專利名稱：分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通信技術領域，涉及網絡編碼，具體地說是一種隨機線性網絡編碼方法，用于信息共享過程中的信息傳輸。
背景技術：
2000年，Ashlswede等人首次提出的網絡編碼理論顛覆了傳統(tǒng)通信網絡中存儲轉 發(fā)的路由模式，它允許網絡通信中間節(jié)點對其接收到的信息進行數(shù)據處理。網絡編碼的應 用，為現(xiàn)有的網絡帶來了諸多優(yōu)點，包括提高網絡的吞吐量，改善網絡的可靠性，減少通信 的能量消耗、提高帶寬利用率、保證信息安全、提高魯棒性和容錯性等?，F(xiàn)有的文件共享過 程大多采用HTTP協(xié)議或者類似協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據傳輸，而這些協(xié)議都是根據網絡情況把文 件先分塊然后按塊傳輸，資源節(jié)點的離開常常會導致文件傳輸中止。于是，人們開始紛紛把 網絡編碼應用到文件共享過程，以提高通信網絡的吞吐量、帶寬利用率和容錯性、保證信息 安全和提供系統(tǒng)魯棒性。針對信息共享中網絡編碼的應用問題，近年來很多專家學者提出了許多解決方 案。Philip A. Chou，Yunnan Wu 和 Kamal Jain 等人于 2003 年發(fā)表的論文 “Practical Network Coding”中首先提出分代網絡編碼方法。分代網絡編碼方法雖然可以解決無分 代計算量過大的問題，但是它仍然存在節(jié)點的退出使得網絡中已經不存在足夠多線性無關 的編碼塊組合從而導致無法解出完整文件的問題，另外信息傳輸?shù)拇g切換也是個很難 把握的問題。微軟研究院的Christos Gkantsidis和Pablo Rodriguez于2005年發(fā)表 在"IEEE Conference on Information，，上的"Network Codingfor Large Scale Content Distribution”一文中，首先提出無分代網絡編碼方法。無分代網絡編碼方法用于文件共享 時，雖然可以提高網絡的傳輸效率，但因為編碼過程是在一個文件的所有分塊之間進行的， 所以計算量和系統(tǒng)開銷都很大尤其是在大文件分發(fā)時，它正確譯碼的必要條件很苛刻，要 求收到的線性無關編碼塊個數(shù)等于或大于原始文件分塊數(shù)。黃佳慶、王帥和陳清文于2009 年發(fā)表在維普資訊上的“網絡編碼在P2P網絡中的應用”一文中首先提出代間網絡編碼方 法。代間網絡編碼方法的優(yōu)點在于當本代集中的某一代沒有足夠多線性無關的編碼塊時， 可以由本代集中其他代的線性無關編碼塊來填補。但是它的缺點在于無法單獨成功解出某 一代的原始數(shù)據，且其計算復雜度和空間復雜度都太大。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種分代分組交叉隨機線性網 絡編碼方法，以提高編碼速度和譯碼速度，降低編碼過程的空間復雜度，減弱譯出文件的必 要條件，降低節(jié)點尤其是資源節(jié)點的離開對信息傳輸?shù)挠绊?。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的編碼步驟包括如下(1)由信源節(jié)點把要發(fā)送的信息用有限域GF(q)內的元素表示，得到原始數(shù)據，其 中q > 256 ；將該原始數(shù)據順序分為g個代，g > 2，用& < i < g)表示第i代；再把每一代按順序分為m個組，m≥2，用P/ (1≤i≤g，1≤j≤m)表示第i代的第j分組，每代 和它的后一代構成代集，用GEi表示第i代集，其中g，最后一個代集只包括最后一 代；(2)令 i = 1 ；(3)根據當前節(jié)點的屬性確定其操作，如果當前節(jié)點是信源節(jié)點，轉步驟(4)，否 則，轉步驟(5)；(4)如果1≤i≤g，則由信源節(jié)點確定第i代集的信息包結構，用GEi表示，轉步 驟(5)，否則，結束;(5)將當前節(jié)點中第i代集信息包的個數(shù)用k表示，如果k > 2，則當前節(jié)點根據 k確定第i代集的局部編碼系數(shù)向量后，轉步驟(6)，否則，當前節(jié)點把僅有的一個編碼包作 為新編碼包發(fā)送給下游節(jié)點后，轉步驟(7)；(6)當前節(jié)點根據步驟(5)的局部編碼系數(shù)向量和其內存中的k個第i代集的信 