CN101409602B - 组播网络中的上溯式编码向量分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组播网络中的上溯式编码向量分配方法：从目的节点开始分配线性不相关的全局编码向量，逐次向源节点传递，在目的节点就保证解码矩阵满秩。也即首先为各个目的节点分配线性不相关的全局编码向量，然后向上游传递，在编码节点依照一定的规则计算并记录局部编码向量。在源节点维护一个全局编码向量的集合，每个编码向量分别记录在编码向量缓存器的一个端口处。传送数据时，源节点发送的信息首先和缓存器各个端口处的全局编码向量相乘，然后再向下游传输。目的节点收到信息后调用解码矩阵采用高斯消元法进行解码。本发明解决了适用于拓扑已知以及未知的网络中的编码向量分配方法，可以提高基于网络编码的组播网络中的接收节点成功解码的概率，减小编码所需的字母表大小，减小网络编码的复杂度。

Description

组播网络中的上溯式编码向量分配方法

技术领域

本发明设计的是组播网络中的上溯式分配网络编码向量的方法，主要应用在组播网络中的编码向量的分配。

背景技术

随着信息时代的不断发展，各种通信网络与人们工作生活的各个方面结合越来越紧密。与此同时，由于用户数量的激增，网络服务的多样化以及针对网络传输质量要求的不断提高，如何提高现有网络资源的利用率，优化网络，已成为当今网络通信研究的重要课题之一。网络编码技术的提出适应了现代网络中的这种需求，其理论和应用已成为通信领域研究的新热点。网络编码(Network coding)技术是在信息理论和编码理论结合的基础上，融合了编码和路由两个概念，在传统存储转发的路由方法的基础上，通过允许对接收的多个数据包进行编码组合，增加单次传输的信息量，在网络中维持着最大的信息流量，从而提高网络整体性能。

网络编码理论自2000年Ahlswede等人提出以来，对其各个方面的理论研究层出不穷。网络编码按照编码节点输出和输入的关系可划分为线性网络编码和非线性网络编码。非线性网络编码由于其编解码的复杂度极高，所以一般的研究仅限于线性网络编码。而线性网络编码是指编码节点把所接收到的信息，通过把信息和节点的算术系数进行线性组合，从而完成编码操作，这里的算术系数就称做编码向量。编码向量有全局编码向量和局部编码向量之分，全局编码向量表明了每条链路上所承载的信息与源节点所发出的信息之间的数学关系。而局部编码向量是针对编码节点来说的，编码节点拥有局部编码向量，它表明了编码节点收到的全局编码向量和生成的全局编码向量之间的数学关系。在一个网络编码组播网络中，源节点开始发送数据之前，要先进行编码向量的预分配，这样才可以保证数据在网络中的有效传输。为了保证目的节点能够正确解码，成功获得信源组播过来的信息数据，编码向量分配时需要保证目的节点从连接其自身的链路上所接收到的全局编码向量组成的向量矩阵是满秩的，也就是说需要保证连接该目的节点的所有链路上的编码向量是线性无关的。

Shuo-Yen Robert Li等人所采用的传统的的编码向量的分配方法的特点在于：源节点从一个有限域里面选取元素，组成全局编码向量为下游链路分配，每个中间节点都具有一个局部编码向量，用于编码节点下游链路的全局编码向量的生成。在分配编码向量的同时，要竭力保证目的节点所收到的编码向量所构成的解码矩阵是满秩的，以便可以成功解码这种方法的局限性在于，随着网络中编码节点的增多，分配编码向量所需要的有限域的符号集会越来越大。当这个有限域不是足够大时，就会造成目的节点的解码矩阵不满秩而解码失败。另外一个局限在于，该方法只适用于拓扑已知的网络中，在未知拓扑的网络中很难实现。

