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一種基于多播網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法與流程

文檔序號(hào):12477459閱讀:370來源:國(guó)知局
一種基于多播網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法與流程
本發(fā)明屬于無線通信
技術(shù)領(lǐng)域
,適用于所有的使用該網(wǎng)絡(luò)模型的無線通信領(lǐng)域,具體涉及一種基于多播網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法。
背景技術(shù)
:傳統(tǒng)的基于多播或廣播的無線通行網(wǎng)絡(luò)中,針對(duì)接收節(jié)點(diǎn)沒有收到某些數(shù)據(jù)包的情況下,發(fā)送節(jié)點(diǎn)一般選擇不使用網(wǎng)絡(luò)的編碼的重傳和使用網(wǎng)絡(luò)編碼的重傳方法。在不使用網(wǎng)絡(luò)編碼的重傳方法中,發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)一直重傳某個(gè)數(shù)據(jù)包,直到所有的接收節(jié)點(diǎn)都能夠正確地接收到某個(gè)數(shù)據(jù)包,才開始一下個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸,這樣的傳輸方法造成的就是傳輸效率十分低下,如果有某個(gè)節(jié)點(diǎn)的信道質(zhì)量很差,則會(huì)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。使用網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法,這種重傳過程采用的是異或編碼的方法。使用這種方法時(shí),在重傳過程結(jié)束以后,仍然有部分接收節(jié)點(diǎn)不能解出全部丟失的數(shù)據(jù)包。因此還需要進(jìn)行第二次的重傳過程,這樣也會(huì)導(dǎo)致傳輸效率不高。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供了一種基于多播網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法。在數(shù)據(jù)的重傳階段,利用隨機(jī)線性組合的方式將原始相關(guān)的數(shù)據(jù)包組合為了一個(gè)編碼包發(fā)送出去。然后再根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)此編碼包的接收狀態(tài),動(dòng)態(tài)地調(diào)整下一個(gè)編碼包的組合方式。由于這種動(dòng)態(tài)調(diào)整特性和線性編碼的方法,使得整個(gè)通信系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)時(shí)互不干擾,并且可以完全避免第二次重傳過程就可以解出全部的數(shù)據(jù)包。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種基于多播網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法,包括一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和M個(gè)接收節(jié)點(diǎn),其中,M>1,每個(gè)所述接收節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)形成緩沖矩陣T,根據(jù)所述緩沖矩陣T得到每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的信道通信狀態(tài),將丟失的數(shù)據(jù)包編碼后再次發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)完成重傳。優(yōu)選的,每個(gè)所述數(shù)據(jù)包采用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼方式進(jìn)行編碼組合成一個(gè)編碼包后重傳。優(yōu)選的,所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用N個(gè)時(shí)隙依次發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包,所述M個(gè)接收節(jié)點(diǎn)將N個(gè)數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)形成M行和N列的緩沖矩陣T。優(yōu)選的,所述緩沖矩陣T中用1表示數(shù)據(jù)包接收成功狀態(tài),0表示數(shù)據(jù)包接收失敗狀態(tài)。優(yōu)選的,每個(gè)所述時(shí)隙的長(zhǎng)度一致。優(yōu)選的,所述接收節(jié)點(diǎn)的信道通信狀態(tài)用丟失概率pi判斷,根據(jù)所述丟失概率能夠得到吞吐量的期望值E[X],具體為:E[X]=11-max{p1,p2,...,pM}=11-pK]]>其中,X表示傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到第K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)變量,pi為數(shù)據(jù)包的丟失概率,pK為最大丟失概率。