一種基于滑動窗口的網絡編碼方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于網絡編碼技術領域，更具體地，涉及一種基于滑動窗口的網絡編碼方 法。
【背景技術】
[0002] 在提高無線網絡的傳輸效率和延長網絡壽命上，專家學者不斷研究更加有效的交 換理論供路由器使用。2000年，香港中文大學的幾位教授(R.Ahlswede，蔡寧，李碩彥和楊偉 豪）在其著名論文 "Network Information Flow"（R· Ahlswede，N· Cai，S · - Y· R· Li，and R.ff.Yeung.Network information flow. IEEE Transactions on Information Theory, 2000,46(4): 1204-1216)中創造性地提出了"網絡編碼(Network Coding，NC)"新概念，首次 將編碼與路由技術有機地融合為一體，建立了一種全新的網絡體系結構，不僅解決了廣播 路由這一信息論中的經典難題，而且從理論上證明了網絡編碼可以達到最大傳輸容量和效 率，其精髓來自于圖論中著名的Max-flow Min-cut理論。
[0003] 2003年，李碩彥、楊偉豪和蔡寧（S.-Y.R.Li，R.W.Yeung，N.Cai .Linear network coding. IEEE Transactions on Information Theory，2003,49(2) :371 ~381)又發表了著 名論文"Linear Network Coding"，指出線性網絡編碼可以達到多播傳輸的最大容量。隨后 的研究成果構建了網絡編碼的最基本框架，從此網絡編碼成為了世界各知名大學和實驗室 最熱門的研究領域之一。在現有技術中提出了多種網絡編碼方法，這幾種方法主要應用于 無線網絡、網絡路由技術、協作通信以及數據壓縮等方法中，較好地提高了網絡的數據傳輸 率和可靠性。
[0004] Ebrahimi等（J.B.Ebrahimi，C.Fragouli.Algebraic Algorithms for Vector Network Coding.IEEE Transactions on Information Theory,2011,57(2):996~1007) 提出了一個基于向量和標量的網絡編碼代數構造算法，從而在降低算法復雜性的同時，較 好地提高了網絡編碼的性能。了&11等（]\1.1311，1?.1￥6111^，3.11-1'.!1〇，1〇3；[.厶1]11丨;1^6(1 Framework for Linear Network Coding.IEEE Transactions on Information Theory, 2011,57(1):416~423)通過對全局編碼核中的線性獨立性基本原理進行了深入研究，證明 了線性網絡編碼存在的必要條件是線性網絡編碼滿足一定的獨立性的要求。宋小全等(宋 小全，胡鵬，孫旭.基于局部重傳和網絡編碼的可靠性傳輸機制.北京郵電大學學報，2014， 37(4) :54-58)提出了一種面向無線Ad hoc網絡應用的基于局部重傳和網絡編碼的多路徑 路由可靠性傳輸機制。
[0005] 任智等(任智，鄭愛利等.基于滑動窗口的連續無線網絡編碼.計算機應用，2011， 31(9) :2321-2324)提出一種基于滑動窗口的網絡編碼方案，在待重傳數據分組矩陣中設計 一個按時間順序滑動的編碼窗口并在其中選擇參與網絡編碼的分組，同時保證編碼分組的 可解性，從而減少數據分組的重傳次數和傳送時延。孫杰英在碩士學位論文中對基于滑動 窗口的隨機線性網絡編碼進行了研究(孫杰英.基于滑動窗口的隨機線性網絡編碼研究.中 南大學，2012)。研究表明滑動窗口大小和滑動步調大小對基于滑動窗口的隨機線性網絡編 碼產生重要的影響。何明等(何明，裘杭萍等.基于滑動窗口技術的網絡節點對可靠性評估. 解放軍理工大學學報（自然科學版），2009,10(3) :269-272)使用基于滑動窗口技術的遞歸 算法，滑動窗口由數個連續節點構成，窗口向前滑動一個節點，此過程重復，直至窗口到達 最后的節點，此時的連通概率即可計算網絡系統的節點對可靠性。
[0006] 現有的技術研究主要集中于網絡編碼在一些相關領域中的應用;而在基于滑動窗 口的網絡編碼機制中，針對不同的網絡編碼機制，缺少對滑動窗口大小、滑動步調大小等較 強的理論支持。當網絡出現丟包時，會使后面的一系列編碼分組均解碼失敗，從而導致目的 節點需要緩存的編碼分組大大增加，因此如何確定滑動窗口大小，并僅對已確定的滑動窗 口內的數據分組進行編碼，對解碼系數矩陣的規模及解碼的復雜度都會產生較大影響。

【發明內容】

[0007] 針對現在技術的存在的缺陷和問題，本發明的目的在于提供一種基于滑動窗口的 網絡編碼方法，只對進入滑動窗口內的數據分組進行編碼操作，減少了網絡編/解碼操作的 復雜性和計算時間，在實現快速網絡編碼的同時，提高了編解碼效率，從而使網絡數據吞吐 量最大化，延長了網絡生存期。
