专利名称：一种基于网络编码的无线mesh网络流媒体公平服务方法
技术领域：
本发明涉及一种优化中间节点进行数据选择和转发的方法，特别涉及一种基于网络编码的无线MESH网络流媒体的公平服务方法。
背景技术：
随着无线技术的迅速发展，无线网络同传统有线网络一样成为因特网的重要组成部分。网络宽带化的发展，又促进各种有线网络中的应用势必要移植到无线网络中。作为新型的网络应用，流媒体业务逐渐将成为无线网络中的重要组成部分。无线MESH(WireleSS Mesh Network)网络是通过无线链路把固定的和移动的节点连接起来，构成的一个多跳的移动自组织网络。节点由MESH路由器和MESH客户端两种节点构成。每个节点都具有路由器和中继器的功能，为网络中的其他节点存储转发数据包。网络中的节点之间可以动态地建立和保持MESH连接。然而，无线网络环境中由于无线信道具有频繁丢包、误码率高、时延抖动严重、吞吐量低等固有属性，另一方面，流媒体服务要求高带宽，对端到端时延敏感，对时延抖动和丢包率也有相应的要求等一系列特殊要求造成了流媒体服务和无线网络之间的矛盾异常突出。也正是因为二者之间的矛盾使得无线网络流媒体服务的研究持续升温。其中，改善流媒体的服务质量是无线MESH网络流媒体服务中需要优先解决的问题。网络编码(Network Coding)自从2000年被R. Ahlswede等人提出后在通信领域和无线网络方面中得到了广泛的应用。理论网络编码是通信领域的一个重大技术突破，已被证明是可以逼近网络传输容量极限的有效方法，在提高网络吞吐量、改善负载均衡、节省节点能耗、增强网络鲁棒性等方面均显示出其优越性，已被国际学术界认定为解决网络问题的重要手段。网络编码是一种融合了路由和编码的信息交换技术，它的核心思想是在网络中的各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理，然后转发给下游节点，中间节点既是编码器又是信号处理器。直观上可以看出，网络编码可以成为解决无线 MESH网络和流媒体服务之间矛盾的重要方法。正常情况下，中间节点通过应用网络编码技术将上游的多条数据流组合成单数据流广播到其下游节点，下游节点经过解码获得原始数据，从而增加吞吐量。然而，当网络出现频繁抖动时，虽然网络编码能够改善吞吐量，但是吞吐量尚未对下游节点进行均衡分配，下游节点可能出现媒体数据播放的抖动。所以，为了不降低无线MESH网络流媒体的服务质量，中间节点在数据编码前应该考虑到公平性的问题， 使得在相同网络状况下，尽量改善目标节点的播放质量。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于网络编码的无线MESH网络流媒体的公平服务方法，该方法在中间节点转发数据时，一方面从公平性服务出发，优先选择能够均衡各目标节点数据量的数据参与转发；另一方面从尽可能提高网络吞吐量出发，优先选择给网络吞吐量带来增量的数据进行编码。通过本发明方法能够保证对不同目标节点的公平服务，同时吞吐量不受影响。本发明采用的一种基于网络编码的无线MESH网络流媒体公平服务方法由四个阶段处理实现第一阶段为源节点S发送原始数据阶段，源节点S按照尽力而为的原则广播原始数据，但是由于无线信道的特点，部分数据包在转发过程中会发生丢失；第二阶段为中间节点I对原始数据公平选择阶段，中间节点I根据公平性的原则选择一个原始数据包Ptl优先保证其能成功到达目标节点，这里的公平性原则建立在对历史转发数据的统计基础上，即上游信道转发过来的数据包与其被转发的数据量成比例；第三阶段为中间节点I对参与编码数据的选择阶段，当中间节点I按照公平性原则筛选出单个原始数据包Ptl后，为最大化吞吐量，需要同时筛选除Ptl外的数据包集合PS = IP1,P2, -,PJ参与网络编码，选择PS的原则是最大化吞吐量；完成前面三个阶段后，中间节点将筛选出的公平数据和编码数据通过简单的网络编码操作后广播给目标节点；第四阶段为目标节点解码阶段，目标节点侦听到从上游节点转发过来的数据后， 尽可能的解码数据，若解出数据中包含播放数据则将其插入到播放队列中，若不包含播放数据则暂存供下次解码调用；向上游节点反馈接收到数据的信息。本发明基于网络编码的无线MESH网络流媒体的公平服务方法的优点(1)在无线 MESH网络中使用流媒体的公平服务机制有利于吞吐量在目标节点间的均衡分配，可以有效避免由于网络抖动造成的数据分发不均影响目标节点的播放质量，有效的增强目标节点流媒体服务的稳定性。(2)中间节点充分挖掘编码数据对目标节点带来的价值，避免了公平性机制对吞吐量带来的负面效果。(3)尤其在频繁或者严重网络抖动的环境中，公平性机制能够避免部分节点正常播放、部分节点完全不能播放流媒体数据的不足，保证尽可能多的目标节点获得可接受的播放质量。
