CN101567755B - 一种基于喷泉码的网络编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于喷泉码的网络编码方法，属于编码技术领域。本发明的目的在于将网络编码与喷泉编码相结合，使得在无线网络中实现可靠高效传输。通过对信源进行第一级喷泉编码、将第一级喷泉编码符号再以喷泉编码的方式向中间节点传输、中间节点进行喷泉译码、中间节点进行喷泉广播、信宿节点收集喷泉编码符号并进行喷泉译码的方式，得到基于喷泉码的网络编码方法。该方法结合了网络编码和喷泉码的优点，能够有效的提高网络的数据吞吐能力和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种在无线通信网络中实现可靠网络编码的方法，属于通讯编码技术领域。
背景技术
2000年，李彦硕和蔡宁等人在IEEE信息论汇刊上发表了题为“网络信息流”的文章，提出了网络编码的概念。根据网络编码的理论，对于一个多节点的通信网络，如果允许各节点对多条输入信道上的信息进行一定的线性或非线性操作(编码)，然后再转发出去，则该网络的组播传输速率可以达到最大流最小割定理所决定的网络容量的上限。网络编码理论激发了人们对网络信息论新的研究兴趣。研究发现，网络编码不但能够节约网络的带宽资源，还可以节约终端节点能量消耗、均衡网络负载、提高网络的鲁棒性、提升网络的安全性等。最近十年，人们对网络编码理论进行了大量研究，提出了很多有价值的理论和方法。
人们在研究网络编码的时候，隐含地使用了一条重要假设：网络中各节点之间的信道是可靠的。对于Internet或电话骨干网络，由于传输的可靠性高，这样的假设与实际相符。然而，一个实际的无线网络，各节点之间的链路不如有线链路可靠，允许节点对输入的各支路数据进行网络编码再转发，确实能够实现最大流最小割理论指出的组播容量，但使用编码转发，各转发节点的一个输入差错会由于编码造成多个输出支路输出数据出现差错，此差错还会继续沿着网络向下游扩散。这种差错扩散带来的可靠性下降会削弱甚至很快超过使用网络编码有效性提高的好处。为了降低网络编码对每段链路传输可靠性的要求，人们提出了基于网络编码的差错控制技术。基于网络编码的差错控制是针对网络、而非一条链路或一条路径进行操作的。这种网络编码差错控制是一种比较新的差错控制方式，但使用此方式构造纠错编码，当网络节点数较多时，纠错码需要在很大的有限域下进行构造。因而这种码的编码复杂度和译码复杂度都非常高。
数字喷泉码是一种应用于删除信道的纠错编码技术。喷泉编码的典型应用包括无线组播和广播业务、无线协作与中继、分布式网络存储等。数字喷泉编码的基本思想是，在发送端，使用无比率编码方法将K个信源数据包编成半无穷数据包序列再进行发送。每一个接收点正确接收到K个编码包(或者略大于K个编码包)即可解出原发送的K个信源数据包。接收机正确译出所发送K个源数据包后，即向发送机发送单次确认信号。使用数字喷泉技术，不论接收点收到哪K个编码数据包，也不论接收到的这K个数据包顺序如何，接收端都能够正确地译出源数据包序列。喷泉编码应用到无线组播业务，与传统的反馈重传技术相比不但可大大减小反馈开销，更重要的是，这种方法能够显著提高数据吞吐能力。
网络编码和喷泉码都可应用于组播***提高网络的数据吞吐能力，但二者各自独立应用于无线衰落环境下的多节点分布式网络，都具有其自身的局限，因此，有必要融合网络编码和数字喷泉编码，研究无线信道环境下新型网络纠错编码方法，同时实现最大流最小割决定的网络容量以及有噪有扰衰落信道的信道容量。
发明内容
本发明的目的在于将网络编码与喷泉编码相结合，提供一种基于喷泉码的网络编码方法，能够在无线网络中实现高效、可靠的数据传输。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于喷泉码的网络编码方法，其具体步骤如下：