[0008] 為實現上述目的，本發明提出了一種基于滑動窗口的網絡編碼方法，其特征在于， 所述方法包括：
[0009] (1)確定待發送的數據分組數量N，以及滑動窗口的大小W;
[0010] (2)源節點按照已確定的滑動窗口大小對待發送數據分組進行編碼操作，具體包 括：
[0011] (2-1)源節點確定待發送數據分組1=(1〇^1，一4^1)，生成一組對應的編碼向量 g，g=(g〇，gi，···，gN-1)，編碼向量元素 gjGGF(2n)，其中 j = 0，l，···，N-1，同時確定滑動窗口 大小為W;
[0012] (2-2)按照隨機線性編碼對第i個滑動窗口內的數據分組(Xf，Xf+1，…，x e)進行編 碼，得到第i個編碼后數據分組又戶財時財+出#…+geXe，其中，f為滑動窗口開始值，e為滑 動窗口結束值，〇<f〈e<N-l;
[0013] (2-3)源節點將第i個編碼后數據分組yi與滑動窗口對應的編碼向量gkU'gf +1，"_，ge)進行組合，得到對應的第i個編碼分組PKgSy!)并將其發送至下一跳中間節點；
[0014] (3)中間節點對接收的編碼分組進行再編碼并傳輸；
[0015] (4)目的節點利用交換高斯消去法對接收到的編碼分組進行解碼；
[0016] (5)當源節點傳輸數據結束后，執行步驟(6);否則，轉步驟(2)繼續處理下一個數 據分組；
[0017] (6)目的節點對解碼后的數據分組進行恢復。
[0018] 作為進一步優選的，所述滑動窗口大小W = e-f+l，f為滑動窗口開始值，e為滑動窗 口結束值，對于數據分組X = (xq，XI，…，xN-i)，滑動窗口數為Ν-W+l。
[0019] 作為進一步優選的，其特征在于，所述滑動窗口開始值f服從下列分布：
[0020] m
ο
[0021] 作為進一步優選的，所述步驟（3)具體為：中間節點接收到k個編碼分組(Pt^g*3， 7〇)，？1(8 1，71)，"辦-1(81"1，5^-1))后，生成對應的隨機編碼向量〇 = (〇〇，(：1，"，〇{-1)，，編碼 向量元素cj￡GF(2n)，j = 0,1，…，k-Ι，且編碼向量元素cj為1的概率P{cj = l} = 1/2,同樣 的，按照隨機線性編碼，得到再編碼后數據分組yricoyo+dy#…+0^71^及對應的編碼向量 gkcOghdgkH+Ck-lgk-S重新組合得到新的編碼分組PrWjr)并發送。
[0022] 作為進一步優選的，所述步驟(4)具體包括兩個階段：
[0023] (4-1)對接收到的編碼分組的編碼向量利用三角化過程變換得到上三角窗口矩 陣；
[0024] (4-2)當N個線性無關的編碼分組被接收到時，則所述上三角窗口矩陣的秩等于N， 目的節點通過對角化過程對上述接收到的N個線性無關的編碼分組進行解碼。
[0025]作為進一步優選的，所述步驟(4-2)可通過迭代XOR操作實現。
[0026] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的 技術優點：
[0027] 1)本發明采用了基于滑動窗口的網絡編碼方法，無需對所有數據分組進行編碼， 只對進入滑動窗口內的數據分組進行編碼操作，從而減少了編碼的復雜性；
[0028] (2)本發明基于滑動窗口的網絡編碼方法中，采用包括三角化和對角化兩個階段 的交換高斯消去法對接收的編碼分組進行解碼，使得解碼系數矩陣的規模進一步減小，從 而進一步降低了解碼過程的復雜性，大大提高了解碼效率。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發明基于滑動窗口的網絡編碼方法流程圖；
[0030] 圖2是本發明實施例中數據分組N=8和滑動窗口 W=3的示意圖；
[0031]圖3是無線網絡編碼傳輸不意圖。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0033] 如圖1所示，本發明提供了一種基于滑動窗口的網絡編碼方法，包括如下步驟：
[0034] (1)確定待發送的數據分組數量，以及滑動窗口的大小；
[0035] 無線網絡可以表示成一個無向圖G=(V，E)，其中V表示網絡中的節點集，這些節點 隨機地分布于一個矩形區域內，E表示兩個節點之間可以通信的邊集，GF(2 n)表示在G中的 有限域。
[0036] 數據分組是在無向圖G中的源節點產生，編碼操作是在G中的有限域GF(2n)中進 行。若源節點確定待發送數據分組X，數據分組X中包含N個元素，可表示為:X = ( XQ，XI，…， 1^1)，同時，源節點生成一組隨機向量，即編碼向量8 4=(8()，81，"_撕-1)必^?(211)。
[0037] 根據待發送的數據分組確定滑動窗口的大小。考慮數據分組X=(XQ，X1，…， XN-〇和 編碼向量g = (go，gi，…，gN-