息包生成新編碼包，并發(fā)送給下游節(jié)點，轉步驟(7)；(7)下游節(jié)點在收到新編碼包之后，對其進行線性相關性檢測，如果檢測通過，則 把該新編碼包用于編碼或譯碼，否則，認為該新編碼包不能提供有用信息，拋棄或者請上游 節(jié)點重發(fā)，如果當前節(jié)點是信宿節(jié)點，轉步驟(8)，否則，轉步驟(5)；(8)信宿節(jié)點在收到k個第i代集通過步驟(7)線性相關性檢測的編碼包之后，通 過譯碼得出信源發(fā)送的第i代集的原始數(shù)據后，轉步驟(9)，其中，當1 < i < g-Ι時，k = 2m,當 i = g B^t, k = m ；(9)將i加1，并轉步驟(3)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明由于采用稀疏矩陣作為局部編碼系數(shù)矩陣，極大地提高了編碼速度；(2)本發(fā)明由于采用高斯列主元消元法進行譯碼，提高了譯碼速度；(3)本發(fā)明編碼過程由于是在由本代及其下一代構成的代集內進行的，降低了編 碼過程的時間復雜度和空間復雜度；(4)本發(fā)明的譯碼過程由于是在由本代及其下一代構成的代集內進行的，減弱了 正確譯出文件的必要條件，節(jié)點只要收到k個第i代集線性無關的編碼包就可以正確譯出 第i代集原始數(shù)據，其中，當1彡i彡g_l時，k = 2m，當i = g時，k = η ；(5)本發(fā)明由于每個編碼包都包含本代集內所有分組的信息，降低了節(jié)點尤其是 資源節(jié)點的離開對信息傳輸?shù)挠绊憽?br>

圖1是本發(fā)明的網絡編碼過程示意圖；圖2是本發(fā)明使用的通信網絡示意圖；圖3是本發(fā)明的網絡編碼原理示意圖。
具體實施例方式以下參照附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。一、本發(fā)明所應用的數(shù)學理論及技術術語說明
1、有限域稀疏矩陣滿秩定理設M= (Hiin)nxn是有限域GF (q)上的一個nXn維隨機矩陣，矩陣中的元素Hiij月艮 從滿足下列概率的獨立均勻分布<formula>formula see original document page 7</formula>如果ρ 彡(logn+d) /n,則有
Iim Pr(M 滿秩)=e~2e'' Π1 - q~J
η—oo其中，d是一個非負常量。2、高斯列主元消元法高斯列主元消去法是一種解線性方程組的方法，它首先對線性方程組的系數(shù)矩陣 依次消元，在每次消元之前，先把絕對值大的元素交換到主對角線的位置上，再進行消元， 直到系數(shù)矩陣轉化成上三角矩陣，接著回代求出方程組的解。3、相關術語圖2為一個有向無環(huán)圖，表示一個通信網絡，用G = (V, E)表示，V為該通信網絡 中的節(jié)點集合，V = {S，Rl, R2，R3，R4，R5，T}，其中，S為信源節(jié)點，R1、R2、R3、R4和R5為 中間節(jié)點，T為信宿節(jié)點，E為該通信網絡中的鏈路集合，E = {S-Rl, S —R3，S — R4， Rl — R2，…，R5 — T}，下面根據圖2對相關術語進行說明(1)信源節(jié)點S，是指信息的提供者。(2)信宿節(jié)點T，是指信息的請求者。(3)中間節(jié)點Rl、R2、R3、R4、R5，是信息從信源節(jié)點到信宿節(jié)點所經過的節(jié)點，它 們只對信息進行編碼和轉發(fā)，而不進行譯碼。(4)所有的通信鏈路都是一條有向信道，有向信道的始端是其末端的上游節(jié)點，有 向信道的末端是其始端的下游節(jié)點，如在通信鏈路Rl — R2中，Rl是R2的上游節(jié)點，R2是 Rl的下游節(jié)點。二、本發(fā)明的編碼過程參照圖1，本發(fā)明的具體步驟為步驟1、由信源節(jié)點對要發(fā)送的信息進行分代分組。參照圖3，信源節(jié)點對信息的分代分組過程為la)把要發(fā)送的信息轉換為有限域GF (q)內的元素，得到原始數(shù)據，其中q > 256 ；lb)將該原始數(shù)據順序分為g個同等大小的代，g彡2，用& 彡i彡g)表示第i 代，當最后一代的大小小于其他代時，用0補齊使得所有代的大小都相等；Ic)把每一代按順序分為m個組，m彡2，用P/ (1彡i彡g，1彡j彡m)表示第i 代的第j個分組，所有組的大小都相等；Id)每代和它的后一代構成代集，用GEi表示第i代集，其中1彡i彡g，當 1 < i < g-Ι時，第i代集包括第i代和第i+Ι代，當i = g時，第i代集就是第g代。步驟2、給參數(shù)i賦初值，令i = 1。步驟3、根據當前節(jié)點的屬性確定其操作，如果當前節(jié)點是信源節(jié)點，轉步驟4，否貝U，轉步驟5。步驟4、如果1彡i彡g，則由信源節(jié)點確定第i代集的信息包結構，用GEi表示， 轉步驟5，否則，結束。所述第i代集的信息包結構GEi分為兩種情況第一種情況為當1彡i彡g_l時，第i代集的信息包結構為