優(yōu)選的,所述吞吐量由最大丟失概率pK決定,N個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸完成后最差的丟包數(shù)為NpK,則總的重傳次數(shù)等于單獨(dú)傳輸NpK個(gè)數(shù)據(jù)包到第K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。優(yōu)選的,所述丟失概率pi服從伯努力實(shí)驗(yàn)。優(yōu)選的,所述反饋為即時(shí)無誤信息。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明至少具有以下有益效果:網(wǎng)絡(luò)中的信道存在不可靠性,但是這種不可靠性只對(duì)發(fā)送衛(wèi)星傳輸給接收衛(wèi)星的編碼包有影響,而對(duì)接收衛(wèi)星對(duì)發(fā)送衛(wèi)星的反饋信息沒有影響。本發(fā)明通過緩沖矩陣動(dòng)態(tài)反應(yīng)信道傳輸特征,采用動(dòng)態(tài)調(diào)整組合編碼包,所有的用戶之間解碼互不相關(guān),即使存在信道很差的用戶也不影響整體其他用戶解碼,極大的減少了因?yàn)閭€(gè)別接收用戶信道差而影響整體通信系統(tǒng)質(zhì)量的問題,并且從傳輸效率上來講,該方法完全避免二次重傳過程,有效減少重傳次數(shù),提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量性能。進(jìn)一步的,由于采用的是隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼,而且在重傳編碼包過程結(jié)束以后,每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收到的編碼包個(gè)數(shù)和他丟失的數(shù)據(jù)包的是一樣的,所有的丟失的數(shù)據(jù)包可以全部被解出來。采用分時(shí)隙廣播能夠有效避免數(shù)據(jù)包傳輸?shù)幕ハ喔蓴_,反饋的信息是即時(shí)且無誤的,有效提升了傳輸性能,傳輸步驟簡(jiǎn)單,有效提高系統(tǒng)通信效率。通過吞吐量的理論公式推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。下面通過附圖和實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。【附圖說明】圖1為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖;圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)包發(fā)送包緩沖矩陣示意圖;圖3為本發(fā)明動(dòng)態(tài)線性組合方法示意圖;圖4為本發(fā)明的丟包概率仿真示意圖?!揪唧w實(shí)施方式】本發(fā)明所述的重傳方法采用的是隨機(jī)線性組合的方法,其中給要組合的數(shù)據(jù)包隨機(jī)的分配一個(gè)系數(shù),這樣可以使這些系數(shù)都是不相等的,因此根據(jù)線性代數(shù)理論,所有的這些編碼包的系數(shù)形成的矩陣是滿秩的,因此可以解出全部的丟失的數(shù)據(jù)包。請(qǐng)參閱圖1所示,本發(fā)明一種基于多播網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法,包括一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和M個(gè)接收節(jié)點(diǎn),其中,M>1,所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用N個(gè)時(shí)隙依次發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包,每個(gè)所述時(shí)隙的長(zhǎng)度一致。每個(gè)所述接收節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)反饋(反饋優(yōu)選即時(shí)無誤信息)給發(fā)送節(jié)點(diǎn)形成緩沖矩陣T,根據(jù)所述緩沖矩陣T得到每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的信道通信狀態(tài),將丟失的數(shù)據(jù)包采用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼后再次發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)完成重傳。其中,S是發(fā)送節(jié)點(diǎn),R1,R2,...,RM是M個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)S要發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包,然后這個(gè)M個(gè)接收節(jié)點(diǎn)都能夠接收到。由于信道的不可靠性,發(fā)送的數(shù)據(jù)可能會(huì)有丟失,本方法可以實(shí)現(xiàn)以最少的發(fā)送次數(shù),保證全部的接收節(jié)點(diǎn)能夠正確地接收到全部N個(gè)數(shù)據(jù)。具體為:在多播網(wǎng)絡(luò)中,有一個(gè)發(fā)送的源節(jié)點(diǎn),多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包時(shí),先將這些數(shù)據(jù)包全部依次通過多播的方式發(fā)送出去,由于無線信道的不可靠性,有些接收節(jié)點(diǎn)將不會(huì)接收到某些數(shù)據(jù)包。為了使所有的用戶都能接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包,就需要源節(jié)點(diǎn)重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。