專利名稱：用于通信系統(tǒng)的子集編碼的制作方法
用于通信系統(tǒng)的子集編碼
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及大量相關(guān)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的可靠通信，更具體地涉及大型數(shù)據(jù)文件的可靠的點(diǎn)到多點(diǎn)通信，其中文件為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集合。在通信網(wǎng)絡(luò)上將大型數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)文件從源節(jié)點(diǎn)傳輸至多個(gè)確認(rèn)正確接收的目的節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中存在固有的問(wèn)題。在本文中出于示例的目的描述了單個(gè)源節(jié)點(diǎn)實(shí)施方式，但是允許使用多個(gè)源節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)送單個(gè)源文件。文件可以是操作系統(tǒng)更新、高清晰視頻或由環(huán)境傳感器收集的數(shù)據(jù)。存在考慮以下性能度量的情況下用于這些任務(wù)的有效傳輸方案的需求:1.編碼/解碼復(fù)雜度:希望復(fù)雜度與包的總數(shù)量成線性關(guān)系；2.網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲:為了允許方案支持時(shí)間敏感服務(wù)，較小的傳輸延遲是必要的；3.傳輸吞吐量:對(duì)于組播通信模式，方案支持目標(biāo)組播容量；4.中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本:應(yīng)該最小化中間節(jié)點(diǎn)(參與傳輸?shù)恍枰募墓?jié)點(diǎn))的計(jì)算和存儲(chǔ)要求；5.傳輸協(xié)議開(kāi)銷(xiāo):協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)應(yīng)該最小。通信網(wǎng)絡(luò)可以是有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者基于有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組合構(gòu)建的覆蓋網(wǎng)絡(luò)。先決條件是，網(wǎng)絡(luò)傳輸是被分組化，即，全部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被分組成適當(dāng)大小的塊，稱為包。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)無(wú)線或有線鏈路將包傳輸至其相鄰的節(jié)點(diǎn)。然而，已知的是，網(wǎng)絡(luò)鏈路不是完美的；因?yàn)榘赡茉趥鬏斶^(guò)程中被損壞或擦除，或者中間節(jié)點(diǎn)在傳輸過(guò)程中可能故障。損壞的包可被刪除并被處理成擦除(erasure)。(在該模式下，僅考慮網(wǎng)絡(luò)鏈路上的擦除。)網(wǎng)絡(luò)編碼是已知的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，其通常改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量并且對(duì)丟包有容錯(cuò)性。具體地，線性網(wǎng)絡(luò)編碼是實(shí)現(xiàn)組播網(wǎng)絡(luò)容量的已知有效的方式。路由是線性網(wǎng)絡(luò)編碼的特殊情況。替代僅進(jìn)行路由，線性網(wǎng)絡(luò)編碼允許中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送通過(guò)它們所接收的包的線性組合生成的新包。中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的這種操作被稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重新編碼。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的線性組合系數(shù)所確定的轉(zhuǎn)換矩陣的大小增加時(shí)，編碼、重新編碼和解碼的復(fù)雜度也快速地增加。使用網(wǎng)絡(luò)編碼的許多文件分布方案是本領(lǐng)域已知的。