Yunnan Wu等人所采用的编码向量的分配方法的特点在于：编码向量的分配和网络中数据的传输同时进行，在数据包的包头记录全局编码向量，而在需要编码的节点随机地在某一个有限域中选取元素作为局部编码向量，用于编码节点下游链路的全局编码向量的生成。每更新一次全局编码向量就记录在数据包的包头中，目的节点根据接收到的数据包提取包头中的全局编码向量进行解码。这种方法也存在其不可避免的局限性，其一是在包头中附加编码向量信息会占用大量的带宽资源，对于资源相对紧张的网络不适宜采用这种方法；其二是这种方法对于拓扑不透明的网络可以实现正确的编解码，但是对于拓扑透明的网络，采用这种编码向量的分配方法会严重影响传输效率。

因此，现有的从源节点到目的节点的编码向量的分配方法不能完全保证目的节点所接收到的全局编码向量的线性不相关性，从而不能百分百地保证目的节点能够成功解码，而且所适用的网络拓扑透明性有一定的局限性，严重的可影响到整个组播网络的传输性能。

本发明涉及的是一种在目的节点就保证了解码矩阵满秩的有广泛的拓扑普适性的编码向量分配方法——上溯法，这种方法可以完全保证目的节点能够成功解码，在透明与非透明的网络拓扑中都可以采用，所以能够有效地提高网络的性能，而且实现起来简洁方便。

发明内容

本发明的目的在于提出一种组播网络中的编码向量分配方法，以便提高组播网络中的接收节点成功解码的概率，减小编码所需的字母表大小，减小网络编解码的复杂度。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

有向图G＝(V，E)用来表示一个点到点的通信网络，其中V是节点的集合，E是传输信道的集合，假设S是信源节点，Ti(i＝1，2，...)表示目的节点。我们通过采用网络编码使得从源节点S到任意一个目的节点Ti之间的最大流量(Max-Flow)等于从源节点S到目的节点Ti(i＝1，2，...)之间最小割(Min-Cut)的容量值。对于这个给定的子图，通过为每个目的节点建立互不相交(edge-disjoint)的独立的路径，来构造适合网络编码的组播树，并确定好网络中的编码节点。这里暂定组播网络的最大流最小割为2，因此我们需要为每个目的节点都建立两条互不相交(edge-disjoint)的独立的路径。为源节点建立一个编码向量缓存器，缓存器的各个端口对应着源节点的各个输出链路，并且在源节点编码向量缓存器中需要维护一个全局编码向量的集合，用于对每一路信道分配编码向量，这个向量的集合是取自某一个有限域Fq的一组基的线性张成空间。然后先从目的节点进行编码向量的分配，分别为每个目的节点分配一组线性无关的编码向量，具体过程如下：

(1)从其中一个目的节点开始分配全局编码向量，连接同一个上游节点而分属于不同的目的节点的链路上分配相同的编码向量。

(2)某一个目的节点收到编码向量之后要随时记录，并组成解码矩阵。

(3)为所有的目的节点都分配好编码向量之后，就为目的节点的上层节点进行编码向量的分配，这个过程就是编码向量的上溯过程。

(4)编码向量上溯的过程中，如果不是编码节点则该节点直接把编码向量传给自己的上游链路，直到源节点。

(5)编码向量上溯的过程中，如果遇到编码节点，则编码节点的操作是：如果编码节点只接收到两个编码向量，就随机从源节点的向量域中选取一个不重复的编码向量，然后计算出改编码节点的局部编码向量；如果编码节点收到了三个编码向量，就直接计算局部编码向量，然后要在编码节点记录局部编码向量。

(6)源节点收到的编码向量要在源节点出口的编码向量缓存器的各个端口处记录，每次发信息的时候要把源节点发出的信息向量和编码向量缓存器中所对应的各个端口处的编码向量相乘，然后分别发送到相应的源节点的输出链路上。

