[發(fā)明專利]基于認知的自組織網絡分層網絡編碼多播方法

有效

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• 申請日: 2011-04-22
• 公開（公告）號: CN102170613A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發(fā)明（設計）人: 李紅艷;徐文菲;李建東;蔡寧;盛敏;侯蓉暉;趙林靖;劉勤;張文柱
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W4/06
• 分類號: H04W4/06;H04W40/24;H04W84/18;H04L1/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及網絡編碼多播方法，應用于無線自組織網絡多播場景的數據傳輸過程中。

背景技術

傳統(tǒng)的多播傳輸是通過構造多播樹實現(xiàn)的，典型的多播樹，如最小費用的Steiner樹，其構造過程一般是個NP完全問題，因此大多數的近似算法均不能使多播傳輸達到“最大流最小割”定理確定的最大理論傳輸容量。這主要是由于現(xiàn)有通信網絡中，中間節(jié)點往往僅對收到的信息進行存儲和轉發(fā)而造成的。香港中文大學R.Alshwede等人在2000年的IEEE信息論會刊上首次提出了網絡編碼的概念，并從理論上證明：對于傳輸的信息，若網絡中的節(jié)點除了可以進行存儲轉發(fā)外，還可以按照某種合適的方式進行編碼處理，如模二加、有限域上的運算等，則基于該網絡編碼方式的網絡多播就能夠實現(xiàn)理論上的最大網絡傳輸容量。

網絡編碼是指網絡中的節(jié)點對傳輸信息進行操作和處理的過程。網絡編碼徹底改變了通信網絡中信息處理和傳輸的方式，是進入21世紀信息理論研究領域的重大突破。圖1給出了網絡編碼在無線網絡中的幾個簡單應用。圖1(a)中節(jié)點S1發(fā)出信息P1節(jié)點S2發(fā)出信息P2，節(jié)點C對P1和P2進行異或再轉發(fā)，從而完成節(jié)點S1、S2之間的信息交互。可見，在該場景中采用網絡編碼能夠將傳輸次數從4降低到3，多播速率提高4/3＝1.33。圖1(b)為兩源兩宿的情況，同樣在中間節(jié)點C對收到的信息進行異或，利用無線網絡的廣播特性，有效利用偵聽信息在信宿節(jié)點成功完成解碼，將需要廣播4次才能完成的信息交互只用了3次，多播速率同樣提高4/3＝1.33。圖1(c)為星型網絡，外圍四個節(jié)點S1，S2，S3，S4都可以偵聽到自己鄰居節(jié)點發(fā)送的信息，它們都要通過中心節(jié)點C完成與非鄰居節(jié)點的信息交互，采用網絡編碼后，傳輸次數從8降低到5，多播速率提高8/5＝1.6。圖1表明，較之傳統(tǒng)的存儲轉發(fā)方式，采用網絡編碼之后降低了信息的傳輸次數，相同時間內傳輸了更多的信息，節(jié)省了終端功率和無線網絡資源的損耗，提高了網絡吞吐量，改善了網絡性能。

無線自組織網絡是由一組自主的無線節(jié)點或終端相互合作而形成的，是一種沒有預定基礎設施支撐的自動創(chuàng)建、自動組織、自我管理的網絡。因其組網迅速以及適應環(huán)境能力強等特點被用于軍事通信、移動會議、緊急服務和災難恢復等不便利用現(xiàn)有網絡基礎設施的場景中。未來移動通信要求網絡組網靈活，具有良好的適應性和生存能力，因此，自組織網絡將在未來移動通信網絡中扮演重要的角色。但是，隨著無線通信業(yè)務的不斷發(fā)展，無線資源尤其是頻譜資源變得越來越緊張，如何高效利用這些有限的通信資源已經成為無線通信技術發(fā)展的焦點所在。又由于自組織網絡中節(jié)點通常依靠電池供電，為了延長電池的使用時間，需要考慮盡量節(jié)約節(jié)點的電池損耗，維持網絡通信時間。結合網絡編碼的特點以及所帶來的優(yōu)勢，將網絡編碼技術應用在無線自組織網路中成為無線通信的一個新的發(fā)展方向，利用網絡編碼可以減少數據傳輸次數的優(yōu)點，節(jié)省自組織網絡中終端發(fā)射功率和無線資源的利用，提高網絡容量，改善自組織網絡性能。

已有文獻表明，線性網絡編碼是最簡單有效的一種編碼方法，在適宜的條件下可以達到網絡的最大容量，因此目前線性網絡編碼被大量使用。在線性網絡編碼中，假設某編碼節(jié)點收到信息是s₁，s₂，L，s_m，則經過這個編碼節(jié)點之后輸出信息為：

y_i＝g_i1s₁+g_i2s₂+L+g_ims_m????(1)

如果這個編碼節(jié)點的m條輸出鏈路選取的線性編碼系數依次表示為：g₁₁，g₁₂，L，g_1m，L?L，g_m1，g_m2，L，g_mm，編碼之后的信息為y₁，y₂，L，y_m，則這個節(jié)點的編碼過程表示為：