已知方案的一個(gè)共同特性是使用組塊(chunk)(也被稱為類(class)或代(generation))的概念,其中待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件被劃分成相同大小的包，并且所有包被分組到相同大小的若干組塊中，這些組塊可以是不相交的或者重疊的。在傳輸過(guò)程中，對(duì)同一組塊中的包應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼。在組塊的大小較小的情況下，這些方案具有較低的編碼/解碼復(fù)雜度。但是它們均具有各種缺陷并不能滿足以上定義的性能度量的要求。基于組塊的方案的一個(gè)問(wèn)題在于如何調(diào)度這些組塊的傳輸。簡(jiǎn)單的解決方案是一個(gè)一個(gè)地傳輸組塊， 其中源節(jié)點(diǎn)保持傳輸一個(gè)組塊的多個(gè)編碼的包。目的節(jié)點(diǎn)收集包直至其可正確地解碼當(dāng)前的組塊。然后，目的節(jié)點(diǎn)將控制消息發(fā)送至源節(jié)點(diǎn)以指示成功的解碼。然而，在該方案中，控制消息開(kāi)銷(xiāo)可能較大，并且在對(duì)等應(yīng)用中，消息必須被發(fā)送至全部相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。而且，該方案不可擴(kuò)展成多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榻M塊的傳輸直到全部目的節(jié)點(diǎn)解碼了當(dāng)前組塊后才會(huì)停止。為了解決順序調(diào)度的問(wèn)題，可以循環(huán)的次序或隨機(jī)地調(diào)度組塊。然而，這兩種方法都帶來(lái)了新的問(wèn)題。首先，當(dāng)存在僅一小部分的組塊未被解碼時(shí)，兩種方法都不是有效的。其次，需要中間節(jié)點(diǎn)緩存全部組塊?？紤]預(yù)編碼來(lái)解決第一個(gè)問(wèn)題，但是對(duì)于實(shí)際的組塊大小而言，該方法不能很好的工作。重疊的組塊可改進(jìn)用于實(shí)際組塊大小的隨機(jī)調(diào)度的吞吐量。直覺(jué)地，重疊的組塊的優(yōu)勢(shì)是使用解碼的組塊來(lái)幫助其他組塊的解碼。已知的重疊組塊的設(shè)計(jì)是啟發(fā)式的，并且性能僅可通過(guò)仿真來(lái)估算。前景良好但是迄今為止沒(méi)有完全開(kāi)發(fā)的一類碼是噴泉碼。噴泉碼是以低編碼/解碼復(fù)雜度通過(guò)刪除信道傳輸消息的一類碼。刪除信道是僅具有一個(gè)鏈路的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)。其包括LT碼和Raptor碼，LT碼是由M.Luby為刪除信道引入的具有低編碼/解碼復(fù)雜度的一類碼，Raptor碼通過(guò)組合LT碼的變型與一些預(yù)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)甚至更低的編碼/解碼復(fù)雜度。LT碼的編碼包含以下過(guò)程:首先，采樣預(yù)設(shè)計(jì)的度分布并且獲得整數(shù)值d。然后隨機(jī)地選擇d個(gè)不同的輸入包并使用位或相加以得到輸出包。通過(guò)刪除信道傳輸輸出包，并且傳輸?shù)妮敵霭臄?shù)量可以是無(wú)限的。LT解碼器可使用任意η個(gè)輸出包來(lái)恢復(fù)原始的K個(gè)輸入包，其中η為大于K的某個(gè)數(shù)。解碼過(guò)程可通過(guò)LT碼的解碼圖(被稱為T(mén)anner圖)來(lái)描述。解碼圖是在一側(cè)具有K個(gè)節(jié)點(diǎn)而在另一側(cè)具有η個(gè)節(jié)點(diǎn)的二分圖，稱為變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于輸入包和輸出包。如果輸入包對(duì)輸出包的值有貢獻(xiàn)，則輸入包與輸出包之間存在邊。在解碼算法的每個(gè)步驟中，解碼器識(shí)別度為I的輸出包。度為I的輸出包的值正是輸入包中其唯一相鄰包的值。一旦輸入包被恢復(fù)，就將其值從全部相鄰的輸出包中減去，并將該輸入包和將其全部相關(guān)的邊從圖中去除。LT碼的度分布需要小心地設(shè)計(jì)以使得LT碼具有低編碼/解碼復(fù)雜度并且以上的解碼算法以高概率實(shí)現(xiàn)。由Μ.Luby提出的LT碼需要由LT解碼器恢復(fù)全部輸入包。Raptor碼放松了此條件，即僅需要恢復(fù)恒定的一部分輸入包。其余輸入包使用預(yù)編碼恢復(fù)。然而，噴泉碼并未被設(shè)計(jì)用于一般的通信網(wǎng)絡(luò)；在這些網(wǎng)絡(luò)中簡(jiǎn)單地應(yīng)用噴泉碼可能不是最優(yōu)的。對(duì)于一般的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)鏈路一個(gè)鏈路地應(yīng)用噴泉碼和網(wǎng)絡(luò)編碼可實(shí)現(xiàn)最大的吞吐量。