CN115567157A - 一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法及装置，包括：步骤(1)根据小区中基站到用户的链路容量、用户需要接收的数据包信息以及RA‑IDNC网络编码条件构造出相应的RA‑IDNC编码关系图；步骤(2)在RA‑IDNC编码关系图中计算初始完成时间最大用户在IDNC图中对应的所有节点的权重，并从中选取权重最大的节点，并将这个节点添加至最大权重团中；步骤(3)在RA‑IDNC编码关系图中仅保留与所选取最大权重节点存在连接边的节点，并更新RA‑IDNC编码关系图；步骤(4)如果更新后的RA‑IDNC编码关系图中节点集合不为空集，则计算所有节点权重并转至步骤(3)；否则，输出最大权重编码团。

Description

一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法及 装置
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于即时可解码网络编码IDNC的速率感知网络编码方法及装置。
背景技术
即时可解码网络编码IDNC的概念首次被D.Tmskov等提出来，Sorour等深入研究了即时可解码网络编码，利用二进制异或XOR运算来实现IDNC编码，从而消除了RLNC所需的大型Galois域上的复杂操作。同样，在发送端进行的这种XOR编码只需在接收端进行类似的二进制XOR解码，可译立即译码恢复出原始数据包，相对于RLNC可取得更小的译码时延且译码计算复杂度要简单得多。而且在接收端处不需要缓冲器来存储编码数据包。下一代网络以高数据吞吐量，低时延、高传输可靠性为标志，速率感知网络编码为满足上述性能指标提供了一种潜在技术途径。大多数先前的工作，在基于即时可解码网络编码的系统中优化不同参数，考虑网络的上层视图并将其物理层条件(例如，衰落、阴影等)抽象为简单的擦除信道模型，假设所有的编码包组合具有相同的物理层数据传输速率，这样的假设并不符合现实的信道条件。众所周知，蜂窝网络中的不同用户经历不同的信道条件，因此可由基站提供不同的数据传输速率，而编码数据传输速率的差异性会影响每次传输中要组合的数据包的选择以及编码数据传输速率的选择，需将编码数据包的选择和编码数据传输速率的选择进行联合考虑来减小系统数据传输完成时间。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法及装置，从而减小系统传输数据完成时间。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，包括：
步骤(1)：根据基站到用户的链路容量、用户需要接收的数据包信息以及速率感知-即时可解码网络编码RA-IDNC网络编码条件构造出相应的RA-IDNC编码关系图；
步骤(2)：在RA-IDNC编码关系图中计算初始完成时间最大用户在即时可解码网络编码IDNC图中对应的所有节点的权重，并从中选取权重最大的节点，并将这个节点添加至最大权重团中；
步骤(3)：在RA-IDNC编码关系图中仅保留与所选取最大权重节点存在连接边的节点，并更新RA-IDNC编码关系图；
步骤(4)：如果更新后的RA-IDNC编码关系图中节点集合不为空集，则计算所有节点权重并转至步骤(3)；否则，输出最大权重编码团。
在一些实施例中，步骤(1)，根据小区中基站到用户的链路容量、用户需要接收的数据包信息以及RA-IDNC网络编码条件构造出相应的RA-IDNC编码关系图，包括：
RA-IDNC编码关系图中节点vu,j,r表示接收用户Cu需求数据包Pj，数据包传输速率为r；RA-IDNC编码关系图中节点vu,j,r与vu',j',r'存在编码连接边的判断规则为至少满足以下两个条件中之任一条件：
(3)r＝r'；
(4)Pj＝Pj'或(Pj,Pj')∈Hu'×Hu
其中u,j以及u',j'分别为用户、数据包的编号，Hu'、Hu表示用户Cu'、Cu已经拥有的数据包(H＝has)。
在一些实施例中，步骤(2)包括：
步骤2.1：在给定的时间边编码数据包发送时隙t，计算所有用户的单个完成时间的下限；这个下限是为每个用户单独计算的，不需要利用用户数据包接收的相互依赖性；并选出单个完成时间最大的用户Um；
步骤2.2：计算用户Um所有节点的权重，从中选取权重最大的节点，并将这个节点添加至最大权重团中。
进一步地，步骤2.1中，在给定的时间边编码数据包发送时隙t，计算所有用户的单个完成时间的下限Tk(t)，包括：
Figure BDA0003849250090000031
其中Wk(0)是用户Uk的初始需求集大小，B为数据包大小，
Figure BDA0003849250090000032
是用户Uk的累积时间延迟，
Figure BDA0003849250090000033
为基站到用户Uk的信道容量。
进一步地，步骤2.2中，计算用户Um所有节点的权重
Figure BDA0003849250090000034
包括：
Figure BDA0003849250090000035
其中δ(vu,j,r)表示在RA-IDNC编码关系图中与vm,j,r存在连接边的节点集合。
在一些实施例中，在步骤(2)之前，将所述最大权重团初始化为空集。
第二方面，本发明提供了一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
第三方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
