一種基于并行批次網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于并行批次網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法，使用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸數(shù)據(jù)，將待傳輸數(shù)據(jù)流劃分為包含相同數(shù)目分組的批次，每個編碼批次內(nèi)的分組被編碼在一起傳輸，目的節(jié)點接收足夠數(shù)目的編碼分組后即可解碼一個批次。該方法可以用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，提供可靠的、高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。本方法利用網(wǎng)絡(luò)編碼改善傳輸效率；為了克服現(xiàn)有研究使用停止等待策略造成的低效，本發(fā)明給出了一種并行傳輸方法，通過在源節(jié)點維護一個可同時調(diào)度多個批次的發(fā)送窗口，并根據(jù)反饋信息控制多個批次的并行調(diào)度，相比現(xiàn)有研究成果能夠更靈活、高效地組織批次傳輸，進而改善端到端吞吐量。
【專利說明】一種基于并行批次網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的方法，在網(wǎng)絡(luò)編碼（Network Coding)基礎(chǔ)上，本方法使用一個并行批次調(diào)度、傳輸機制，能夠更靈活、高效地組織批次傳 輸，進而改善端到端吞吐量。本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一類定位于大容量、高速率的寬帶多跳無線網(wǎng)絡(luò)，它具有準(zhǔn)靜 止、能量約束弱等特征，在網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性、魯棒性等方面顯示出巨大優(yōu)勢。在無線廣播信 道中，每一次數(shù)據(jù)傳輸都會被傳輸范圍內(nèi)的多個節(jié)點接收，因此，包括無線Mesh網(wǎng)在內(nèi)的 無線網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出顯著的信息冗余。在傳統(tǒng)的"存儲-轉(zhuǎn)發(fā)"傳輸方式下，若節(jié)點接收到目的 節(jié)點不是自己的分組將直接丟棄之，無線廣播特性導(dǎo)致的信息冗余無法得到有效地利用。 如果可以合理地利用無線信道的廣播特性，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能將有極大的改善空間。
[0003] 網(wǎng)絡(luò)編碼對如何利用無線信道的廣播特性給出了很好的思路，當(dāng)傳輸范圍內(nèi)的多 個節(jié)點接收到同一個編碼分組時，不同節(jié)點可以從中獲得不同的、各自所需的信息，從而可 以有效改善無線信道資源的利用效率。此外，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼將單個數(shù)據(jù)分組的信息攜帶于 多個編碼分組中，還能夠降低數(shù)據(jù)傳輸對單個分組的依賴，從而進一步提高不可靠無線環(huán) 境中的傳輸效率。
[0004] 在使用網(wǎng)絡(luò)編碼時，待傳輸數(shù)據(jù)流被劃分為包含相同數(shù)目分組的批次（Batch)不 同批次被獨立地編碼傳輸，目的節(jié)點接收足夠數(shù)目的編碼分組后即可解碼一個批次0。這里 一個關(guān)鍵問題是：源節(jié)點如何組織多個批次的傳輸，在保證傳輸可靠性的同時得到高的傳 輸效率。為此，現(xiàn)有研究使用停止等待策略，在接收到目的節(jié)點的確認(rèn)消息之前，源節(jié)點持 續(xù)發(fā)送當(dāng)前批次的編碼分組0] [3] [4]?，F(xiàn)有方法可以保證傳輸可靠性但效率卻不高，源節(jié) 點在完成一個批次的發(fā)送之后、接收到確認(rèn)消息之前，將發(fā)送大量的無用冗余分組，從而造 成傳輸效率的下降。特別地，在遠距離（跳數(shù)大）通信場景中，端到端反饋時延會非常大， 從而會造成現(xiàn)有方法的急劇惡化。
[0005] 綜上，亟需一種適用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的傳輸方法，在充分利用網(wǎng)絡(luò)編碼在無線網(wǎng) 絡(luò)中優(yōu)勢的同時，進一步提高傳輸效率。
[0006] 【參考文獻】
[0007] [1]P. A. Chou, T. ffu, K. Jain, Practical network coding, in Proc. of Allerton Conference，pp，40-49, 2003.
[0008] [2]S. Chachulski, M. Jennings, S. Katti, et al，Trading structure for randomness in wireless opportunistic routing, in Proc. of ACM SIGC0MM，pp. 169-180, 2007.
[0009] [3] J. Subramanian, R. Morris, H. Balakrishnan, UFlood:High throughput flooding over wireless mesh networks, in Proc. of IEEE INF0C0M, pp. 82-90, 2012.
[0010] [4]X. Zhang, B. Li, Optimized multipath network coding in lossy wireless networks, IEEE JSAC, vol. 27, no. 5, pp. 622-634, 2009.