但是該方案具有兩個(gè)缺陷:首先，需要在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行LT碼的解碼和重新編碼，因此復(fù)雜度不低。其次，在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)處發(fā)生與文件大小成比例的解碼延遲，因此端對(duì)端解碼延遲隨網(wǎng)絡(luò)的大小增長(zhǎng)。對(duì)于具有樹(shù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)以堆疊的方式應(yīng)用噴泉碼來(lái)減少延遲:中間節(jié)點(diǎn)緩存其接收的包并使用噴泉碼重新編碼包，目的節(jié)點(diǎn)解碼多層噴泉碼。該方法僅將全部解碼移至目的節(jié)點(diǎn)。在采用線性網(wǎng)絡(luò)編碼的網(wǎng)絡(luò)中難以應(yīng)用噴泉碼是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)編碼改變了包的度,從而導(dǎo)致有效的置信傳播解碼的失敗。已針對(duì)特定的通信場(chǎng)景開(kāi)發(fā)了啟發(fā)式算法，使得在目的節(jié)點(diǎn)接收到的被編碼的包組近似于LT碼。但是通常，難以確保接收到的包的度遵循使用分布編碼的特定分布。因此，期望一種在中間節(jié)點(diǎn)處不需要過(guò)多計(jì)算和存儲(chǔ)并且可用于在采用線性網(wǎng)絡(luò)編碼的網(wǎng)絡(luò)中有效地分布文件的文件傳輸方案。

以下專利在本領(lǐng)域中備受關(guān)注:第7，068，729號(hào)、第6，373，406號(hào)、第6，307，487號(hào)美國(guó)專利。以下參考文獻(xiàn)提供本發(fā)明的背景信息:S.-Y.R.Li，R.W.Yeung 和 N.Cai 的 “Linear network coding (線性網(wǎng)絡(luò)編碼)”，IEEE Trans.1nform.Theory，第 49 卷，第 2 期，第 371-381 頁(yè)，2003 年 2 月；P.Maymounkov, N.J.A.Harvey 和 D.S.Lun 的 “Methods for efficient networkcoding (有效網(wǎng)絡(luò)編碼的方法)，，，Proc.Allerton Conf.Comm.，Control，and Computing，2006年9月；Τ.Ho，Β.Leong，Μ.Medard，R.Koetter，Υ.Chang 和 Μ.Effros 的 “The benefits ofcoding over routing in a randomized setting(在隨機(jī)化設(shè)置中基于路由編碼的益處)”，Proc.1EEE ISIT，03，2003 年 6 月；D.S.Lun，M.Medard, R.Koetter 和 M.Effros 的 “On coding for reliablecommunication over packet networks (分組網(wǎng)絡(luò)上用于可靠通信的編碼)”，PhysicalCommunication,第 I 卷，第 I 期，第 3-20 頁(yè)，2008 ；D.Silva,W.Zeng 和 F.R.Kschischang 的“Sparse network coding with overlapping classes (具有重疊類的稀疏網(wǎng)絡(luò))”，CoRR，vol.abs/0905.2796，2009 ；A.Hei darzadeh 和 Α.Η.Banihashemi 的“Overlapped chunked network coding(重疊分塊網(wǎng)絡(luò)編碼)”，CoRR, vol.abs/0908.3234，2009 ；R.Ahjswede，N.Cai，S.-Y.R.Li 和 R.W.Yeung 的“Network information flow (網(wǎng)絡(luò)信息流)”，IEEE Trans.1nform.Theory，第 46 卷，第 4 期，第 1204-1216 頁(yè)，2000 年 7 月；R.Koetter 和 Μ.Medard 的 “An algebraic approach to network coding (網(wǎng)絡(luò)編碼的代數(shù)方法)” IEEE/ACM Trans.Networking，第 11 卷，第 5 期，第 782-795 頁(yè)，2003 年10月；P.A.Chou，Y.Wu和K.Jain 的“Practical network coding(實(shí)際網(wǎng)絡(luò)編碼)”，Proc.Allerton Conf.Comm, Control, and Computing，2003 年 