專利名稱：一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，具體涉及一種在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可靠網(wǎng) 絡(luò)編碼的方法，屬于通信編碼技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)編碼理論，對(duì)于一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，如果允許各節(jié)點(diǎn)對(duì)多條輸入信 道上的信息進(jìn)行一定的線性或非線性操作，然后再轉(zhuǎn)發(fā)出去，則該網(wǎng)絡(luò)的多播速率可以達(dá) 到最大流最小割定理所決定的網(wǎng)絡(luò)容量。網(wǎng)絡(luò)編碼理論是網(wǎng)絡(luò)信息論新的研究熱點(diǎn)。研 究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)編碼不但能夠節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源，還可以節(jié)約終端節(jié)點(diǎn)能量消耗、均衡網(wǎng)絡(luò) 負(fù)載、提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性等。初期的網(wǎng)絡(luò)編碼研究隱含地使用了一條重要假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各 節(jié)點(diǎn)之間的信道是可靠的。對(duì)于像hternet這樣的網(wǎng)絡(luò)，由于傳輸?shù)母呖煽啃裕@樣的假 設(shè)與實(shí)際符合。然而，對(duì)于一個(gè)實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)之間的鏈路是不可靠的，允許節(jié)點(diǎn) 對(duì)輸入的各支路數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼再轉(zhuǎn)發(fā)，確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)最大流最小割理論指出的組播容 量，但使用編碼轉(zhuǎn)發(fā)，各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)輸入錯(cuò)誤會(huì)由于編碼造成多個(gè)輸出支路輸出錯(cuò)誤 數(shù)據(jù)，此差錯(cuò)還會(huì)繼續(xù)沿著網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散。這種差錯(cuò)擴(kuò)散帶來(lái)的可靠性下降會(huì)削弱甚至很快超 過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)編碼帶來(lái)的好處。為了降低網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)每段鏈路傳輸可靠性的要求，人們提出 了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的差錯(cuò)控制技術(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的差錯(cuò)控制是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)、而非一條鏈路或 一條路徑進(jìn)行操作的。這種網(wǎng)絡(luò)編碼差錯(cuò)控制是一種新的差錯(cuò)控制方式，但使用此方式構(gòu) 造糾錯(cuò)編碼，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，糾錯(cuò)碼需要在很大的有限域下進(jìn)行構(gòu)造，因而這種碼的 編譯碼復(fù)雜度都很高。噴泉碼是一種應(yīng)用于刪除信道的糾錯(cuò)碼技術(shù)。噴泉編碼的典型應(yīng)用包括無(wú)線組播 和廣播業(yè)務(wù)、無(wú)線協(xié)作與中繼、分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)等。噴泉碼的基本思想是，在發(fā)送端使用無(wú) 比率編碼方法將K個(gè)信源數(shù)據(jù)分組編成半無(wú)窮數(shù)據(jù)分組序列再進(jìn)行發(fā)送。每一個(gè)接收點(diǎn)正 確接收到K個(gè)編碼分組或者略大于K個(gè)編碼分組即可解出原發(fā)送的K個(gè)信源數(shù)據(jù)分組。接 收機(jī)正確譯出所發(fā)送K個(gè)源數(shù)據(jù)分組后，即向發(fā)送端發(fā)送單次確認(rèn)信號(hào)，結(jié)束此次通信。使 用噴泉編碼技術(shù)，只要接收端收到K個(gè)編碼數(shù)據(jù)分組，接收端就能夠正確地譯出源數(shù)據(jù)分 組序列。噴泉碼技術(shù)應(yīng)用在多播網(wǎng)羅中能顯著提高數(shù)據(jù)吞吐能力。網(wǎng)絡(luò)編碼和噴泉編碼都可應(yīng)用于多播系統(tǒng)提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐能力，但二者各自 獨(dú)立應(yīng)用于無(wú)線衰落環(huán)境下的多節(jié)點(diǎn)分布式網(wǎng)絡(luò)，都具有其自身的局限，而且兩者具有互 補(bǔ)性。因此，有必要融合網(wǎng)絡(luò)編碼和噴泉編碼，研究無(wú)線信道環(huán)境下新型網(wǎng)絡(luò)糾錯(cuò)編碼方 法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服網(wǎng)絡(luò)編碼和噴泉編碼兩者各自的局限性，將網(wǎng)絡(luò)編碼與 噴泉編碼相結(jié)合，提出了一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，能夠在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高效可靠傳輸。