基于混合网络编码的多中继协作重传算法制造技术

本发明专利技术以最小化系统整体完成时间和重传次数为目的提出了一种基于混合网络编码的多中继协作重传算法，属于无线通信技术领域，该算法提出了协作发送端集选择机制、混合网络编码重传策略和编码包选择调度策略三个创新机制，在编码包重传阶段，首先根据各接收端的通信覆盖范围、其覆盖范围内其余接收端的包接收情况和自身的包接收情况确定重传协作发送端集；其次，将接收端的原始丢包按照从大到小的顺序划分为丢失数较多和丢失数较少的丢包，对于丢失数较多的部分采用基于RLNC的重传算法；对于丢失数较少的部分采用基于ONC的重传算法；最后，采用基于图论理论的最大团搜索方式来选择最优编码组合，从而降低了重传时延和重传次数，提高了重传效率。

【技术实现步骤摘要】
基于混合网络编码的多中继协作重传算法
本专利技术属于无线网络领域，主要针对的网络场景为多跳无线网络场景中因为无线链路的不可靠性而导致的原始数据丢失或出错的场景，为了恢复无线传输时丢失的数据，具体讲述了一种基于网络编码的多中继协作重传算法。
技术介绍
在无线网络传输过程中，数据是以电磁波的形式在空间传输，不需要任何的物理介质，因此相较于有线传输，该传输方式总是会受到干扰、衰落、噪声等因素的影响，从而导致数据丢失或出错。为保证无线通信的可靠传输，提升传输效率，重传方法作为一种有效的途径来解决上述问题。传统重传方法前向纠错(ForwardErrorCorrection,FEC)、自动请求重传(AutomaticRepeatRequest,ARQ)和混合自动请求重传(HybridAutomaticRepeatRequest,HARQ)等多种技术被应用于无线通信中。ARQ技术中信源节点根据信宿节点对数据的反馈信息来判断数据是否被接收，对于发生丢失的数据，将直接逐一重传。其特点是简单易实现，但其效率较低；FEC技术通过在原始数据中增加判断信息，信宿节点根据数据中的判断信息自动纠正出现差错的数据；HARQ技术则是结合了ARQ和FEC的技术特点，可以直接重传，也可以根据判断信息恢复数据。HARQ提高了恢复效率，但实现过程较复杂。当发生数据丢失时，基于上述三种技术的重传方法均是逐一的恢复原始丢包，重传效率较低。网络编码技术作为一种有效的信息融合技术，其基本思想是网络中间节点将来自不同流的信息先进行线性或非线性处理后再转发，目的节点则根据自身的信息与编码信息进行解码操作，直到所有信息到达目的节点。如图1所示为“蝶形网络”模型图，图中顶点表示网络中的节点，有向线段表示网络中两个节点之间数据的流动方向，有向线段上的标记的符号表示数据的流动，源节点用S表示，A、B、C和D表示网络中间节点，X和Y表示目的节点。在网络传输模型中，源节点S发送数据a和b给节点X和Y。假设每条链路传输的信道容量为1bit，且链路传输为无差错传输。图1(a)据传输方式，首先源S通过链路SA和SB将数据a和b转发给A和B，然后A将数据a通过链路AC和AX转发给C和X，同理B将数据b通过链路BC和BY转发给C和Y，此时C可以接收到两个原始数据包a和b。由于信道容量为1bit，瓶颈节点C一次转发时只能转发a或b。如果C先转发数据a，则D接收到a并转发给X和Y，X仅接收到数据a，Y接收到数据a和b。如果C先转发数据b，则D接收到b并转发给X和Y，X仅接收到数据a和b，Y仅接收到数据b。在上述两种可能传输中，X和Y可接收到的数据总量为3bit，因此每个目的节点平均吞吐量为3bit/2＝1.5bit。图1(b)所示为采用了网络编码技术的数据传输模型，中间节点C接收到数据a和b之后进行异或编码得到编码数据a⊕b，然后C将a⊕b转发至D，然后D直接将编码数据a⊕b通过链路DX和DY转发至目的节点X和Y，此时X接收到原始数据a和编码数据a⊕b，X对a⊕b进行解码操作(再次异或)，即(a⊕b)⊕a＝b，从而得到a和b。同理Y接收到原始数据b和编码数据a⊕b，Y对a⊕b进行解码操作(再次异或)，即(a⊕b)⊕b＝a，从而得到a和b。在采用网络编码的传输方式中，X和Y可接收到的数据总量为4bit，因此每个目的节点平均吞吐量为4bit/2＝2bit。由此可知，采用网络编码的传输方式所能达到的网络吞吐量大于采用传统路由时所达到的网络吞吐量。且随着网络编码技术的不断创新发展，其优势以及特点也逐渐被发现。因此，利用网络编码技术的传输方式成为研究的热点问题。多中继协作ARQ协议基本原理类似于单中继协作ARQ协议基本原理，仅增加了参与协作重传的中继节点个数。如图2所示为多中继协作ARQ协议的网络模型图，源节点在发送原始数据给目的节点，目的节点存在丢包时，中继节点在参与丢包的重传过程。该协议的关键问题依旧是如何选择合适的中继节点作为协作节点来协作恢复目的节点的丢包，是选择一个中继进行协作还是多个中继同时进行协作对于现有协作重传算法仍旧是一个较难解决的问题。文献[1]中引入了一种新的有损G-IDNC图(LG-IDNC)模型，以进一步减少有损反馈场景中的解码延迟。虽然G-IDNC图仅表示无疑的可组合分组，但LG-IDNC图表还表示由有损反馈事件引起的不确定分组组合，此时对它们自身或与其他特定分组进行异或的预期解码延迟低于预期时的预期解码延迟。