一种基于并行批次网络编码的传输方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于并行批次网络编码的传输方法，使用网络编码传输数据，将待传输数据流划分为包含相同数目分组的批次，每个编码批次内的分组被编码在一起传输，目的节点接收足够数目的编码分组后即可解码一个批次。该方法可以用于无线Mesh网络中，提供可靠的、高效的数据传输服务。本方法利用网络编码改善传输效率；为了克服现有研究使用停止等待策略造成的低效，本发明给出了一种并行传输方法，通过在源节点维护一个可同时调度多个批次的发送窗口，并根据反馈信息控制多个批次的并行调度，相比现有研究成果能够更灵活、高效地组织批次传输，进而改善端到端吞吐量。
【专利说明】一种基于并行批次网络编码的传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在无线Mesh网络中传输数据的方法，在网络编码（Network Coding)基础上，本方法使用一个并行批次调度、传输机制，能够更灵活、高效地组织批次传 输，进而改善端到端吞吐量。本发明属于无线通信网络领域。
【背景技术】
[0002] 无线Mesh网络是一类定位于大容量、高速率的宽带多跳无线网络，它具有准静 止、能量约束弱等特征，在网络容量、可靠性、鲁棒性等方面显示出巨大优势。在无线广播信 道中，每一次数据传输都会被传输范围内的多个节点接收，因此，包括无线Mesh网在内的 无线网络呈现出显著的信息冗余。在传统的"存储-转发"传输方式下，若节点接收到目的 节点不是自己的分组将直接丢弃之，无线广播特性导致的信息冗余无法得到有效地利用。 如果可以合理地利用无线信道的广播特性，无线Mesh网络的性能将有极大的改善空间。
[0003] 网络编码对如何利用无线信道的广播特性给出了很好的思路，当传输范围内的多 个节点接收到同一个编码分组时，不同节点可以从中获得不同的、各自所需的信息，从而可 以有效改善无线信道资源的利用效率。此外，应用网络编码将单个数据分组的信息携带于 多个编码分组中，还能够降低数据传输对单个分组的依赖，从而进一步提高不可靠无线环 境中的传输效率。
[0004] 在使用网络编码时，待传输数据流被划分为包含相同数目分组的批次（Batch)不 同批次被独立地编码传输，目的节点接收足够数目的编码分组后即可解码一个批次0。这里 一个关键问题是：源节点如何组织多个批次的传输，在保证传输可靠性的同时得到高的传 输效率。为此，现有研究使用停止等待策略，在接收到目的节点的确认消息之前，源节点持 续发送当前批次的编码分组0] [3] [4]。现有方法可以保证传输可靠性但效率却不高，源节 点在完成一个批次的发送之后、接收到确认消息之前，将发送大量的无用冗余分组，从而造 成传输效率的下降。特别地，在远距离（跳数大）通信场景中，端到端反馈时延会非常大， 从而会造成现有方法的急剧恶化。
[0005] 综上，亟需一种适用于无线Mesh网络的传输方法，在充分利用网络编码在无线网 络中优势的同时，进一步提高传输效率。
[0006] 【参考文献】
[0007] [1]P. A. Chou, T. ffu, K. Jain, Practical network coding, in Proc. of Allerton Conference，pp，40-49, 2003.
[0008] [2]S. Chachulski, M. Jennings, S. Katti, et al，Trading structure for randomness in wireless opportunistic routing, in Proc. of ACM SIGC0MM，pp. 169-180, 2007.
[0009] [3] J. Subramanian, R. Morris, H. Balakrishnan, UFlood:High throughput flooding over wireless mesh networks, in Proc. of IEEE INF0C0M, pp. 82-90, 2012.
[0010] [4]X. Zhang, B. Li, Optimized multipath network coding in lossy wireless networks, IEEE JSAC, vol. 27, no. 5, pp. 622-634, 2009.
[0011] [5] J. K. Sundararajan, D. Shah, M. Medard, ARQ for network coding, in Proc. of IEEE ISIT,pp. 1651-1655,2008.
