專利名稱：一種基于噴泉碼的網(wǎng)絡(luò)編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在無線通信網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)可靠網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，屬于通訊編 碼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2000年，李彥碩和蔡寧等人在IEEE信息論匯刊上發(fā)表了題為"網(wǎng)絡(luò)信息流" 的文章，提出了網(wǎng)絡(luò)編碼的概念。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)編碼的理論，對于一個多節(jié)點的通 信網(wǎng)絡(luò)，如果允許各節(jié)點對多條輸入信道上的信息進(jìn)行一定的線性或非線性操 作(編碼)，然后再轉(zhuǎn)發(fā)出去，則該網(wǎng)絡(luò)的組播傳輸速率可以達(dá)到最大流最小割 定理所決定的網(wǎng)絡(luò)容量的上限。網(wǎng)絡(luò)編碼理論激發(fā)了人們對網(wǎng)絡(luò)信息論新的研 究興趣。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)編碼不但能夠節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，還可以節(jié)約終端 節(jié)點能量消耗、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、提升網(wǎng)絡(luò)的安全性等。最 近十年，人們對網(wǎng)絡(luò)編碼理論進(jìn)行了大量研究，提出了很多有價值的理論和方 法。
人們在研究網(wǎng)絡(luò)編碼的時候，隱含地使用了一條重要假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點 之間的信道是可靠的。對于Intei7iet或電話骨干網(wǎng)絡(luò)，由于傳輸?shù)目煽啃愿撸?這樣的假設(shè)與實際相符。然而， 一個實際的無線網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點之間的鏈路不如 有線鏈路可靠，允許節(jié)點對輸入的各支路數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼再轉(zhuǎn)發(fā)，確實能夠 實現(xiàn)最大流最小割理論指出的組播容量，但使用編碼轉(zhuǎn)發(fā)，各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的一個 輸入差錯會由于編碼造成多個輸出支路輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯，此差錯還會繼續(xù)沿 著網(wǎng)絡(luò)向下游擴散。這種差錯擴散帶來的可靠性下降會削弱甚至很快超過使用 網(wǎng)絡(luò)編碼有效性提高的好處。為了降低網(wǎng)絡(luò)編碼對每段鏈路傳輸可靠性的要求， 人們提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的差錯控制技術(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的差錯控制是針對網(wǎng) 絡(luò)、而非一條鏈路或一條路徑進(jìn)行操作的。這種網(wǎng)絡(luò)編碼差錯控制是一種比較 新的差錯控制方式，但使用此方式構(gòu)造糾錯編碼，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)較多時，糾錯 碼需要在很大的有限域下進(jìn)行構(gòu)造。因而這種碼的編碼復(fù)雜度和譯碼復(fù)雜度都 非常高。數(shù)字噴泉碼是一種應(yīng)用于刪除信道的糾錯編碼技術(shù)。噴泉編碼的典型應(yīng)用 包括無線組播和廣播業(yè)務(wù)、無線協(xié)作與中繼、分布式網(wǎng)絡(luò)存儲等。數(shù)字噴泉編 碼的基本思想是，在發(fā)送端，使用無比率編碼方法將K個信源數(shù)據(jù)包編成半無窮 數(shù)據(jù)包序列再進(jìn)行發(fā)送。每一個接收點正確接收到K個編碼包(或者略大于K個