(7)发送到源节点输出链路上的信息传送到编码节点的时候，编码节点调用自己的局部编码向量生成传给下游链路的信息，不用记录其他的编码向量。

目的节点收到两路传过来的信息，调用自己记录的解码矩阵，采用高斯消元法成功解码。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1实例网络拓扑图

图2传统的网络组播树

图3网络编码组播树

图4编码向量分配流程图

图5数据传输流程图

具体实施方式

本发明的一个优选实例结合附图说明如下：

下面首先介绍一下本发明所涉及的相关术语。

全局编码向量：进行网络编码时源节点从有限域中选取的，为每条链路所分配的向量；

局部编码向量，进行网络编码时，源节点为编码节点所分配的，用于计算该节点下游链路的全局编码向量的向量；

不相交路径：从源节点到同一个目的节点所建立的多条边互不相交的传输路径；

NC组播树：为了配置相应的网络编码环境，依据最大流最小割的原则，为每条目的节点建立不超过最大流数个的互不相交的边之后，所构成的一棵适合于组播网络的子树。

网络编码所需字母表：信源所发送的信息，链路上携带的信息以及节点上的各种运算准则都是发生在有限域Fq上，称为实现网络编码所需字母表。

基于网络编码的组播网络进行传输数据之前要先建立适合于网络编码的组播树，也即NC组播树，这种组播树区别于一般的组播树之处在于：依据NC组播树建立算法，要为每一个目的节点建立至少两条边不相交的独立的路径。NC组播树建立之后，需要为网络分配全局和局部编码向量，然后再开始传输数据。

有向图G＝(V，E)表示网络编码组播通信网络子图，其中V是节点的集合，E是链路的集合，S是信源节点，Ti，i＝1，2...表示目的节点。每条链路的容量均为1。对于这个给定的子图，通过为每个目的节点建立至少两条边互不相交(edge-disjoint)的独立的路径，来构造适合网络编码的组播树，并确定好网络中的编码节点。

下面结合附图来详细说明这种组播网络中的上溯式编码向量分配方法。

图1.为一个实例的拓扑图，可以看出源节点S到目的节点Ti(i＝1，2，3，4)最小割为2。图2.是在图1的基础上所建立的一般的网络组播树，源节点S到目的节点Ti分别有一条路径。图3.是在图1的基础上所建立的网络编码NC组播树，因为组播网络理论上的最大流等于最小割为2，因此我们需要为每个目的节点都建立两条互不相交(edge-disjoint)的独立的路径，以便使网络从源节点到所有目的节点维持最大流的数据传输。

为源节点S建立一个编码向量缓存器M，缓存器的各个端口对应着源节点的各个输出链路，并且在源节点编码向量缓存器中需要维护一个全局编码向量的集合，用于对每一路信道分配编码向量，这个向量的集合是取自某一个有限域Fq的一组基的线性张成线性张成空间。然后先从目的节点进行编码向量的分配，分别为每个目的节点分配一组线性无关的编码向量，具体分配流程结合图4说明如下：

步骤1：初始化目的节点，为接收编码向量做准备；

步骤2：从i＝1，即第一个目的节点开始分配全局编码向量，一直到最后一个目的节点为止。为目的节点的输入链路分配线性不相关的全局编码向量，并在目的节点出记录解码矩阵；为目的节点分配编码向量，当遇到连接两个不同的目的节点的两条链路有相同的上游节点时，为其分配相同的全局编码向量；

步骤3：各个节点采用上溯法从下游到上游依次向上游链路传递全局编码向量；

步骤4：收到全局编码向量的节点查看自身信息是否是编码节点，如果不是就直接把向量传给自己的上游节点，如果是编码节点，则进入步骤5；

步骤5：编码节点如果收到两个编码向量e1＝(q1，q2)和e2＝(q3，q4)，就在源节点所维持的向量张成空间里面选取不同于已收到的两个编码向量的第三个编码向量e3＝(q5，q6)，然后按照线性张成的原理计算出：

