專利名稱：組播網絡中的上溯式編碼向量分配方法
技術領域：
本發(fā)明設計的是組播網絡中的上溯式分配網絡編碼向量的方法， 主要應用在組播網絡中的編碼向量的分配。
背景技術：
隨著信息時代的不斷發(fā)展，各種通信網絡與人們工作生活的各個方 面結合越來越緊密。與此同時，由于用戶數量的激增，網絡服務的多樣 化以及針對網絡傳輸質量要求的不斷提高，如何提高現(xiàn)有網絡資源的利 用率，優(yōu)化網絡，已成為當今網絡通信研究的重要課題之一。網絡編碼 技術的提出適應了現(xiàn)代網絡中的這種需求，其理論和應用已成為通信領
域研究的新熱點。網絡編碼f7VWwo^: co&"g;技術是在信息理論和編碼理 論結合的基礎上，融合了編碼和路由兩個概念，在傳統(tǒng)存儲轉發(fā)的路由 方法的基礎上，通過允許對接收的多個數據包進行編碼組合，增加單次傳 輸的信息量，在網絡中維持著最大的信息流量，從而提高網絡整體性能。
網絡編碼理論自MM年^力/swec/e等人提出以來，對其各個方面的理 論研究層出不窮。網絡編碼按照編碼節(jié)點輸出和輸入的關系可劃分為線 性網絡編碼和非線性網絡編碼。非線性網絡編碼由于其編解碼的復雜度 極高，所以一般的研究僅限于線性網絡編碼。而線性網絡編碼是指編碼 節(jié)點把所接收到的信息，通過把信息和節(jié)點的算術系數迸行線性組合， 從而完成編碼操作，這里的算術系數就稱做編碼向量。編碼向量有全局編 碼向量和局部編碼向量之分，全局編碼向量表明了每條鏈路上所承載的 信息與源節(jié)點所發(fā)出的信息之間的數學關系。而局部編碼向量是針對編 碼節(jié)點來說的，編碼節(jié)點擁有局部編碼向量，它表明了編碼節(jié)點收到的 全局編碼向量和生成的全局編碼向量之間的數學關系。在一個網絡編碼 組播網絡中，源節(jié)點開始發(fā)送數據之前，要先進行編碼向量的預分配， 這樣才可以保證數據在網絡中的有效傳輸。為了保證目的節(jié)點能夠正確 解碼，成功獲得信源組播過來的信息數據，編碼向量分配時需要保證目 的節(jié)點從連接其自身的鏈路上所接收到的全局編碼向量組成的向量矩陣 是滿秩的，也就是說需要保證連接該目的節(jié)點的所有鏈路上的編碼向量是線性無關的。 -
i O^W "等人所采用的傳統(tǒng)的的編碼向量的分配方法的特 點在于源節(jié)點從一個有限域里面選取元素，組成全局編碼向量為下游 鏈路分配，每個中間節(jié)點都具有一個局部編碼向量，用于編碼節(jié)點下游 鏈路的全局編碼向量的生成。在分配編碼向量的同時，要竭力保證目的 節(jié)點所收到的編碼向量所構成的解碼矩陣是滿秩的，以便可以成功解碼。 這種方法的局限性在于，隨著網絡中編碼節(jié)點的增多，分配編碼向量所 需要的有限域的符號集會越來越大。當這個有限域不是足夠大時，就會 造成目的節(jié)點的解碼矩陣不滿秩而解碼失敗。另外一個局限在于，該方 法只適用于拓撲己知的網絡中，在未知拓撲的網絡中很難實現(xiàn)。
『"等人所采用的編碼向量的分配方法的特點在于編碼向量
的分配和網絡中數據的傳輸同時進行，在數據包的包頭記錄全局編碼向 量，而在需要編碼的節(jié)點隨機地在某一個有限域中選取元素作為局部編 碼向量，用于編碼節(jié)點下游鏈路的全局編碼向量的生成。每更新一次全 局編碼向量就記錄在數據包的包頭中，目的節(jié)點根據接收到的數據包提 取包頭中的全局編碼向量進行解碼。這種方法也存在其不可避免的局限 性，其一是在包頭中附加編碼向量信息會占用大量的帶寬資源，對于資