在這個(gè)重傳過程中,我們提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的動(dòng)態(tài)線性組合的重傳方法。源節(jié)點(diǎn)根據(jù)各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的接收狀態(tài),組合采用線性組合的方法編碼相應(yīng)的數(shù)據(jù)包,然后發(fā)送出去。在重傳階段,如果有節(jié)點(diǎn)仍然沒有收到編碼包,那么它對(duì)應(yīng)丟失的原始數(shù)據(jù)包將會(huì)被重新編碼到下一個(gè)編碼包中被發(fā)送。在發(fā)送節(jié)點(diǎn)多播數(shù)據(jù)之前,需要確定要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)N和接收節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)M,那么就會(huì)形成一個(gè)M×N維的緩沖矩陣T。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在N個(gè)時(shí)隙發(fā)送完N個(gè)數(shù)據(jù)包后,每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)自己的對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)反饋給發(fā)送節(jié)點(diǎn)0或者1(0表示此數(shù)據(jù)包沒有被正確接收,1表示正確接收),那么就會(huì)在緩沖矩陣中對(duì)應(yīng)的位置存放0或1。此時(shí)緩沖矩陣T中的數(shù)據(jù)為0和1,那么在重傳階段發(fā)送節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)T中的0來組合編碼包。因此緩沖矩陣即反映了各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài),而且為組合重傳方法提供了便利的條件。請(qǐng)參閱圖2和圖3所示,具體步驟如下:(1)在網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn),有M個(gè)(M>1)接收節(jié)點(diǎn)。讓發(fā)送節(jié)點(diǎn)利用N個(gè)時(shí)隙依次發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包,每個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送在一個(gè)固定的時(shí)隙中。同時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)獲得各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)對(duì)所有N個(gè)數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài),并形成一個(gè)緩沖矩陣T。(2)發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)緩沖矩陣T,來進(jìn)行重傳數(shù)據(jù)包,為了減少重傳次數(shù),增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,我們使用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法,傳輸來傳輸編碼包。(3)首先在緩沖矩陣T中的每一行中尋找第一個(gè)為0的位置,找出其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包,然后把這些數(shù)據(jù)包通過隨機(jī)線性編碼的方式組合成一個(gè)編碼包,然后利用一個(gè)時(shí)隙將此編碼包發(fā)送出去。(4)每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢以后,所有的接收節(jié)點(diǎn)通過發(fā)聵信息(ACK/NACK)報(bào)告給發(fā)送節(jié)點(diǎn)各自的接收狀態(tài),反饋信息是即時(shí)的且無誤的。發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的對(duì)此編碼包接收反饋信息來更新緩沖矩陣T,如果某用戶成功接收到此編碼包,則T矩陣中對(duì)應(yīng)的行的第一個(gè)為零的位置變?yōu)?,否則,保持原來的0。(5)然后檢查矩陣T中有沒有為0的元素,如果沒有,則數(shù)據(jù)包發(fā)送過程結(jié)束,否則繼續(xù)從上名的步驟3開始執(zhí)行。請(qǐng)參閱圖4所示,該仿真圖表示的傳統(tǒng)的兩種網(wǎng)絡(luò)編碼的重傳方法和本方法提出的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法的傳輸性能(成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到接收節(jié)點(diǎn)的需要的發(fā)送次數(shù)的期望值)的對(duì)比示意圖,橫坐標(biāo)表示丟包概率,縱坐標(biāo)表示成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的發(fā)送次數(shù)的期望值,從圖中可以看出,隨著丟包概率的增加,三種方法成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到接收節(jié)點(diǎn)需要的發(fā)送次數(shù)均在增加,但是本方法的期望值增長(zhǎng)比較緩慢,而且明顯低于傳統(tǒng)的兩種方法,由此可以證明我們提出的動(dòng)態(tài)線性組合重傳方法,具有比傳統(tǒng)的傳輸方法更好的傳輸性能。