步骤一、对信源进行喷泉编码
对包含K个信源符号的信源进行第一级喷泉编码，产生K个第一级喷泉编码符号。假定要往N个中间节点传输，将K个第一级喷泉编码符号按照N个传输信道的容量大小关系划分为N个子集。
步骤二、将第一级喷泉编码符号构成的N个子集再以喷泉编码的方式向N个中间节点传输。
假定要往第n个中间节点(n∈{1，…，N})传输Kn(1≤Kn≤K)个第一级喷泉编码符号，则把这Kn个第一级喷泉编码符号当作新的信源符号进行第二级的喷泉编码，然后向第n个中间节点传输。
步骤三、对中间节点进行喷泉译码
当第n个中间节点接收到Kn个第二级喷泉编码符号后，进行喷泉译码，可以采用BP译码算法或者高斯消元算法。当译码成功时，中间节点向发送节点发送一个译码成功的确认信号。
步骤四、对中间节点进行喷泉编码
当中间节点译出第一级喷泉编码符号后，如果中间节点能够收集到K个第一级喷泉编码符号，则对第一级喷泉编码符号再次进行喷泉译码，译出K个信源符号，然后编码生成N′个新的第一级喷泉编码符号，N′的大小根据该链路的传输能力确定，再把这N′个第一级喷泉编码符号当作新的信源符号进行第二级喷泉编码，然后向要传送的节点传播；否则，直接对收集到的第一级喷泉编码符号(小于K个)进行第二级喷泉编码，并向要传送的节点传播。
步骤五、信宿节点收集喷泉编码符号并进行喷泉译码
信宿节点从相连的中间节点接收第二级喷泉编码符号，当接收到的第二级喷泉编码符号数量等于中间节点产生的第一级喷泉编码符号的数量时，进行喷泉译码，由此恢复第一级喷泉编码符号，并向发送节点发送一个译码成功的确认信号。当收到K个第一级喷泉编码符号后，再次进行喷泉译码，恢复K个信源符号。
至此，基于喷泉码的网络编码方法处理完毕。
有益效果
经此方法处理，能够实现在无线信道环境下到达最大流最小割理论决定的网络容量，以及有噪有扰衰落信道的信道容量。
附图说明
图1为本发明的网络示意图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
步骤一、对信源进行喷泉编码
对包含K个信源符号的信源进行第一级喷泉编码，产生K个第一级喷泉编码符号。假定要往N个中间节点传输，将K个第一级喷泉编码符号按照N个传输信道的容量大小关系划分为N个子集。
步骤二、将第一级喷泉编码符号构成的N个子集再以喷泉编码的方式向N个中间节点传输。
假定要往第n个中间节点(n∈{1，…，N})传输Kn(1≤Kn≤K)个第一级喷泉编码符号，则把这Kn个第一级喷泉编码符号当作新的信源符号进行第二级的喷泉编码，然后向第n个中间节点传输。
步骤三、对中间节点进行喷泉译码
当第n个中间节点接收到Kn个第二级喷泉编码符号后，进行喷泉译码，可以采用BP译码算法或者高斯消元算法。当译码成功时，中间节点向发送节点发送一个译码成功的确认信号。
步骤四、对中间节点进行喷泉编码
当中间节点译出第一级喷泉编码符号后，如果中间节点能够收集到K个第一级喷泉编码符号，则对第一级喷泉编码符号再次进行喷泉译码，译出K个信源符号，然后编码生成N′个新的第一级喷泉编码符号，N′的大小根据该链路的传输能力确定，再把这N′个第一级喷泉编码符号当作新的信源符号进行第二级喷泉编码，然后向要传送的节点传播；否则，直接对收集到的第一级喷泉编码符号(小于K个)进行第二级喷泉编码，并向要传送的节点传播。
步骤五、信宿节点收集喷泉编码符号并进行喷泉译码
信宿节点从相连的中间节点接收第二级喷泉编码符号，当接收到的第二级喷泉编码符号数量等于中间节点产生的第一级喷泉编码符号的数量时，进行喷泉译码，由此恢复第一级喷泉编码符号，并向发送节点发送一个译码成功的确认信号。当收到K个第一级喷泉编码符号后，再次进行喷泉译码，恢复K个信源符号。