源相對緊張的網絡不適宜采用這種方法；其二是這種方法對于拓撲不透 明的網絡可以實現(xiàn)正確的編解碼，但是對于拓撲透明的網絡，采用這種 編碼向量的分配方法會嚴重影響傳輸效率。
因此，現(xiàn)有的從源節(jié)點到目的節(jié)點的編碼向量的分配方法不能完全 保證目的節(jié)點所接收到的全局編碼向量的線性不相關性，從而不能百分 百地保證目的節(jié)點能夠成功解碼，而且所適用的網絡拓撲透明性有一定 的局限性，嚴重的可影響到整個組播網絡的傳輸性能。
本發(fā)明涉及的是一種在目的節(jié)點就保證了解碼矩陣滿秩的有廣泛的 拓撲普適性的編碼向量分配方法一一上溯法，這種方法可以完全保證目 的節(jié)點能夠成功解碼，在透明與非透明的網絡拓撲中都可以采用，所以 能夠有效地提高網絡的性能，而且實現(xiàn)起來簡潔方便。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種組播網絡中的編碼向量分配方法，以便 提高組播網絡中的接收節(jié)點成功解碼的概率，減小編碼所需的字母表大 小，減小網絡編解碼的復雜度。為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術方案-
有向圖G- f「五>> 用來表示一個點到點的通信網絡，其中V是節(jié)點
的集合，E是傳輸信道的集合，假設s是信源節(jié)點，rw=h 2,..j表示目
的節(jié)點。我們通過采用網絡編碼使得從源節(jié)點S到任意一個目的節(jié)點Ti之 間的最大流量a/a;c-尸/oM^等于從源節(jié)點S到目的節(jié)點rz丫Z:7， 2,..J之間
最小割a^'"-c""的容量值。對于這個給定的子圖，通過為每個目的節(jié)
點建立互不相交"&e-A力'oz'""的獨立的路徑，來構造適合網絡編碼的 組播樹，并確定好網絡中的編碼節(jié)點。這里暫定組播網絡的最大流最小 割為2，因此我們需要為每個目的節(jié)點都建立兩條互不相交"^e-A力'oZ"U
的獨立的路徑。為源節(jié)點建立一個編碼向量緩存器，緩存器的各個端口 對應著源節(jié)點的各個輸出鏈路，并且在源節(jié)點編碼向量緩存器中需要維 護一個全局編碼向量的集合，用于對每一路信道分配編碼向量，這個向 量的集合是取自某一個有艱域F《的一組基的線性張成空間。然后先從目 的節(jié)點進行編碼向量的分配，分別為每個目的節(jié)點分配一組線性無關的 編碼向量，具體過程如下
(1) 從其中一個目的節(jié)點開始分配全局編碼向量，連接同一個上 游節(jié)點而分屬于不同的目的節(jié)點的鏈路上分配相同的編碼向量。
(2) 某一個目的節(jié)點收到編碼向量之后要隨時記錄，并組成解碼矩陣。
(3) 為所有的目的節(jié)點都分配好編碼向量之后，就為目的節(jié)點的 上層節(jié)點進行編碼向量的分配，這個過程就是編碼向量的上溯過程。
(4) 編碼向量上溯的過程中，如果不是編碼節(jié)點則該節(jié)點直接把 編碼向量傳給自己的上游鏈路，直到源節(jié)點。
(5) 編碼向量上溯的過程中，如果遇到編碼節(jié)點，則編碼節(jié)點的 操作是如果編碼節(jié)點只接收到兩個編碼向量，就隨機從源節(jié)點的向量 域中選取一個不重復的編碼向量，然后計算出改編碼節(jié)點的局部編碼向 量；如果編碼節(jié)點收到了三個編碼向量，就直接計算局部編碼向量，然 后要在編碼節(jié)點記錄局部編碼向量。
