一种多径无线传感器网络编码流量分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，属于无线网络通信【技术领域】。该方法的源节点将数据流量分配到不同路径上，中间节点利用逆向网络编码进行编码并利用组播方式进行流量传输。在给定网络传输流量时，源节点根据流量分配方法将数据流量分配到不同的路径上进行传输，以减少传输给定流量所需的传输次数。本发明能够增加网络中的网络编码机会，并且能够减少无线传感器网络中的传输次数，提高吞吐量。
【专利说明】一种多径无线传感器网络编码流量分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线网络通信【技术领域】，特别涉及一种多径无线传感器网络编码流量 分配方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器能够通过自组织能力形成网络，因而我们通常可以将无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSN)部署到自身不容易踏入的区域内，从而保证周围各个区 域的信息获取，实时掌握周围环境信息，便捷了人们的生活。因而可以说，传感器网络的出 现弥补了人类无法涉足区域信息获取困难的遗憾。它将现代社会三大信息技术即传感器技 术、计算机技术和通信技术有效地应用于一体。
[0003] 传统的无线传感器网络传送数据的方式是存储转发，即除了数据的发送节点和接 收节点以外的节点只负责路由，而不对数据内容做任何处理，中间节点扮演着转发器的角 色。长期以来，人们普遍认为在中间节点上对传输的数据进行加工不会产生任何收益，然而 R Ahlswede等人于2000年提出的网络编码理论彻底推翻了这种传统观点。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，中间节点扮演着编码器 或信号处理器的角色。根据图论中的最大流-最小割定理，通过网络编码，可以达到多播路 由传输的最大流界，提高信息的传输效率。
[0004] 网络编码应用在无线网络能带来吞吐量、网络链接鲁棒性及数据共享等性能增 益。从典型的网络编码原理可以看出：采用网络编码能获得网络组播的最大流限，特别是在 带宽受限的WSN中，网络编码对于增大数据流可以达到理论上限。在WSN中，数据是通过一 跳或者多跳传输到目的节点，网络编码充分利用了无线信道传输的特性，极大地提高了网 络的吞吐量。在实际应用中，WSN节点和链路经常会失效，从而影响网络的鲁棒性。传统的 网络链接恢复方法是重新路由。但是，采用网络编码可以弱化节点离开或链路失效对其他 节点完整获取数据的影响，从而有效地提高系统的容错性和鲁棒性。
[0005] 无线传感器网络中，多个节点拥有N个源数据，Μ个目的节点试图获取若干份感兴 趣的源文件。对于网络中任何一种数据源和需求节点的分布形式，最常见的一种网络编码 方式是逆向数据流的网络编码，两个不同的源节点通过同一中继节点进行传输时，如果这 两条数据流的方向相反则可进行网路编码（例如，进行异或运算），中继节点再以广播的方 式转发给这两个源节点，源节点利用自身的数据进行解码。通过这种类型的网络编码可以 减少网络传输次数，提高吞吐量。值得注意的是，邻居节点如果在源节点及中继节点的广播 范围内并对中继节点传输的内容感兴趣，利用网络的组播特性可以将数据流传输给这些邻 居节点。
【发明内容】
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种多径无线传感器网络编码流量 分配分法，该方法可以减少网络传输次数，提高吞吐量。
[0007] 为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种多径无线传感器网络编码流量分 配方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤一：在网络构建初期，网络将可以进行网络编码和组播传输的链接分别申明 为NCMC( S卩：网络编码）链接和MC( S卩：组播）链接并给定其容量分别为ΥΝακ和YM。，所述 NCMC链接是具有逆向编码及组播传输能力的链接，可将逆向数据流进行编码后以组播的方 式发送给周边节点，MC链接是只具有组播传输能力的链接，可将相同的数据流以组播的方 式发送给多个目的节点，在网络构建时，将所述NCMC链接和MC链接的容量及代价进行广 播；
[0009] 步骤二：在网络运行阶段，网络节点收到NCMC链接和MC链接所广播的链接容量 (Y N〇c，YM。）及代价，根据两种链接代价的计算方法计算出链接总传输代价，，节点利用拉格 朗日乘子法分布式的求出最优路径分配流量；
[0010] 步骤三：根据拉格朗日乘子法所得最优解即当前网络流量分配状态X，利用最速 梯度下降法求得新的链接容量（Y N〇c，YM。)，在新的链接容量下重复上述步骤一至三，最终求 得最小网络传输代价时的路径分配流量。
[0011] 优选的，所述步骤一中无线传感器网络节点的传输符合无线传送的传播性质，即 当一个节点传送数据包时，在一定范围内的所有节点都能接受这个数据包。
[0012] 优选的，所述步骤一中并非所有的网络节点均需广播信息，只需要将NCMC链接和 MC链接的容量及代价进行广播。
[0013] 优选的，所述步骤一中NCMC链接以组播的方式传输数据包，在组播传输范围内的 节点均可进行接收，该数据包可用于进行译码。
