录下源节点的邻居节点地址以及上一跳转发节点地址。

本发明提出了将OR和NC技术有效的结合在一起，通过牺牲少部分编码机会的代价，实现两者的有效结合以获得更多的网络编码增益，并通过设计模糊逻辑系统使得到的路由权重更适应实际网络场景，解决了动态时变网络中编码感知路由技术问题。

附图说明

图1为本发明一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法的网络模型；

图2为本发明节点接收到数据包的操作流程框图；

图3本发明模糊逻辑系统示意图；

图4本发明采用的模糊化隶属函数图；

图5为传统OR编码结构；

图6本发明的编码结构示意图。

具体实施方式

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。

本发明提出一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、候选节点集的选择，源节点从邻居节点中选出合适的候选节点集，并广播数据包给候选节点；

S2、各候选节点计算出自身路由权重，并根据路由权重设置发送等待时延t；

S3、候选节点中路由权重最大的节点将数据包放入发送缓存向源节点回复ACK确认并根据网络编码规则发送数据包；

S4、当发送端确认下一跳节点已成功接收数据包则认为数据发送成功，并将发送缓存队列中相应的数据包删除。

本发明网络模型如图1所示，在该模型中节点包括三种类型，一种类型是在一次通信过程中发送数据节点，可被称为源节点，如图1中的S1、S2；一种类型是源节点发送的数据的目标节点，可以被称为目的节点，如图1中的D1、D2；最后一类型是数据通信过程中数据包所经过的除源节点、目的节点以外的节点，将这一类节点统称为中继节点/转发节点，如图1中的R1。

多条数据流f＝{f_i|i∈{1,2,...,n}}可交叉通信，源节点可发送源数据包P＝{P_i|i∈{1,2,...,n}}，为提高传输效率，交叉节点对来自多条数据流的数据包进行网络编码，将生成的编码包广播至下游节点。下游节点可通过侦听获得的有效信息以协助方式对编码包进行解码以获得原始数据包。

图1中给出两条数据流，f₁:S₁→R₁→R₂→D₁、f₂:S₂→R₈→R₇→R₂→D₂，在中间节点R₂处进行网络编码，再往下游节点(D₁、R₃)广播编码包D₁节点通过数据流f₂的上游节点S₂得到有效数据包P₂从而解码出原来数据包/>同理目的节点D₂通过数据流的上游节点S₁得到有效数据包P₁从而解码出原来数据包/>

本实施例以图1为例，说明侯选节点的选择过程，具体包括以下步骤：

假设源节点S₁到其目的节点D₁的ETX值为10，其邻居节点R₁、R₄、R₅、R₆、D₂到目的节点D₁的ETX值分别为6、12、13、8、9，与节点S₁的链路质量分别为8、8、7、4、6，链路质量阈值d_t为5；

在节点S₁候选节点集的选择过程中首先根据源节点到目的节点的ETX为10可排除节点R₄、R₅再根据链路质量阈值d_t为5可排除节点R₆那么源节点S₁再发送数据前可得出其候选节点集C＝{R₁,D₁}；

节点S₁在数据包P₁的头部填上节点R₁和节点D₁的地址并将数据包转发出去。值得注意的是节点R₁、R₄、R₅、R₆、D₂都可接受到数据包P₁但只有候选节点集C＝{R₁,D₁}里的节点在接收到数据包时计算自身路由权重并计算优先级。

当节点接收到某个数据包时，节点对数据包的处理流程如图2所示，具体包括：

第一步，判断是否为编码包，若为编码包则判断能否进行解码，能解码则解码后向其源节点发送ACK确认，否则丢弃。若为原始数据包则转到第二步；

第二步，检索自身是否是数据包候选节点集，若是则计算自身路由权重并根据路由权重值设置等待时延(等待时延与路由权重值成反比例关系，权重值越大则相应的等待时延越小)，否则丢弃数据包。

第三步，当在等待时延期间都未侦听到更高优先级节点对数据包进行确认时则将数据包放入发送缓存并向发送节点发送ACK确认，若在等待时延内接收到优先级更高的节点的ACK数据包则将该数据包丢弃。

当候选节点接收到源节点发送的数据包P(s)后，将其放入缓存队列。考虑节点n链路剩余相对缓存WL(n)、节点相对剩余能量RE(n)以及节点编码机会CC(n)三个影响因子，利用设计的模糊逻辑系统计算出候选节点路由权重，根据权重值设置优先级。节点的相对剩余能量RE(n)表示为：