[0011] [5] J. K. Sundararajan, D. Shah, M. Medard, ARQ for network coding, in Proc. of IEEE ISIT,pp. 1651-1655,2008.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 技術(shù)問題：本發(fā)明涉及一種基于并行批次網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法，利用網(wǎng)絡(luò)編碼，本 方法結(jié)合一個并行批次傳輸、調(diào)度機制，可以有效降低數(shù)據(jù)傳輸對反饋的依賴，進而改善端 到端傳輸效率。
[0013] 技術(shù)方案：本發(fā)明使用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸數(shù)據(jù)，將待傳輸數(shù)據(jù)流劃分為包含相同數(shù)目 分組的批次，每個編碼批次內(nèi)的分組被編碼在一起傳輸，目的節(jié)點接收足夠數(shù)目的編碼分 組后即可解碼一個批次。
[0014] 本發(fā)明的思想可闡述為：源節(jié)點使用一個發(fā)送窗口同時維護多個批次的傳輸，根 據(jù)反饋信息以及批次狀態(tài)并行地調(diào)度、發(fā)送多個批次。更具體地：
[0015] ?源節(jié)點調(diào)度并發(fā)送一個批次后，等待目的節(jié)點反饋該批次的接收狀態(tài)，并在此 期間調(diào)度窗口中的其它批次；
[0016] ?源節(jié)點通過反饋信息獲知每一個批次的狀態(tài)，若目的節(jié)點成功解碼一個批次， 源節(jié)點將該批次從發(fā)送窗口去除，并放入一個新的批次；若目的節(jié)點未能解碼一個批次，源 節(jié)點將再次調(diào)度該批次；
[0017] ?對于每一個被調(diào)度批次，源節(jié)點對其的編碼分組傳輸量取決于該批次的接收狀 態(tài)以及源節(jié)點到目的節(jié)點的連接質(zhì)量。
[0018] 一個批次將被調(diào)度一次或者多次，直到源節(jié)點接收到目的節(jié)點的確認(rèn)解碼信息。 本方法可以緩解數(shù)據(jù)傳輸對反饋信息的依賴，在不失傳輸可靠性的前提下改善傳輸效率。
[0019] 本發(fā)明的基于并行批次網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法具體為：
[0020] 1)使用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸數(shù)據(jù)信息，源節(jié)點將待傳輸數(shù)據(jù)流劃分為包含相同數(shù)目N個 分組的批次，每個編碼批次內(nèi)的分組被編碼在一起傳輸，目的節(jié)點接收編碼分組數(shù)目〉N后 即可解碼一個批次，N是線性無關(guān)編碼分組數(shù)；
[0021] 2)源節(jié)點使用一個可容納若干批次的存儲空間的發(fā)送窗口同時維護多個批次的 傳輸，源節(jié)點調(diào)度發(fā)送一個批次后，等待目的節(jié)點反饋該批次的接收情況，即自由度，并在 此期間調(diào)度發(fā)送窗口中的其余批次；
[0022] 3)源節(jié)點通過反饋信息獲知每一個批次的接收狀態(tài)，若目的節(jié)點成功解碼一個 批次，源節(jié)點將該批次從發(fā)送窗口去除，并放入一個新的批次；若目的節(jié)點未能解碼一個批 次，源節(jié)點將再次調(diào)度該批次；
[0023] 4)源節(jié)點根據(jù)批次狀態(tài)決定批次的調(diào)度順序和時機，批次調(diào)度優(yōu)先級由高到低依 次為：未被調(diào)度過的新批次，調(diào)度后反饋為未解碼的批次，調(diào)度后未獲得反饋的批次；對于 相同狀態(tài)的批次，批次序號越小優(yōu)先級越高，反饋時間越早優(yōu)先級越高；
[0024] 5)源節(jié)點根據(jù)批次接收情況以及源、目的節(jié)點間連接質(zhì)量決定被調(diào)度批次的編碼 分組傳輸量，對于每一個被調(diào)度批次，編碼分組傳輸量為該批次的自由度除以源節(jié)點到目 的節(jié)點的自由度交付率。
[0025] 所述自由度交付率的計算方式為：每當(dāng)源節(jié)點接收一個批次bk的接收狀態(tài)反饋， 源節(jié)點計算最近一輪調(diào)度以來bk的自由度減少量Λ dk，并查詢最近一輪調(diào)度中發(fā)送bk的編 碼分組的數(shù)目nk，自由度交付率更新為Adk/nk。