編碼包)即可解出原發(fā)送的K個信源數(shù)據(jù)包。接收機正確譯出所發(fā)送K個源數(shù)據(jù) 包后，即向發(fā)送機發(fā)送單次確認(rèn)信號。使用數(shù)字噴泉技術(shù)，不論接收點收到哪K 個編碼數(shù)據(jù)包，也不論接收到的這K個數(shù)據(jù)包順序如何，接收端都能夠正確地譯 出源數(shù)據(jù)包序列。噴泉編碼應(yīng)用到無線組播業(yè)務(wù)，與傳統(tǒng)的反饋重傳技術(shù)相比 不但可大大減小反饋開銷，更重要的是，這種方法能夠顯著提高數(shù)據(jù)吞吐能力。 網(wǎng)絡(luò)編碼和噴泉碼都可應(yīng)用于組播系統(tǒng)提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐能力，但二者 各自獨立應(yīng)用于無線衰落環(huán)境下的多節(jié)點分布式網(wǎng)絡(luò)，都具有其自身的局限， 因此，有必要融合網(wǎng)絡(luò)編碼和數(shù)字噴泉編碼，研究無線信道環(huán)境下新型網(wǎng)絡(luò)糾 錯編碼方法，同時實現(xiàn)最大流最小割決定的網(wǎng)絡(luò)容量以及有噪有擾衰落信道的 信道容量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于將網(wǎng)絡(luò)編碼與噴泉編碼相結(jié)合，提供一種基于噴泉碼的 網(wǎng)絡(luò)編碼方法，能夠在無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
一種基于噴泉碼的網(wǎng)絡(luò)編碼方法，其具體步驟如下 步驟一、對信源進(jìn)行噴泉編碼
對包含K個信源符號的信源進(jìn)行第一級噴泉編碼，產(chǎn)生K個第一級噴泉編 碼符號。假定要往N個中間節(jié)點傳輸，將K個第一級噴泉編碼符號按照N個傳 輸信道的容量大小關(guān)系劃分為N個子集。
步驟二、將第一級噴泉編碼符號構(gòu)成的N個子集再以噴泉編碼的方式向N 個中間節(jié)點傳輸。
假定要往第n個中間節(jié)點(""1,…,W)傳輸&(h《^iO個第一級噴泉 編碼符號，則把這&個第一級噴泉編碼符號當(dāng)作新的信源符號進(jìn)行第二級的噴 泉編碼，然后向第n個中間節(jié)點傳輸。
步驟三、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉譯碼當(dāng)?shù)趎個中間節(jié)點接收到^個第二級噴泉編碼符號后，進(jìn)行噴泉譯碼，可 以采用BP譯碼算法或者高斯消元算法。當(dāng)譯碼成功時，中間節(jié)點向發(fā)送節(jié)點發(fā)
送一個譯碼成功的確認(rèn)信號。 步驟四、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉編碼
當(dāng)中間節(jié)點譯出第一級噴泉編碼符號后，如果中間節(jié)點能夠收集到K個第 一級噴泉編碼符號，則對第一級噴泉編碼符號再次進(jìn)行噴泉譯碼，譯出K個信 源符號，然后編碼生成V個新的第一級噴泉編碼符號，W'的大小根據(jù)該鏈路的 傳輸能力確定，再把這V個第一級噴泉編碼符號當(dāng)作新的信源符號進(jìn)行第二級 噴泉編碼，然后向要傳送的節(jié)點傳播；否則，直接對收集到的第一級噴泉編碼 符號(小于K個)進(jìn)行第二級噴泉編碼，并向要傳送的節(jié)點傳播。
步驟五、信宿節(jié)點收集噴泉編碼符號并進(jìn)行噴泉譯碼
信宿節(jié)點從相連的中間節(jié)點接收第二級噴泉編碼符號，當(dāng)接收到的第二級 噴泉編碼符號數(shù)量等于中間節(jié)點產(chǎn)生的第一級噴泉編碼符號的數(shù)量時，進(jìn)行噴 泉譯碼，由此恢復(fù)第一級噴泉編碼符號，并向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個譯碼成功的確 認(rèn)信號。當(dāng)收到K個第一級噴泉編碼符號后，再次進(jìn)行噴泉譯碼，恢復(fù)K個信 源符號。
至此，基于噴泉碼的網(wǎng)絡(luò)編碼方法處理完畢。 有益效果
經(jīng)此方法處理，能夠?qū)崿F(xiàn)在無線信道環(huán)境下到達(dá)最大流最小割理論決定的 網(wǎng)絡(luò)容量，以及有噪有擾衰落信道的信道容量。