有益效果：本发明提供的基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法及装置，具有以下优点：本发明在即时可译码网络编码技术的基础上充分结合了动态传输速率和利用单个完成时间的下限的情况，通过选择编码团使得当前时隙编码编码数据传输完成时间最小化。研究表明基于速率感知的即时可译码网络编码系统较传统即时可译码网络编码系统可取得显著的性能增益，具体体现在可降低系统传输数据完成时间。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的方法的构建最大权重团的流程示意图；
图2为根据本发明一实施例的RA-IDNC编码关系图；
图3为根据本发明一实施例中matlab仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，包括以下步骤：
步骤(1)：根据小区中基站到用户的链路容量、用户需要接收的数据包信息以及RA-IDNC网络编码条件构造出相应的RA-IDNC编码关系图；
步骤(2)：初始化最大权重团为空集；
步骤(3)：在RA-IDNC编码关系图中计算初始完成时间最大用户在IDNC图中对应的所有节点的权重，并从中选取权重最大的节点，并将其添加至最大权重团中；
步骤(4)：在RA-IDNC编码关系图中仅保留与所选取最大权重节点存在连接边的节点，并更新RA-IDNC编码关系图；
步骤(5)：如果更新后的RA-IDNC编码关系图中节点集合不为空集，则计算所有节点权重并转至步骤(3)；否则，输出最大权重编码团。
完成时间最小化公式可表示为：
Figure BDA0003849250090000061
其中Wk(0)是设备Uk的初始需求集大小，B为数据包大小，
Figure BDA0003849250090000062
是设备Uk在调度
Figure BDA0003849250090000063
中的累积时间延迟，在策略
Figure BDA0003849250090000064
中
Figure BDA0003849250090000065
是设备Uk可立即解码的传输速率调和平均值。
在给定的时间边编码数据包发送时隙t，计算所有用户的单个完成时间的下限。这个下限是为每个用户单独计算的，不需要利用用户数据包接收的相互依赖性。并选出单个完成时间最大的用户Um，计算用户Um所有节点的权重，从中选取权重最大的节点，并将其添加至最大权重团中。
为了降低计算复杂度，采用如下计算方法计算所有用户的单个完成时间的下限：
Figure BDA0003849250090000066
通过选择编码团公式的优化转化，使得当前时隙编码传输之后所有用户完成时间最小化问题可通过选取最大权重团算法求解。流程示意图如图1所示，具体方法为：
第一步：初始化；
用户节点对应的RA-IDNC编码关系图为
Figure BDA0003849250090000071
初始化最大权重团
Figure BDA0003849250090000072
计算初始完成时间最大用户所有节点的权重
Figure BDA0003849250090000073
取权重最大节点v* u,j,r，更新
Figure BDA0003849250090000074
第二步：迭代运行；
将节点v* u,j,r和与之不相连的节点从
Figure BDA0003849250090000075
删除，得到子图
Figure BDA0003849250090000076
如果
Figure BDA0003849250090000077
继续迭代计算所有节点权重
Figure BDA0003849250090000078
并更新
Figure BDA0003849250090000079
运行直至
Figure BDA00038492500900000710
否则输出最大权重团
Figure BDA00038492500900000711
和传统IDNC相比，RA-IDNC会生成更多的节点，因其包含对速率的选择。RA-IDNC要生成节点集，首先为每个用户Cu引入可实现速率集
Figure BDA00038492500900000712
其中
Figure BDA00038492500900000713
表示所有用户链路容量的集合，
Figure BDA00038492500900000714
表示用户Cu的链路容量。
在得到用户可实现速率集后，可以结合用户需要接收的数据包信息以及RA-IDNC网络编码条件构造出相应的RA-IDNC编码关系图，RA-IDNC编码关系图中节点vu,j,r表示接收用户Cu需求数据包Pj，数据包传输速率为r。
如图2所示为RA-IDNC编码关系图示例，基站将4个数据包P1,P2,P3,P4广播发送给3个用户C1,C2,C3，基站到用户的链路容量为R1＝4.4bit/s，R2＝3.2bit/s，R1＝1.8bit/s。并假设用户C1尚未收到数据包P1，用户C2尚未收到数据包P2和P4，用户C3尚未收到数据包P1和P3。用户C1,C2,C3的速率集分别为
Figure BDA00038492500900000715
因此基站到用户C1可生成节点v1,1,4.4，v1,1,3.2，v1,1,1.8；用户C2可生成节点v2,2,3.2，v2,2,1.8，v2,4,3.2，v2,4,1.8；同理用户C3可生成节点v3,1,1.8，v3,3,1.8。
RA-IDNC编码关系图中节点vu,j,r与vu',j',r'存在编码连接边的判断规则为至少满足以下两个条件中之任一条件：
(1)r＝r'；
(2)Pj＝Pj'或(Pj,Pj')∈Hu'×Hu。
依据公式Tk(t)计算每个用户的下限完成时间并从构造出的RA-IDNC关系图中选取最大完成时间用户所形成的节点集合，根据权重公式
Figure BDA0003849250090000081