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，應(yīng)用于單向傳輸網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中包含一個(gè)信 源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)或者一個(gè)以上的中間節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或者一個(gè)以上信宿節(jié)點(diǎn)，信源節(jié)點(diǎn)中有K個(gè) 信源分組需要最終傳送到信宿節(jié)點(diǎn)，其步驟如下步驟一、信源節(jié)點(diǎn)對(duì)K個(gè)信源分組進(jìn)行噴泉編碼，產(chǎn)生噴泉編碼分組，并以廣播的 方式向信源節(jié)點(diǎn)鄰近的下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)傳輸噴泉編碼分組；步驟二、當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到噴泉編碼分組的數(shù)量達(dá)到可執(zhí)行數(shù)量N后開(kāi)始進(jìn)行噴 泉譯碼，譯碼成功后，中間節(jié)點(diǎn)向信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送譯碼成功的確認(rèn)信號(hào)；信源節(jié)點(diǎn)收到所有與 該信源節(jié)點(diǎn)鄰近的接收節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴泉編碼發(fā)送；步驟三、本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)譯出信源分組后，重新進(jìn)行新的噴泉編碼分組，并向其相鄰 的下一級(jí)節(jié)點(diǎn)以廣播的方式傳輸噴泉編碼分組，若下一級(jí)節(jié)點(diǎn)為信宿節(jié)點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)至步驟四； 否則下一級(jí)節(jié)點(diǎn)仍為中間節(jié)點(diǎn)，當(dāng)下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)接收到噴泉編碼分組的數(shù)量達(dá)到可執(zhí)行 數(shù)量N后開(kāi)始進(jìn)行噴泉譯碼，譯碼成功后，下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)向本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送譯碼成功 的確認(rèn)信號(hào)；本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)收到所有下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴泉編碼發(fā)送； 將下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)升級(jí)為本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)并重復(fù)步驟三；步驟四、信宿節(jié)點(diǎn)從其上一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)接收噴泉編碼分組，當(dāng)接收到的噴泉編碼 分組達(dá)到可執(zhí)行數(shù)量N后開(kāi)始進(jìn)行噴泉譯碼，譯碼成功后并向其上一級(jí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè) 譯碼成功的確認(rèn)信號(hào)，此時(shí)信宿節(jié)點(diǎn)恢復(fù)信源分組成功；步驟五、當(dāng)信宿節(jié)點(diǎn)的上一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)收到所有信宿節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴 泉編碼發(fā)送，噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法處理完畢；上述步驟二、步驟三和步驟四中的可執(zhí)行數(shù)量N由所采用的噴泉編碼方式和譯碼 方式?jīng)Q定；上述步驟二中噴泉譯碼的算法為BP譯碼算法或者高斯消元法；上述步驟三種重新進(jìn)行新的噴泉編碼分組的過(guò)程可以通過(guò)更新噴泉編碼器的隨 機(jī)種子來(lái)實(shí)現(xiàn)。有益效果本發(fā)明可以降低實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼的復(fù)雜度，融合了噴泉碼后的網(wǎng)絡(luò)編碼的通 信可靠性得到顯著提高，能夠?qū)崿F(xiàn)在無(wú)線信道環(huán)境下到達(dá)最大流最小割理論決定的網(wǎng)絡(luò)容量。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)示意圖；圖2為本發(fā)明編碼方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)，共包含6個(gè)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，分別為1個(gè)信源節(jié)點(diǎn)S、3個(gè)中間節(jié)點(diǎn)T、 U、W和2個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)Y、Z，每條鏈路都有相同的傳輸能力，某時(shí)刻信源有100個(gè)信源分組要 傳輸?shù)叫潘轞和Z。
