基于網(wǎng)絡(luò)編碼的容遲容斷網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算機(jī)科學(xué)中的容遲容斷網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別是設(shè)及容遲容斷網(wǎng)絡(luò)中基于 網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸。
【背景技術(shù)】
[0002] 容遲容斷網(wǎng)絡(luò)值elayTolerantNetwork,DTN)因其拓?fù)湟鬃?、網(wǎng)絡(luò)抗毀、機(jī)會傳 輸、節(jié)點(diǎn)異構(gòu)等特點(diǎn)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的持續(xù)關(guān)注，目前已經(jīng)應(yīng)用在深空、軍事、水下 等極端環(huán)境。DTN是非連通網(wǎng)絡(luò)，不存在端到端路徑，稀缺的鏈路使得轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會極其寶貴，同 時(shí)節(jié)點(diǎn)緩存中存在大量消息等待轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)得到一個(gè)寶貴的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會時(shí)，它總是期望能 夠在短暫的鏈路連通時(shí)間內(nèi)向另一方轉(zhuǎn)發(fā)完所有消息。然而一般情況下，受限于節(jié)點(diǎn)移動 速度和數(shù)據(jù)發(fā)送速率，較短的連通時(shí)間往往只能發(fā)送少量的消息，甚至僅僅發(fā)送完一條消 息后鏈路就斷開，即只能滿足一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的一個(gè)消息請求，此時(shí)，如何在有限時(shí)間內(nèi)發(fā)送 盡可能多的信息成為研究熱點(diǎn)。
[0003] 網(wǎng)絡(luò)編碼（NetworkCoding)作為應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)處理方式，能 夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、降低數(shù)據(jù)傳輸能量消耗、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性，尤其在網(wǎng)絡(luò)條件極 端受限的DTN網(wǎng)絡(luò)中。因而基于網(wǎng)絡(luò)編碼的容遲容斷網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)吸引了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu) 和學(xué)者的關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)編碼的特點(diǎn)是單條消息負(fù)載量，多條消息信息量，借助于容遲容斷網(wǎng)絡(luò) 相關(guān)機(jī)制，一條編碼消息能夠同時(shí)滿足多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的多個(gè)消息請求，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明W提高容遲容斷網(wǎng)絡(luò)傳輸效率為目標(biāo)，融合動態(tài)博弈的思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn) 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其整體功能模塊見圖1所示。具體包括：
[0005] 1、網(wǎng)絡(luò)信息的監(jiān)聽感知
[0006] 信息監(jiān)聽感知包括監(jiān)聽鄰居消息列表和感知消息屬性，前者用屯、跳包機(jī)制獲取鄰 居節(jié)點(diǎn)消息列表、得出各個(gè)鄰居消息請求情況，后者利用感知到的消息相關(guān)屬性量化消息 轉(zhuǎn)發(fā)效用，兩者均依賴容遲容斷網(wǎng)絡(luò)的廣播機(jī)制。
[0007] 2、基于博弈論的消息接納決策
[000引在消息接納博弈階段，W上一階段獲取的信息為基礎(chǔ)，綜合考慮解碼成功率與編 解碼時(shí)間開銷、計(jì)算開銷，最大程度滿足鄰居消息請求。消息接納博弈隸屬完全信息動態(tài)博 弈，組成元素包括參與者、參與者的行動空間、所有參與者的行動序列的策略集合、單個(gè)參 與者的收益或博弈總收益。完全信息是指每個(gè)消息的基本信息可W被其他消息獲取，包括 轉(zhuǎn)發(fā)效用、行動空間、收益函數(shù)等；動態(tài)是指消息做決策的順序有先后之分，消息在決定是 否加入編碼時(shí)參考先前消息的決定，并且自身的決定影響后繼消息的決定，進(jìn)而影響單個(gè) 收益與總收益。該樣就可W將容遲容斷網(wǎng)絡(luò)的編碼消息接納問題建立成博弈論的模型。
