專利名稱：認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種無線網絡及無線通信領域的認知無線電自組織網絡報文多 播傳輸方法。
背景技術：
認知無線電自組織網絡是采用認知無線電技術的無線多跳網絡，能自動發(fā)現并在 不影響授權用戶的情況下利用空閑頻譜，解決頻譜資源緊張和利用率低問題。高效的信息 多播及廣播技術是認知無線電自組織網絡技術得一項基礎技術，對認知無線電網絡的應用 和推廣具有重要意義。認知無線電自組織網絡相對于傳統無線網絡的最突出特點為其多信道特性、不同 節(jié)點可用信道集合的差異性及各信道報文傳輸質量的變化性，這些特性給認知無線電自組 織網絡的多播及廣播技術的研究帶來了新的挑戰(zhàn)，而網絡編碼技術的出現為認知無線電自 組織網絡的多播及廣播技術的研究提供了新思路和途徑。網絡編碼技術融合了編碼和路由的概念，鼓勵對不同鏈路信息進行編碼組合，徹 底改變了網絡通信的存儲轉發(fā)模式，可更好地利用無線網絡的通信廣播性、數據冗余性、空 間分布性等本質特性，顯著提高無線網絡的吞吐量、可靠性、負載均衡性等。目前已經有不少關于認知無線電網絡中多播廣播等技術的論文及專利申請等 成果，也有較多的關于在普通無線網絡中使用網絡編碼技術的研究成果。但除了本發(fā)明 申請人:在中國學術論文在線非正式發(fā)表的一篇論文外，尚未發(fā)現關于在認知無線電自組 織網絡中應用網絡編碼技術的研究成果發(fā)表。而本發(fā)明申請人所發(fā)表的那篇論文的研 究內容是鏈路層自動請求重傳協議的改進和補充，主要研究了利用網絡編碼技術解決認 知無線網絡中的出錯報文重傳問題，不同于本發(fā)明中所解決的認知無線電自組織網絡的 全網多播及廣播技術，關于這篇文章詳見“高振國，劉勝，趙蘊龍，馬千里.基于網絡編 碼的認知無線電網絡報文重傳技術研究.中國科技論文在線(http://www.paper.edu. c η). 200905-535. 2009. 05. 21. ”。另外，華中科技大學的黃本雄等人發(fā)表了 一篇名為“網 絡編碼在認知無線電中的應用”的文章，但實際上，該文獻與本發(fā)明申請的研究內容差別更 大。具體來說，該文獻只是通過分析網絡編碼技術的特點，分析認為網絡編碼技術可以降 低認知無線電網絡中授權用戶和非授權用戶的無線信道訪問沖突概率，且并沒有提出具體 的實施方案。該文獻詳見“張波，黃本雄，戴彬，徐奎，朱江.網絡編碼在認知無線電中的應 用.微電子學與計算機.Jan. 2010，27(1) :13_16. ”。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效節(jié)省報文傳輸數量，降低能耗，提高報文多播 和廣播的傳輸效果的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法。本發(fā)明的目的是這樣實現的每個節(jié)點均有報文發(fā)送方法和報文接收方法的無限循環(huán)工作線程，分別進行數據報文發(fā)送和數據報文接收任務；各節(jié)點間的報文發(fā)送方法和報文接收方法以及每個節(jié)點 內部的報文接收方法和報文發(fā)送方法協作把報文從源節(jié)點逐步傳輸到各目的節(jié)點；每個 節(jié)點內部的報文接收方法從上游節(jié)點接收報文，并在當前批次接收完成后解碼得到各原始 報文；該節(jié)點的報文發(fā)送方法檢測到該批剛接收完的報文并開始向下游節(jié)點傳輸；某節(jié)點 的報文發(fā)送方法與其下游節(jié)點的報文接收方法通過報文交互協作完成報文從當前節(jié)點到 其下游節(jié)點的一跳傳輸過程；不同節(jié)點對間的報文發(fā)送方法和報文接收方法相互協作，使 數據報文沿著路徑不斷從上游節(jié)點傳播到下游節(jié)點，最終使源節(jié)點發(fā)送的報文到達目標節(jié) 