使用网络编码技术的同步传输方法

史志明， 黄诚惕

(1. 华侨大学 工学院, 福建 泉州 362021；2. 华侨大学 工业智能化技术与系统福建省高校工程研究中心， 福建 泉州 362021)

使用网络编码技术的同步传输方法

史志明1，2， 黄诚惕1，2

(1. 华侨大学 工学院, 福建 泉州 362021；2. 华侨大学 工业智能化技术与系统福建省高校工程研究中心， 福建 泉州 362021)

提出基于网络编码的同步传输方法，分析传统传输和分步传输、同步传输的网络编码传输方法，给出相应的归一化吞吐量.仿真结果表明：在低误码率下，相比于其他传输方法，基于网络编码的同步传输方法能够更好地减少传输时隙，有效地提高网络吞吐量. 关键词： 网络编码； 同步传输； 误码率； 网络吞吐量

随着计算机、互联网及现代电信技术的快速发展，迅速增长的数据、语言和视频业务，已呈现出融合趋势.日益增加的网络负载，要求提高网络传输的实时性，减少传输时延.因此,如何提高传输效率，增加网络吞吐量，仍需做大量研究.传统通信网中，路由器仅对数据包进行存储-转发操作.网络编码混合了传统路由技术和信息编码技术，不仅允许网络路由器对传输的数据进行存储-转发，而且可以对传输的数据进行重新编码操作，从而提高网络流传输效率[1-2].网络编码理论是由Ahlswede等提出，它在信息论领域受到了极大关注[3-4].该技术对于提高网络吞吐量，增强网络健壮性、提高网络安全性、减少传输延时、节省节点能耗等方面均显示出优越性.网络编码理论研究已经引起了国内外许多大学和研究机构的关注[5-6].在网络编码理论基础上，Zhu等[7]在蜂窝网络中设计了机会网络编码，并在终端成功解析了数据包；Thampi等[8]在物理层使用网络编码技术，有效地进行了多通道传输解码；Yu等[9]设计了分布式的动态编码机制，从而降低丢包率；Rouayheb等[10]提出了一种优化的分布式编码，可实时更新数据；文献[11-12]提出了一种随机编码机制，有效地提高了多数据传输效率.为提高网络吞吐量，本文在网络传输中使用网络编码技术，提出了同步传输方法,并设定不同误码率，对比3种不同网络模型的吞吐量.

(a) 传统传输 (b) 分步传输 (c) 同步传输图1 3种网络编码传输方法比较方式Fig.1 Three different network transmission modes

1 基于网络编码的同步传输

传统传输、分步传输、同步传输3种网络编码传输方法对传输效果影响，如图1所示.由图1可知：节点A和B通过路由R相互传递数据包a,b，节点A和B之间不能直接传递数据包.

图1(a)采用传统传输方法，节点A首先向路由R发送数据包a，然后，节点B向路由R发送信息b，R再依次把信息a和b分别发送给节点A和B.这样经过4个传输时隙，节点A可以获得数据包b，节点B可以获得数据包a.

图1(b)采用分步传输方法，节点A，B分别在不同时隙内把数据包a,b发送给路由R，R再将a和b异或运算之后广播发送出去，则在节点A处可以根据接收到的信息恢复出b;同理，在节点B处，可以根据接收到的信息恢复出a.由此可见，采用了分步传输只需3个传输时隙，就可以实现传统方法的所有通信要求，网络吞吐量提高了33.3%.

图1(c)采用同步传输方法，即在同一个时隙内，路由R同时收到节点A，B数据包后，对收到的数据包a，b进行异或运算；然后，在下一个时隙内发送编码包a⊕b，节点A，B收到编码包后，分别恢复出b，a.这种传输方法只需2个传输时隙，比分步传输方法省去一个传输时隙，比传统方法传输提高50%的网络吞吐量.由此可见，传输时隙越短，网络吞吐量提高越多，同步传输方法优于其他两种传输方法.