计算最大权重节点v* u,j,r。计算节点v3,1,1.8和v3,3,1.8的权重为ω3,1,1.8＝9.72，ω3,3,1.8＝6.48，选择节点v3,1,1.8为权重最大节点，在图中删除其和与之不相连的节点并计算剩余节点v1,1,1.8，v2,4,1.8和v2,2,1.8的权重为ω1,1,1.8＝6.48，ω2,4,1.8＝ω2,2,1.8＝3.24，类似的，接着可依次选择最大权重节点v1,1,1.8和v2,4,1.8，可形成独立编码节点子集(即独立最大权重团)κ＝{v3,1,1.8,v1,1,1.8,v2,4,1.8}，对应的网络编码方式为基站发送编码数据包
Figure BDA0003849250090000082
编码数据传输速率为1.8bit/s，如果各用户能正确接收到该编码包，则用户C1和C3均能通过网络译码获得自己所需数据包P1，用户C2通过网络译码可获得自己所需数据包P4；
图3是本发明实施例的基于IDNC的速率感知网络编码方法与传统IDNC编码方法和未编码广播传输的性能比较仿真图，主要针对的是不同用户数量实现的完成时间比较。基站位于蜂窝小区中心，用户均匀分布在小区内，本发明采用的物理层参数为：蜂窝小区直径400m，理想信道估计，瑞利衰落信道模型，发射功率-43.2dBm/Hz，噪声功率为-172dBm/Hz。固定数据包个数N＝20，数据包大小B＝1Mb。可以看到，三种方案随着用户数量的增多，完成时间呈不断上升趋势，而且本发明提出的基于IDNC的速率感知网络编码方法优于传统IDNC和未编码广播传输方法，因为它使用了新的IDNC图，并在决策中考虑了动态传输速率和单个完成时间的下限。而且，传统IDNC盲目地采用从基站到其他用户的最小信道容量作为传输速率，不能将传输速率选择和编码数据包选择进行联合考虑。正如预期的那样，由于忽略了网络编码和动态速率自适应，未编码的广播方案表现不佳。
实施例2
第二方面，本实施例提供了一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1所述方法的步骤。
实施例3
第三方面，本实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：根据基站到用户的链路容量、用户需要接收的数据包信息以及速率感知-即时可解码网络编码RA-IDNC网络编码条件构造出相应的RA-IDNC编码关系图；
步骤(2)：在RA-IDNC编码关系图中计算初始完成时间最大用户在即时可解码网络编码IDNC图中对应的所有节点的权重，并从中选取权重最大的节点，并将这个节点添加至最大权重团中；
步骤(3)：在RA-IDNC编码关系图中仅保留与所选取最大权重节点存在连接边的节点，并更新RA-IDNC编码关系图；
步骤(4)：如果更新后的RA-IDNC编码关系图中节点集合不为空集，则计算所有节点权重并转至步骤(3)；否则，输出最大权重编码团。
2.根据权利要求1所述的基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，其特征在于，根据小区中基站到用户的链路容量、用户需要接收的数据包信息以及RA-IDNC网络编码条件构造出相应的RA-IDNC编码关系图，包括：
RA-IDNC编码关系图中节点vu,j,r表示接收用户Cu需求数据包Pj，数据包传输速率为r；RA-IDNC编码关系图中节点vu,j,r与vu',j',r'存在编码连接边的判断规则为至少满足以下两个条件中之任一条件：
(1) r＝r'；
(2)Pj＝Pj'或(Pj,Pj')∈Hu'×Hu
其中u,j以及u',j'分别为用户、数据包的编号，Hu'、Hu表示用户Cu'、Cu已经拥有的数据包。
3.根据权利要求1所述的基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，其特征在于，步骤(2)包括：
步骤2.1：在给定的时间边编码数据包发送时隙t，计算所有用户的单个完成时间的下限；这个下限是为每个用户单独计算的，不需要利用用户数据包接收的相互依赖性；并选出单个完成时间最大的用户Um；
步骤2.2：计算用户Um所有节点的权重，从中选取权重最大的节点，并将这个节点添加至最大权重团中。
4.根据权利要求3所述的基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，其特征在于，在给定的时间边编码数据包发送时隙t，计算所有用户的单个完成时间的下限Tk(t)，包括：
Figure FDA0003849250080000021
其中Wk(0)是用户Uk的初始需求集大小，B为数据包大小，
Figure FDA0003849250080000022
是用户Uk的累积时间延迟，
Figure FDA0003849250080000023
为基站到用户Uk的信道容量。
5.根据权利要求3所述的基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，其特征在于，计算用户Um所有节点的权重
Figure FDA0003849250080000024
包括：
Figure FDA0003849250080000025
其中δ(vu,j,r)表示在RA-IDNC编码关系图中与vm,j,r存在连接边的节点集合。
6.根据权利要求1所述的基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码方法，其特征在于，在步骤(2)之前，将所述最大权重团初始化为空集。
7.一种基于即时可解码网络编码的速率感知网络编码装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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