點ο所述報文發(fā)送方法包括如下步驟(1)節(jié)點首先求解整數線性規(guī)劃模型獲得最優(yōu) 調度策略，策略結果為在各個信道上需要廣播的組合報文數量；(2)然后根據該最優(yōu)策略 依次在各個信道上傳輸確定的組合報文數量；(3)接著初始化一個變量Rk用于保存為返回 回復報文的接收節(jié)點集合，(接收到某節(jié)點的回復報文則表明該節(jié)點已經能成功解碼該批 報文；在期望情況下，各接收節(jié)點將均能獲得足夠的組合報文從而成功解碼)；(4)然后進 入一段等待時間，該時間段長度等于一個時間參數的IrkI倍，這段時間內節(jié)點將等待各接 收節(jié)點的回復報文，接收到某節(jié)點1^的回復報文后把1^從&中刪除；(5)等待時間結束后， 若Rk不等于空集，則重新構造一個組合報文并從能獲得最大收益的信道上發(fā)出去，然后繼 續(xù)等待回復報文，若Rk等于空集，則表明本批次報文發(fā)送完成，則該節(jié)點開始等待進入下一 批次報文傳輸任務。所述報文接收方法包括如下步驟(1)等待接收新批次組合報文，初始化解碼矩 陣Md為空矩陣，初始化編碼報文向量Py*空的列向量；(2)接收到組合報文后，根據隨機數 種子利用公共的隨機數生成函數重新構造所用的編碼向量，然后把該編碼向量附加到Md末 行，并提取出編碼報文附加到Py末尾；⑶接著在所用的伽羅華域GFM)上計算rank (Md)； 若rank (Md)等于本批次報文數量，則解碼得原始報文，否則若繼續(xù)等待接收組合報文；(4) 解碼獲得各原始報文后，若本節(jié)點ID在組合報文的List_Rcv字段中，則向發(fā)送節(jié)點發(fā)送回 復報文；(5)轉到第(1)步準備接收新批次報文。本發(fā)明充分考慮了認知無線電自組織網絡的多信道特性、不同節(jié)點可用信道集合 的差異性及各信道報文傳輸質量的變化性，基于隨機網絡編碼技術，提出了認知無線電自 組織網絡報文多播傳輸方法。該方法的特點包括1.該方法采用了隨機網絡編碼技術，充分利用了無線信道的廣播性質降低報文傳 輸數量，降低報文開銷，降低能耗；2.該方法充分考慮了多播樹上游節(jié)點與各下游節(jié)點間對不同信道的訪問權限及 報文傳輸質量，使上游節(jié)點的每次報文傳輸都最大化后續(xù)節(jié)點的報文收益，提高報文多播 和廣播的傳輸效果；3.該方法有效節(jié)省了封裝了編碼報文的組合報文中用于解碼的附加信息，降低了 報文長度，節(jié)省了無線帶寬的消耗。4.該方法適用于包括認知無線電自組織網絡在內的多信道無線網絡中的信息多 播和廣播應用。5.利用該方法可以對局部1跳通信中的發(fā)送節(jié)點及接收節(jié)點進行升級，不影響其 它節(jié)點工作，從而可對現有無線通信網絡進行逐步升級，無需全網統一升級，顯著提高全網升級的平穩(wěn)性，降低技術實施所需的費用。本發(fā)明針對認知無線電自組織網絡的多播及廣播應用而提出。所有節(jié)點都支持一 個公共的無線控制報文交換信道及多個數據頻道，節(jié)點通過公共無線控制報文交換信道傳 輸通信控制報文。由于所處位置和環(huán)境的不同，以及其它網絡節(jié)點的活動狀態(tài)的變化，不同 節(jié)點所能訪問的數據頻道集合可能不相同。且對于能訪問的信道，由于發(fā)送節(jié)點及接收節(jié) 點之間的相對位置關系及環(huán)境等各因素的影響，不同信道的通信質量存在差別，導致不同 信道上報文傳輸成功率不同。網絡中每個節(jié)點都通過公共控制信道周期性地廣播Hello報 文。通過網絡Hello報文進行網絡管理和維護，如網絡拓撲的發(fā)現和更新，節(jié)點通信參數的 交互等。每個網絡節(jié)點通過Hello報文獲得局部拓撲信息，維護其鄰居列表。本發(fā)明所提出的多播方法，在其工作過程中是成批進行數據報文多播傳輸任務 的，且每個批次中的數據報文數量是可變的。在進行多播數據傳輸前，數據源節(jié)點在公共無 線控制信道上，通過傳統的多播路由發(fā)現方法建立以源節(jié)點為根，以多播接收節(jié)點為葉的 多播樹。