图1是本发明的无线MESH网络流媒体公平服务结构框图。图2是基于网络编码的无线MESH网络流媒体中节点应用部署图。
具体实施例方式参见图2所示，本发明采用一种基于网络编码的无线MESH网络流媒体公平服务的方法，为了实现公平服务分为了四个阶段实现第一阶段为源节点S发送原始数据阶段，源节点S按照尽力而为的原则广播原始数据，但是由于无线信道的特点，部分数据包在转发过程中会发生丢失；第二阶段为中间节点I对原始数据公平选择阶段，中间节点I根据公平性的原则选择一个原始数据包Ptl优先保证其能成功到达目标节点，这里的公平性原则建立在对历史转发数据的统计基础上，即上游信道转发过来的数据包与其被转发的数据量成比例；第三阶段为中间节点I对参与编码数据的选择阶段，当中间节点I按照公平性原则筛选出单个原始数据包Ptl后，为最大化吞吐量，需要同时筛选除Ptl以外的数据包集合 PS(称为编码数据包集)参与网络编码，所述编码数据包集PS可表示为PS= (P1, P2,…， PnI，P1表示第ι个转发数据包，P2表示第2个转发数据包，Pn表示任意一个转发数据包，η表示数据包的标识号，选择PS的原则是最大化吞吐量；完成前面三个阶段后，中间节点将筛选出的公平数据和编码数据通过简单的网络编码操作后广播给目标节点；第四阶段为目标节点解码阶段，目标节点侦听到从上游节点转发过来的数据后， 尽可能的解码数据，若解出数据中包含播放数据则将其插入到播放队列中，若不包含播放数据则暂存供下次解码调用；向上游节点反馈接收到数据的信息。在本发明中，所述的无线MESH网络由一些兼具存储转发和网络编解码功能的无线节点所构成。如图1所示，包括有无线节点Al、无线节点A2、无线节点A3、无线节点A4、 无线节点A5、无线节点A6等。在无线MESH网络中源节点为S(即无线节点Al)，中间节点为I (即无线节点A2、无线节点A3、无线节点A4)，目的节点为T (即无线节点A5、无线节点 A6)。在无线MESH网络中，对于流媒体的公平服务方法，采用如下步骤步骤1 源节点给所有下游邻居节点广播转发原始流媒体数据；在本发明中，源节点S发送原始流媒体数据的步骤为步骤101 源节点S把需要转发的数据按照播放顺序加入转发队列中；步骤102 源节点S按照FIFO (First In First Out，译为先进先出)的原则广播转发队列中数据给其下游邻居节点。步骤2 由于无线信道丢包和误码的原因，部分中间节点能够成功侦听到源节点广播过来的所述原始流媒体数据；当中间节点接收到所述原始流媒体数据后，首先按照公平策略从转发队列中选择一个原始数据包进行转发；在本发明中，中间节点按公平策略选择一个原始数据包P，其执行步骤为步骤201 中间节点从上游节点S侦听到的数据包记为P(S)，中间节点从上游节点S侦听到后转发出去的数据包记为ρ' (S)，中间节点计算单位时间窗口 t上的转发率
权利要求
1.一种基于网络编码的无线MESH网络流媒体的公平服务方法，其特征在于对于无线 MESH网络流媒体公平服务方法，采用如下步骤步骤1 源节点给所有下游邻居节点广播转发原始流媒体数据； 步骤2:由于无线信道丢包和误码的原因，部分中间节点能够成功侦听到源节点广播过来的所述原始流媒体数据；当中间节点接收到所述原始流媒体数据后，首先按照公平策略从转发队列中选择一个原始数据包进行转发；步骤3 根据步骤2中筛选出的原始数据包，遵循最大化吞吐量和目标节点收益值的原则，筛选出一些参与编码的数据包；步骤4 中间节点编码所述原始数据包和所述参与编码的数据包，并形成编码数据包向下游目标节点广播；步骤5 目标节点侦听到上游节点广播过来的所述编码数据包后，应用到缓存区内数据解码侦听到的编码数据中；如果解码后有数据的目标节点正是当前节点，则向广播源发送ACK进行确认；如果当前节点不是解码后数据的目标节点则缓存数据供下次解码时调用；步骤6 中间节点收到下游目标节点反馈过来的ACK后，修正对应数据流上的转发率， 供公平策略考察；源节点重复步骤1 步骤6，直到转发完成所有的原始流媒体数据。