該網(wǎng)絡(luò)采用本發(fā)明的噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼和信息的傳送，其流程如 圖2所示，具體步驟包括步驟一、信源節(jié)點(diǎn)S對(duì)100個(gè)信源分組進(jìn)行噴泉編碼，產(chǎn)生噴泉編碼分組，并以廣 播的方式向節(jié)點(diǎn)T和節(jié)點(diǎn)U傳輸100個(gè)噴泉編碼分組；步驟二、中間節(jié)點(diǎn)T和U處接收到100個(gè)噴泉編碼分組后，譯碼恢復(fù)100個(gè)信源分 組，并向發(fā)送端也即信源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送譯碼成功的確認(rèn)信號(hào)，信源節(jié)點(diǎn)S停止噴泉編碼的傳 輸；步驟三、節(jié)點(diǎn)T和U更新噴泉編碼器的隨機(jī)種子，重新對(duì)100個(gè)信源分組進(jìn)行新的 噴泉編碼，以廣播方式向節(jié)點(diǎn)W、Y和Z傳輸；中間節(jié)點(diǎn)W從節(jié)點(diǎn)T和節(jié)點(diǎn)U獲得的噴泉編碼 分組的數(shù)量累計(jì)達(dá)到100個(gè)后，中間節(jié)點(diǎn)W譯出100個(gè)編碼分組并向節(jié)點(diǎn)T和U發(fā)送譯碼 成功的確認(rèn)信號(hào)；中間節(jié)點(diǎn)W更新噴泉編碼器的隨機(jī)種子，重新對(duì)100個(gè)信源分組進(jìn)行新的 噴泉編碼，并以廣播的方式向信宿節(jié)點(diǎn)Y和Z傳輸；步驟四、信宿節(jié)點(diǎn)Y從中間節(jié)點(diǎn)T和W獲得的噴泉編碼分組的數(shù)量累計(jì)達(dá)到100 個(gè)后，信宿節(jié)點(diǎn)Y譯出100個(gè)編碼分組，并向中間節(jié)點(diǎn)T和W發(fā)送確認(rèn)信號(hào)；信宿節(jié)點(diǎn)Z從 中間節(jié)點(diǎn)U和W獲得的噴泉編碼分組的數(shù)量累計(jì)達(dá)到100個(gè)后，信宿節(jié)點(diǎn)Z譯出100個(gè)編 碼分組，并向中間節(jié)點(diǎn)U和W發(fā)送確認(rèn)信號(hào)；步驟五、節(jié)點(diǎn)T、U和W收到全部對(duì)應(yīng)下一級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴泉編碼 的發(fā)送，噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法處理完畢。上述步驟中，噴泉編碼方式采用RS碼，譯碼方式采用高斯消元法，由此決定了每 個(gè)節(jié)點(diǎn)譯碼所需的噴泉編碼分組數(shù)量為原始信源節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信源分組的數(shù)量，即100。實(shí)施例2如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)，共包含6個(gè)網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，分別為1個(gè)信源節(jié)點(diǎn)S、3個(gè)中間節(jié)點(diǎn)T、 U、W和2個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)Y、Z，每條鏈路都有相同的傳輸能力，某時(shí)刻信源有100個(gè)信源分組要 傳輸?shù)叫潘轞和Z。該網(wǎng)絡(luò)采用本發(fā)明的噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼和信息的傳送，其流程如 圖2所示，具體步驟包括步驟一、信源節(jié)點(diǎn)S對(duì)100個(gè)信源分組進(jìn)行噴泉編碼，產(chǎn)生噴泉編碼分組，并以廣 播的方式向節(jié)點(diǎn)T和節(jié)點(diǎn)U傳輸噴泉編碼分組；步驟二、中間節(jié)點(diǎn)T和U處接收到110個(gè)噴泉編碼分組后，譯碼恢復(fù)100個(gè)信源分 組，并向發(fā)送端也即信源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送譯碼成功的確認(rèn)信號(hào)，信源節(jié)點(diǎn)S停止噴泉編碼的傳 輸；步驟三、節(jié)點(diǎn)T和U更新噴泉編碼器的隨機(jī)種子，重新對(duì)100個(gè)信源分組進(jìn)行新的 噴泉編碼，以廣播方式向節(jié)點(diǎn)W、Y和Z傳輸；中間節(jié)點(diǎn)W從節(jié)點(diǎn)T和節(jié)點(diǎn)U獲得的噴泉編碼 分組的數(shù)量累計(jì)達(dá)到110個(gè)后，中間節(jié)點(diǎn)W譯出100個(gè)編碼分組并向節(jié)點(diǎn)T和U發(fā)送譯碼 成功的確認(rèn)信號(hào)；中間節(jié)點(diǎn)W更新噴泉編碼器的隨機(jī)種子，重新對(duì)100個(gè)信源分組進(jìn)行新的 噴泉編碼，并以廣播的方式向信宿節(jié)點(diǎn)Y和Z傳輸；步驟四、信宿節(jié)點(diǎn)Y從中間節(jié)點(diǎn)T和W獲得的噴泉編碼分組的數(shù)量累計(jì)達(dá)到110 個(gè)后，信宿節(jié)點(diǎn)Y譯出100個(gè)編碼分組，并向中間節(jié)點(diǎn)T和W發(fā)送確認(rèn)信號(hào)；信宿節(jié)點(diǎn)Z從 中間節(jié)點(diǎn)U和W獲得的噴泉編碼分組的數(shù)量累計(jì)達(dá)到110個(gè)后，信宿節(jié)點(diǎn)Z譯出100個(gè)編碼分組，并向中間節(jié)點(diǎn)U和W發(fā)送確認(rèn)信號(hào)；步驟五、節(jié)點(diǎn)T、U和W收到全部對(duì)應(yīng)下一級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴泉編碼 的發(fā)送，噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法處理完畢。上述步驟中，噴泉編碼方式采用LT碼，譯碼方式采用BP譯碼算法，由此決定了每 個(gè)節(jié)點(diǎn)譯碼所需的噴泉編碼分組數(shù)量為原始信源節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信源分組的數(shù)量的110%， 即 110。
權(quán)利要求