圖l為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)示意圖； 圖2為本發(fā)明的流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。 步驟一、對信源進(jìn)行噴泉編碼
對包含K個信源符號的信源進(jìn)行第一級噴泉編碼，產(chǎn)生K個第一級噴泉編 碼符號。假定要往N個中間節(jié)點傳輸，將K個第一級噴泉編碼符號按照N個傳輸信道的容量大小關(guān)系劃分為N個子集。
步驟二、將第一級噴泉編碼符號構(gòu)成的N個子集再以噴泉編碼的方式向N 個中間節(jié)點傳輸。
假定要往第n個中間節(jié)點(""1,…,W)傳輸&(B^^iO個第一級噴泉 編碼符號，則把這&個第一級噴泉編碼符號當(dāng)作新的信源符號進(jìn)行第二級的噴 泉編碼，然后向第n個中間節(jié)點傳輸。
步驟三、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉譯碼
當(dāng)?shù)趎個中間節(jié)點接收到A個第二級噴泉編碼符號后，進(jìn)行噴泉譯碼，可 以采用BP譯碼算法或者高斯消元算法。當(dāng)譯碼成功時，中間節(jié)點向發(fā)送節(jié)點發(fā) 送一個譯碼成功的確認(rèn)信號。
步驟四、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉編碼
當(dāng)中間節(jié)點譯出第一級噴泉編碼符號后，如果中間節(jié)點能夠收集到K個第 一級噴泉編碼符號，則對第一級噴泉編碼符號再次進(jìn)行噴泉譯碼，譯出K個信 源符號，然后編碼生成W個新的第一級噴泉編碼符號，W'的大小根據(jù)該鏈路的 傳輸能力確定，再把這iV'個第一級噴泉編碼符號當(dāng)作新的信源符號進(jìn)行第二級 噴泉編碼，然后向要傳送的節(jié)點傳播；否則，直接對收集到的第一級噴泉編碼 符號(小于K個)進(jìn)行第二級噴泉編碼，并向要傳送的節(jié)點傳播。
步驟五、信宿節(jié)點收集噴泉編碼符號并進(jìn)行噴泉譯碼
信宿節(jié)點從相連的中間節(jié)點接收第二級噴泉編碼符號，當(dāng)接收到的第二級 噴泉編碼符號數(shù)量等于中間節(jié)點產(chǎn)生的第一級噴泉編碼符號的數(shù)量時，進(jìn)行噴 泉譯碼，由此恢復(fù)第一級噴泉編碼符號，并向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個譯碼成功的確 認(rèn)信號。當(dāng)收到K個第一級噴泉編碼符號后，再次進(jìn)行噴泉譯碼，恢復(fù)K個信 源符號。
至此，基于噴泉碼的網(wǎng)絡(luò)編碼方法處理完畢。 實施例
如圖l所示網(wǎng)絡(luò)， 一個信源節(jié)點S， 3個中間節(jié)點T、 U、 W和兩個信宿節(jié)點 Y、 Z。假定每條鏈路都有相同的傳輸能力，假定信源有100個信源符號要傳輸 到信宿Y和Z。
歩驟一、對信源進(jìn)行噴泉編碼
首先，在信源處，對100個信源符號進(jìn)行噴泉編碼，產(chǎn)生100個第一級噴泉編碼符號。由于每條鏈路都有相同的傳輸能力，因此向ST和SU鏈路用噴泉編 碼的方式分別傳輸50個第一級噴泉編碼符號。
步驟二、將第一級噴泉編碼符號的2個子集再以噴泉編碼的方式分別向中 間節(jié)點T和U處傳輸。
步驟三、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉譯碼
在中間節(jié)點T和U處接收到50個第二級噴泉編碼符號后，譯碼恢復(fù)50個 第一級噴泉編碼符號，并向發(fā)送端發(fā)送譯碼成功的確認(rèn)信號。由于中間節(jié)點T 和U都只能收到50個第一級噴泉編碼符號，所以它們只能用噴泉編碼的方式向 其他節(jié)點廣播接收到的第一級噴泉編碼符號。
信宿節(jié)點Y能從中間節(jié)點T (信宿節(jié)點Z能從中間節(jié)點U)獲得50個第一 級的噴泉編碼符號，中間節(jié)點W能從T和U各獲得50個第一級噴泉編碼符號， 從而使中間節(jié)點W獲得100個第一級噴泉編碼符號，并譯出100個信源符號。
步驟四、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉編碼
對由中間節(jié)點W譯出的100個信源符號進(jìn)行噴泉編碼，產(chǎn)生50個新的第一 級噴泉編碼符號，之后，再以噴泉編碼的方式向信宿節(jié)點Y和Z廣播。