【发明内容】
[0012] 技术问题：本发明涉及一种基于并行批次网络编码的传输方法，利用网络编码，本 方法结合一个并行批次传输、调度机制，可以有效降低数据传输对反馈的依赖，进而改善端 到端传输效率。
[0013] 技术方案：本发明使用网络编码传输数据，将待传输数据流划分为包含相同数目 分组的批次，每个编码批次内的分组被编码在一起传输，目的节点接收足够数目的编码分 组后即可解码一个批次。
[0014] 本发明的思想可阐述为：源节点使用一个发送窗口同时维护多个批次的传输，根 据反馈信息以及批次状态并行地调度、发送多个批次。更具体地：
[0015] ?源节点调度并发送一个批次后，等待目的节点反馈该批次的接收状态，并在此 期间调度窗口中的其它批次；
[0016] ?源节点通过反馈信息获知每一个批次的状态，若目的节点成功解码一个批次， 源节点将该批次从发送窗口去除，并放入一个新的批次；若目的节点未能解码一个批次，源 节点将再次调度该批次；
[0017] ?对于每一个被调度批次，源节点对其的编码分组传输量取决于该批次的接收状 态以及源节点到目的节点的连接质量。
[0018] 一个批次将被调度一次或者多次，直到源节点接收到目的节点的确认解码信息。 本方法可以缓解数据传输对反馈信息的依赖，在不失传输可靠性的前提下改善传输效率。
[0019] 本发明的基于并行批次网络编码的传输方法具体为：
[0020] 1)使用网络编码传输数据信息，源节点将待传输数据流划分为包含相同数目N个 分组的批次，每个编码批次内的分组被编码在一起传输，目的节点接收编码分组数目〉N后 即可解码一个批次，N是线性无关编码分组数；
[0021] 2)源节点使用一个可容纳若干批次的存储空间的发送窗口同时维护多个批次的 传输，源节点调度发送一个批次后，等待目的节点反馈该批次的接收情况，即自由度，并在 此期间调度发送窗口中的其余批次；
[0022] 3)源节点通过反馈信息获知每一个批次的接收状态，若目的节点成功解码一个 批次，源节点将该批次从发送窗口去除，并放入一个新的批次；若目的节点未能解码一个批 次，源节点将再次调度该批次；
[0023] 4)源节点根据批次状态决定批次的调度顺序和时机，批次调度优先级由高到低依 次为：未被调度过的新批次，调度后反馈为未解码的批次，调度后未获得反馈的批次；对于 相同状态的批次，批次序号越小优先级越高，反馈时间越早优先级越高；
[0024] 5)源节点根据批次接收情况以及源、目的节点间连接质量决定被调度批次的编码 分组传输量，对于每一个被调度批次，编码分组传输量为该批次的自由度除以源节点到目 的节点的自由度交付率。
[0025] 所述自由度交付率的计算方式为：每当源节点接收一个批次bk的接收状态反馈， 源节点计算最近一轮调度以来bk的自由度减少量Λ dk，并查询最近一轮调度中发送bk的编 码分组的数目nk，自由度交付率更新为Adk/nk。
[0026] 有益效果：本发明涉及一种在无线Mesh网络中传输数据的方法，在充分利用网络 编码的同时，可以缓解反馈对传输效率的负面影响。通过在源节点维护一个可同时调度多 个批次的发送窗口，并根据反馈信息控制多个批次的并行调度，能够更灵活、高效地组织批 次传输：1)仅当一个批次被确认解码后才被移去发送窗口，因此可以确保传输可靠性；2) 源节点在等待一个批次反馈的同时，可以调度其余批次，因此能够提高资源利用效率，并改 善吞吐量。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0028] 图1 :功能|旲块组成及更|旲块间关系不意图，
[0029] 图2 :批次状态转移示意图。
【具体实施方式】
[0030] 在具体过程描述之前，先介绍两个定义：
[0031] 定义1 (自由度，Degree offreedom):节点解码一个批次还需要的线性无关的编 码分组的数目[5]。
[0032] 定义2 (自由度交付率，DDR):目的节点接收的线性无关编码分组数（即自由度减 少量）与源节点发送的编码分组数之比值，用于反映使用网络编码时源节点到目的节点的 连接质量。
[0033] 本方法中功能模块组成及各模块间相互关系见图1。
[0034] 本发明的具体实现方式为：
[0035] 1)使用网络编码传输数据信息，源节点将待传输数据流划分为包含相同数目N个 分组的批次，每个编码批次内的分组被编码在一起传输，目的节点接收编码分组数目〉N后 即可解码一个批次，N是线性无关编码分组数；
[0036] 2)源节点使用一个可容纳若干批次的存储空间的发送窗口同时维护多个批次的 传输，源节点调度发送一个批次后，等待目的节点反馈该批次的接收情况，即自由度，并在 此期间调度发送窗口中的其余批次；
[0037] 3)源节点通过反馈信息获知每一个批次的接收状态，若目的节点成功解码一个 批次，源节点将该批次从发送窗口去除，并放入一个新的批次；若目的节点未能解码一个批 次，源节点将再次调度该批次；