多播樹建立完成過后，源節(jié)點即開始按本發(fā)明中所提出多播方法向多播樹廣播無 線數據報文。多播樹內節(jié)點收到數據報文后，按本發(fā)明中所提出的方法進行處理并繼續(xù)向 下游節(jié)點轉發(fā)，直到樹葉節(jié)點收到該批次的所有報文，則本批次數據報文多播傳輸成功完 成。廣播樹內節(jié)點根據局部信息決定何時開始下一批次數據報文的傳輸任務。本發(fā)明所提出的基于隨機網絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法 中，網絡中實際傳輸的是組合報文，組合報文中封裝有編碼報文，以及必要的用于解碼的輔 助信息。本發(fā)明中生成編碼報文時所使用的編碼向量實際是由一個公共隨機函數利用一個 隨機數作為種子生成的隨機數序列，因此，組合報文中的輔助信息是所用的隨機數種子，而 非編碼向量本身，從而降低了輔助信息的位數。本發(fā)明所提出的基于隨機網絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法 分為數據報文發(fā)送方法和數據報文接收方法兩部分。每個節(jié)點均有兩個無限循環(huán)工作線程 分別運行報文發(fā)送方法和報文接收方法，從而分別負責處理該節(jié)點的數據報文發(fā)送任務和 數據報文接收任務。多播樹內節(jié)點及樹內其所有下游節(jié)點共同構成一個臨時的局部的單跳廣播系統。 在保證期望狀態(tài)下各下游節(jié)點都能接收到足夠報文信息從而解碼得到本批次中各原始數 據報文的前提下，發(fā)送節(jié)點需要確定最優(yōu)的報文傳輸調度策略以最小化需要傳輸的組合報 文總數。本方法中這個問題被轉化成一個整數線性規(guī)劃數學模型，通過求解該整數線性規(guī) 劃問題的最優(yōu)解獲得最優(yōu)調度策略。


圖1是基于隨機網絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法用于傳輸 報文的一個多播樹示例。圖2是基于隨機網絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法中發(fā)送節(jié) 點的工作流程。圖3是基于隨機網絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法中接收節(jié) 點的工作流程。圖4是基于隨機網絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法中各節(jié)點的報文發(fā)送線程及報文接收線程間協調進行報文傳輸中繼任務的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述本發(fā)明所涉及的多信道無線網絡包括認知無線電自組織網絡、認知無線局域網絡 等。所有節(jié)點都支持一個公共的無線控制報文交換信道及多個數據頻道，節(jié)點通過公共無 線控制報文交換信道傳輸通信控制報文。由于所處位置和環(huán)境的不同，以及其它網絡節(jié)點 的活動狀態(tài)的變化，不同節(jié)點所能訪問的數據頻道集合可能不相同。且對于能訪問的信道， 由于發(fā)送節(jié)點及接收節(jié)點之間的相對位置關系及環(huán)境等各因素的影響，不同信道的通信質 量存在差別，導致不同信道上報文傳輸成功率不同。網絡中每個節(jié)點都通過公共無線控制信道周期性地廣播Hello報文。通過網絡 Hello報文進行網絡管理和維護，如網絡拓撲的發(fā)現和更新，節(jié)點通信參數的交互等。每個 網絡節(jié)點通過Hello報文獲得局部拓撲信息，維護其鄰居列表。本發(fā)明所提出的數據報文多播方法，在其工作過程中是成批進行數據報文多播傳 輸任務的，且每個批次中的數據報文數量是可變的。