[发明专利]基于认知的自组织网络分层网络编码多播方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及网络编码多播方法，应用于无线自组织网络多播场景的数据传输过程中。

背景技术

传统的多播传输是通过构造多播树实现的，典型的多播树，如最小费用的Steiner树，其构造过程一般是个NP完全问题，因此大多数的近似算法均不能使多播传输达到“最大流最小割”定理确定的最大理论传输容量。这主要是由于现有通信网络中，中间节点往往仅对收到的信息进行存储和转发而造成的。香港中文大学R.Alshwede等人在2000年的IEEE信息论会刊上首次提出了网络编码的概念，并从理论上证明：对于传输的信息，若网络中的节点除了可以进行存储转发外，还可以按照某种合适的方式进行编码处理，如模二加、有限域上的运算等，则基于该网络编码方式的网络多播就能够实现理论上的最大网络传输容量。

网络编码是指网络中的节点对传输信息进行操作和处理的过程。网络编码彻底改变了通信网络中信息处理和传输的方式，是进入21世纪信息理论研究领域的重大突破。图1给出了网络编码在无线网络中的几个简单应用。图1(a)中节点S1发出信息P1节点S2发出信息P2，节点C对P1和P2进行异或再转发，从而完成节点S1、S2之间的信息交互。可见，在该场景中采用网络编码能够将传输次数从4降低到3，多播速率提高4/3＝1.33。图1(b)为两源两宿的情况，同样在中间节点C对收到的信息进行异或，利用无线网络的广播特性，有效利用侦听信息在信宿节点成功完成解码，将需要广播4次才能完成的信息交互只用了3次，多播速率同样提高4/3＝1.33。图1(c)为星型网络，外围四个节点S1，S2，S3，S4都可以侦听到自己邻居节点发送的信息，它们都要通过中心节点C完成与非邻居节点的信息交互，采用网络编码后，传输次数从8降低到5，多播速率提高8/5＝1.6。图1表明，较之传统的存储转发方式，采用网络编码之后降低了信息的传输次数，相同时间内传输了更多的信息，节省了终端功率和无线网络资源的损耗，提高了网络吞吐量，改善了网络性能。

无线自组织网络是由一组自主的无线节点或终端相互合作而形成的，是一种没有预定基础设施支撑的自动创建、自动组织、自我管理的网络。因其组网迅速以及适应环境能力强等特点被用于军事通信、移动会议、紧急服务和灾难恢复等不便利用现有网络基础设施的场景中。未来移动通信要求网络组网灵活，具有良好的适应性和生存能力，因此，自组织网络将在未来移动通信网络中扮演重要的角色。但是，随着无线通信业务的不断发展，无线资源尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何高效利用这些有限的通信资源已经成为无线通信技术发展的焦点所在。又由于自组织网络中节点通常依靠电池供电，为了延长电池的使用时间，需要考虑尽量节约节点的电池损耗，维持网络通信时间。结合网络编码的特点以及所带来的优势，将网络编码技术应用在无线自组织网路中成为无线通信的一个新的发展方向，利用网络编码可以减少数据传输次数的优点，节省自组织网络中终端发射功率和无线资源的利用，提高网络容量，改善自组织网络性能。

已有文献表明，线性网络编码是最简单有效的一种编码方法，在适宜的条件下可以达到网络的最大容量，因此目前线性网络编码被大量使用。在线性网络编码中，假设某编码节点收到信息是s₁，s₂，L，s_m，则经过这个编码节点之后输出信息为：

y_i＝g_i1s₁+g_i2s₂+L+g_ims_m    (1)

如果这个编码节点的m条输出链路选取的线性编码系数依次表示为：g₁₁，g₁₂，L，g_1m，L L，g_m1，g_m2，L，g_mm，编码之后的信息为y₁，y₂，L，y_m，则这个节点的编码过程表示为：