一种采用三维空间网络编码的网络传输方法技术

本发明专利技术公开了一种采用三维空间网络编码的网络传输方法，包括求三维凸包、求基本三维斯坦纳点、三维非均匀划分、求三维拓扑和代价、求三维中继点平衡位置、求平衡后三维拓扑和代价和求增补三维斯坦纳点的步骤；通过改进的三维欧氏空间斯坦纳点的方法获得基本三维斯坦纳点和增补三维斯坦纳点作为第一类三维候选中继点，通过三维非均匀划分获得第二类三维候选中继点，采用线性规划从两类三维候选中继点中选出最优中继点，并采用力学平衡方法求出最优中继点的平衡位置以降低代价；该方法既支持中继点与终端点之间具有任意三维空间密度分布，又支持终端点与终端点之间具有任意三维空间密度分布，计算量低，收敛速度快，有效提升了三维空间中网络传输性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于网络信息传输
，更具体地，涉及一种采用三维空间网络编码的网络传输方法。
技术介绍
网络编码的基本思想是允许网络的中间节点参与编码和解码，可提升吞吐量、提升网络带宽利用率和降低问题复杂度,该理论突破经典信息论中比特流不能被分割和处理的结论，指出信息流(InformationFlow)可进一步被分割和处理，故网络编码理论也称为信息流理论；空间网络编码(SpaceNetworkCoding)研究欧氏空间中的网络编码，允许欧氏空间中加入额外的中继点和相关链路，这是空间网络编码与一般网络中的网络编码主要不同之处，空间网络编码的优势是可以减少代价和降低问题复杂度。典型五角星(Pentagram)网络实例说明在欧氏空间中采用网络编码的代价可严格小于采用多播路由的代价：在欧氏空间中采用多播路由，相当于欧氏斯坦纳最小树(EuclideanSteinerMinimalTree,ESMT)问题，已证明该问题是NP难问题；而在欧氏空间中采用网络编码，其代价可严格小于欧氏空间中的最优多播路由的代价。因此，在欧氏空间中研究网络编码具有较大理论意义和应用价值。本专利技术涉及三维欧氏空间，即三维欧氏空间中采用三维空间网络编码的网络传输问题：对于三维欧氏空间中任意给定的终端点集合，并允许添加额外的中继点，网络通信目标是要求实现基于网络编码的具有最小代价的多播网络。其中，终端点指网络通信中位置固定的节点，包括一个信源节点和至少两个信宿节点，分别称为信源终端点和信宿终端点；中继点是指为达到具有最小代价的网络通信目标所增加的通信节点，其个数和位置是任意的；为达到具有最小代价的网络传输，中继点的位置范围应在终端点所确定的三维凸包内(包括三维凸包边界)；三维凸包是指三维空间中包含终端点集的最小凸多面体；代价定义为所有链路权值(节点间三维欧氏距离)与链路上流速率乘积的和。现有技术中有一种基于二维空间网络编码的网络传输方法，采用二维非均匀划分和二维Delaunay三角剖分，其基本内容包括对给定的终端点进行非均匀划分，即从每个终端点画水平线和垂直线，各条水平线和垂直线交点形成若干子矩形，再将每个子矩形划分为p×p个矩形格子，取每个矩形格子中心且在凸包内的点作为候选中继点；采用二维Delaunay三角剖分获得斯坦纳点并入候选中继点；针对所有终端点和候选中继点构建完全图，然后构建基于信息流的线性规划数学模型并求线性规划最优解；逐步增大p的数量，所求拓扑逼近最优拓扑，最后采用力学平衡的方法求解中继点的最优位置；该方法存在如下不足：其二维非均匀划分方法不能直接应用于三维欧氏空间；二维Delaunay三角剖分直接扩展为三维Delaunay三角剖分，不能解决三维欧氏空间中求所有斯坦纳点的问题。针对二维非均匀划分不能直接应用于三维欧氏空间的问题，现有技术中有一种基于三维空间网络编码的网络传输方法，对给定的终端点进行三维非均匀划分，过每个终端点作与3个坐标轴垂直的3个平面，所有平面形成一个大立方体和若干子立方体，将各子立方体划分为p×p×p个小立方体，获取各小立方体的中心且在三维凸包内(包括三维凸包边界)的点作为候选中继点；针对所有终端点和候选中继点构建三维完全图，然后构建基于信息流的线性规划数学模型并求线性规划最优解；逐步增大p的数量，所求拓扑逼近最优拓扑，采用力学平衡的方法求解中继点的最优位置。