使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的同步傳輸方法

史志明， 黃誠(chéng)惕

(1. 華僑大學(xué) 工學(xué)院, 福建 泉州 362021；2. 華僑大學(xué) 工業(yè)智能化技術(shù)與系統(tǒng)福建省高校工程研究中心， 福建 泉州 362021)

使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的同步傳輸方法

史志明1，2， 黃誠(chéng)惕1，2

(1. 華僑大學(xué) 工學(xué)院, 福建 泉州 362021；2. 華僑大學(xué) 工業(yè)智能化技術(shù)與系統(tǒng)福建省高校工程研究中心， 福建 泉州 362021)

提出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的同步傳輸方法，分析傳統(tǒng)傳輸和分步傳輸、同步傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法，給出相應(yīng)的歸一化吞吐量.仿真結(jié)果表明：在低誤碼率下，相比于其他傳輸方法，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的同步傳輸方法能夠更好地減少傳輸時(shí)隙，有效地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量. 關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)編碼； 同步傳輸； 誤碼率； 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)及現(xiàn)代電信技術(shù)的快速發(fā)展，迅速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)、語(yǔ)言和視頻業(yè)務(wù)，已呈現(xiàn)出融合趨勢(shì).日益增加的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，要求提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，減少傳輸時(shí)延.因此,如何提高傳輸效率，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，仍需做大量研究.傳統(tǒng)通信網(wǎng)中，路由器僅對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)操作.網(wǎng)絡(luò)編碼混合了傳統(tǒng)路由技術(shù)和信息編碼技術(shù)，不僅允許網(wǎng)絡(luò)路由器對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)，而且可以對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行重新編碼操作，從而提高網(wǎng)絡(luò)流傳輸效率[1-2].網(wǎng)絡(luò)編碼理論是由Ahlswede等提出，它在信息論領(lǐng)域受到了極大關(guān)注[3-4].該技術(shù)對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)健壯性、提高網(wǎng)絡(luò)安全性、減少傳輸延時(shí)、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗等方面均顯示出優(yōu)越性.網(wǎng)絡(luò)編碼理論研究已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注[5-6].在網(wǎng)絡(luò)編碼理論基礎(chǔ)上，Zhu等[7]在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)了機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼，并在終端成功解析了數(shù)據(jù)包；Thampi等[8]在物理層使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，有效地進(jìn)行了多通道傳輸解碼；Yu等[9]設(shè)計(jì)了分布式的動(dòng)態(tài)編碼機(jī)制，從而降低丟包率；Rouayheb等[10]提出了一種優(yōu)化的分布式編碼，可實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[11-12]提出了一種隨機(jī)編碼機(jī)制，有效地提高了多數(shù)據(jù)傳輸效率.為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，本文在網(wǎng)絡(luò)傳輸中使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，提出了同步傳輸方法,并設(shè)定不同誤碼率，對(duì)比3種不同網(wǎng)絡(luò)模型的吞吐量.

(a) 傳統(tǒng)傳輸 (b) 分步傳輸 (c) 同步傳輸圖1 3種網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法比較方式Fig.1 Three different network transmission modes

1 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的同步傳輸

傳統(tǒng)傳輸、分步傳輸、同步傳輸3種網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸方法對(duì)傳輸效果影響，如圖1所示.由圖1可知：節(jié)點(diǎn)A和B通過(guò)路由R相互傳遞數(shù)據(jù)包a,b，節(jié)點(diǎn)A和B之間不能直接傳遞數(shù)據(jù)包.

圖1(a)采用傳統(tǒng)傳輸方法，節(jié)點(diǎn)A首先向路由R發(fā)送數(shù)據(jù)包a，然后，節(jié)點(diǎn)B向路由R發(fā)送信息b，R再依次把信息a和b分別發(fā)送給節(jié)點(diǎn)A和B.這樣經(jīng)過(guò)4個(gè)傳輸時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)A可以獲得數(shù)據(jù)包b，節(jié)點(diǎn)B可以獲得數(shù)據(jù)包a.