[0014] 优选的，所述步骤二中利用拉格朗日乘子法计算路径分配流量时，节点间的计算 是不相互依赖的，即A节点可以根据NCMC链接和MC链接的容量及代价计算所需分配的路 径流量，并不依赖于B节点的计算结果。
[0015] 优选的，所述步骤二中利用拉格朗日乘子法计算路径分配流量时，包括以下步 骤：
[0016] 选定初始点Xc)，初始乘子向量λ。，初始罚因子〇(|，放大系数〇1，控制误差ε，常 数Θ属于（〇, 1)，令k = 1 ;
[0017] 第一步：根据目标函数f(X)和限制条件Ci(X)写出
[0018]
【权利要求】
1. 一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步 骤： 步骤一：在网络构建初期；将网络编码和组播传输的链接分别申明为NCMC链接和MC 链接，并给定其容量分别为YN?和YM。，所述NCMC链接是具有逆向编码及组播传输能力的 链接；将逆向数据流进行编码后以组播的方式发送给周边节点，MC链接为只具有组播传输 能力的链接，将相同的数据流以组播的方式发送给多个目的节点；在网络构建时，将所述 NCMC链接和MC链接的容量及代价进行广播； 步骤二：在网络运行阶段；网络节点收到NCMC链接和MC链接所广播的链接容量，即： YN〇c，YM。及代价，根据两种链接代价的计算方法计算出链接总传输代价，节点利用拉格朗曰 乘子法分布式的求出最优路径分配流量； 步骤三：根据拉格朗日乘子法所得最优解即当前网络流量分配状态X，利用最速梯度 下降法求得新的链接容量即：ΥΝακ，ΥΜ。，在新的链接容量下重复上述步骤一至三，最终求得 最小网络传输代价时的路径分配流量。
2. 根据权利要求1所述的一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于， 所述步骤一中无线传感器网络节点的传输符合无线传送的传播性质，即当一个节点传送数 据包时，在一定范围内的所有节点都能接受这个数据包。
3. 根据权利要求1所述的一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于， 所述步骤一中并非所有的网络节点均需广播信息，只需要将NCMC链接和MC链接的容量及 代价进行广播。
4. 根据权利要求1所述的一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于， 所述步骤一中NCMC链接以组播的方式传输数据包，在组播传输范围内的节点均可进行接 收，该数据包用于进行译码。
5. 根据权利要求1所述的一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于， 所述步骤二中利用拉格朗日乘子法计算路径分配流量时，节点间的计算是不相互依赖的， 即A节点根据NCMC链接和MC链接的容量及代价计算所需分配的路径流量，并不依赖于B 节点的计算结果。
6. 根据权利要求1所述的一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于， 所述步骤二中利用拉格朗日乘子法计算路径分配流量时，包括以下步骤： 选定初始点初始乘子向量λ。，初始罚因子〇(1，放大系数C>1，控制误差ε，常数Θ 属于（〇, 1)，令 k = 1 ; 第一步：根据目标函数f(x)和限制条件QU)写出
，使用初始化λ，进行第二步； 第二步：取当前λ进行判断，如果
则输出初始点Χ(ι进行 第三步，否则，Ok+l = max[0, (入山-σ Ci(x)]，i = 1，2, · · ·，m重新进行判断； 第三步：取当前点来进行迭代，给定Δχ进行第四步； 第四步如果f(x0) SfU!)，进行第五步，否贝1J，减小Δχ重新执行 第四步； 第五步：X2 = Xd+2*Ax，如果f(x2)彡fh),输出区间（XpxJ进行第六步，否则增大 ΛX重新执行第五步； 第六步：计算b = xjO. 618* (XfX^令f2 = f (b)，执行第七步； 第七步：计算计算a = xjO. 令= f (a),执行第八步； 第八步进行判断如果Ixrx」< ε进行第九步，如果& < f2令χ2 = b, b = a, f2 = ?\ 进行第六步，如果= 令x2 = b, Xi = a, f2 = 进行第七步，如果> f2令Xi = b, a =b, = f2 计算 b = Xi+O. 618=1^2%)令 f2 = f(b)进行第八步； 第九步：计算x* = (a+b)/2如果它是极小点则结束，否则转到第三步。
7. 根据权利要求1所述的一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于， 所述步骤三中利用最速梯度下降法计算并调整链接容量（Υ Νακ，Υκ，），减少网络总代价，逼 近全局最优点。
8. 根据权利要求1所述的一种多径无线传感器网络编码流量分配方法，其特征在于， 所述步骤三中利用最速梯度下降法计算并调整链接容量（Υ Ν?，ΥΚ，）时，网络系统调整前后 均处于Nash均衡状态，即网络在调整前后均处于稳定状态。
【文档编号】H04L29/06GK104159202SQ201410393086
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】张伟, 张玲华, 胥婕, 陈泳宇, 刘硕 申请人:南京邮电大学