(6) 源節(jié)點收到的編碼向量要在源節(jié)點出口的編碼向量緩存器 的各個端口處記錄，每次發(fā)信息的時候要把源節(jié)點發(fā)出的信息向量和編 碼向量緩存器中所對應的各個端口處的編碼向量相乘，然后分別發(fā)送到 相應的源節(jié)點的輸出鏈路上。(7) 發(fā)送到源節(jié)點輸出鏈路上的信息傳送到編碼節(jié)點的時候，編 碼節(jié)點調用自己的局部編碼向量生成傳給下游鏈路的信息，不用記錄其 他的編碼向量。
目的節(jié)點收到兩路傳過來的信息，調用自己記錄的解碼矩陣，采用 高斯消元法成功解碼。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。 圖1實例網絡拓撲圖 圖2傳統(tǒng)的網絡組播樹
圖3網絡編碼組播樹 圖4編碼向量分配流程圖 圖5數據傳輸流程圖
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實例結合

如下
下面首先介紹一下本發(fā)明所涉及的相關術語。
全局編碼向量進行網絡編碼時源節(jié)點從有限域中選取的，為每條 鏈路所分配的向量；
局部編碼向量，進行網絡編碼時，源節(jié)點為編碼節(jié)點所分配的，用
于計算該節(jié)點下游鏈路的全局編碼向量的向量；
不相交路徑從源節(jié)點到同一個目的節(jié)點所建立的多條邊互不相交 的傳輸路徑；
iVC組播樹為了配置相應的網絡編碼環(huán)境，依據最大流最小割的原 則，為每條目的節(jié)點建立不超過最大流數個的互不相交的邊之后，所構 成的一棵適合于組播網絡的子樹。
網絡編碼所需字母表信源所發(fā)送的信息，鏈路上攜帶的信息以及 節(jié)點上的各種運算準則都是發(fā)生在有限域尸《上，稱為實現(xiàn)網絡編碼所需 字母表。
基于網絡編碼的組播網絡進行傳輸數據之前要先建立適合于網絡編 碼的組播樹，也即WC組播樹，這種組播樹區(qū)別于一般的組播樹之處在于 依據WC組播樹建立算法，要為每一個目的節(jié)點建立至少兩條邊不相交的 獨立的路徑。WC組播樹建立之后，需要為網絡分配全局和局部編碼向量， 然后再開始傳輸數據。有向圖G= (T, ￡J表示網絡編碼組播通信網絡子圖，其中K是節(jié)
點的集合，E是鏈路的集合，S是信源節(jié)點，77, 2...表示目的節(jié)點。 每條鏈路的容量均為1。對于這個給定的子圖，通過為每個目的節(jié)點建立 至少兩條邊互不相交"^e-^力'o^"的獨立的路徑，來構造適合網絡編 碼的組播樹，并確定好網絡中的編碼節(jié)點。
下面結合附圖來詳細說明這種組播網絡中的上溯式編碼向量分配方法。
圖l.為一個實例的拓撲圖，可以看出源節(jié)點S到目的節(jié)點7Y 2, 3, 最小割為2。圖2.是在圖1的基礎上所建立的一般的網絡組播 樹，源節(jié)點S到目的節(jié)點Ti分別有一條路徑。圖3.是在圖1的基礎上所 建立的網絡編碼NC組播樹，因為組播網絡理論上的最大流等于最小割為 2，因此我們需要為每個目的節(jié)點都建立兩條互不相交"超e-^力'o/"U的 獨立的路徑，以便使網絡從源節(jié)點到所有目的節(jié)點維持最大流的數據傳 輸。