10 月；M.Luby 的 “LT Codes (LT 碼)”，Proc.43rd Ann.1EEE Symp.0n Foundations ofComputer Science，2002 年 11 月，第 271-282 頁(yè)；A.Shokrollahi 的“Raptor Codes (Raptor 碼)”，IEEE Trans.1nform.Theory，第52 卷，第 6 期，第 2551-2567 頁(yè)，2006 ；R.Gummadi 和 R.S.Sreenivas 的 “Relaying a fountain code across multiplenodes (在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上中繼噴泉碼)”，Proc.1EEE Information Theory Workhop, 2008,ITW，08，2008，第 149-153 頁(yè)；M.-L Champel，K.Huguenin，A.-M.Kermarrec 和 N.L Scouarnec 的 “LT networkcodes (LT 網(wǎng)絡(luò)碼)”，Techreport, INRIA，2009o

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，基于批概念提供了用于數(shù)據(jù)編碼和關(guān)聯(lián)解碼的方法和系統(tǒng)，其中批允許從源節(jié)點(diǎn)將大型數(shù)據(jù)文件通過(guò)可釆用網(wǎng)絡(luò)編碼的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)。在特定的實(shí)施方式中，批包含M個(gè)編碼的包，其中M>1。(當(dāng)M=I時(shí)，本發(fā)明的碼退化為L(zhǎng)T/RaptOT碼)。源節(jié)點(diǎn)通過(guò)以下步驟使用稀疏矩陣碼生成批:
1.通過(guò)采樣度分布獲得度d ；2.選取d個(gè)不同的輸入包；3.使用當(dāng)前的d個(gè)包和生成矩陣生成編碼的包的批。編碼器可生成一個(gè)或多個(gè)批，一個(gè)或多個(gè)批通常是彼此獨(dú)立的。在特定的實(shí)施方式中，源節(jié)點(diǎn)僅一個(gè)接一個(gè)地調(diào)度批的傳輸。在發(fā)送批的M個(gè)包后，源節(jié)點(diǎn)生成和發(fā)送另一批。批的主要特征在于，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸批的過(guò)程中，允許包的各種損壞和在中間節(jié)點(diǎn)處的各種操作，只要通過(guò)線性函數(shù)給出了網(wǎng)絡(luò)的整體端對(duì)端轉(zhuǎn)換。這種包校正的實(shí)施例是包丟失或擦除。這種中間節(jié)點(diǎn)操作的實(shí)施例為路由，更具體地為線性網(wǎng)絡(luò)編碼。在特定的實(shí)施方式中，中間節(jié)點(diǎn)將屬于共同批的接收的(編碼的)包重新編碼成用于同一批的新包，然后在其外向鏈路上傳輸這些新包。這是在網(wǎng)絡(luò)中采用線性網(wǎng)絡(luò)編碼的場(chǎng)景。在另一特定的實(shí)施方式中，提供了子集編碼方法，其中，將待傳輸?shù)奈募诖笮閝的有限域上分成相等長(zhǎng)度的包。根據(jù)本發(fā)明的目的節(jié)點(diǎn)接收包，其中，接收到每個(gè)的包屬于一個(gè)批。目的節(jié)點(diǎn)使用解碼器，該解碼器使用稀疏矩陣碼的置信傳播解碼算法對(duì)接收到的批解碼。解碼器需要至少恢復(fù)全部輸入包的預(yù)定部分。在另一特定的實(shí)施方式中，首先在源節(jié)點(diǎn)處通過(guò)預(yù)編碼對(duì)輸入包進(jìn)行編碼以引入一些冗余。然后在源節(jié)點(diǎn)處使用稀疏矩陣碼對(duì)預(yù)編碼的輸入包進(jìn)行編碼并發(fā)送。目的節(jié)點(diǎn)使用解碼器，該解碼器使用稀疏矩陣碼的置信傳播解碼算法對(duì)接收到的批解碼。解碼器需要恢復(fù)全部輸入包的預(yù)定部分。通過(guò)預(yù)編碼恢復(fù)原始的輸入包。