[0009] 3、編碼與解碼
[0010] 接納決策博弈從待發(fā)送消息包集合中篩選出最佳候選編碼集合，機(jī)會編碼將它們 組合為一個(gè)編碼包，通過廣播機(jī)制發(fā)送出去，鄰居節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽并決定是否接收，如果是則結(jié)合 自身消息隊(duì)列解碼編碼包，得到所請求的消息。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于：
[0012] 1)添加網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)聽感知功能，網(wǎng)絡(luò)編碼受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，消息接納博弈基于監(jiān) 聽感知到的網(wǎng)絡(luò)信息作決策，能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)編碼對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，提高傳輸效率。
[0013] 2)基于博弈論的接納、拒絕收益函數(shù)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合消息屬性與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，適用于 不同消息類型及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，本發(fā)明根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動態(tài)地做出編碼消息接納或拒絕的決 策。
【附圖說明】
[0014] 圖1是基于博弈論的容遲容斷網(wǎng)絡(luò)編碼功能模塊圖。
[0015] 圖2是消息列表監(jiān)聽示意圖。
[0016] 圖3是消息接納博弈樹。
[0017] 圖4是消息接納博弈剪枝。
[001引圖5是編碼與解碼示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 1.網(wǎng)絡(luò)信息的監(jiān)聽感知
[0020] 網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)聽依賴于廣播機(jī)制。節(jié)點(diǎn)周期性地向自己信號范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送 屯、跳包，同時(shí)監(jiān)聽鄰居節(jié)點(diǎn)的屯、跳包。屯、跳包包含的字段為節(jié)點(diǎn)編號、節(jié)點(diǎn)內(nèi)存儲的消息編 號列表及時(shí)間戳。通過屯、跳包機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)信息庫，記錄各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn) 消息接收情況，見圖2。發(fā)送節(jié)點(diǎn)B的鄰居A、C、D廣播各自的屯、跳包，B監(jiān)聽，然后將其存 儲到鄰居節(jié)點(diǎn)信息庫。信息庫實(shí)現(xiàn)定時(shí)刷新功能，超出一定時(shí)間后屯、跳包被清除，表明對應(yīng) 的節(jié)點(diǎn)不再是鄰居節(jié)點(diǎn)。
[0021] 網(wǎng)絡(luò)信息感知用于感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、量化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、計(jì)算消息的轉(zhuǎn)發(fā)效用。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn) 行過程中周期性地采集W下參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)L、消息生存期TTLi、消息副本數(shù)n;訂1)、接 收過該消息的節(jié)點(diǎn)數(shù)量化）、節(jié)點(diǎn)相遇頻率A、消息優(yōu)先級prii、鄰居節(jié)點(diǎn)對消息的需求 度'。。1,1*?山作。。161*"，然后計(jì)算消息的轉(zhuǎn)發(fā)效用。各個(gè)參數(shù)含義見表1。
[0022] 表1網(wǎng)絡(luò)信息感知參數(shù)