為源節(jié)點S建立一個編碼向量緩存器M，緩存器的各個端口對應著源 節(jié)點的各個輸出鏈路，并且在源節(jié)點編碼向量緩存器中需要維護一個全 局編碼向量的集合，用于對每一路信道分配編碼向量，這個向量的集合 是取自某一個有限域Fq的一組基的線性張成線性張成空間。然后先從目 的節(jié)點進行編碼向量的分配，分別為每個目的節(jié)點分配一組線性無關的 編碼向量，具體分配流程結合圖4說明如下
步驟l:初始化目的節(jié)點，為接收編碼向量做準備；
步驟2:從i^，即第一個目的節(jié)點開始分配全局編碼向量， 一直到 最后一個目的節(jié)點為止。為目的節(jié)點的輸入鏈路分配線性不相關的全局 編碼向量，并在目的節(jié)點出記錄解碼矩陣；為目的節(jié)點分配編碼向量， 當遇到連接兩個不同的目的節(jié)點的兩條鏈路有相同的上游節(jié)點時，為其 分配相同的全局編碼向量；
步驟3:各個節(jié)點釆用上溯法從下游到上游依次向上游鏈路傳遞全局 編碼向量；
步驟4:收到全局編碼向量的節(jié)點査看自身信息是否是編碼節(jié)點，如 果不是就直接把向量傳給自己的上游節(jié)點，如果是編碼節(jié)點，則進入步 驟5;
步驟5:編碼節(jié)點如果收到兩個編碼向量^= "/,《"和eh"j,《"，就在源節(jié)點所維持的向量張成空間里面選取不同于已收到的兩個編碼向 量的第三個編碼向量d-^5,《"，然后按照線性張成的原理計算出<formula>formula see original document page 9</formula>已收到的編碼向量張成為第三個編碼向量所需要的系數Tec, -人作 為局部編碼向量記錄在編碼節(jié)點處。
如果編碼節(jié)點收到了三個編碼向量^= "/,^入e2^^,g"和 "=^乂《"，就直接計算并記錄局部編碼向量；
步驟6:計算好局部編碼向量之后，編碼節(jié)點需要把全局編碼向量繼 續(xù)向的上游鏈路進行傳輸，直到源節(jié)點收齊所有的全局編碼向量，并在 編碼向量緩存器的每個端口處記錄該端口所對應的輸出鏈路上的編碼向 里。
圖5為網絡數據傳輸流程圖，具體步驟如下 步驟l:初始化源節(jié)點，為發(fā)送數據做準備；
步驟2:發(fā)送信息向量"/,;c2人并把信息向量送到編碼向量緩存器 步驟3:編碼向量緩存器提取自身所記錄的全局編碼向量矩陣，分別 把信息向量和分配在各個端口處的全局編碼向量相乘，并把輸出結果發(fā)
送到各個端口所對應的輸出鏈路上；
步驟4:節(jié)點接收到上游傳送過來的數據，首先査看是不是編碼節(jié)點，
如果不是編碼節(jié)點就直接把數據包向下游傳輸。如果是編碼節(jié)點就到步
驟5;
步驟5:編碼節(jié)點提取自身的局部編碼向量，與所接收到的信息向量 相乘，把輸出結果向下游傳輸；
步驟6:目的節(jié)點收到上游傳送過來的信息后，就提取解碼矩陣，采 用高斯消元法進行解碼。
上面對本發(fā)明所述的組播網絡中的上溯式編碼向量分配方法進行 了詳細的說明，但本發(fā)明的具體實現(xiàn)形式并不局限于此。對于本技術 領域的一般技術人員來說，在不背離本發(fā)明所述方法的精神和權利要 求范圍的情況下對它進行的各種顯而易見的改變都在本發(fā)明的保護范 圍之內。
權利要求
1.組播網絡中的上溯式編碼向量分配方法，其特征在于從目的節(jié)點開始分配線性不相關的全局編碼向量，逐次向源節(jié)點傳遞，在目的節(jié)點就保證解碼矩陣滿秩。