該編碼和解碼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)包括:1.低編碼/解碼復(fù)雜度；2.最小的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲；3.得益于網(wǎng)絡(luò)編碼的高傳輸吞吐量；4.中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在計(jì)算和存儲(chǔ)方面的低成本；以及5.簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議。該編碼方案提供了各種情況的解決方案。該方案適用于在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的示例包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和蜂窩電話的自組織網(wǎng)絡(luò)。該方法可用于分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中每個(gè)批可視為原始文件的存儲(chǔ)塊。批可存儲(chǔ)在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)位置的存儲(chǔ)裝置中。為了恢復(fù)文件，恢復(fù)某一數(shù)量的批。該編碼方法還可在對(duì)等文件分布系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。能夠?qū)⒃摲椒☉?yīng)用于視頻/音頻分流和廣播系統(tǒng)，盡管本文公開(kāi)的特定碼沒(méi)有為這些系統(tǒng)特別優(yōu)化。相比之下，之前用于類似問(wèn)題的編碼方案需要中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有與整個(gè)文件相等的緩存大小，或者依賴于大的控制消息以協(xié)調(diào)傳輸。比較而言，該方案僅需要中間節(jié)點(diǎn)處的較小緩存尺寸以及最小化的控制消息。結(jié)合附圖通過(guò)以下的詳細(xì)描述將更好地理解本發(fā)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的采用編碼和解碼的系統(tǒng)的框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的編碼過(guò)程的二分Tanner圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的解碼過(guò)程的二分Tanner圖；圖4是示出編碼方案圖，在編碼方案中輸入包被附加有系統(tǒng)預(yù)編碼的冗余包；圖5是恢復(fù)一組輸入包的92%所需的批的數(shù)量的直方圖；圖6是示出根據(jù)所接收的批的數(shù)量解碼的輸入包的數(shù)量的視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明在源節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行的操作的流程圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明在中間節(jié)點(diǎn)的一個(gè)實(shí)施方式中進(jìn)行操作的流程圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明在源節(jié)點(diǎn)的特定實(shí)施方式中進(jìn)行操作的流程圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明在目的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行操作的流程圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的稀疏矩陣碼編碼器的框圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 方式的稀疏矩陣碼解碼器的操作的流程圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式在源節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行的操作的流程圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式在源節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行的操作的流程圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式在中間節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行的操作的流程圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式在目的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行的操作的流程圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式在目的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行的操作的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1是示出采用根據(jù)本發(fā)明的方法的通信系統(tǒng)10的元素的框圖。