WL(n)＝(n_epc_m)*g；

节点的相对剩余缓存WL(n)表示为：

RE(n)＝(E_cE_i)*g；

节点的编码机会CC(n)表示为：

CC(n)＝a*C_c+(1-a)*C_t；

其中，n_ep表示节点当前发送缓存大小；c_m表示节点初始发送缓存大小；E_c表示节点当前剩余能量；E_i表示节点初始能量；C_c表示当可编码数据包个数；C_t表示一段时间内经过节点的数据流数；g为归一化参数；a取值为[0,1]，表示的是当前编码机会所占比重为a，潜在编码机会所占比重为(1-a)。

在本实施例中，计算路由权重的时候采用模糊逻辑系统。模糊逻辑系统大概分为三步，首先根据隶属函数图对输入的三个参数WL(n),CC(n),RE(n)进行模糊化处理，将计算的结果和我们预先制定的规则加入推理机中匹配。再根据相应的公式对匹配的规则进行去模糊化处理。

在模糊化阶段可将三者的取值划分为五个等级：very low，low，medium，high以及very high。因WL(n)，CC(n)，RE(n)模糊化处理后有五种不同的等级，因此在规则制定时为覆盖到所有情况本发明制定条5³＝125规则。为保证方案的有效性对每条规则的价值进行赋值，对每条规则进行赋值的过程本领域技术人员可以根据实际需要进行赋值，在本实施例中，例如表1中，将等级为Low的WL(n)、等级为Very Low的RE(n)以及等级为Very Low的CC(n)组合起来的规则的价值为Very poor。在实际计算一个节点的过程中，节点的三个参数的值根据对应的隶属度值可以对应两个模糊规则等级，三个参数每个有两个模糊规则等级，进行组合可以得到8条模糊规则，从本发明构建的模糊规则库中的125条规则中找到这8条模糊规则对应的价值，在计算节点的路由权重时，将模糊规则对应的价值与该节点三个参数的有效性的乘积作为该节点的路由权重。

将规则的价值分为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1分别代表very poor，poor，littlepoor,passing，well，excellent，即若模糊规则的等级为very poor则该规则的价值为0。为了更好的阐明规则库的制定，表1展示了规则库中的10条规则。

表1部分规则展示

跟据规则库中的第一条规则当WL(n)取very low，CC(n)取very poor，RE(n)取very poor时该规则的价值为0，所有125条规则的价值本领域技术人员可以根据实际需要进行组合选择，因为本实施例中选择的每个参数的等级为5，则总共有5³条规则，可以根据实时需求划分等级个数，同理，组合得到规则进行规则的价值划分也可以根据实际需要划分等级数，本实施例划分6个等级，在其他实施场景中可以根据实时需要增加或者减少等级数量，在为等级赋值时同理。

本实施例根据计算隶属函数时，将RE(n)、WL(n)、CC(n)的值归一化到[0,10]区间，对应归一化后RE(n)、WL(n)、CC(n)的值中[0,2.5]对应等级为very low、[0，5]对应等级为low、[2.5,7.5]对应等级为medium、[5,10]对应等级为high、[7.5,10]对应等级为veryhigh，并根据划分的等级按区间计算隶属度，以RE(n)为例，每个RE(n)的值至少对应两个等级区间，且在不同的等级区间RE(n)隶属度值计算函数不一样，每次对一个节点进行计算时，可以基于此获取8条模糊规则，隶属度对应图3的，对应的隶属度表示为：

其中，y为计算得到的隶属度；x∈{RE(n)，WL(n)，CC(n)}，为RE(n)，WL(n)，CC(n)对应的值。

若假设节点n的WL(n)＝2，RE(n)＝6，CC(n)＝4那么根据隶属函数图可判断WL(n)等级值为Very Low和Low，有效性分别为0.2,0.8；RE(n)等级值为High和Medium，可取性分别为0.4,0.6；CC(n)等级值为Low和Medium，可取性分别为0.4,0.6。根据模糊化结果我们可以从规则库中选出表2所示的8条规则。

表2样例所取规则

表示2中每条规则进行有效性计算，计算结果见表3。有效性表示为：

其中，RW(n)为包含n条模糊规则的节点的路由权重；Rule_i为第i条模糊规则；v_i为模糊规则Rule_i对应的价值。

表3样例每条规则有效性计算

参考图1试说明本实施例路由权重的计算及优先级排序。由前面描述可知节点S₁发送数据包P₁出去，其候选节点R₁和D₁将接收到数据包P₁并根据模糊逻辑系统计算出相应的路由权重，假设R₁其路由权重值为0.52，D₁其路由权重值为0.26.在本发明中节点等待时延设定值与其路由权重成反比例关系。假设R₁等待时延为t,那么D₁节点的等待时延将为2t。当R₁节点等待时延结束后则将接收到的数据包放入发送缓存中，并向节点S₁发送ACK确认。当节点侦听到D₁节点发送的ACK确认时则认为数据包P₁已被优先级更高的P₁节点发送完毕。则D₁节点将丢弃P₁数据包。