2. 根據權利要求1所述的組播網絡中的上溯式編碼向量分配方法，其 特征在于為網絡分配編碼向量時，需要在源節(jié)點維護一個全局編碼 向量的集合，每個編碼向量分別記錄在編碼向量緩存器的一個端口 處。傳輸數據時，源節(jié)點發(fā)送的信息首先和緩存器各個端口處的全 局編碼向量相乘，然后再向下游傳輸。所述的編碼向量的分配的步 驟如下步驟l:首先從第一個目的節(jié)點開始分配全局編碼向量， 一直到最后 一個目的節(jié)點為止。為目的節(jié)點的輸入鏈路分配線性不相關的全局編碼 向量，并在目的節(jié)點出記錄解碼矩陣；步驟2:各個節(jié)點采用上溯法從下游到上游依次向上游鏈路傳遞全局 編碼向量。收到全局編碼向量的節(jié)點查看自身信息是否是編碼節(jié)點，如 果不是就直接把向量傳給自己的上游節(jié)點，如果是編碼節(jié)點，則進入步 驟3;步驟3:編碼向量上溯的過程中，如果遇到編碼節(jié)點，則編碼節(jié)點的 操作是如果編碼節(jié)點只接收到兩個編碼向量，就隨機從源節(jié)點的向量 域中選取一個不重復的編碼向量，然后計算出改編碼節(jié)點的局部編碼向 量；如果編碼節(jié)點收到了三個編碼向量，就直接計算局部編碼向量，然 后要在編碼節(jié)點記錄局部編碼向量；步驟4:計算好局部編碼向量之后，編碼節(jié)點需要把全局編碼向量繼 續(xù)向的上游鏈路進行傳輸，直到源節(jié)點收齊所有的全局編碼向量，并在編碼向量緩存器的每個端口處記錄該端口所對應的輸出鏈路上的編碼向里O
3.根據權利要求2所述的數據傳輸步驟如下步驟l:源端產生數據信息，并把信息向量送到編碼向量緩存器； 步驟2:編碼向量緩存器提取自身所記錄的全局編碼向量矩陣，分別把信息向量和分配在各個端口處的全局編碼向量相乘，并把輸出結果發(fā)送到各個端口所對應的輸出鏈路上；步驟3:節(jié)點接收到上游傳送過來的數據，首先查看是不是編碼節(jié)點，如果不是編碼節(jié)點就直接把數據包向下游傳輸。如果是編碼節(jié)點就到步驟4;步驟4:編碼節(jié)點提取自身的局部編碼向量，與所接收到的信息向量 相乘，把輸出結果向下游傳輸；步驟5:目的節(jié)點收到上游傳送過來的信息后，就提取解碼矩陣，采 用高斯消元法進行解碼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種組播網絡中的上溯式編碼向量分配方法從目的節(jié)點開始分配線性不相關的全局編碼向量，逐次向源節(jié)點傳遞，在目的節(jié)點就保證解碼矩陣滿秩。也即首先為各個目的節(jié)點分配線性不相關的全局編碼向量，然后向上游傳遞，在編碼節(jié)點依照一定的規(guī)則計算并記錄局部編碼向量。在源節(jié)點維護一個全局編碼向量的集合，每個編碼向量分別記錄在編碼向量緩存器的一個端口處。傳送數據時，源節(jié)點發(fā)送的信息首先和緩存器各個端口處的全局編碼向量相乘，然后再向下游傳輸。目的節(jié)點收到信息后調用解碼矩陣采用高斯消元法進行解碼。本發(fā)明解決了適用于拓撲已知以及未知的網絡中的編碼向量分配方法，可以提高基于網絡編碼的組播網絡中的接收節(jié)點成功解碼的概率，減小編碼所需的字母表大小，減小網絡編碼的復雜度。
文檔編號H04L12/18GK101409602SQ20081022728
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月26日 優(yōu)先權日2008年11月26日
發(fā)明者琳 柏, 王肖玲 申請人:北京郵電大學