分别发送这些数据包。[1]DouikA,SorourS,Al-NaffouriTY,etal.ALossyGraphModelforDelayReductioninGeneralizedInstantlyDecodableNetworkCoding[J].IEEEWirelessCommunicationsLetters,2014,3(3):281-284.文献[2]中考虑使用基于可解码网络编码(IDNC)的设备到设备(D2D)通信来减少无线网络的广播时延问题。在启用D2D的网络中，设备通过发送网络编码包加快传输范围内存在丢包的其余设备的包恢复速度。该算法中制定了重传发送设备集合和每个发送设备的分组组合的联合优化问题。由于寻找最优解决方案的高度复杂性，本文着重于在没有发送用户之间干扰的情况下进行合作。[2]DouikA,SorourS,Al-NaffouriTY,etal.DelayReductioninMulti-HopDevice-to-DeviceCommunicationusingNetworkCoding[C]//Inproceedingofthe2015InternationalSymposiumonNetworkCoding(NetCod).Sydney,IEEE,2015:6-10.文献[3]在上述文献的基础上改进并提出了一种新的联合优化算法，该算法旨在减少所有设备之间传播即时可解码网络编码(IDNC)包所需的通信总时间，即完成时间。首先制定选择发送设备和文件组合的联合优化，并展示其难以处理的能力。通过导出部分连接的网络中的量之间的关系，使用着名的解码延迟方法来近似完成时间。并将最优组合选择问题转化为最大权重问题。[3]DouikA,SorourS.Datadisseminationusinginstantlydecodablebinarycodesinfog-radioaccessnetworks[J].IEEETranscationsonCommunications,2018,66(5):2052-2064.上述算法主要是针对无线广播场景中数据丢失的情况，以最小化系统完成时间为目的，通过联合优化解码时延和完成时间来达到目的。在实现联合优化的算法中，引入图论的无向图相关理论，并将最优编码组合和最大协作发送节点集的联合选择转化为无向图的最大团选择问题，从而优化系统性能，提升重传性能。文献[4]提出一种新的优化选择方法可以选择出最大协作发送节点集和各协作发送节点对应的最优编码组合。该算法首先制定了最佳协作发送端和对应编码组合选择方案，以最小化GIDNC协作系统中的平均解码延迟；然后，找到该场景中的最佳协作发送端和对应编码组合等同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合网络编码的多中继协作重传算法的设计方法，其特征是：在数据传输时，主要包括两个阶段，原始数据传输阶段和丢失数据包编码重传阶段，因此采用了编码包协作发送端集搜索策略、混合编码重传策略和编码包选择调度策略。首先，根据各接收端处的包接收情况、通信覆盖范围和其中其余接收端的包接收情况确定重传协作发送端集；其次，提出混合编码重传策略，将原始丢包划分为丢失数较多和丢失数较少的丢包，丢失数较多的采用基于随机线性网络编码的重传策略；丢失数较少的采用基于机会式网络编码的重传策略；最后，基于机会式网络编码的重传策略中编码组合的搜索选择结合了无向图理论，将其转化为无向图的最大团集选择问题。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合网络编码的多中继协作重传算法的设计方法，其特征是：在数据传输时，主要包括两个阶段，原始数据传输阶段和丢失数据包编码重传阶段，因此采用了编码包协作发送端集搜索策略、混合编码重传策略和编码包选择调度策略。首先，根据各接收端处的包接收情况、通信覆盖范围和其中其余接收端的包接收情况确定重传协作发送端集；其次，提出混合编码重传策略，将原始丢包划分为丢失数较多和丢失数较少的丢包，丢失数较多的采用基于随机线性网络编码的重传策略；丢失数较少的采用基于机会式网络编码的重传策略；最后，基于机会式网络编码的重传策略中编码组合的搜索选择结合了无向图理论，将其转化为无向图的最大团集选择问题。2.根据权利要求所述的一种基于混合网络编码的多中继协作重传算法，其特征是：所述工作在重传过程中的编码包协作发送端集搜索的基本思路是：根据网络中全部接收端的通信覆盖范围构建接收端互斥图，图中各顶点对应网络中各接收端，任意顶点连边的条件为(1)两个接收端其中一个在另一个的通信覆盖范围内；(2)两个接收端的通信覆盖范围相交。若两个顶点之间没有连边，则对应两个接收端可同时作为编码包的发送端。协作发送端集的选择可以转化为互斥图的极大独立集搜索问题，图中没有直接连边的顶点则满足极大独立集条...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚玉坤，张云霞，濮浩，李威，宋威威，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50