其中,接收節(jié)點(diǎn)的信道通信狀態(tài)用丟失概率pi判斷,丟失概率pi服從伯努力實(shí)驗(yàn)。pi是第i個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的包丟失概率。各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)之間互不相關(guān)且相互獨(dú)立。假定M個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的信道包丟失概率分別是p1,p2,...,pM,根據(jù)我們提出的動(dòng)態(tài)編碼理論,在長(zhǎng)遠(yuǎn)看來,在重傳階段重傳編碼包的次數(shù)主要取決于包丟失概率最大的接收節(jié)點(diǎn)。假設(shè)剛開始有N個(gè)原始數(shù)據(jù)包,那么這N個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸完畢后,接收節(jié)點(diǎn)丟失的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為NpK(pK=max{p1,p2,...,pM}),pK為最大丟失概率,這樣總的重傳次數(shù)就等于單獨(dú)傳輸NpK個(gè)編碼包到接收節(jié)點(diǎn)RK。讓X表示傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到接收節(jié)點(diǎn)RK的隨機(jī)變量,那么X服從以概率PK的幾何分布,幾何分布的期望計(jì)算公式具體為:具體推倒如下:E[X]=Σn=1∞npKn-1(1-pK)=(1-pK)Σn=1∞npKn-1=(1-pK)(pK+pK2+pK3+...)′=(1-pK)(pK1-pK)′=(1-pK)1(1-pK)2=11-pK]]>由此得出隨機(jī)變量X的數(shù)學(xué)期望值,即平均發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的發(fā)送次數(shù)為:E[X]=11-max{p1,p2,...,pM}=11-pK]]>X表示傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到第K個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)變量,pi為數(shù)據(jù)包的丟失概率,pK為最大丟失概率。所述吞吐量由最大丟失概率pK決定,因此在重傳階段,網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為:具體的算法流程如下所示:在此我們用具體的實(shí)例來說明,按照M=5個(gè)接收節(jié)點(diǎn),N=10個(gè)數(shù)據(jù)包,在N個(gè)時(shí)隙之后形成的緩沖矩陣如圖2所示。接下來要進(jìn)行編碼組合發(fā)送,按照?qǐng)D3所示的進(jìn)行組合。在發(fā)送的過程中,前兩個(gè)編碼包成功地被所有相關(guān)的節(jié)點(diǎn)所接收,而當(dāng)發(fā)送第三個(gè)編碼包時(shí),接收節(jié)點(diǎn)R3沒有接收到這個(gè)編碼包,本次重傳后更新緩沖矩陣T時(shí),R3和數(shù)據(jù)包α6對(duì)應(yīng)的那個(gè)位置仍然保持為0,因此在組合第四個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),R3丟失的那個(gè)數(shù)據(jù)包α6將繼續(xù)會(huì)被組合到下一個(gè)編碼包中。按此規(guī)律直到緩沖矩陣T中所有的元素都變?yōu)?,這樣N個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸全部結(jié)束。根據(jù)圖3所示的組合方式,重傳階段形成的編碼包如下所示:c1=β11a1+β12a2c2=β21a2+β22a3+β23a4+β24a5c3=β31a4+β32a5+β33a6+β34a7c4=β41a6+β42a7+β43a9c5=β51a8+β52a9c6=β61a9+β62a10。其中βij是線性編碼的系數(shù),是隨機(jī)的不相等的數(shù)。由上面的方法可知,當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在依次傳輸完N個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),如果一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)丟失多少數(shù)據(jù)包,那個(gè)在重傳編碼包階段結(jié)束以后,這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)接收到多少編碼包,并且這些編碼包都是不相同的。而且,由于在編碼組合數(shù)據(jù)包的時(shí)候,各個(gè)數(shù)據(jù)包的系數(shù)采用的都是隨機(jī)數(shù)值,因此每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)收到的編碼包的系數(shù)形成的矩陣都是滿秩的,根據(jù)線性代數(shù)理論知識(shí)可知,所有丟失的數(shù)據(jù)包都可以被解出來。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3 
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