步驟五、信宿節(jié)點Y和Z收集噴泉編碼符號，并進(jìn)行噴泉譯碼
信宿節(jié)點Y和Z從中間節(jié)點W處均獲得50個新的第一級噴泉編碼符號，加 上它們先前各自獲得的50個第一級噴泉編碼符號，因此，信宿節(jié)點Y和Z均能 同時譯出100個信源符號。
上述實現(xiàn)過程中，具體的噴泉碼可以用RS碼、LT碼或者Raptor碼等來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種基于噴泉碼的網(wǎng)絡(luò)編碼方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、對信源進(jìn)行噴泉編碼對包含K個信源符號的信源進(jìn)行第一級噴泉編碼，產(chǎn)生K個第一級噴泉編碼符號，假定要往N個中間節(jié)點傳輸，將K個第一級噴泉編碼符號按照N個傳輸信道的容量大小關(guān)系劃分為N個子集；步驟二、將第一級噴泉編碼符號構(gòu)成的N個子集再以噴泉編碼的方式向N個中間節(jié)點傳輸假定要往第n個中間節(jié)點傳輸Kn個第一級噴泉編碼符號，則把這Kn個第一級噴泉編碼符號當(dāng)作新的信源符號進(jìn)行第二級的噴泉編碼，然后向第n個中間節(jié)點傳輸，其中，n∈{1，…，N}，1≤Kn≤K；步驟三、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉譯碼當(dāng)?shù)趎個中間節(jié)點接收到Kn個第二級噴泉編碼符號后，進(jìn)行噴泉譯碼，當(dāng)譯碼成功時，中間節(jié)點向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個譯碼成功的確認(rèn)信號；步驟四、對中間節(jié)點進(jìn)行噴泉編碼當(dāng)中間節(jié)點譯出第一級噴泉編碼符號后，如果中間節(jié)點能夠收集到K個第一級噴泉編碼符號，則對第一級噴泉編碼符號再次進(jìn)行噴泉譯碼，譯出K個信源符號，然后編碼生成N′個新的第一級噴泉編碼符號，N′的大小根據(jù)該鏈路的傳輸能力確定，再把這N′個第一級噴泉編碼符號當(dāng)作新的信源符號進(jìn)行第二級噴泉編碼，然后向要傳送的節(jié)點傳播；否則，直接對收集到的第一級噴泉編碼符號進(jìn)行第二級噴泉編碼，并向要傳送的節(jié)點傳播，所述收集到的第一級噴泉編碼符號小于K個；步驟五、信宿節(jié)點收集噴泉編碼符號并進(jìn)行噴泉譯碼信宿節(jié)點從相連的中間節(jié)點接收第二級噴泉編碼符號，當(dāng)接收到的第二級噴泉編碼符號數(shù)量等于中間節(jié)點產(chǎn)生的第一級噴泉編碼符號的數(shù)量時，進(jìn)行噴泉譯碼，由此恢復(fù)第一級噴泉編碼符號，并向發(fā)送節(jié)點發(fā)送一個譯碼成功的確認(rèn)信號，當(dāng)收到K個第一級噴泉編碼符號后，再次進(jìn)行噴泉譯碼，恢復(fù)K個信源符號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于噴泉碼的網(wǎng)絡(luò)編碼方法，屬于編碼技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的目的在于將網(wǎng)絡(luò)編碼與噴泉編碼相結(jié)合，使得在無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)可靠高效傳輸。通過對信源進(jìn)行第一級噴泉編碼、將第一級噴泉編碼符號再以噴泉編碼的方式向中間節(jié)點傳輸、中間節(jié)點進(jìn)行噴泉譯碼、中間節(jié)點進(jìn)行噴泉廣播、信宿節(jié)點收集噴泉編碼符號并進(jìn)行噴泉譯碼的方式，得到基于噴泉碼的網(wǎng)絡(luò)編碼方法。該方法結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)編碼和噴泉碼的優(yōu)點，能夠有效的提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐能力和可靠性。
文檔編號H03M13/00GK101567755SQ20091008552
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者安建平, 李祥明, 靜 楊, 磊 袁 申請人:北京理工大學(xué)