[0026] 有益效果：本發(fā)明涉及一種在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的方法，在充分利用網(wǎng)絡(luò) 編碼的同時，可以緩解反饋對傳輸效率的負面影響。通過在源節(jié)點維護一個可同時調(diào)度多 個批次的發(fā)送窗口，并根據(jù)反饋信息控制多個批次的并行調(diào)度，能夠更靈活、高效地組織批 次傳輸：1)僅當(dāng)一個批次被確認(rèn)解碼后才被移去發(fā)送窗口，因此可以確保傳輸可靠性；2) 源節(jié)點在等待一個批次反饋的同時，可以調(diào)度其余批次，因此能夠提高資源利用效率，并改 善吞吐量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0028] 圖1 :功能|旲塊組成及更|旲塊間關(guān)系不意圖，
[0029] 圖2 :批次狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖。

【具體實施方式】
[0030] 在具體過程描述之前，先介紹兩個定義：
[0031] 定義1 (自由度，Degree offreedom):節(jié)點解碼一個批次還需要的線性無關(guān)的編 碼分組的數(shù)目[5]。
[0032] 定義2 (自由度交付率，DDR):目的節(jié)點接收的線性無關(guān)編碼分組數(shù)（即自由度減 少量）與源節(jié)點發(fā)送的編碼分組數(shù)之比值，用于反映使用網(wǎng)絡(luò)編碼時源節(jié)點到目的節(jié)點的 連接質(zhì)量。
[0033] 本方法中功能模塊組成及各模塊間相互關(guān)系見圖1。
[0034] 本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式為：
[0035] 1)使用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸數(shù)據(jù)信息，源節(jié)點將待傳輸數(shù)據(jù)流劃分為包含相同數(shù)目N個 分組的批次，每個編碼批次內(nèi)的分組被編碼在一起傳輸，目的節(jié)點接收編碼分組數(shù)目〉N后 即可解碼一個批次，N是線性無關(guān)編碼分組數(shù)；
[0036] 2)源節(jié)點使用一個可容納若干批次的存儲空間的發(fā)送窗口同時維護多個批次的 傳輸，源節(jié)點調(diào)度發(fā)送一個批次后，等待目的節(jié)點反饋該批次的接收情況，即自由度，并在 此期間調(diào)度發(fā)送窗口中的其余批次；
[0037] 3)源節(jié)點通過反饋信息獲知每一個批次的接收狀態(tài)，若目的節(jié)點成功解碼一個 批次，源節(jié)點將該批次從發(fā)送窗口去除，并放入一個新的批次；若目的節(jié)點未能解碼一個批 次，源節(jié)點將再次調(diào)度該批次；
[0038] 4)源節(jié)點根據(jù)批次狀態(tài)決定批次的調(diào)度順序和時機，批次調(diào)度優(yōu)先級由高到低依 次為：未被調(diào)度過的新批次，調(diào)度后反饋為未解碼的批次，調(diào)度后未獲得反饋的批次；對于 相同狀態(tài)的批次，批次序號越小優(yōu)先級越高，反饋時間越早優(yōu)先級越高；
[0039] 5)源節(jié)點根據(jù)批次接收情況以及源、目的節(jié)點間連接質(zhì)量決定被調(diào)度批次的編碼 分組傳輸量，對于每一個被調(diào)度批次，編碼分組傳輸量為該批次的自由度除以源節(jié)點到目 的節(jié)點的自由度交付率。
[0040] 所述自由度交付率的計算方式為：每當(dāng)源節(jié)點接收一個批次bk的接收狀態(tài)反饋， 源節(jié)點計算最近一輪調(diào)度以來bk的自由度減少量Λ dk，并查詢最近一輪調(diào)度中發(fā)送bk的編 碼分組的數(shù)目nk，自由度交付率更新為Adk/nk。
[0041] 1源節(jié)點操作：
[0042] 1.1 發(fā)送窗口
[0043] 1.源節(jié)點將待傳輸數(shù)據(jù)流劃分為等長的批次，每個批次包含Μ個原始分組；
[0044] 2.源節(jié)點使用一個發(fā)送窗口（大小為W個批次）同時傳輸多個批次，并根據(jù)反饋 信息決定調(diào)度批次的順序以及時機；
[0045] 3.源節(jié)點調(diào)度一個批次后，等待目的節(jié)點反饋該批次的接收狀態(tài)，并在同時調(diào)度 發(fā)送窗口中的其余批次；
[0046] 4.源節(jié)點通過反饋信息獲知每一個批次的接收狀態(tài)，若目的節(jié)點成功解碼一個 批次，源節(jié)點將該批次從發(fā)送窗口去除，并放入一個新的批次；若目的節(jié)點未能解碼一個批 次，源節(jié)點將再次調(diào)度該批次。
[0047] 1. 2批次調(diào)度