<formula>formula see original document page 8</formula>
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，Di為當前節(jié)點中第i代集信息包的數(shù)據構成的矩陣，GCi為當前節(jié)點中第i代集信息包的全局編碼系數(shù)構成的矩陣，SDi為原始數(shù)據第i代集分組構成的矩陣，E2mx2m為一個2m行2m列的單位矩陣，SD/為原始數(shù)據第i代集內第j分組構成的向量，且1 ( j ( 2m，GC/為第i代集內第j分組的全局編碼系數(shù)向量，且1彡j彡2m，Xjl1為原始數(shù)據第i代集內第j分組的第1個數(shù)據，且1彡j彡2m，1彡1彡n，GE/為第i代集內第j個信息包，且1彡j彡2m ；第二種情況為當i = g時，第i代集的信息包結構為
GE' = GEg = [SDg GCg ] = [SDg Emxm ]
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，Emxm為一個m行m列的單位矩陣，SD/為原始數(shù)據第i代集內第j分組構成的向量，且1≤j≤m，
GC/為第i代集內第j分組的全局編碼系數(shù)向量，且1彡j彡m，χ/為原始數(shù)據第g代集內第j分組的第1個元素，且1彡j彡m，1彡1彡n，GE/為第g代集內第j個信息包，且1彡j彡m。步驟5、將當前節(jié)點中第i代集信息包的個數(shù)用k表示，如果2，則當前節(jié)點根 據k確定第i代集的局部編碼系數(shù)向量后，轉步驟6，否則，當前節(jié)點把僅有的一個編碼包作 為新編碼包發(fā)送給下游節(jié)點后，轉步驟7。當前節(jié)點根據下式確定第i代集的局部編碼系數(shù)向量LCi=JVc; Ici2 ··· /C；]其中，LCi為第i代集的局部編碼系數(shù)向量，Ic/是按照一定規(guī)則生成的有限域
GF (q)內的隨機數(shù)，1彡j彡k，它服從獨立同分布，且其概率分布函數(shù)為
l-pχ=0
？T(Ic1=X) = I , yJ[p/iq-l)λτ€[1,2,···,^-1]
p = (logiV + 10)/A:其中，N為原始數(shù)據第i代集內分組的個數(shù)，當1彡i彡g_l時，N = 2m，當i = g 時，N = m ;k為當前節(jié)點擁有的第i代集信息包的個數(shù)，如果當前節(jié)點是信源節(jié)點，則k =
N0步驟6、當前節(jié)點生成新編碼包，并發(fā)送給下游節(jié)點。新編碼包是當前節(jié)點根據步驟5的局部編碼系數(shù)向量和其內存中的k個第i代 集的信息包生成的編碼包，該編碼包包括新信息數(shù)據和新全局編碼系數(shù)，它們的生成過程 為6a)通過下式產生新信息數(shù)據D0 =LC(E)D1其中， 為有限域內的乘法運算，Dc/為新信息數(shù)據，它是一個η維的行向量，如果 當前節(jié)點為信源節(jié)點，則Di = SDi ；6b)通過下式產生新全局編碼系數(shù)GC; 二 LC' GC'其中，GCc/為新全局編碼系數(shù)，如果當前節(jié)點為信源節(jié)點，則GCi = E，GC01 = LCi0步驟7、下游節(jié)點在收到新編碼包之后，對其進行線性相關性檢測。7a)通過下式構造當前節(jié)點第i代集的全局編碼系數(shù)矩陣GCi GC'=[GC； GC^ ··· GCk GC；]1其中，GC^GC/、-GCk1為當前節(jié)點已有的k個第i代集信息包的全局編碼系數(shù)；7b)通過行列式變化求出矩陣GCi的秩，用rank(GCi)表示；7c)如果I^ank(GCi) = k+Ι，則該新編碼包通過檢測，把該新編碼包用于編碼或譯 碼，否則，認為該新編碼包不能提供有用信息，拋棄或者請上游節(jié)點重發(fā)；7d)如果當前節(jié)點是信宿節(jié)點，轉步驟8，否則，轉步驟5。步驟8、信宿節(jié)點在收到k個第i代集通過步驟七線性相關性檢測的編碼包之后， 進行譯碼，其中，當1彡i彡g-Ι時，k = 2m，當i = g時，k = m。譯碼過程為采用高斯列主元消元法求解線性方程組的解，具體步驟為