该方法存在如下不足：当中继点和终端点之间存在非均匀密度分布时，采用三维非均匀划分后小立方体数量非常大，在构建三维完全图时链路总数也非常大，导致求线性规划最优解时无法在多项式时间内完成。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种采用三维空间网络编码的网络传输方法，结合三维非均匀划分和改进的三维欧氏空间斯坦纳点的方法，其目的在于解决现有技术二维空间网络编码的网络传输方法无法直接扩展到三维空间的问题，以及仅基于非均匀划分的三维空间网络编码方法中，当中继点与终端点具有非均匀密度分布时求线性规划最优解时计算量大的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种采用三维空间网络编码的网络传输方法，适用于三维欧氏空间中包含N个终端点的传输网络，N为正整数；包括求三维凸包步骤、求基本三维斯坦纳点步骤、三维非均匀划分步骤、求三维拓扑和代价步骤、求三维中继点平衡位置、求平衡后三维拓扑和代价步骤，以及求增补三维斯坦纳点步骤，具体如下：(1)求三维凸包步骤：计算三维空间中N个终端点的三维凸包，得到包含各终端点的最小凸多面体的各面；其中，三维凸包是指三维空间中包含终端点集的最小凸多面体；N为正整数；(2)求基本三维斯坦纳点步骤：对于N个终端点，获得至多个三角形，采用计算3个终端点的斯坦纳点的方法，获取每个三角形的斯坦纳点；对于N个终端点，至多获得个四面体，采用计算四面体的斯坦纳点的方法，获取每个四面体的斯坦纳点；将上述所有斯坦纳点存入基本三维斯坦纳点集合S；(3)三维非均匀划分步骤：获取三维空间中N个终端点的X轴坐标的最小值XI和X轴坐标的最大值XA、Y轴坐标的最小值YI和Y轴坐标的最大值YA、Z轴坐标的最小值ZI和Z轴坐标的最大值ZA；其中，(xk，yk，zk)为终端点tk的坐标，0≤k≤N-1；过每一终端点tk，作与X轴和Y轴平行的平面、作与Y轴和Z轴平行的平面、作与X轴和Z轴平行的平面；由这些平面形成一个最大立方体及其若干子立方体，最大立方体的8个端点分别为(XI，YI，ZI)，(XI，YA，ZI)，(XA，YI，ZI)，(XA，YA，ZI)，(XI，YI，ZA)，(XI，YA，ZA)，(XA，YI，ZA)，(XA，YA，ZA)；将各子立方体划分为p×p×p个小立方体，获取各小立方体的体对角线交点的坐标；采用点的三维定位方法，获取位于三维凸包上和三维凸包内的所有体对角线交点，将这些交点作为候选的中继点，存入中继点集合R；三维非均匀划分参数p为不小于2的正整数；(4)求三维拓扑和代价；优选包括如下子步骤：(4.1)构建三维完全图K＝(V，E)；其中，节点集合V＝T∪S∪S’∪R∪R*，包括N＝|T|个终端点与M＝|S∪S’∪R∪R*|个候选的中继点rN-1+m，rN-1+m的坐标为(xN-1+m，yN-1+m，zN-1+m)，m为平衡前中继点计数器，1≤m≤M；T是指由N个终端点构成的终端点集合；S是指基本三维斯坦纳点集合；S’是指增补三维斯坦纳点集合；R是指中继点集合；R*是指当前最优中继点集合；节点集合V中任意两节点u和v之间用无向链路uv连接，uv∈E，E是指所有无向链路的集合；|uv|为两节点u与v之间的三维欧氏距离；置初始值S’和R*为空集；(4.2)基于步骤(4.1)获得的三维完全图K，构建平衡前基于信息流的线性规划数学模型，包括目标函数和约束条件；目标函数为其中，有向链路集合决策变量为三维完全图K中有向链路的总信息传输速率决策变量的系数约束条件包括信息流守恒条件、信息流上限条件和非负条件；信息流守恒条件：信息流上限条件：非负条件：(4.3)利用线性规划方法获取所述平衡前基于信息流的线性规划数学模型的最优解，输出所述平衡前基于信息流的线性