2.根据权利要求1所述的基于网络编码的无线MESH网络流媒体的公平服务方法，其特征在于公平服务方法包括有四个处理阶段第一阶段为源节点S发送原始数据阶段，源节点S按照尽力而为的原则广播原始数据， 但是由于无线信道的特点，部分数据包在转发过程中会发生丢失；第二阶段为中间节点I对原始数据公平选择阶段，中间节点I根据公平性的原则选择一个原始数据包Ptl优先保证其能成功到达目标节点，这里的公平性原则建立在对历史转发数据的统计基础上，即上游信道转发过来的数据包与其被转发的数据量成比例；第三阶段为中间节点I对参与编码数据选择阶段，当中间节点I按照公平性原则筛选出单个原始数据包Ptl后，为最大化吞吐量，需要同时筛选除Ptl以外的转发数据包集合PS = IP1,P2, -,PJ参与网络编码，选择PS的原则是最大化吞吐量；完成前面三个阶段后，中间节点将筛选出的公平数据和编码数据通过简单的网络编码操作后广播给目标节点；第四阶段为目标节点解码阶段，目标节点侦听到从上游节点转发过来的数据后，尽可能的解码数据，若解出数据中包含播放数据则将其插入到播放队列中，若不包含播放数据则暂存供下次解码调用；向上游节点反馈接收到数据的信息。
3.根据权利要求1所述的基于网络编码的无线MESH网络流媒体的公平服务方法，其特征在于源节点S发送原始流媒体数据的步骤为步骤101 源节点S把需要转发的数据按照播放顺序加入转发队列中； 步骤102 源节点S按照FIFO的原则广播转发队列中数据给其下游邻居节点。
4.根据权利要求1的所述在无线MESH网络中流媒体的公平服务方法，其特征在于中间节点按公平策略选择一个原始数据包P，其执行步骤为步骤201:令和ρ' (S)分别表示中间节点从上游节点S侦听到数据包和从S侦听到后转发出去的数据包，中间节点计算单位时间窗口 t上的转发率r (S)，其中
5.根据权利要求1的所述在无线MESH网络中流媒体的公平服务方法，其特征在于中间节点筛选参与编码数据的步骤为步骤301 令Ik(Ai)为编码数据给下游节点Ai带来的收益值，令α，Yi,屯，Q分别表示下游节点能否解码标记、丢包率、是否有用数据指示以及对播放质量贡献值，计算
6.根据权利要求1的所述在无线MESH网络中流媒体的公平服务方法，其特征在于中间节点编码转发数据的步骤为步骤401 将原始数据P和参与编码数据集合执行网络编码操作打包成单一编码数据包；步骤402 中间节点向其下游邻居节点广播编码数据包。
7.根据权利要求1的所述在无线MESH网络中流媒体的公平服务方法，其特征在于目标节点解码数据并向上游反馈的步骤为步骤501 目标节点一旦侦听到有数据包转发过来，立即应用缓存区内数据解码侦听到的编码数据；步骤502 若解码后数据正是其后续播放的数据向上游节点反馈确认收到信息，若解码后数据不是其后续播放所需的数据则将其插入到缓存区内供下次解码时调用。
8.根据权利要求1的所述在无线MESH网络中流媒体的公平服务方法，其特征在于中间节点重新修正对应数据流上转发率的步骤为步骤601:中间节点收到下游节点反馈信息后，更新对应ρ' (S)，即p' (S)= P' (S)+l ；步骤602 重复步骤201直到所有的数据转发完成。
全文摘要
本发明公开了一种基于网络编码的无线MESH网络流媒体的公平服务方法，在无线MESH网络中，结合无线信道的广播特征和网络编码的优势，充分挖掘编码数据的价值，利用公平服务策略，使每个目标节点都能更好的享有公平的流媒体服务质量。该方法可以均衡中间节点到目标节点的数据转发率，提高无线网络吞吐量，改善流媒体的播放质量。
文档编号H04W28/08GK102572952SQ20111041889
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者王锐, 贺小桥, 钱德沛 申请人:北京航空航天大学