源節(jié)點(diǎn)12包括聯(lián)接至數(shù)據(jù)源16的編碼器14，數(shù)據(jù)源16向編碼器14提供作為輸入的多個(gè)大型數(shù)據(jù)文件，例如大型數(shù)據(jù)文件18。編碼器14可包括預(yù)編碼器20。此外還存在稀疏矩陣編碼器22。編碼器14的輸出聯(lián)接至發(fā)送器26，發(fā)送器26接著聯(lián)接至鏈路28，批(batch) 21、23、25在鏈路28上傳輸。鏈路28聯(lián)接至通常在網(wǎng)或云36內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)30、32、34。對(duì)編碼器14的輸入是與大型數(shù)據(jù)文件18對(duì)應(yīng)的一系列源包15、17、19。編碼器14向發(fā)送器26的輸出是一組編碼的輸出包，在本文中為自主的批21、23、25。發(fā)送器26將這些批以適于網(wǎng)絡(luò)的形式發(fā)送。這些批通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)例如30傳送至目的節(jié)點(diǎn)53，中間節(jié)點(diǎn)不對(duì)文件或任何批進(jìn)行解碼但它們可應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼以產(chǎn)生批40、42、44。從目的節(jié)點(diǎn)53的輸入，接收器52和解碼器54可恢復(fù)作為恢復(fù)后的包46、48、50的源大型數(shù)據(jù)文件18，恢復(fù)后的包46、48、50向存儲(chǔ)單元56或其他使用裝置提供輸入。在下文中闡述根據(jù)本發(fā)明的用于編碼和解碼的技術(shù)。稀疏矩陣碼根據(jù)本發(fā)明，為在文件分布問(wèn)題中傳輸一個(gè)文件提出了方法和編碼方案。該方案的核心成分為稀疏矩陣碼。因此，關(guān)鍵組件為稀疏矩陣編碼器22。生成批文件由K個(gè)不相交的包構(gòu)成，每個(gè)包具有位于大小為q的有限域F中的T個(gè)符號(hào)。包長(zhǎng)度T受到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議限制并且可為幾千字節(jié)。這些包被表示成:B=Lb1, b2,...,bK]其中，bi被稱為輸入包，為包含來(lái)自F的T個(gè)符號(hào)的列向量。批為一組M個(gè)編碼的包，M個(gè)編碼的包通過(guò)使用這些輸入包的同一子集的M種可能的不同線性組合而生成。批使用通過(guò)將批的M個(gè)包并置而形成的矩陣來(lái)表示。對(duì)于i=l，2，...，批乂^皮生成為Xi=BiGi其中，Gi被稱為第i個(gè)批的生成矩陣。下面描述關(guān)于Gi的設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。Bi中的包被表示為第i個(gè)批的貢獻(xiàn)者。每個(gè)批在無(wú)需考慮其他批如何生成的情況下生成。根據(jù)本發(fā)明，Bi的形成依賴于度分布Ψ= ( Ψ。，Ψ1;…，Ψκ),如LT/Raptor碼。然而，Ψ的設(shè)計(jì)不同于LT/Raptor碼的度分布，并且在本文的別處討論。為了生成第i個(gè)批，分布Ψ首先被采樣以獲得度φ。然后，一致隨機(jī)地選擇Cli個(gè)輸入包，并且通過(guò)將這些包并置形成B”生成矩陣的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)生成矩陣的一種方法是簡(jiǎn)單地使用被預(yù)先設(shè)計(jì)且由源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)共享的Gp另一方法是由源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成G”沒(méi)有必要將Gi傳送至目的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槟康墓?jié)點(diǎn)僅需要Gi和第i批的轉(zhuǎn)換矩陣的乘積來(lái)解碼。目的節(jié)點(diǎn)需要度d1、貢獻(xiàn)者的指標(biāo)和生成矩陣Gi用于解碼。在現(xiàn)有技術(shù)中存在可實(shí)現(xiàn)該目的的多種方法，例如，為L(zhǎng)T碼和Raptor碼引入的方法。一個(gè)優(yōu)選的方法是在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間共享偽隨機(jī)生成器。源節(jié)點(diǎn)全部使用由某一種子初始化的偽隨機(jī)生成器來(lái)生成度、貢獻(xiàn)者的指標(biāo)和生成矩陣。