专利名称：基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种基于认知的网络编码与路由相结合的单播方法，应用于无线自组织网络具有蝶形拓扑的单播场景数据传输过程中。
背景技术：
网络编码是一种新型的数据传输方案，由R. Ahlswede等人于2000年首次提出，其核心思想是允许中间节点对来自不同链路的信息进行编码，如异或或者线性组合，然后再发送出去。它推翻了在中间节点处对收到的数据进行加工不会带来任何收益这一传统的观点，因此给网络通信带来了根本性的变革。网络编码最主要的优势是通过增加单次传输信息量来减少数据传输次数，进而提高网络的吞吐量；同时由于网络编码协作的理念，需要编码节点和它的周围节点通过编解码操作共同完成数据的传输，这样可以分摊网络负载，有效避免了负载过重时在编码节点处产生的拥塞。在无线自组织网络中，与传统的路由方案相比，网络编码的性能与以下因素有关①网络中的业务。由于自组织网络中业务是随机到达的，因此业务到达的时间间隔也是随机的。而节点进行网络编码获得增益的条件是来自不同链路的多个，至少两个业务都到达节点之后才能进行，进而合并为一个业务后再传输至下一跳节点，当多个业务到达节点的时间间隔较长时，节点在进行网络编码之前等待的时间较长，造成了网络吞吐量的下降。当采用传统路由方案传输分组时，在网络负载较重的情形下，多个分组到达节点后需要先排队等待后再由节点对其进行分时传输。②无线链路传输分组出错。无论采用何种方案，分组传输的目的都是让所有分组能够成功到达各自的目的节点。当采用网络编码方案传输数据分组时，一条链路传输出错会导致多个目的节点无法成功解码，可见网络编码方案对链路的可靠性要求较高。当采用路由方案传输分组时，一条链路传输出错只会使一个目的节点无法获得所需分组。③网络拓扑。自组织网络中节点频繁移动导致拓扑不断变化，所以网络编码与路由方案需获取网络拓扑信息，当网络规模较大时获取网络拓扑信息会增大网络开销。综上所述，网络编码与路由这两种传输方案因应用场景不同而各有所长。如何充分利用网络编码的优势提高自组织网络对单播业务的承载能力是当前网络编码研究的关键问题之一。现有的基于网络编码的数据单播方案虽然能够充分利用网络编码的优势，但并不能很好地应用于无线自组织网络中，原因如下第一，现有的基于网络编码的数据单播方案并不能适应自组织网络中业务到达时间间隔的随机变化。节点要等到参与编码的多个业务都到达之后才进行网络编码，当多个业务到达的时间间隔较大时，节点等待的时间较长，端到端时延较大，这就导致了网络吞吐量的下降，因而网络编码方案的性能也迅速下降，这种情形下路由单播方案的性能反而优于网络编码方案。第二，现有方案未考虑无线链路传输出错对目的节点解码的影响。采用网络编码单播方案时，一条链路传输出错会影响到多个目的节点的成功解码，因此当链路出错概率较大时并不适合采用网络编码方案传输数据。 第三，现有方案未考虑自组织网络拓扑的动态变化。当网络规模较大或拓扑变化频繁时，为获取自组织网络拓扑信息而产生的开销较大。
发明内容
本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法，以在自组织网络中业务到达时间间隔随机变化、无线链路传输出错以及网络拓扑动态变化的情况下，降低端到端时延，有效地利用网络编码于路由各自的优势，减小获取自组织网络拓扑产生的开销，从而提高自组织网络对单播业务的承载能力。为实现上述目的，本发明提出的方法包含以下步骤(1)自组织网络中的每一个节点周期性地发送参数状态帧至其周围两跳范围内的邻居节点；(2)收到参数状态帧的节点根据帧中包含的参数信息，计算自己两跳范围内的邻居节点数目，发现局部网络拓扑，并根据发现的局部网络拓扑判断自己是否包含在蝶形拓扑中，若是，则转步骤(3)；否则，按照自组织网络单播方法处理；(3)包含在蝶形拓扑中的节点判断自己是否为关键节点，如果是，执行步骤⑷； 否则执行步骤(5)；所述的关键节点是指两条链路交叉处的节点；(4)蝶形拓扑中的关键节点利用获取的两跳范围内的邻居节点参数状态信息，分别计算基于路由单播策略和网络编码单播策略的端到端时延估计值；(4a)计算基于路由单播策略端到端时延估计值AT/w:
