一种提升无线网络编码增益的速率控制方法与流程

本发明涉及通信领域，特别是一种提升无线网络编码增益的速率控制方法。

背景技术：

网络编码技术已被证实，可以有效提高无线网络性能，包括吞吐率、投递延迟、能量效率等性能指标，并已应用于lte蜂窝网络，比如联合网络编码和中继选择的协作传输等。然而，在无线应用环境下，由于面临复杂多变的通信环境以及信道状况的频繁变化所导致的信道质量下降、传输分组的突发丢包，对网络传输性能造成了极大影响。针对这些无线网络环境下的高丢包率情形，应用现有的网络编码架构难以有效发挥预期的性能增益。

为了确保编码包的可靠投递，在具有多速率控制功能的无线网络中，现有的网络编码架构一般默认编码节点采用最低的传输速率来换取更高的投递率来投递编码包。若主接收节点收到该编码包，则默认从接收节点也收到了该编码包。这种方式一方面限制了多速率的应用，不能更好的利用无线网络带宽资源。另一方面，这种做法在实际网络场景下，既不能完全保证编码包的可靠投递，也引入了一些其他的问题，比如更低的传输速率会导致更长的传输时间，从而大大增加了数据包发生碰撞的机会，降低了网络数据包的投递率和整体网络吞吐率。同时，对于编码节点来说，如何处理具有不同信道质量的、编码包的多个接收节点所带来的广播瓶颈问题十分迫切。因此，如何在编码包的可靠投递和编码增益上做出更好的折中是一个重要的研究方面。

现有网络编码结合速率控制机制的相关研究中，主要讨论网络编码和mac机制联合设计以优化网络吞吐率性能，对网络编码算法与速率控制的统一设计鲜有研究。随着毫米波技术在lte蜂窝网络中的应用，相比于传统的低于6ghz频段，毫米波频段的通信其传输丢包率高得多，需要确保可靠、低丢包率和稳定的数据率。通过将网络编码算法与速率控制实现统一设计，可以取得更高的网络吞吐率、可靠性和更低的系统投递延时。因此，研究一种基于网络编码的速率控制方法显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对机会网络编码在lte网络中面对不同用户、不同信道质量时，提供一种速率控制方法，以提高编码包的投递效率，进而提高网络编码对系统整体性能的改善。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种提升无线网络编码增益的速率控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤s1、对于传输一个编码度为n的编码包，定义传输时速率控制过程中的状态为该编码包接收节点集合gⁿ的一个子集，该子集中的每一个节点均没有收到该编码包，用一个n比特的矢量(b1，b2，...，bi，...，bn)来表示这个子集，其中，bi∈{0，1}，当bi＝1时，表示接收节点集合gⁿ中的第i个接收节点还没有收到这个编码包，而当bi＝0时，则表示接收节点集合gⁿ中的第i个接收节点收到这个编码包，对于一个编码度为n的编码包来说，其有n个接收节点，所以有|s|＝2ⁿ种可能的状态。

步骤s2、当一个编码节点要发送一个编码包的时候，它可以从决策集合a＝{r1，r2，...，rk，r1≤r2…≤rk}中选择一个传输速率，该集合所包含的传输速率的数目即为可以选择的决策的种类数。

步骤s3、对于传输速率为rk时，节点i∈gⁿ，给定参数(包的投递率)为pi(rk)的伯努利模型，则从状态st转移至状态st+1时的状态转移概率可由下式计算得到：

步骤s4、定义状态转移过程中获得的收益量除以传输编码包时所带来的时间代价，并将该回报定义为编码包的传输效率(cpte)，对编码包其指定的接收节点为集合g^l，如果参与编码的数据包pi的数据包长度为li(bits)，1≤i≤l，则对应的编码包长度等于其中最长数据包的长度max1≤i≤lli；若在决策阶段t时采取决策at，则从状态st转移到状态st+1时的回报为：