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的容遲容斷網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，具體包括網(wǎng)絡(luò)信息的監(jiān)聽感知獲取、消息 接納博弈、編碼與解碼；其特征在于： 網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)聽與感知目的是獲取當(dāng)前局部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及消息相關(guān)屬性，并將這些信息傳 遞給消息接納博弈。消息接納博弈以獲取的網(wǎng)絡(luò)信息為基礎(chǔ)，每個(gè)參與方采取接納或拒絕 行動，并計(jì)算相應(yīng)的接納或拒絕收益，進(jìn)而完成整個(gè)博弈樹的構(gòu)建，然后根據(jù)逆向歸納法求 納什均衡解，并交付給編碼與解碼。編碼與解碼根據(jù)博弈結(jié)果將被接納的消息編碼、廣播， 最后鄰居節(jié)點(diǎn)解碼； 其中，接納控制決策采用博弈論方法，包含如下方面： 1) 消息接納決策博弈定義為G= {P，A，D，U}，P，A，D和U表示為該博弈的四要素一一參 與方、行動空間、策略、收益函數(shù)，其中參與方是消息集合P= {PRJ，行動空間A= {Admit， Reject}，表示消息被接納或拒絕，策略D = {aj由所有消息所采取的行動序列組成，收益 函數(shù)U包括兩部分，分別是單個(gè)消息的收益函數(shù)和接納博弈整體收益函數(shù)，U= {Ui，Σι?}; 2) 參與方的接納收益函數(shù)為fu-fu^+c+p-f，拒絕收益函數(shù)為fu^-fu，€1^是參與者 ?氏的消息轉(zhuǎn)發(fā)效用值，fu min是所有參與者的最小消息轉(zhuǎn)發(fā)效用，c i是節(jié)點(diǎn)對接納PR ^勺編 碼包的支付值，Pi是接納PR i的編碼包的新增潛在價(jià)值，f i是節(jié)點(diǎn)對接納PR i的編碼包的懲 罰值； 3) 消息接納博弈將消息轉(zhuǎn)發(fā)效用的高低順序作為博弈樹的擴(kuò)展順序。當(dāng)參與方的前驅(qū) 參與方作出決策后，這個(gè)參與方計(jì)算行動空間內(nèi)所有決策對應(yīng)的收益函數(shù)，即接納收益和 拒絕收益，將博弈樹向下擴(kuò)展一層，后繼參與方以此類推，直至博弈樹到達(dá)終結(jié)點(diǎn)，此時(shí)終 結(jié)點(diǎn)記錄從根到葉的收益，即各個(gè)參與方按該路徑指示作決策的收益； 4) 求消息接納博弈的子博弈精煉納什均衡解，采用逆向歸納法，自底向上剪去每個(gè)參 與方所有行動分支中收益較小的分枝，留下收益最大的分枝，直至達(dá)到博弈樹的根節(jié)點(diǎn)，分 枝組成博弈結(jié)果，根據(jù)分枝決定接納還是拒絕某個(gè)消息，最后所有被接納的消息組成編碼 消息集合P。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，計(jì)算消息轉(zhuǎn)發(fā)效用時(shí)，可以令效用函數(shù)為：
3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，節(jié)點(diǎn)利用一次傳輸機(jī)會發(fā)送消息就是進(jìn)行 一次消息接納博弈過程，完成對編碼消息集合的選取。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，消息編碼函數(shù)為
，解碼函數(shù)為
，其中g(shù)p . . .，gN取值為1，p為編碼包，p p . . .，PnS未編碼消息。
5. -種計(jì)算機(jī)程序，其實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)。
【專利摘要】本發(fā)明為基于網(wǎng)絡(luò)編碼的容遲容斷網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，其權(quán)衡局部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和消息相關(guān)屬性，基于博弈論對容遲容斷網(wǎng)絡(luò)編碼消息接納問題進(jìn)行建模，包含網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)聽感知、消息接納博弈、編碼與解碼。首先，監(jiān)聽與感知獲取當(dāng)前局部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及消息相關(guān)屬性，并將信息傳遞給消息接納博弈。其次，接納博弈在計(jì)算消息轉(zhuǎn)發(fā)效用的基礎(chǔ)之上，根據(jù)參與方的收益函數(shù)完成博弈樹的構(gòu)建過程，然后根據(jù)逆向歸納法求子博弈精煉納什均衡，將其交付給編碼與解碼。最后，編碼與解碼根據(jù)博弈結(jié)果將被接納的消息編碼、廣播、鄰居節(jié)點(diǎn)解碼。本發(fā)明可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)編碼對不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和消息類型的適應(yīng)性，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。
【IPC分類】H04L1-00
【公開號】CN104753644
【申請?zhí)枴緾N201510171180
【發(fā)明人】白躍彬, 梁姣姣, 劉文佳, 陳萬成, 澹臺建培
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月10日