至此，基于喷泉码的网络编码方法处理完毕。
实施例
如图1所示网络，一个信源节点S，3个中间节点T、U、W和两个信宿节点Y、Z。假定每条链路都有相同的传输能力，假定信源有100个信源符号要传输到信宿Y和Z。
步骤一、对信源进行喷泉编码
首先，在信源处，对100个信源符号进行喷泉编码，产生100个第一级喷泉编码符号。由于每条链路都有相同的传输能力，因此向ST和SU链路用喷泉编码的方式分别传输50个第一级喷泉编码符号。
步骤二、将第一级喷泉编码符号的2个子集再以喷泉编码的方式分别向中间节点T和U处传输。
步骤三、对中间节点进行喷泉译码
在中间节点T和U处接收到50个第二级喷泉编码符号后，译码恢复50个第一级喷泉编码符号，并向发送端发送译码成功的确认信号。由于中间节点T和U都只能收到50个第一级喷泉编码符号，所以它们只能用喷泉编码的方式向其他节点广播接收到的第一级喷泉编码符号。
信宿节点Y能从中间节点T(信宿节点Z能从中间节点U)获得50个第一级的喷泉编码符号，中间节点W能从T和U各获得50个第一级喷泉编码符号，从而使中间节点W获得100个第一级喷泉编码符号，并译出100个信源符号。
步骤四、对中间节点进行喷泉编码
对由中间节点W译出的100个信源符号进行喷泉编码，产生50个新的第一级喷泉编码符号，之后，再以喷泉编码的方式向信宿节点Y和Z广播。
步骤五、信宿节点Y和Z收集喷泉编码符号，并进行喷泉译码
信宿节点Y和Z从中间节点W处均获得50个新的第一级喷泉编码符号，加上它们先前各自获得的50个第一级喷泉编码符号，因此，信宿节点Y和Z均能同时译出100个信源符号。
上述实现过程中，具体的喷泉码可以用RS码、LT码或者Raptor码等来实现。
Claims (1)
1.一种基于喷泉码的网络编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对信源进行喷泉编码
对包含K个信源符号的信源进行第一级喷泉编码，产生K个第一级喷泉编码符号，当向N个中间节点传输时，将K个第一级喷泉编码符号按照N个传输信道的容量大小关系划分为N个子集；
步骤二、将第一级喷泉编码符号构成的N个子集再以喷泉编码的方式向N个中间节点传输
当向第n个中间节点传输Kn个第一级喷泉编码符号时，则把这Kn个第一级喷泉编码符号当作新的信源符号进行第二级的喷泉编码，然后向第n个中间节点传输，其中，n∈{1，…，N}，1≤Kn≤K；
步骤三、对中间节点进行喷泉译码
当第n个中间节点接收到Kn个第二级喷泉编码符号后，进行喷泉译码，当译码成功时，中间节点向发送节点发送一个译码成功的确认信号；
步骤四、对中间节点进行喷泉编码
当中间节点译出第一级喷泉编码符号后，如果中间节点能够收集到K个第一级喷泉编码符号，则对第一级喷泉编码符号再次进行喷泉译码，译出K个信源符号，然后编码生成N′个新的第一级喷泉编码符号，N′的大小根据链路的传输能力确定，再把这N′个第一级喷泉编码符号当作新的信源符号进行第二级喷泉编码，然后向要传送的节点传播；否则，直接对收集到的第一级喷泉编码符号进行第二级喷泉编码，并向要传送的节点传播，所述收集到的第一级喷泉编码符号小于K个；
步骤五、信宿节点收集喷泉编码符号并进行喷泉译码
信宿节点从相连的中间节点接收第二级喷泉编码符号，当接收到的第二级喷泉编码符号数量等于中间节点产生的第一级喷泉编码符号的数量时，进行喷泉译码，由此恢复第一级喷泉编码符号，并向发送节点发送一个译码成功的确认信号，当收到K个第一级喷泉编码符号后，再次进行喷泉译码，恢复K个信源符号。
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