步骤s5、确定优化目标，优化从决策阶段t到决策阶段n-1总的期望cpte值，通过下式计算得到：

在一个有n个决策阶段的速率选择过程中，如果则定义cpte(st，t)＝0。

步骤s6、确定最优决策，最优决策由下式给出：

为获得中的最优解及其对应的最优决策，使用如下后向递推算法：

a1、设置t＝n且

a2、让计算cpte(st，t)和πt(st)；

a3、如果t＝0，停止计算，否则，转a2继续计算。

进一步地，从所有可能的编码解中选出能够取得最大cpte值的编码解，用pl(d(pi))表示节点d(pi)解码包池中缓存的数据包集合，任意通过异或操作得到的编码解ca以及对应的包集合cset可以表示为：

cset＝{x1p1}∪{x2p2}∪l{xmpm}；

其中，

相应地，得到编码包的接收节点的初始接收状态可以表示为：

s0＝{d(x1p1)}∪{d(x2p2)}∪l{d(xmpm)}；

所以，基于cpte值的码选择问题的整数线性规划(ilp)归结为：

maxcpte(st，t)|t＝0，

通过求解，得到最优的编码解。

本发明的有益效果是：

(1)、针对机会网络编码在lte网络中面对不同用户、不同信道质量时，提供速率控制，弥补了已有研究中对机会网络编码速率控制机制研究的不足；

(2)、基于编码包传输效率的码选择策略，可以在编码包传输效率最大化的条件下，增加网络编码的编码机会，提高编码包的平均编码度，有效提升了机会网络编码的延时、吞吐率等性能增益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是典型的“cross”网络编码场景及各链路在不同传输速率下的包投递率的示意图，一个网络编码组包含4条编码流：及属于“cross”拓扑中的情形；

图2是在图1所示的拓扑中不同速率下端到端的平均投递延迟，典型的机会网络编码框架下的速率控制策略(cope)和本发明的速率控制机制(orc)；

图3是机会网络编码速率控制流程图。

具体实施方式

一种提升无线网络编码增益的速率控制方法，其特征在于它包括以下步骤：

步骤s1、对于传输一个编码度为n的编码包，定义传输时速率控制过程中的状态为该编码包接收节点集合gⁿ的一个子集，该子集中的每一个节点均没有收到该编码包，用一个n比特的矢量(b1，b2，...，bi，...，bn)来表示这个子集，其中，bi∈{0，1}，当bi＝1时，表示接收节点集合gⁿ中的第i个接收节点还没有收到这个编码包，而当bi＝0时，则表示接收节点集合gⁿ中的第i个接收节点收到这个编码包，对于一个编码度为n的编码包来说，其有n个接收节点，所以有|s|＝2ⁿ种可能的状态。

步骤s2、当一个编码节点要发送一个编码包的时候，它可以从决策集合a＝{r1，r2，...，rk，r1≤r2...≤rk}中选择一个传输速率，该集合所包含的传输速率的数目即为可以选择的决策的种类数。

步骤s3、对于传输速率为rk时，节点i∈gⁿ，给定参数(包的投递率)为pi(rk)的伯努利模型，则从状态st转移至状态st+1时的状态转移概率可由下式计算得到：

步骤s4、定义状态转移过程中获得的收益量除以传输编码包时所带来的时间代价，并将该回报定义为编码包的传输效率(cpte)，对编码包其指定的接收节点为集合g^l，如果参与编码的数据包pi的数据包长度为li(bits)，1≤i≤l，则对应的编码包长度等于其中最长数据包的长度max1≤i≤lli；若在决策阶段t时采取决策at，则从状态st转移到状态st+1时的回报为：

步骤s5、确定优化目标，优化从决策阶段t到决策阶段n-1总的期望cpte值，通过下式计算得到：

在一个有n个决策阶段的速率选择过程中，如果则定义cpte(st，t)＝0。

步骤s6、确定最优决策，最优决策由下式给出：

为获得中的最优解及其对应的最优决策，使用如下后向递推算法：

a1、设置t＝n且

a2、让计算cpte(st，t)和πt(st)；

a3、如果t＝0，停止计算，否则，转a2继续计算。

进一步地，从所有可能的编码解中选出能够取得最大cpte值的编码解，用pl(d(pi))表示节点d(pi)解码包池中缓存的数据包集合，任意通过异或操作得到的编码解ca以及对应的包集合cset可以表示为：

cset＝{x1p1}∪{x2p2}∪l{xmpm}；

其中，

相应地，得到编码包的接收节点的初始接收状态可以表示为：

s0＝{d(x1p1)}∪{d(x2p2)}∪l{d(xmpm)}；

所以，基于cpte值的码选择问题的整数线性规划(ilp)归结为：

maxgpte(st，t)}t＝0，

通过求解，得到最优的编码解。

参照图1至图3，提供有一典型的“cross”网络编码(机会网络编码)的速率控制机制；

首先构造一个对应于该问题的加权图g(v，e，f(c))，从而将搜索一个好的包组合问题转化为搜索该图中的最大加权团；通过将图中的顶点逐个分离，将最终找到一个合适的编码解。