8a)將信宿節(jié)點收到的k個第i代集編碼包中數(shù)據部分構成數(shù)據矩陣Di,它是一個kXn維的矩陣；8b)將信宿節(jié)點收到的k個第i代集編碼包中全局編碼系數(shù)部分構成全局編碼系數(shù)矩陣GCi,它是一個kXN維的矩陣；8c)根據編碼原理可得Di=GOSD'對系數(shù)矩陣GCi依次消元，每次消元之前，先把絕對值大的元素交換到主對角線的位置上，再進行消元，直到把GCi轉化成上三角矩陣，接著回代求出原始數(shù)據矩陣SDi,把原始數(shù)據轉換為二進制格式后就是信源發(fā)送的信息。步驟9、將i加1，并轉步驟3，進行下一代集的信息傳輸。
權利要求
一種分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法，包括如下步驟(1)由信源節(jié)點把要發(fā)送的信息用有限域GF(q)內的元素表示，得到原始數(shù)據，其中q≥256；將該原始數(shù)據順序分為g個代，g≥2，用Gi(1≤i≤g)表示第i代；再把每一代按順序分為m個組，m≥2，用Pij(1≤i≤g，1≤j≤m)表示第i代的第j分組，每代和它的后一代構成代集，用GEi表示第i代集，其中1≤i≤g，最后一個代集只包括最后一代；(2)令i＝1；(3)根據當前節(jié)點的屬性確定其操作，如果當前節(jié)點是信源節(jié)點，轉步驟(4)，否則，轉步驟(5)；(4)如果1≤i≤g，則由信源節(jié)點確定第i代集的信息包結構，用GEi表示，轉步驟(5)，否則，結束；(5)將當前節(jié)點中第i代集信息包的個數(shù)用k表示，如果k≥2，則當前節(jié)點根據k確定第i代集的局部編碼系數(shù)向量后，轉步驟(6)，否則，當前節(jié)點把僅有的一個編碼包作為新編碼包發(fā)送給下游節(jié)點后，轉步驟(7)；(6)當前節(jié)點根據步驟(5)的局部編碼系數(shù)向量和其內存中的k個第i代集的信息包生成新編碼包，并發(fā)送給下游節(jié)點，轉步驟(7)；(7)下游節(jié)點在收到新編碼包之后，對其進行線性相關性檢測，如果檢測通過，則把該新編碼包用于編碼或譯碼，否則，認為該新編碼包不能提供有用信息，拋棄或者請上游節(jié)點重發(fā)，如果當前節(jié)點是信宿節(jié)點，轉步驟(8)，否則，轉步驟(5)；(8)信宿節(jié)點在收到k個第i代集通過步驟(7)線性相關性檢測的編碼包之后，通過譯碼得出信源發(fā)送的第i代集的原始數(shù)據后，轉步驟(9)，其中，當1≤i≤g-1時，k＝2m，當i＝g時，k＝m；(9)將i加1，并轉步驟(3)。
2.根據權利要求1所述的分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法，其中步驟(4)所述的 第i代集的信息包結構分為兩種情況第一種情況為當1 < i彡g_l時，第i代集的信息包結構為<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>其中，Di為當前節(jié)點中第i代集信息包的數(shù)據構成的矩陣， GCi為當前節(jié)點中第i代集信息包的全局編碼系數(shù)構成的矩陣， SDi為原始數(shù)據第i代集分組構成的矩陣， E2mx2ffl為一個2m行2m列的單位矩陣，SD/為原始數(shù)據第i代集內第j分組構成的向量，且1 ( j ( 2m,GC/為第i代集內第j分組的全局編碼系數(shù)向量，且1彡j彡2m,Xjxi為原始數(shù)據第i代集內第j分組的第1個數(shù)據，且1彡j彡2m，1彡1彡n，GE/為第i代集內第j個信息包，且1彡j彡2m ；第二種情況為當i = g時，第i代集的信息包結構為<formula>formula see original document page 3</formula>其中，Emxm為一個m行m列的單位矩陣，SD/為原始數(shù)據第i代集內第j分組構成的向量，且1彡j彡m，GC/為第i代集內第j分組的全局編碼系數(shù)向量，且1彡j彡m，Xjl8為原始數(shù)據第g代集內第j分組的第1個元素，且1彡j彡m，1彡1彡n，GE/為第g代集內第j個信息包，且1彡j彡m。