规划数学模型的目标函数值Cp；输出各有向链路的信息传输速率和总信息传输速率的值以及各无向链路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用三维空间网络编码的网络传输方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)计算三维空间中N个终端点的三维凸包，得到包含各终端点的最小凸多面体的各面；N为正整数；(2)采用三维空间斯坦纳点方法获取基本三维斯坦纳点；(3)进行三维非均匀划分得到一个最大立方体及若干子立方体，将各子立方体划分为p×p×p个小立方体，取位于三维凸包上和三维凸包内的所有体对角线交点作为候选的中继点；(4)根据终端点、基本三维斯坦纳点、中继点、增补三维斯坦纳点和当前最优中继点的并集构建三维完全图，并构建平衡前基于信息流的线性规划数学模型，求平衡前线性规划最优解，输出各有向链路的信息传输速率和总信息传输速率的数值，以及平衡前最小代价值CMIN；并判断是否所有中继点的所有邻接无向链路的总信息传输速率全为零，若是，则进入步骤(6)；若否，则将“所有邻接无向链路的总信息传输速率不全为零”的中继点存入当前最优中继点集合，进入步骤(5)；(5)将所有当前最优中继点的位置调整到合力为零的平衡位置；(6)根据终端点和当前最优中继点的并集构建平衡后三维完全图，并构建平衡后基于信息流的线性规划数学模型，获取平衡后线性规划最优解，输出各有向链路的信息传输速率和总信息传输速率的数值，以及平衡后最小代价值CMIN*；若不满足0≤CMIN－CMIN*≤ε2，则返回步骤(3)；若不满足1，则置上一轮平衡后最小代价值置上一轮非均匀划分参数和p＝p+1，返回步骤(3)；若不满足则置上一轮平衡后最小代价值置上一轮非均匀划分参数和p＝p+1，返回步骤(3)；直至满足前述三个不等式之后进入步骤(7)；其中，ε2为第一代价误差，ε3为第二代价误差；(7)计算增补三维斯坦纳点并存入增补三维斯坦纳点集合S’中；若S’不为空集则进入步骤(3)；若S’为空集则输出各有向链路的信息传输速率和总信息传输速率的值，以及平衡后最小代价值CMIN*，并输出当前最优中继点集合中的中继点坐标。...

【技术特征摘要】
1.一种采用三维空间网络编码的网络传输方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)计算三维空间中N个终端点的三维凸包，得到包含各终端点的最小凸多面体的各面；N为正整数；(2)采用三维空间斯坦纳点方法获取基本三维斯坦纳点；(3)进行三维非均匀划分得到一个最大立方体及若干子立方体，将各子立方体划分为p×p×p个小立方体，取位于三维凸包上和三维凸包内的所有体对角线交点作为候选的中继点；(4)根据终端点、基本三维斯坦纳点、中继点、增补三维斯坦纳点和当前最优中继点的并集构建三维完全图，并构建平衡前基于信息流的线性规划数学模型，求平衡前线性规划最优解，输出各有向链路的信息传输速率和总信息传输速率的数值，以及平衡前最小代价值CMIN；并判断是否所有中继点的所有邻接无向链路的总信息传输速率全为零，若是，则进入步骤(6)；若否，则将“所有邻接无向链路的总信息传输速率不全为零”的中继点存入当前最优中继点集合，进入步骤(5)；(5)将所有当前最优中继点的位置调整到合力为零的平衡位置；(6)根据终端点和当前最优中继点的并集构建平衡后三维完全图，并构建平衡后基于信息流的线性规划数学模型，获取平衡后线性规划最优解，输出各有向链路的信息传输速率和总信息传输速率的数值，以及平衡后最小代价值CMIN*；若不满足0≤CMIN－CMIN*≤ε2，则返回步骤(3)；若不满足1，则置上一轮平衡后最小代价值置上一轮非均匀划分参数和p＝p+1，返回步骤(3)；若不满足则置上一轮平衡后最小代价值置上一轮非均匀划分参数和p＝p+1，返回步骤(3)；直至满足前述三个不等式之后进入步骤(7)；其中，ε2为第一代价误差，ε3为第二代价误差；(7)计算增补三维斯坦纳点并存入增补三维斯坦纳点集合S’中；若S’不为空集则进入步骤(3)；若S’为空集则输出各有向链路的信息传输速率和总信息传输速率的值，以及平衡后最小代价值CMIN*，并输出当前最优中继点集合中的中继点坐标。