CN115968008A - 一种基于网络编码的多流编码感知路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络编码的多流编码感知路由方法包括：源节点广播第一RREQ数据包，目的节点接收到第一RREQ数据包后生成第一RREP数据包发送给源节点；中继节点利用多流编码条件判断第一RREQ数据流与其余RREQ数据流之间是否存在的编码机会，并计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值，根据第一RREP数据包所有传输路径的路由度量值选择最优的第一RREP数据包传输路径对待传输的数据包进行传输，在第一RREP数据包传输路径中利用多流确认编码条件判断数据流编码的可用性，在多流环境能有效的提高编码率，避免了多流间的干扰问题，减少了网络端到端传输次数和端到端传输时延，提高了网络性能。

Description

一种基于网络编码的多流编码感知路由方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于网络编码的多流编码感知路由方法。

背景技术

现随着无线通信技术的不断发展，无线多跳网络的应用越来越广泛，其是一种由带有无线收发设备的节点，以自组织的方式构建无线通信系统。网络中每个节点功能与地位对等，没有中心化的节点。相比于传统的无线网络，无线多跳网络不需要基础设备设施，节点具有高移动性和易接入性等特点，可以通过较低的成本部署并应用在多种场景。

为了解决无线网络中资源管理和可靠传输的问题，Ahlswede等人在2000年提出了网络编码，网络编码技术改变了网络中节点的工作方式，允许节点对数据包进行编解码操作，增加了单个数据包所携带的信息量，从而提升了网络传输容量，并且通过对数据包的编码传输，相比于原始数据包的传输，数据传输的安全性更高。编码感知路由通过主动探索编码机会提升了路由过程的传输性能，基于网络编码的路由技术将路由与编码两种技术相结合，能够提升网络吞吐量。

目前典型的利用网络编码的路由方法有：首次被动的利用编码机会的路由方法(Complete Opportunity Encoding，COPE)、分布式编码感知路由方法(DistributedCoding-aware Routing，DCAR)，多流编码感知路由方法(Distributed Greedy Coding-aware Deterministic Routing，DGCDR)。这些路由方法的设计都是直接使用路由发现过程中的编码机会，通常是设置严格的编码判断条件进行限制，不仅降低了编码机会的发现，同时由于网络的实际情况导致不能在路由发现过程中完全决定编码机会的可用性。所以需要提出一种动态解决数据流间干扰的编码感知路由方法来提升网络的性能。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，包括：

S1：源节点广播第一RREQ数据包，目的节点接收到第一RREQ数据包后生成第一RREP数据包发送给源节点；

S2：根据经过中继节点的所有RREQ数据流、第一RREP数据包和中继节点的邻居节点判断第一RREQ数据流与其余RREQ数据流之间是否存在编码机会得到第一RREQ数据流在中继节点的编码数据流的数量，并计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值；

S3：根据中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值计算第一RREP数据包传输路径的路由度量值；

S4：根据第一RREP数据包所有传输路径的路由度量值选择最优的第一RREP数据包传输路径对待传输的数据包进行传输。

本发明至少具有以下有益效果

本发明中在路由发现过程中利用通用的多流编码条件进行编码机会的判断，以此尽可能发现更多的编码机会，同时通过链路质量和编码机会组成的路由度量来选择数据传输的路径；在选取的传输路径中的可编码节点处，并非直接利用预计的编码机会，而是需要进行编码机会的确认，如果满足多流确认编码条件，则可以进行编码，否则不能进行编码；发明将编码分为了两个阶段，阶段1是路由发现过程中编码机会的发现，通过简洁高效的条件进行判断，阶段2是数据传输过程中编码机会可用性的判断，在中继节点处判断多流编码的上下游节点的编码和解码相关节点情况，动态的解决上游节点编码对下游节点编码的干扰问题，在多流环境中有很高的有效编码率，避免了多流间的干扰问题，减少了网络端到端传输次数和端到端传输时延，提高了网络性能。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图；

图2为本发明中路由请求RREQ数据包的数据结构示意图；

图3为本发明中路由应答RREP数据包的数据结构示意图；

图4为本发明待传输数据包的数据结构示意图；

图5为本发明实施例中输出据传输示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，本发明提出一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：源节点广播第一RREQ数据包，目的节点接收到第一RREQ数据包后生成第一RREP数据包发送给源节点；

优选地，所述步骤S1具体包括：

源节点广播第一路由请求RREQ数据包，源节点的下一级中继节点收到第一RREQ数据包后判断其是否为目的节点，如果不是目的节点则将IP地址加入到第一RREQ数据包中继续向下一级中继节点广播第一RREQ数据包；

如果是目的节点则根据第一RREQ中的消息生成第一路由应答数据包RREP并按照第一RREQ数据包的传输路径反向传输给源节点(即单播传输)；

当中继节点收到第一RREP数据包时，会将经过中继节点的所有RREQ数据流信息以及中继节点的邻居节点加入到第一RREP数据包中并继续向下一级中继节点单播第一RREP数据包。