目的節(jié)點(diǎn)可使用由同一種子初始化的偽隨機(jī)生成器來(lái)恢復(fù)該信息?？赏ㄟ^(guò)二分Tanner圖描述稀疏矩陣碼的編碼。與稀疏矩陣碼關(guān)聯(lián)的Tanner圖是二分圖。其具有K個(gè)與輸入包對(duì)應(yīng)的變量節(jié)點(diǎn)，和η個(gè)與批對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。如果匕是批j的貢獻(xiàn)者，校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)j連接至變量節(jié)點(diǎn)i。在圖2中，該圖的最上面兩層示出了編碼過(guò)程。η個(gè)批的編碼復(fù)雜度為O(TnMWavg),其中Wavg=E ddVd。如果Wavg被選擇為常數(shù)，則編碼復(fù)雜度與η為線性關(guān)系。能夠用不依賴與K的常數(shù)Wavg設(shè)計(jì)Ψ。批的發(fā)送根據(jù)應(yīng)用，存在許多選擇來(lái)調(diào)度批的發(fā)送。例如，可順次地發(fā)送批。為了發(fā)送批，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送批中的M個(gè)包。在發(fā)送批之后，源節(jié)點(diǎn)可生成和發(fā)送另一批。因?yàn)閷?duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行確認(rèn)，所以無(wú)需對(duì)每個(gè)批進(jìn)行單獨(dú)的確認(rèn)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)僅有的要求在于，通過(guò)線性函數(shù)給出網(wǎng)絡(luò)針對(duì)每個(gè)批的整體端到端轉(zhuǎn)換。中間節(jié)點(diǎn)可應(yīng)用線性網(wǎng)絡(luò)編碼。中間節(jié)點(diǎn)使用線性組合將接收到的批的包編碼成新的包，并在外向鏈路上傳輸這些新的包。這些新的包被視為處于同一批中。不同批中的包在網(wǎng)絡(luò)中不混合。由于端到端網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換保持線性，所以允許網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)和丟包。因此，通過(guò)第i批的接收到的包形成的矩陣為:Yi=XiHi=BiGiHi,其中，Hi為由網(wǎng)絡(luò)確定的第i批的轉(zhuǎn)換矩陣。在氏中，行數(shù)等于M，而列數(shù)可依賴于i。圖2的底層中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于接收到的包。使用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的典型方法，轉(zhuǎn)換矩陣Hi可從編碼的包的包頭恢復(fù)。解碼目的節(jié)點(diǎn)試圖通 過(guò)在知曉GiHi的情況下使用線性方程系統(tǒng)Yi=BiGiHi對(duì)輸入包進(jìn)行解碼。如果GiHi具有秩Cli,第i批是可解碼的。假設(shè)第i批是可解碼的。然后，可通過(guò)求解線性方程系統(tǒng)Yi=BiGiHi來(lái)恢復(fù)Bi中的包，該線性方程必須具有唯一解。在對(duì)第i個(gè)批解碼之后，Bi中的Cli個(gè)包被恢復(fù)。然后，將這些被解碼的輸入包的值代入與未被解碼的批關(guān)聯(lián)的線性方程系統(tǒng)中?？紤]到bk處于Bi中并且被恢復(fù)。如果bk也包含在第j個(gè)批中，其中j不等于i，則減少第j個(gè)批的度，移除Gpi中與bk對(duì)應(yīng)的行并且移除Yi中bk的貢獻(xiàn)。解碼過(guò)程可在圖3中使用二分圖更好地描述，除了與每個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)的是線性方程系統(tǒng)Yi=BiGiHi之外，圖3與編碼圖相同。在解碼圖中，等同于首先移除第i個(gè)校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)、其相鄰的變量節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的邊，然后，對(duì)于每個(gè)移除的變量節(jié)點(diǎn)，更新其相鄰校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)的線性方程系統(tǒng)。在新圖上重復(fù)該解碼代入過(guò)程，直至沒(méi)有更多的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)可解碼。當(dāng)不存在更多的可解碼的批時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)等待/請(qǐng)求新的批并繼續(xù)對(duì)新批的可解碼性的校驗(yàn)。這種解碼具有復(fù)雜度