在一个有n条编码流的编码结构中，编码节点的发送队列中含有|qi|个来自编码流fi的数据包，因此编码节点的发送队列q中共有个数据包，且q＝{p1，p2，…，pk}；根据数据包pi的下一跳节点d(pi)和节点d(pi)的解码包池所缓存的包集合pl(d(pi))，构造加权图g(v，e，ω)的方法如下：

e＝{(v1，vj)|d(pi)≠d(pj)，f(pi)≠f(pj)，pi∈pl(d(pj))，pj∈pl(d(pi))}；

ω:c→r；

对于每一个数据包pi∈q，1≤i≤k，都对应着图中的一个顶点vi∈v(g)；图g中的边集合e中的一条边可以作如下定义：对于编码节点发送队列q中任意两个数据包pi，pj，i≠j，数据包pi的下一跳节点d(pi)不同于数据包pj的下一跳节点d(pj)；数据包pi所属的流f(pi)不同于数据包pj所属的流f(pj)；节点d(pj)的解码包池所缓存的数据包集合pl(d(pj))包含数据包pi；同样地，节点d(pi)的解码包池所缓存的数据包集合pl(d(pi))包含数据包pj；则这两个数据包对应的图g中2个顶点间存在着一条无向边，由于图g中的团是顶点集合v(g)中的一个子集，由该子集导出的子图是一个完全图，图g中的一个团是一个编码解，ω是一个团c的权重函数；如果我们定义n(g)为团c中顶点所对应的下一跳节点集合，则ω(c)＝cpte(st＝n(c)|t)|t＝0，ω(c)的值反映了编码包的传输效率。

基于cpte的码选择算法可以分为两个阶段：第一阶段是将从图g(v，e)中搜索最大团，即含有最多顶点数的团，根据团的定义，如果最优编码解对应为图g(v，e)中团c且团c包含顶点v，该顶点的度d(v)小于图g(v，e)中顶点的最大度，我们将从图g(v，e)中导出一个子图gv，该子图gv由顶点v和他的邻接顶点组成，并将顶点v从图g(v，e)中去除。这里，集合c用于保存搜索到的最大团结果；如果子图gv的顶点数大于集合c中的顶点数，我们就搜索子图gv中的最大团，并将搜索到的结果保存在集合cv中，如果集合cv中的顶点数大于集合c中的顶点数，就用cv中的搜索结果替换c中保存的最大团结果，否则的话，我们保持集合c不变并将继续搜索，直到顶点集合v(g)为空为止；若我们无法找到一个顶点v，使得他的度小于图g(v，e)中顶点的最大度，我们就直接搜索图g(v，e)中顶点的最大度，且由于有限的顶点数目，该搜索过程可以在有限步内完成，当我们在第一阶段得到最大团c后，在第二阶段中，我们将搜索在集合c中能取得最大cpte值的顶点子集。

参照图3，机会网络编码速率控制中的操作分两个阶段完成，在第一个阶段中，基于所有可以参与编码的候选原始数据包和码的构造规则，首先构造无向图g(v，e)并搜索图g(v，e)中的最大团c，集合c中的任意非空子集对应着一个可能的编码解；在第二个阶段，对任意编码解为编码包c1的每次一跳范围内的传输选择一个合适的传输速率，我们定义了一个可衡量的指标，称为编码包传输效率(cpte)，来衡量期望的累积回报，并搜索编码包c1最优的速率控制策略；然后，基于每一个编码包具体的cpte值，从所有可能的编码解中挑选出具有最大cpte值的编码解，从而可以优化机会性网络编码的性能增益。由此可以找到一个合理的编码解及其对应的最优速率控制策略。

以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。