当中继节点收到RREP数据包时，将经过中继节点的所有数据流信息以及中继节点的邻居节点加入到RREP数据包中并根据经过中继节点的数据流的数量判断经过中继节点的当前数据流和中继保存的其余数据流之间是否存在编码机会，若存在编码机会则将RREP数据包在该中继节点的编码标识设置为1，并记录能与当前数据流进行编码的数据流。

参考图2是路由请求RREQ数据包格式，包含特定的和需要收集的字段信息，其中TYPE表示RREQ数据包类型，ID为RREQ数据包标识，LENGTH表示RREQ数据包长度，TTL表示RREQ数据包的生存时间，HOP COUNT表示路由跳数，其余的是源节点、目的节点和中继节点IP信息。

参考图3是路由响应RREP数据包格式，其中TYPE表示RREP数据包类型，ID为RREP数据包标识，LENGTH表示RREP数据包长度，TTL表示RREP数据包的生存时间，PATH表示RREP数据包传输路径，CODE表示中继节点是否存在编码机会，其余需要记录目的节点的邻居节点IP、经过中继节点的数据流和邻居节点IP和中继节点的路由度量值。

S2：根据经过中继节点的所有RREQ数据流、第一RREP数据包和中继节点的邻居节点判断第一RREQ数据流与其余RREQ数据流之间是否存在编码机会得到第一RREQ数据流在中继节点的编码数据流的数量，并中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值；其中，所述其余RREQ数据流为其余源节点向对应的目标节点发送的RREQ数据流。

优选地，所述判断经过中继节点的RREQ数据流之间是否存在编码机会包括：

并且d_i∈N(s_j),并且s_j∈U(c,f_j),或d_i∈U(c,f_j)

其中，f_i,f_j表示任意数据流，d_i表示任意节点，U(c,f_j)表示中继节点c在RREQ数据流f_j中的上游节点集合，D(c,f_i)表示中继节点c在RREQ数据流f_i中的下游节点集合，N(c)表示中继节点c的一跳范围的邻居节点集合，a∈N(c)表示节点a能够侦听到中继节点c所转发的数据包。

当第一RREQ数据流与其余RREQ数据流之间存在编码机会则将其余编码数据流作为第一RREQ数据流的编码数据流。

优选地，所述中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值包括：

S21：根据经过中继节点的所有RREQ数据流的数量和第一RREQ数据流在中继节点的编码数据流的数量计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数；

优选地，所述中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数包括：

其中，θ_i表示经过中继节点的所有RREQ数据流的数量，C_i表示第一RREQ数据流在中继节点的编码数据流的数量，

表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数。

S22：根据第一链路的丢包率(丢失数据包的概率)和中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时和编码时的期望传输次数；所述第一链路包括：中继节点在第一RREQ数据流中和其上级节点构成的链路；

η_i＝θ_i/(1-p_α)

其中，p_α表示中继节点和上级节点之间构成的链路的丢失数据包，η_i表示中继节点在非编码时的期望传输次，μ_i表示中继节点在编码时的期望传输次数，θ_i表示经过中继节点的数据流的数量。

S23：根据中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时和编码时的期望传输次数计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值；

CB_i＝η_i-μ_i

其中，CB_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值，η_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时的期望传输次，μ_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的期望传输次数。

S3：根据中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值计算第一RREP数据包传输路径的路由度量值；

其中，RM_i表示第一RREP数据包传输路径的路由度量值，Hop(R_i)表示路由R_i中源节点到目的节点经过的跳数(等于与中继节点的数量)，η_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时的期望传输次，CB_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值。

S4：根据所有第一RREP数据包传输路径的路由度量值选择最优的第一RREP数据包传输路径对待传输的数据包进行传输；

优选地，当路径之间的路由度量值不相同时，选择路由度量值较小的路径；当路径之间的路由度量值相等时，选择跳数较少的路径；当路径之间的路由度量值与跳数都相同时，选择最先访问的路径。

优选地，源节点通过最优的第一RREP数据包传输路径对待传输的数据包进行传输时，如果最优的第一RREP数据包传输路径中的中继节点满足多流确认编码条件，则对满足编码条件的数据包编码发送，否则不编码直接发送。

优选地，所述多流确认编码条件包括：

并且d_i∈N(s_j),并且s_j∈US(v,c,f_j),或d_i∈US(v,c,f_j)

其中，f_i,f_j表示任意数据流，d_i表示任意节点，US(v,c,f)表示数据流f在最新编码节点v到当前节点c之间的节点集合，D(c,f_i)表示中继节点c在RREQ数据流f_i中的下游节点集合，N(c)表示中继节点c的一跳范围的邻居节点集合，a∈N(c)表示节点a能够侦听到中继节点c所转发的数据包。

实施例，本本发明中的网络模型如图5所示，在该网络模型中的节点包含三种类型，源节点，如图5中的S₁、S₂、S₃、S₄；中继节点，如图5中的R₁、R₂、R₃、R₄、R₅；目标节点，如图5中的D₁、D₂、D₃、D₄。