1.一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，應(yīng)用于單向傳輸網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中包含一個(gè)信源節(jié)點(diǎn)、一個(gè) 或者一個(gè)以上的中間節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或者一個(gè)以上信宿節(jié)點(diǎn)，信源節(jié)點(diǎn)中有K個(gè)信源分組需要 最終傳送到信宿節(jié)點(diǎn)，其特征在于步驟如下步驟一、信源節(jié)點(diǎn)對(duì)K個(gè)信源分組進(jìn)行噴泉編碼，產(chǎn)生噴泉編碼分組，并以廣播的方式 向信源節(jié)點(diǎn)鄰近的下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)傳輸噴泉編碼分組；步驟二、當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到噴泉編碼分組的數(shù)量達(dá)到可執(zhí)行數(shù)量N后開(kāi)始進(jìn)行噴泉譯 碼，譯碼成功后，中間節(jié)點(diǎn)向信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送譯碼成功的確認(rèn)信號(hào)；信源節(jié)點(diǎn)收到所有與該信 源節(jié)點(diǎn)鄰近的接收節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴泉編碼發(fā)送；步驟三、本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)譯出信源分組后，重新進(jìn)行新的噴泉編碼分組，并向其相鄰的下 一級(jí)節(jié)點(diǎn)以廣播的方式傳輸噴泉編碼分組，若下一級(jí)節(jié)點(diǎn)為信宿節(jié)點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)至步驟四；否則 下一級(jí)節(jié)點(diǎn)仍為中間節(jié)點(diǎn)，當(dāng)下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)接收到噴泉編碼分組的數(shù)量達(dá)到可執(zhí)行數(shù)量 N后開(kāi)始進(jìn)行噴泉譯碼，譯碼成功后，下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)向本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)發(fā)送譯碼成功的確認(rèn) 信號(hào)；本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)收到所有下一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴泉編碼發(fā)送；將下一 級(jí)中間節(jié)點(diǎn)升級(jí)為本級(jí)中間節(jié)點(diǎn)并重復(fù)步驟三；步驟四、信宿節(jié)點(diǎn)從其上一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)接收噴泉編碼分組，當(dāng)接收到的噴泉編碼分組 達(dá)到可執(zhí)行數(shù)量N后開(kāi)始進(jìn)行噴泉譯碼，譯碼成功后向其上一級(jí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)譯碼成 功的確認(rèn)信號(hào)，此時(shí)信宿節(jié)點(diǎn)恢復(fù)信源分組成功；步驟五、當(dāng)信宿節(jié)點(diǎn)的上一級(jí)中間節(jié)點(diǎn)收到所有信宿節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)信號(hào)后，停止噴泉編 碼發(fā)送，噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法處理完畢；上述步驟二、步驟三和步驟四中的可執(zhí)行數(shù)量N由所采用的噴泉編碼方式和譯碼方式 決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，其特征在于所述噴泉編碼方法為 RS碼或者LT碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，其特征在于所述步驟二中噴泉譯 碼的算法為BP譯碼算法或者高斯消元法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，其特征在于所述步驟三中重新進(jìn) 行新的噴泉編碼分組的過(guò)程通過(guò)更新噴泉編碼器的隨機(jī)種子來(lái)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種噴泉網(wǎng)絡(luò)編碼方法，具體涉及一種在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可靠網(wǎng)絡(luò)編碼的方法，屬于通信編碼技術(shù)領(lǐng)域。采用將網(wǎng)絡(luò)編碼與噴泉編碼相結(jié)合的方法使得信息在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可靠高效傳輸，步驟包括對(duì)信源進(jìn)行噴泉編碼、信源將噴泉編碼分組再以廣播的方式向中間節(jié)點(diǎn)傳輸、中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行噴泉譯碼、中間節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行噴泉編碼并以廣播的方式向下一級(jí)節(jié)點(diǎn)傳輸、信宿節(jié)點(diǎn)收集噴泉編碼分組并進(jìn)行噴泉譯碼。本發(fā)明可以降低實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)編碼的復(fù)雜度，融合了噴泉碼后的網(wǎng)絡(luò)編碼的通信可靠性得到顯著提高，能夠?qū)崿F(xiàn)在無(wú)線信道環(huán)境下到達(dá)最大流最小割理論決定的網(wǎng)絡(luò)容量。
文檔編號(hào)H04L1/00GK102075292SQ201110003510
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者安建平, 李祥明, 楊靜, 袁磊 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)