设传输过程中Pe1，Pe2分别代表A，B到R的误码率.在传统的传输过程中，当A通过路由R发送数据包a给B时候，当B收到该数据包时，平均用来传输数据包的时隙是[TS/(1-Pe1)]+[TS/(1-Pe2)].因此，传统网络传输归一化网络吞吐量为

(1)

网络编码分步传输模型有如下4个步骤.1) 当路由R把异或的数据包a⊕b发送给A，B节点时，R等待节点A，B再次发送新的数据包；2) 当路由R只有数据包a，路由R就询问节点B，来获得数据包b，直到R正确获得数据包b；3) 当路由R只有数据包b，路由R就询问节点A，来获得数据包a，直到R正确获得数据包a；4) 当路由B既有数据包a又有数据包b时，此时，路由B就发送异或数据包a⊕b.

图2 分步传输的马尔科夫链分析图Fig.2 Markov chain of asynchronous mode

因此，这些情况存在发生如下4种可能性.1) (1-Pe1)(1-Pe2)，即A，B均正确收到编码包，此时，路由R的缓存为空；2) (1-Pe1)Pe2，即A正确收到编码包，B没有正确收到编码包，此时，路由R的缓存有数据包a；3)Pe1(1-Pe2)，即B正确收到编码包，A没有正确收到编码包，此时，路由R的缓存有数据包c；4)Pe1Pe2，即A，B均为正确收到编码包，路由R将在下一个时隙发送编码包.

设该模型中共有4种情况即S0，SA，SB，S2，分别代表上面1)～4)种情况，定义P(Si)(i=0，A，B，2)分别代表4种情况发生的概率，如图2所示.根据齐次马尔科夫链的平稳分布，可以计算这4种状态发生的概率，即

(2)

经过计算得出P(S2)=1/3.因此，分步传输的归一化网络吞吐量为

(3)

经过计算，代入P(S2)=1/3，可得

(4)

(5)

2 仿真与数值分析

使用MATLAB 2011b仿真工具，对3种传输方法的网络吞吐量进行分析，并给出了图形化结果.同步传输、分步传输和传统传输方法下归一化的网络吞吐量分别为

(6)

当Pe1=2Pe2，式(6)变换为

(7)

在Pe1=2Pe2下，分步传输与同步传输、传统传输与分步传输的网络吞吐量比较，如图3所示.图3中：Pe2为误码率.由图3(a)可知：当0.12≥Pe2≥0.66，同步传输方法网络吞吐量好于分步传输方法.由此可见，在较低误码率情况下，同步传输方法，网络吞吐量更大，效果较好.由图3(b)可知：在任何误码率情况下，传统传输方法的网络吞吐量均小于编码后的分步网络传输，效果不好.所以在低误码率的情况下，同步传输的方法能够最大地提高网络吞吐量.

(a) 分步传输与同步传输 (b) 传统传输与分步传输图3 不同传输方法的网络吞吐量比较Fig.3 Comparison of network throughput of different transmission methods

当Pe1=2Pe2，式(6)变换为

(8)

(9)

3种不同网络传输方法的网络吞吐量，如图4所示.由图4(a)可知：在误码率Pe2≤0.18的情况下，同步传输方法网络吞吐量好于分步传输方法，但传统传输方法的网络吞吐量仍然是最小.因此，在较小误码率情况下，同步传输比分步传输，能够产生较大网络吞吐量.由图4(b)可知：随误码率Pe2变化，当Pe2≤0.24时，同步传输的网络吞吐量比分步传输要好，而传统传输方法网络吞吐量偏小.

(a) Pe1=Pe2 (b) Pe1=0.5Pe2图4 3种不同网络传输方法的吞吐量比较Fig.4 Comparison of throughput for three different network transmission methods

通过比较可知：在误码率取值不同情况下，3种网络传输方法的吞吐量虽然不相同，但仍可以发现在较小误码率情况下，同步传输的方法有明显优势，能够获得更大网络吞吐量.

3 结束语

主要分析网络传输中使用网络编码比传统网络传输提高了网络吞吐量，并提出了改进的同步网络传输方法.通过不同误码率情况下比较，仿真结果显示在低误码率下，同步传输方法比分步传输方法，网络吞吐量更大，效果更明显.

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(责任编辑： 钱筠 英文审校： 吴逢铁)

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，讲师，博士，主要从事无线通信、多媒体通信的研究.E-mail:szmi_2007@126.com.

华侨大学高层次人才科研启动项目(14BS214)

TP 75

A

1000-5013(2017)04-0546-04