权利要求
1.一种基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法，包含以下步骤(1)自组织网络中的每一个节点周期性地发送参数状态帧至其周围两跳范围内的邻居节点；(2)收到参数状态帧的节点根据帧中包含的参数信息，计算自己两跳范围内的邻居节点数目，发现局部网络拓扑，并根据发现的局部网络拓扑判断自己是否包含在蝶形拓扑中， 若是，则转步骤(3)；否则，按照自组织网络单播方法处理；(3)包含在蝶形拓扑中的节点判断自己是否为关键节点，如果是，执行步骤；否则执行步骤(5)；所述的关键节点是指两条链路交叉处的节点；(4)蝶形拓扑中的关键节点利用获取的两跳范围内的邻居节点参数状态信息，分别计算基于路由单播策略和网络编码单播策略的端到端时延估计值；(4a)计算基于路由单播策略端到端时延估计值ATfng
2.根据权利要求1所述的基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法， 其中步骤(1)所涉及的参数状态帧包含业务的平均到达率、相邻链路的误比特率以及数据分组长度。
3.根据权利要求1所述的基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法， 其中步骤( 所涉及的顶端节点，是指分别位于蝶形拓扑左上方和右上方的两个节点。
4.根据权利要求1所述的基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法， 其中步骤( 所涉及的底端节点，是指分别位于蝶形拓扑左下方和右下方的两个节点。
5.根据权利要求1所述的基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法，其中步骤( 所涉及的异常情况及分类处理包括以下三类第一类情况，关键节点已经选取基于网络编码的单播策略，但是当蝶形拓扑一个顶端节点发送的分组到达关键节点之后，另外一个顶端节点发送的分组在规定的超时门限内未到达关键节点时，关键节点直接将收到的一个分组转发至底端节点；第二类情况，关键节点已经选取基于网络编码的单播策略，但是蝶形拓扑的两个底端节点中至少有一个未能成功解码，则退出网络编码单播策略；第三类情况，关键节点已经选取基于网络编码的单播策略，但是蝶形拓扑中有节点离开或者新的节点加入，则退出网络编码单播策略。
6.根据权利要求5所述的基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法， 其中第一类情况中所涉及的规定的超时门限，是指当蝶形拓扑一个顶端节点发送的分组到达关键节点之后，另一个顶端节点发送的分组到达关键节点需要的时间。
全文摘要
本发明公开了一种基于认知的网络编码与路由相结合的自组织网络单播方法。其实现步骤为自组织网络中的每个节点周期性地发送参数状态帧进行拓扑发现与参数感知，确定蝶形拓扑与关键节点；关键节点分别计算路由和网络编码单播策略的端到端时延估计值；关键节点比较上述两种单播策略端到端时延估计值的大小，选取估计值较低的单播策略，并将选取的单播策略通知蝶形拓扑中的顶端节点和底端节点；关键节点、顶端节点及底端节点采用选取的单播策略共同完成分组的传输。本发明降低了端到端时延，有效地利用了网络编码于路由各自的优势，提高了自组织网络对单播业务的承载能力，可用于无线自组织网络具有蝶形拓扑的单播场景数据传输过程中。
文档编号H04W40/12GK102413540SQ20111024479
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者侯蓉晖, 张皓, 李建东, 李红艳, 李钊, 盛敏, 蔡宁, 赵林靖, 马英红 申请人:西安电子科技大学