[0038] 4)源节点根据批次状态决定批次的调度顺序和时机，批次调度优先级由高到低依 次为：未被调度过的新批次，调度后反馈为未解码的批次，调度后未获得反馈的批次；对于 相同状态的批次，批次序号越小优先级越高，反馈时间越早优先级越高；
[0039] 5)源节点根据批次接收情况以及源、目的节点间连接质量决定被调度批次的编码 分组传输量，对于每一个被调度批次，编码分组传输量为该批次的自由度除以源节点到目 的节点的自由度交付率。
[0040] 所述自由度交付率的计算方式为：每当源节点接收一个批次bk的接收状态反馈， 源节点计算最近一轮调度以来bk的自由度减少量Λ dk，并查询最近一轮调度中发送bk的编 码分组的数目nk，自由度交付率更新为Adk/nk。
[0041] 1源节点操作：
[0042] 1.1 发送窗口
[0043] 1.源节点将待传输数据流划分为等长的批次，每个批次包含Μ个原始分组；
[0044] 2.源节点使用一个发送窗口（大小为W个批次）同时传输多个批次，并根据反馈 信息决定调度批次的顺序以及时机；
[0045] 3.源节点调度一个批次后，等待目的节点反馈该批次的接收状态，并在同时调度 发送窗口中的其余批次；
[0046] 4.源节点通过反馈信息获知每一个批次的接收状态，若目的节点成功解码一个 批次，源节点将该批次从发送窗口去除，并放入一个新的批次；若目的节点未能解码一个批 次，源节点将再次调度该批次。
[0047] 1. 2批次调度
[0048] 记批次bk的状态为Sk，批次状态包括等待调度状态（WF_SCH)和等待反馈状态 (WF_FBK)，状态转移见图2。记b k的最近一次被调度的时间为Tk，Tk可用于区分一个批次是 否被调度过，若T k = -1 (初始值），则bk是未被调度过的批次（又称为新批次）。本发明按 以下原则调度发送窗口的批次：
[0049] 1.首先，考虑调度未被调度过的新批次（存在多个满足条件的批次时调度序号最 小者），发送编码分组数为被调度批次的自由度/DDR (见1. 3连接质量估计：DDR估计），更 新对应批次的调度时间；
[0050] 2.其次，考虑调度处于WF_SCH状态的其余批次（存在多个满足条件的批次时调度 Tk最小者），即接收状态已知的批次，发送编码分组数为被调度批次的自由度/DDR，更新对 应批次的调度时间；
[0051] 3.调度WF_FBK状态的批次，由于源节点尚未掌握这类批次的最新接收状态，为任 意单个批次发送过多编码分组都有造成过多冗余传输的风险，因此，采用随机策略将编码 传输分散在多个批次中，批次b k的期望编码分组传输量与其等待调度时间Tk、自由度dk成 正比；
[0052] 1. 3连接质量估计：DDR估计
[0053] 1.每当源节点接收一个批次（不妨假设bk)的接收状态反馈，源节点计算最近一 轮调度以来b k的自由度减少量Λ dk，并查询最近一轮调度中发送bk的编码分组的数目nk， 根据定义1，DDR可以计算为Ad k/nk ;
[0054] 2.为了缓解随机扰动，使用以下方式更新DDR的测量值：
[0055]
【权利要求】
1. 一种基于并行批次网络编码的传输方法，其特征在于： 1) 使用网络编码传输数据信息，源节点将待传输数据流划分为包含相同数目N个分组 的批次，每个编码批次内的分组被编码在一起传输，目的节点接收编码分组数目〉N后即可 解码一个批次，N是线性无关编码分组数； 2) 源节点使用一个可容纳若干批次的存储空间的发送窗口同时维护多个批次的传输， 源节点调度发送一个批次后，等待目的节点反馈该批次的接收情况，即自由度，并在此期间 调度发送窗口中的其余批次； 3) 源节点通过反馈信息获知每一个批次的接收状态，若目的节点成功解码一个批次， 源节点将该批次从发送窗口去除，并放入一个新的批次；若目的节点未能解码一个批次，源 节点将再次调度该批次； 4) 源节点根据批次状态决定批次的调度顺序和时机，批次调度优先级由高到低依次 为：未被调度过的新批次，调度后反馈为未解码的批次，调度后未获得反馈的批次；对于相 同状态的批次，批次序号越小优先级越高，反馈时间越早优先级越高； 5) 源节点根据批次接收情况以及源、目的节点间连接质量决定被调度批次的编码分组 传输量，对于每一个被调度批次，编码分组传输量为该批次的自由度除以源节点到目的节 点的自由度交付率。
2. 根据权利要求1所述的基于并行批次网络编码的传输方法，其特征在于所述自由度 交付率的计算方式为：每当源节点接收一个批次b k的接收状态反馈，源节点计算最近一轮 调度以来bk的自由度减少量Λ dk，并查询最近一轮调度中发送bk的编码分组的数目nk，自 由度交付率更新为Ad k/nk。
【文档编号】H04L1/00GK104243098SQ201410492165
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】王海, 董超, 陈晨, 于卫波, 牛大伟, 米志超 申请人:中国人民解放军理工大学