本发明采用的编码结构如图5，OR由于其路径的不确定性，数据包不可能像按需路由一样记录经过的所有节点及这些节点对应的邻居节点。因此在OR路由通常采用COPE协议中的编码方法。即只能获得物理一跳范围内的编码机会。当且仅当解码节点是下一跳候选节点时才满足编码条件。为了突破OR传统的一跳编码限制本发明中采用记录发送节点的邻居节点，那就可以让信源/信宿节点参与编解码从而获得更多的编码机会。

如图6，由于节点2并不是节点5的邻居节点，因此数据包P₁、P₂在节点3相遇并不满足传统的OR编码结构。但若我们将节点1的邻居节点6添加到P₁数据包头部，节点8的邻居节点4添加到P₂数据包头部，那么在节点3处就满足逻辑上的一跳编码结构，即P₁、P₂数据包可在节点3处进行编码。

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 (1)

1.一种基于网络编码的机会式编码感知路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、候选节点集的选择，源节点从邻居节点中选出合适的候选节点集，并广播数据包给候选节点；具体包括：发送节点s根据期望传输次数和链路质量阈值d_t从邻居节点集N(s)选择候选节点集C，若邻居节点n到目的节点的期望传输次数值小于发送节点到目的节点的期望传输次数值且d_n＞d_t则将节点加入候选节点集C中，d_n表示节点n的链路质量；

S2、各候选节点计算出自身路由权重，并根据路由权重设置发送等待时延t；节点的路由权重的计算过程包括：

计算节点的相对剩余能量RE(n)、节点的相对剩余缓存WL(n)、节点的编码机会CC(n)；具体包括：

节点的相对剩余能量RE(n)表示为：WL(n)＝(n_epc_m)*g；

节点的相对剩余缓存WL(n)表示为：RE(n)＝(E_cE_i)*g；

节点的编码机会CC(n)表示为：CC(n)＝a*C_c+(1-a)*C_t；

其中，n_ep表示节点当前发送缓存大小；c_m表示节点初始发送缓存大小；E_c表示节点当前剩余能量；E_i表示节点初始能量；C_c表示当可编码数据包个数；C_t表示一段时间内经过节点的数据流数；g为归一化参数；a表示的是当前编码机会所占比重，取值为[0,1]，则潜在编码机会所占比重为(1-a)；

将RE(n)、WL(n)、CC(n)值输入模糊逻辑系统利用隶属函数对RE(n)、WL(n)、CC(n)进行模糊化处理；具体包括：

根据RE(n)、WL(n)、CC(n)的值，分别将RE(n)、WL(n)、CC(n)分为5个等级，包括verylow，low，medium，high以及very high；

RE(n)、WL(n)、CC(n)的各个等级进行组合得到5³条模糊规则；

对5³条模糊规则进行等级划分，划分为very poor，poor，little poor，passing，well，excellent六个等级，每个等级一次对应的价值为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1；

模糊化后将生成的规则与规则库中的规则进行匹配，计算出每一条规则的价值，即将RE(n)、WL(n)、CC(n)的值归一化到[0,10]区间，对应归一化后RE(n)、WL(n)、CC(n)的值中[0,2.5]对应等级为very low、[2.5，5]对应等级为low、[5,7.5]对应等级为medium、[0,2.5]对应等级为high、[0,2.5]对应等级为very high，并根据划分的等级按区间计算隶属度，对应的隶属度表示为：

其中，y为计算得到的隶属度；x∈{RE(n)，WL(n)，CC(n)}，为RE(n)、WL(n)、CC(n)对应的值；

对匹配的结果进行去模糊化，根据每条规则的价值计算出节点的路由权重，即每次根据输入的RE(n)、WL(n)、CC(n)的值获取每个对应的模糊规则等级，RE(n)、WL(n)、CC(n)的值分别对应两个模糊规则等级，三个参数的模糊规则等级进行组合得到8条模糊规则，每条模糊规则中三个参数的隶属函数对应的值的乘积作为该条模糊规则的有效性，将模糊规则的有效性与该条模糊规则的价值的乘积作为节点的路由权重；节点的路由权重表示为：

其中，RW(n)为包含n条模糊规则的节点的路由权重；Rule_i为第i条规则的可取性；v_i为模糊规则Rule_i对应的价值；

S3、候选节点中路由权重最大的节点将数据包放入发送缓存向源节点回复ACK确认并根据网络编码规则发送数据包；网络编码规则包括：

采用两条数据流进行编码；

在数据包的头部记录下源节点的邻居节点地址以及上一跳转发节点地址；

S4、当发送端确认下一跳节点已成功接收数据包则认为数据发送成功，并将发送缓存队列中相应的数据包删除。