Span({e1，e2})＝{α*e1+β*e2，|α，β∈Fq}

已收到的编码向量张成为第三个编码向量所需要的系数(α，β)，作为局部编码向量记录在编码节点处。

如果编码节点收到了三个编码向量e1＝(q1，q2)，e2＝(q3，q4)和e3＝(q5，q6)，就直接计算并记录局部编码向量；

步骤6：计算好局部编码向量之后，编码节点需要把全局编码向量继续向的上游链路进行传输，直到源节点收齐所有的全局编码向量，并在编码向量缓存器的每个端口处记录该端口所对应的输出链路上的编码向量。

图5为网络数据传输流程图，具体步骤如下：

步骤1：初始化源节点，为发送数据做准备；

步骤2：发送信息向量(x1，x2)，并把信息向量送到编码向量缓存器；

步骤3：编码向量缓存器提取自身所记录的全局编码向量矩阵，分别把信息向量和分配在各个端口处的全局编码向量相乘，并把输出结果发送到各个端口所对应的输出链路上；

步骤4：节点接收到上游传送过来的数据，首先查看是不是编码节点，如果不是编码节点就直接把数据包向下游传输。如果是编码节点就到步骤5；

步骤5：编码节点提取自身的局部编码向量，与所接收到的信息向量相乘，把输出结果向下游传输；

步骤6：目的节点收到上游传送过来的信息后，就提取解码矩阵，采用高斯消元法进行解码。

上面对本发明所述的组播网络中的上溯式编码向量分配方法进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.组播网络中的上溯式编码向量分配方法，其特征在于：为组播网络分配编码向量时，需要为源节点先建立一个编码向量缓存器，并且在源节点编码向量缓存器中需要维护一个全局编码向量的集合，用于对每一路信道分配编码向量；上述全局编码向量的集合取自某一个有限域Fq的一组基的线性张成空间；然后从目的节点开始分配线性不相关的全局编码向量，逐次向源节点传递，在目的节点就保证解码矩阵满秩；其中，具体的编码向量分配步骤如下：

步骤1：首先从第一个目的节点开始分配全局编码向量，一直到最后一个目的节点为止；为目的节点的输入链路分配线性不相关的全局编码向量，并在目的节点处记录解码矩阵；

步骤2：各个节点采用上溯法从下游到上游依次向上游链路传递全局编码向量；收到全局编码向量的节点查看自身信息是否是编码节点，如果不是就直接把向量传给自己的上游节点，如果是编码节点，则进入步骤3；

步骤3：编码向量上溯的过程中，如果遇到编码节点，则编码节点的操作是：如果编码节点只接收到两个编码向量，就随机从源节点的向量域中选取一个不重复的编码向量，然后计算出该编码节点的局部编码向量；如果编码节点收到了三个编码向量，就直接计算局部编码向量，然后在编码节点记录局部编码向量；

步骤4：计算好局部编码向量之后，编码节点需要把全局编码向量继续向上游链路进行传输，直到源节点收齐所有的全局编码向量，并在编码向量缓存器的每个端口处记录该端口所对应的输出链路上的编码向量。

2.根据权利要求1所述的组播网络中的上溯式编码向量分配方法，其特征在于：在传输数据时，具体的数据传输步骤如下：

步骤1：源端节点产生数据信息，并把信息向量送到编码向量缓存器；

步骤2：编码向量缓存器提取自身所记录的全局编码向量矩阵，分别把信息向量和分配在各个端口处的全局编码向量相乘，并把输出结果发送到各个端口所对应的输出链路上；

步骤3：节点接收到上游传送过来的数据，首先查看自身是不是编码节点，如果不是编码节点就直接把数据包向下游传输。如果是编码节点就到步骤4；

步骤4：编码节点提取自身的局部编码向量，与所接收到的信息向量相乘，把输出结果向下游传输；

步骤5：目的节点收到上游传送过来的信息后，就提取解码矩阵，采用高斯消元法进行解码。

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