[0048] 記批次bk的狀態(tài)為Sk，批次狀態(tài)包括等待調(diào)度狀態(tài)（WF_SCH)和等待反饋狀態(tài) (WF_FBK)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖2。記b k的最近一次被調(diào)度的時間為Tk，Tk可用于區(qū)分一個批次是 否被調(diào)度過，若T k = -1 (初始值），則bk是未被調(diào)度過的批次（又稱為新批次）。本發(fā)明按 以下原則調(diào)度發(fā)送窗口的批次：
[0049] 1.首先，考慮調(diào)度未被調(diào)度過的新批次（存在多個滿足條件的批次時調(diào)度序號最 小者），發(fā)送編碼分組數(shù)為被調(diào)度批次的自由度/DDR (見1. 3連接質(zhì)量估計：DDR估計），更 新對應(yīng)批次的調(diào)度時間；
[0050] 2.其次，考慮調(diào)度處于WF_SCH狀態(tài)的其余批次（存在多個滿足條件的批次時調(diào)度 Tk最小者），即接收狀態(tài)已知的批次，發(fā)送編碼分組數(shù)為被調(diào)度批次的自由度/DDR，更新對 應(yīng)批次的調(diào)度時間；
[0051] 3.調(diào)度WF_FBK狀態(tài)的批次，由于源節(jié)點尚未掌握這類批次的最新接收狀態(tài)，為任 意單個批次發(fā)送過多編碼分組都有造成過多冗余傳輸?shù)娘L(fēng)險，因此，采用隨機策略將編碼 傳輸分散在多個批次中，批次b k的期望編碼分組傳輸量與其等待調(diào)度時間Tk、自由度dk成 正比；
[0052] 1. 3連接質(zhì)量估計：DDR估計
[0053] 1.每當(dāng)源節(jié)點接收一個批次（不妨假設(shè)bk)的接收狀態(tài)反饋，源節(jié)點計算最近一 輪調(diào)度以來b k的自由度減少量Λ dk，并查詢最近一輪調(diào)度中發(fā)送bk的編碼分組的數(shù)目nk， 根據(jù)定義1，DDR可以計算為Ad k/nk ;
[0054] 2.為了緩解隨機擾動，使用以下方式更新DDR的測量值：
[0055]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于并行批次網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法，其特征在于： 1) 使用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸數(shù)據(jù)信息，源節(jié)點將待傳輸數(shù)據(jù)流劃分為包含相同數(shù)目N個分組 的批次，每個編碼批次內(nèi)的分組被編碼在一起傳輸，目的節(jié)點接收編碼分組數(shù)目〉N后即可 解碼一個批次，N是線性無關(guān)編碼分組數(shù)； 2) 源節(jié)點使用一個可容納若干批次的存儲空間的發(fā)送窗口同時維護多個批次的傳輸， 源節(jié)點調(diào)度發(fā)送一個批次后，等待目的節(jié)點反饋該批次的接收情況，即自由度，并在此期間 調(diào)度發(fā)送窗口中的其余批次； 3) 源節(jié)點通過反饋信息獲知每一個批次的接收狀態(tài)，若目的節(jié)點成功解碼一個批次， 源節(jié)點將該批次從發(fā)送窗口去除，并放入一個新的批次；若目的節(jié)點未能解碼一個批次，源 節(jié)點將再次調(diào)度該批次； 4) 源節(jié)點根據(jù)批次狀態(tài)決定批次的調(diào)度順序和時機，批次調(diào)度優(yōu)先級由高到低依次 為：未被調(diào)度過的新批次，調(diào)度后反饋為未解碼的批次，調(diào)度后未獲得反饋的批次；對于相 同狀態(tài)的批次，批次序號越小優(yōu)先級越高，反饋時間越早優(yōu)先級越高； 5) 源節(jié)點根據(jù)批次接收情況以及源、目的節(jié)點間連接質(zhì)量決定被調(diào)度批次的編碼分組 傳輸量，對于每一個被調(diào)度批次，編碼分組傳輸量為該批次的自由度除以源節(jié)點到目的節(jié) 點的自由度交付率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于并行批次網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法，其特征在于所述自由度 交付率的計算方式為：每當(dāng)源節(jié)點接收一個批次b k的接收狀態(tài)反饋，源節(jié)點計算最近一輪 調(diào)度以來bk的自由度減少量Λ dk，并查詢最近一輪調(diào)度中發(fā)送bk的編碼分組的數(shù)目nk，自 由度交付率更新為Ad k/nk。
【文檔編號】H04L1/00GK104243098SQ201410492165
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】王海, 董超, 陳晨, 于衛(wèi)波, 牛大偉, 米志超 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)