在進行多播數據傳輸前，數據源節(jié)點在 公共控制信道上，通過傳統的多播路由發(fā)現方法建立以源節(jié)點為根，以多播接收節(jié)點為葉 的多播樹。圖1所示為一個多播樹示例，其中節(jié)點O為源節(jié)點，節(jié)點1、3、4為多播樹中的中 間節(jié)點，而節(jié)點2、5、6、7、8、9為多播樹葉節(jié)點。多播樹建立完成過后，源節(jié)點即開始按本發(fā) 明中所提出的方法向多播樹廣播數據報文，樹內節(jié)點收到數據報文后，按本發(fā)明中所提出 的方法進行處理并向下游節(jié)點轉發(fā)，直到樹葉節(jié)點收到該批次的所有報文，則本批次數據 報文多播成功完成。廣播樹內節(jié)點根據局部信息決定何時開始下一批次數據報文的傳輸任 務。本發(fā)明所提出的基于隨機網絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法 中多播方法，其組合報文包括七個字段，表示為Pz = {ID_Src, ID_Batch, PktNumJnBatch， ID_Sender, List_Rcv, Info, Pkt}。組合報文的字段ID_Src為多播源節(jié)點編號；字段ID_Batch標志當前正在處理的 報文批次的批號；字段PktNumJnBatch指示該批報文中報文數量；字段ID_Sender指示報 文的發(fā)送者；字段List_Rcv指示發(fā)送節(jié)點的下游接收節(jié)點集合；字段Pkt中保存一個編 碼報文，生成該編碼報文時所使用的編碼向量實際是由一個公共隨機函數利用一個隨機數 作為種子生成的隨機數序列，該序列長度為PktNumJnBatch。編碼系數均看作是伽羅華域 GF(2')上的元素，字段Info用于保存相應的隨機數種子。多播樹內節(jié)點及樹內其所有下游節(jié)點共同構成一個臨時的局部的單跳廣播系統。 當前節(jié)點是報文發(fā)送節(jié)點，其所有直接下游節(jié)點是接收節(jié)點。本發(fā)明所提出的基于隨機網 絡編碼的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法中數據報文多播方法分為數據報文發(fā) 送方法和數據報文發(fā)送方法兩部分。每個節(jié)點均有發(fā)送方法和接收方法的無限循環(huán)工作線 程，分別進行數據報文發(fā)送和數據報文接收任務。在描述方法之前，先對該臨時局部的單跳廣播系統的描述如下設當前節(jié)點s在 多播樹中的下游節(jié)點集合為R= IriIi = {1，2，...，|R|}}，下游節(jié)點數量為％= |R|，系 統中所有數據信道集合為C = {Ci|i = {1,2, ...，|C|}}，其中信道數量為n。= |C|，當前
6批次數據報文集合P= IpiI = {1,2,..., |p|}}，其中報文數量為np= |p|。當前節(jié)點s 和各個接收節(jié)點之間的公共可用信道集合及信道報文傳輸質量用一個大小為％ -nc的二維 矩陣M。表示。M。的每個元素by e
.若by〉0，則表示發(fā)送節(jié)點S與其第i個下游 節(jié)點^ (又稱作接收節(jié)點)間的第j個信道…的報文傳輸成功率為by。若by = 0，則表 示發(fā)送節(jié)點S與下游節(jié)點A間的第j個信道…不可用。本發(fā)明的多播方法中，為了在實現數據報文多播任務的前提下，需要考慮不同信 道的報文傳輸效果差異，充分利用網絡編碼技術及無線通信的廣播性質，以盡量降低需要 傳輸的數據報文數量，從而提高信道資源使用效率，降低能耗。分析得知，該最少化數據報 文傳輸數量的需求可以描述為如(1)所示的數學模型。
權利要求