2.如权利要求1所述的网络传输方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对于N个终端点，至多获得个三角形，采用计算3个终端点的斯坦纳点的方法，获取每个三角形的斯坦纳点；对于N个终端点，至多获得个四面体，采用计算四面体的斯坦纳点的方法，获取每个四面体的斯坦纳点；由上述所有斯坦纳点构成基本三维斯坦纳点集合S。3.如权利要求1或2所述的网络传输方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下子步骤：(3.1)获取三维空间中N个终端点的X轴坐标的最小值XI和X轴坐标的最大值XA、Y轴坐标的最小值YI和Y轴坐标的最大值YA、Z轴坐标的最小值ZI和Z轴坐标的最大值ZA；其中，(xk，yk，zk)为终端点tk的坐标，0≤k≤N-1；(3.2)过每一终端点tk，作与X轴和Y轴平行的平面、作与Y轴和Z轴平行的平面、作与X轴和Z轴平行的平面；由这些平面构成一个最大立方体和若干子立方体；所述最大立方体的8个端点分别为(XI，YI，ZI)，(XI，YA，ZI)，(XA，YI，ZI)，(XA，YA，ZI)，(XI，YI，ZA)，(XI，YA，ZA)，(XA，YI，ZA)，(XA，YA，ZA)；(3.3)将各子立方体划分为p×p×p个小立方体，获取各小立方体的体对角线交点的坐标；采用点的三维定位方法，获取位于三维凸包上和三维凸包内的所有体对角线交点，将这些交点作为候选的中继点，存入中继点集合R；其中，三维非均匀划分参数p为不小于2的正整数。4.如权利要求3所述的网络传输方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下子步骤：(4.1)构建三维完全图K＝(V，E)；其中，节点集合V＝T∪S∪S’∪R∪R*，包括N＝|T|个终端点与M＝|S∪S’∪R∪R*|个候选的中继点rN-1+m，rN-1+m的坐标为(xN-1+m，yN-1+m，zN-1+m)，m为平衡前中继点计数器，1≤m≤M；T是指由N个终端点构成的终端点集合；S是指基本三维斯坦纳点集合；S’是指增补三维斯坦纳点集合；R是指中继点集合；R*是指当前最优中继点集合；节点集合V中任意两节点u和v之间用无向链路uv连接，uv∈E，E是指所有无向链路的集合；|uv|为两节点u与v之间的三维欧氏距离；置初始值S’和R*为空集；(4.2)基于所述三维完全图K构建平衡前基于信息流的线性规划数学模型，包括目标函数和约束条件；所述目标函数为其中，有向链路集合决策变量为三维完全图K中有向链路的总信息传输速率决策变量的系数所述约束条件包括信息流守恒条件、信息流上限条件和非负条件；信息流守恒条件：信息流上限条件：非负条件：其中，1≤i≤N-1；u,v,t0,ti∈V，V←(u)表示始节点为u的所有有向链路终节点的集合，V→(u)表示终节点为u的所有有向链路始节点的集合；表示从信源终端点t0发送到信宿终端点ti的信息流在有向链路上的信息传输速率；为有向链路上的总信息传输速率，其等于有向链路上所有的最大值；表示从信源终端点t0发送到信宿终端点ti的信息流在有向链路上的信息传输速率；h为信源发出的总信息传输速率，h>0；(4.3)利用线性规划方法获取所述平衡前基于信息流的线性规划数学模型的最优解，输出所述平衡前基于信息流的线性规划数学模型的目标函数值Cp...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄佳庆，李宗鹏，胡清月，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42