多条数据流f＝{f_i|i∈{1,2,3,...,n}}从各自的源节点发送，在中继节点可进行网络编码，并以广播的方式发送给下级节点。图5中给出S₁→D₁、S₂→D₂、S₃→D₃、S₄→D₄四条数据流，分别发送数据包P₁,P₂,P₃,P₄，通过多流编码条件判断在节点R₁处f₁,f₂,f₃三条数据流存在编码机会，在节点R₂处f₃与f₄也存在编码机会。在步骤S5数据传输过程中三条数据流f₁,f₂,f₃都是未编码数据流，可直接进行网络编码成

通过多流确认编码条件判断流f₄的下游节点R₄可以侦听到节点R₁编码数据流所发送的编码数据包，所以数据流f₄的下游可以正确解码，同时f₃的目的节点D₄可侦听到f₁,f₂,f₄的原始数据包，f₃的下游节点也可正确解码，即可在节点R₂处将数据流f₃与f₄进行编码成

在节点R₄处进行解码

可还原数据包P₄。

参考图4是待传输数据包格式，其中，TYPE表示数据包类型，ID为数据包标识，LENGTH表示数据包长度，TTL表示数据包的生存时间，CODE表示数据流是否是编码流，ROUTE表示数据包传输路径，DATA表示数据包携带的数据。

在本方法中，利用最基本的多流编码条件进行编码机会的判断，以此可以发现更多的编码机会，通过链路质量和编码机会组成的路由度量来选择最优的数据传输的路径，同时在编码节中继点处判断编码机会的可用性，可以动态的解决多流间干扰问题。

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 (9)

1.一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，包括：

S1：源节点广播第一RREQ数据包，目的节点接收到第一RREQ数据包后生成第一RREP数据包发送给源节点；

S2：根据经过中继节点的所有RREQ数据流、第一RREP数据包和中继节点的邻居节点判断第一RREQ数据流与其余RREQ数据流之间是否存在编码机会得到第一RREQ数据流在中继节点的编码数据流的数量，并计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值；

S3：根据中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值计算第一RREP数据包传输路径的路由度量值；

S4：根据第一RREP数据包所有传输路径的路由度量值选择最优的第一RREP数据包传输路径对待传输的数据包进行传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，所述判断经过中继节点的RREQ数据流之间是否存在编码机会包括：

并且d_i∈N(s_j),并且s_j∈U(c,f_j),或d_i∈U(c,f_j)

其中，f_i,f_j表示任意数据流，d_i表示任意节点，U(c,f_j)表示中继节点c在RREQ数据流f_j中的上游节点集合，D(c,f_i)表示中继节点c在RREQ数据流f_i中的下游节点集合，N(c)表示中继节点c的一跳范围的邻居节点集合，a∈N(c)表示节点a能够侦听到中继节点c所转发的数据包。

3.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，所述中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值包括：

S21：根据经过中继节点的所有RREQ数据流的数量和第一RREQ数据流在中继节点的编码数据流的数量计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数；

S22：根据第一链路的丢包率和中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时和编码时的期望传输次数；所述第一链路包括：中继节点在第一RREQ数据流中和其上级节点构成的链路；

S23：根据中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时和编码时的期望传输次数计算中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值。

4.根据权利要求3所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，所述中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数包括：

其中，θ_i表示经过中继节点的所有RREQ数据流的数量，C_i表示第一RREQ数据流在中继节点的编码数据流的数量，

表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的传输次数。

5.根据权利要求3所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，所述中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时和编码时的期望传输次数包括：

η_i＝θ_i/(1-p_α)

其中，p_α表示中继节点和上级节点之间构成的链路的丢失数据包，η_i表示中继节点在非编码时的期望传输次，μ_i表示中继节点在编码时的期望传输次数，θ_i表示经过中继节点的数据流的数量。

6.根据权利要求3所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，所述中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值包括：

CB_i＝η_i-μ_i

其中，CB_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值，η_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时的期望传输次，μ_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中编码时的期望传输次数。

7.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，所述第一RREP数据包传输路径的路由度量值包括：

其中，RM_i表示第一RREP数据包传输路径的路由度量值，Hop(R_i)表示路由R_i中源节点到目的节点经过的跳数(等于与中继节点的数量)，η_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中非编码时的期望传输次，CB_i表示中继节点在第一RREP数据包传输路径中的路由度量值。

8.根据权利要求所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，包括：源节点通过最优的第一RREP数据包传输路径对待传输的数据包进行传输时，如果最优的第一RREP数据包传输路径中的中继节点满足多流确认编码条件，则对满足编码条件的数据包编码发送，否则不编码直接发送。

9.根据权利要求8所述的一种基于网络编码的多流编码感知路由方法，其特征在于，所述多流确认编码条件包括：

并且d_i∈N(s_j),并且s_j∈US(v,c,f_j),或d_i∈US(v,c,f_j)

其中，f_i,f_j表示任意数据流，d_i表示任意节点，US(v,c,f)表示数据流f在最新编码节点v到当前节点c之间的节点集合，D(c,f_i)表示中继节点c在RREQ数据流f_i中的下游节点集合，N(c)表示中继节点c的一跳范围的邻居节点集合，a∈N(c)表示节点a能够侦听到中继节点c所转发的数据包。

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