一種認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法，其特征是每個節(jié)點均有報文發(fā)送方法和報文接收方法的無限循環(huán)工作線程，分別進行數據報文發(fā)送和數據報文接收任務；各節(jié)點間的報文發(fā)送方法和報文接收方法以及每個節(jié)點內部的報文接收方法和報文發(fā)送方法協作把報文從源節(jié)點逐步傳輸到各目的節(jié)點；每個節(jié)點內部的報文接收方法從上游節(jié)點接收報文，并在當前批次接收完成后解碼得到各原始報文；該節(jié)點的報文發(fā)送方法檢測到該批剛接收完的報文并開始向下游節(jié)點傳輸；某節(jié)點的報文發(fā)送方法與其下游節(jié)點的報文接收方法通過報文交互協作完成報文從當前節(jié)點到其下游節(jié)點的一跳傳輸過程；不同節(jié)點對間的報文發(fā)送方法和報文接收方法相互協作，使數據報文沿著路徑不斷從上游節(jié)點傳播到下游節(jié)點，最終使源節(jié)點發(fā)送的報文到達目標節(jié)點。
2.根據權利要求1所述的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法，其特征是所述 報文發(fā)送方法包括如下步驟(1)節(jié)點首先求解整數線性規(guī)劃模型獲得最優(yōu)調度策略，策 略結果為在各個信道上需要廣播的組合報文數量；(2)然后根據該最優(yōu)策略依次在各個信 道上傳輸確定的組合報文數量；(3)接著初始化一個變量Rk用于保存為返回回復報文的接 收節(jié)點集合；(4)然后進入一段等待時間，該時間段長度等于一個時間參數的IRkI倍，這段 時間內節(jié)點將等待各接收節(jié)點的回復報文，接收到某節(jié)點^的回復報文后把！^從&中刪 除；(5)等待時間結束后，若Rk不等于空集，則重新構造一個組合報文并從能獲得最大收益 的信道上發(fā)出去，然后繼續(xù)等待回復報文，若Rk等于空集，則表明本批次報文發(fā)送完成，則 該節(jié)點開始等待進入下一批次報文傳輸任務。
3.根據權利要求1或2所述的認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法，其特征是 所述報文接收方法包括如下步驟(1)等待接收新批次組合報文，初始化解碼矩陣Md為空 矩陣，初始化編碼報文向量Py為空的列向量；(2)接收到組合報文后，根據隨機數種子利 用公共的隨機數生成函數重新構造所用的編碼向量，然后把該編碼向量附加到Md末行，并 提取出編碼報文附加到Py末尾；⑶接著在所用的伽羅華域GFM)上計算rank(Md)；若 rank (Md)等于本批次報文數量，則解碼得原始報文，否則若繼續(xù)等待接收組合報文；(4)解 碼獲得各原始報文后，若本節(jié)點ID在組合報文的List_Rcv字段中，則向發(fā)送節(jié)點發(fā)送回復 報文；(5)轉到第(1)步準備接收新批次報文。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種認知無線電自組織網絡報文多播傳輸方法。該方法是成批進行報文多播傳輸任務，且每批次中報文數量可變；該方法分為報文發(fā)送方法和報文接收方法兩部分；每個節(jié)點都有兩個無線工作線程分別運行這兩部分方法，各節(jié)點的報文發(fā)送方法和報文接收方法協作完成報文多播傳輸任務。發(fā)送方法利用網絡編碼技術，通過求解一整數線性規(guī)劃問題獲得最優(yōu)報文傳輸調度策略，然后在各可用信道上依次傳輸一定數量的組合報文，有效節(jié)省了報文傳輸數量。每個編碼向量都由公共隨機函數根據一隨機數種子生成，組合報文中包含隨機數種子而非編碼向量作為解碼輔助信息，從而節(jié)省了組合報文長度。
文檔編號H04W4/06GK101945339SQ20101021538
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權日2010年7月2日
發(fā)明者劉彥文, 劉勝, 王慧強, 蔡紹濱, 趙蘊龍, 高振國 申請人:哈爾濱工程大學