圖1(b)采用分步傳輸方法，節(jié)點(diǎn)A，B分別在不同時(shí)隙內(nèi)把數(shù)據(jù)包a,b發(fā)送給路由R，R再將a和b異或運(yùn)算之后廣播發(fā)送出去，則在節(jié)點(diǎn)A處可以根據(jù)接收到的信息恢復(fù)出b;同理，在節(jié)點(diǎn)B處，可以根據(jù)接收到的信息恢復(fù)出a.由此可見(jiàn)，采用了分步傳輸只需3個(gè)傳輸時(shí)隙，就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法的所有通信要求，網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高了33.3%.

圖1(c)采用同步傳輸方法，即在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，路由R同時(shí)收到節(jié)點(diǎn)A，B數(shù)據(jù)包后，對(duì)收到的數(shù)據(jù)包a，b進(jìn)行異或運(yùn)算；然后，在下一個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送編碼包a⊕b，節(jié)點(diǎn)A，B收到編碼包后，分別恢復(fù)出b，a.這種傳輸方法只需2個(gè)傳輸時(shí)隙，比分步傳輸方法省去一個(gè)傳輸時(shí)隙，比傳統(tǒng)方法傳輸提高50%的網(wǎng)絡(luò)吞吐量.由此可見(jiàn)，傳輸時(shí)隙越短，網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高越多，同步傳輸方法優(yōu)于其他兩種傳輸方法.

設(shè)傳輸過(guò)程中Pe1，Pe2分別代表A，B到R的誤碼率.在傳統(tǒng)的傳輸過(guò)程中，當(dāng)A通過(guò)路由R發(fā)送數(shù)據(jù)包a給B時(shí)候，當(dāng)B收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，平均用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)隙是[TS/(1-Pe1)]+[TS/(1-Pe2)].因此，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量為

(1)

網(wǎng)絡(luò)編碼分步傳輸模型有如下4個(gè)步驟.1) 當(dāng)路由R把異或的數(shù)據(jù)包a⊕b發(fā)送給A，B節(jié)點(diǎn)時(shí)，R等待節(jié)點(diǎn)A，B再次發(fā)送新的數(shù)據(jù)包；2) 當(dāng)路由R只有數(shù)據(jù)包a，路由R就詢問(wèn)節(jié)點(diǎn)B，來(lái)獲得數(shù)據(jù)包b，直到R正確獲得數(shù)據(jù)包b；3) 當(dāng)路由R只有數(shù)據(jù)包b，路由R就詢問(wèn)節(jié)點(diǎn)A，來(lái)獲得數(shù)據(jù)包a，直到R正確獲得數(shù)據(jù)包a；4) 當(dāng)路由B既有數(shù)據(jù)包a又有數(shù)據(jù)包b時(shí)，此時(shí)，路由B就發(fā)送異或數(shù)據(jù)包a⊕b.

圖2 分步傳輸?shù)鸟R爾科夫鏈分析圖Fig.2 Markov chain of asynchronous mode

因此，這些情況存在發(fā)生如下4種可能性.1) (1-Pe1)(1-Pe2)，即A，B均正確收到編碼包，此時(shí)，路由R的緩存為空；2) (1-Pe1)Pe2，即A正確收到編碼包，B沒(méi)有正確收到編碼包，此時(shí)，路由R的緩存有數(shù)據(jù)包a；3)Pe1(1-Pe2)，即B正確收到編碼包，A沒(méi)有正確收到編碼包，此時(shí)，路由R的緩存有數(shù)據(jù)包c(diǎn)；4)Pe1Pe2，即A，B均為正確收到編碼包，路由R將在下一個(gè)時(shí)隙發(fā)送編碼包.

設(shè)該模型中共有4種情況即S0，SA，SB，S2，分別代表上面1)～4)種情況，定義P(Si)(i=0，A，B，2)分別代表4種情況發(fā)生的概率，如圖2所示.根據(jù)齊次馬爾科夫鏈的平穩(wěn)分布，可以計(jì)算這4種狀態(tài)發(fā)生的概率，即

(2)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出P(S2)=1/3.因此，分步傳輸?shù)臍w一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量為

(3)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，代入P(S2)=1/3，可得

(4)

(5)