3.根據權利要求1所述的分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法，其中步驟(5)所述的 第i代集的局部編碼系數(shù)向量，通過用下式產生LC'= [/c； Ici2 …/c;]其中，LCi為第i代集的局部編碼系數(shù)向量，Ic/為第i代集的局部編碼系數(shù)向量內的 第j個數(shù)，是有限域GF(q)內的隨機數(shù)，其中1彡j彡k，如果當前節(jié)點是信源節(jié)點，則當 1 彡 i 彡 g-Ι 時，k = 2m，當 i = g 時，k = m。
4.根據權利要求3所述的分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法，其中第i代集局部編 碼系數(shù)向量的第j個數(shù)Ic/是按照一定規(guī)則生成的有限域GF(q)內的隨機數(shù)，它服從獨立 同分布，且其概率分布函數(shù)為<formula>formula see original document page 4</formula>其中，N為原始數(shù)據第i代集內分組的個數(shù)，當1彡i彡g_l時，N = 2m，當i = g時， N = m。
5.根據權利要求1所述的分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法，其中步驟(6)所述的 新編碼包，包括根據局部編碼系數(shù)向量和當前節(jié)點中k個第i代集信息包生成的新信息數(shù) 據和新全局編碼系數(shù)，它們分別通過以下兩個式子產生<formula>formula see original document page 4</formula>其中， 為有限域內的乘法運算，Doi為新信息數(shù)據，GQi為新全局編碼系數(shù)，如果當前 節(jié)點為信源節(jié)點，則Di = SDijGC^=LC。
6.根據權利要求1所述的分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法，其中步驟(7)所述的 下游節(jié)點在收到新編碼包之后，對其進行線性相關性檢測，按如下步驟進行(6a)將新編碼包的全局編碼系數(shù)加入當前節(jié)點中第i代集的全局編碼系數(shù)矩陣后，用 下式表示<formula>formula see original document page 4</formula>其中，GC/jC/、-GCk1為當前節(jié)點中k個第i代集信息包的全局編碼系數(shù)；(6b)通過行列式變換求出全局編碼系數(shù)矩陣GCi的秩，用I^ank(GCi)表示，如果 rank(GCi) = k+1，則該新編碼包通過檢測，否則，認為該新編碼包不能提供有用信息，不能 通過檢測。
7.根據權利要求1所述的分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法，其中步驟(8)所述的 譯碼，采用高斯列主元消元法求出線性方程組的解Di=GC (8)SD'它是原始數(shù)據的第i代集SDi1全文摘要
本發(fā)明公開了一種分代分組交叉隨機線性網絡編碼方法。其過程為信源先將原始數(shù)據順序分代，在代內再順序分組，每代和它的后一代構成代集；在代集內進行編碼，代集之間編碼過程是獨立的，由信源確定代集的信息包結構；節(jié)點根據參與編碼的信息包個數(shù)確定局部稀疏編碼系數(shù)向量，再根據它和參與編碼的信息包生成新編碼包并發(fā)送給下游節(jié)點；節(jié)點收到新編碼包后對其進行線性相關性檢測，若通過檢測，把它用于編碼或譯碼，否則，丟棄或重傳；信宿節(jié)點在收到足夠多通過線性相關性檢測的編碼包后，采用高斯列主元消元法譯出原始數(shù)據。本發(fā)明具有降低網絡編碼的時間和空間復雜度、減弱正確譯碼的必要條件的優(yōu)點，適用于信息共享中的信息傳輸。
文檔編號H04L1/00GK101800624SQ20101010717
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權日2010年2月5日
發(fā)明者李學俊, 李暉, 王博洋, 申肖肖 申請人:西安電子科技大學