2 仿真與數(shù)值分析

使用MATLAB 2011b仿真工具，對(duì)3種傳輸方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行分析，并給出了圖形化結(jié)果.同步傳輸、分步傳輸和傳統(tǒng)傳輸方法下歸一化的網(wǎng)絡(luò)吞吐量分別為

(6)

當(dāng)Pe1=2Pe2，式(6)變換為

(7)

在Pe1=2Pe2下，分步傳輸與同步傳輸、傳統(tǒng)傳輸與分步傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)吞吐量比較，如圖3所示.圖3中：Pe2為誤碼率.由圖3(a)可知：當(dāng)0.12≥Pe2≥0.66，同步傳輸方法網(wǎng)絡(luò)吞吐量好于分步傳輸方法.由此可見(jiàn)，在較低誤碼率情況下，同步傳輸方法，網(wǎng)絡(luò)吞吐量更大，效果較好.由圖3(b)可知：在任何誤碼率情況下，傳統(tǒng)傳輸方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量均小于編碼后的分步網(wǎng)絡(luò)傳輸，效果不好.所以在低誤碼率的情況下，同步傳輸?shù)姆椒軌蜃畲蟮靥岣呔W(wǎng)絡(luò)吞吐量.

(a) 分步傳輸與同步傳輸 (b) 傳統(tǒng)傳輸與分步傳輸圖3 不同傳輸方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較Fig.3 Comparison of network throughput of different transmission methods

當(dāng)Pe1=2Pe2，式(6)變換為

(8)

(9)

3種不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，如圖4所示.由圖4(a)可知：在誤碼率Pe2≤0.18的情況下，同步傳輸方法網(wǎng)絡(luò)吞吐量好于分步傳輸方法，但傳統(tǒng)傳輸方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量仍然是最小.因此，在較小誤碼率情況下，同步傳輸比分步傳輸，能夠產(chǎn)生較大網(wǎng)絡(luò)吞吐量.由圖4(b)可知：隨誤碼率Pe2變化，當(dāng)Pe2≤0.24時(shí)，同步傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)吞吐量比分步傳輸要好，而傳統(tǒng)傳輸方法網(wǎng)絡(luò)吞吐量偏小.

(a) Pe1=Pe2 (b) Pe1=0.5Pe2圖4 3種不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方法的吞吐量比較Fig.4 Comparison of throughput for three different network transmission methods

通過(guò)比較可知：在誤碼率取值不同情況下，3種網(wǎng)絡(luò)傳輸方法的吞吐量雖然不相同，但仍可以發(fā)現(xiàn)在較小誤碼率情況下，同步傳輸?shù)姆椒ㄓ忻黠@優(yōu)勢(shì)，能夠獲得更大網(wǎng)絡(luò)吞吐量.

3 結(jié)束語(yǔ)

主要分析網(wǎng)絡(luò)傳輸中使用網(wǎng)絡(luò)編碼比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并提出了改進(jìn)的同步網(wǎng)絡(luò)傳輸方法.通過(guò)不同誤碼率情況下比較，仿真結(jié)果顯示在低誤碼率下，同步傳輸方法比分步傳輸方法，網(wǎng)絡(luò)吞吐量更大，效果更明顯.

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(責(zé)任編輯： 錢(qián)筠 英文審校： 吳逢鐵)

Synchronous Transmission Method Using Network Coding Technique

SHI Zhiming1，2， HUANG Chengti1，2

(1. College of Engineering， Huaqiao University， Quanzhou 362021， China；2. Fujian Provincial Academic Engineering Research Centre in Industrial Intellectual Techniques and Systems，Huaqiao University， Quanzhou 362021， China)

This paper proposes synchronization transmission method based on network coding and analyzes the network transmission method of tradition, asynchronous and synchronization, then gives normalized network throughput. The simulation results show that in the lower packet error rate, the synchronization transmission method based on network coding can reduce transmission slot and produce higher network throughput than the other transmission methods..

network coding； synchronous transmission； bit error rate； network throughput

10.11830/ISSN.1000-5013.201704019

2016-12-01

史志明(1986-)，男，講師，博士，主要從事無(wú)線通信、多媒體通信的研究.E-mail:szmi_2007@126.com.

華僑大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(14BS214)

TP 75

A

1000-5013(2017)04-0546-04