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)送大型數(shù)據(jù)文件的方法，包括: 在源節(jié)點(diǎn)的編碼器裝置處接收數(shù)據(jù)文件，每個(gè)數(shù)據(jù)文件包括大量源包； 在所述源節(jié)點(diǎn)處根據(jù)稀疏矩陣碼對(duì)所述源包進(jìn)行編碼，以生成自主批中的輸出包；以及 從所述源節(jié)點(diǎn)經(jīng)由至少一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)將所述自主批以網(wǎng)絡(luò)可兼容形式發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，以在所述目的節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行解碼從而恢復(fù)每個(gè)所述數(shù)據(jù)文件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在所述中間節(jié)點(diǎn)處對(duì)接收到的且被編碼的包進(jìn)行重新編碼，所述接收到的且被編碼的包為所述自主批中的單獨(dú)一個(gè)自主批的一部分，以形成所述單獨(dú)一個(gè)自主批的新包； 在所述中間節(jié)點(diǎn)處接收到不屬于所述單獨(dú)一個(gè)自主批的被編碼的包，于是 發(fā)送中間節(jié)點(diǎn)編碼包，然后清除包含已被發(fā)送的包的緩存器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在所述發(fā)送步驟前，將待發(fā)送的文件分割成相等長(zhǎng)度的包。
4.一種用于將大型數(shù)據(jù)文件發(fā)送至多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的方法，包括: 在源節(jié)點(diǎn)處使用預(yù)編碼對(duì)源包進(jìn)行編碼以引入冗余，從而獲得預(yù)編碼的輸入包； 在所述源節(jié)點(diǎn)處通過(guò)以下步驟使用稀疏矩陣碼對(duì)預(yù)編碼的源包進(jìn)行編碼； 1)通過(guò)采樣度分布 獲得度d; 2)選取d個(gè)不同的預(yù)編碼的輸入包； 3)使用當(dāng)前的d個(gè)包和生成矩陣生成編碼的包的批；然后 4)將包的當(dāng)前批發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)；以及 在所述源節(jié)點(diǎn)處重復(fù)步驟I)至4)直至所述源節(jié)點(diǎn)從全部或部分目的節(jié)點(diǎn)接收到特定的反饋或者直至滿足某一條件。
5.一種用于處理電信網(wǎng)絡(luò)中的包的方法，包括: 在目的節(jié)點(diǎn)處接收自主批的表示，所述自主批已被應(yīng)用到大量源包的稀疏矩陣碼編碼，所述大量源包包括數(shù)據(jù)文件并且被預(yù)編碼為形成自主包的輸出包； 在所述目的節(jié)點(diǎn)處使用稀疏矩陣碼的置信傳播解碼算法對(duì)接收到的自主批的表示進(jìn)行解碼，所述算法被操作為恢復(fù)所有預(yù)編碼的源包的一部分； 在所述目的節(jié)點(diǎn)處恢復(fù)其余的預(yù)編碼的源包；以及 從被恢復(fù)的包重新構(gòu)造所述數(shù)據(jù)文件。
6.一種用于發(fā)送和接收大型數(shù)據(jù)文件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 源節(jié)點(diǎn)，具有稀疏矩陣編碼器，用于從多個(gè)大型數(shù)據(jù)文件生成自主批中的輸出包；以及 目的節(jié)點(diǎn)，具有解碼器，用于從接收的自主批的表示自主地重新構(gòu)造每個(gè)大型數(shù)據(jù)文件， 所述源節(jié)點(diǎn)和所述目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的至少一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)通信，其中，所述中間節(jié)點(diǎn)不對(duì)所述自主批進(jìn)行重新編碼。
7.一種用于發(fā)送和接收大型數(shù)據(jù)文件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 源節(jié)點(diǎn)，具有稀疏矩陣編碼器，用于從多個(gè)大型數(shù)據(jù)文件生成自主批中的輸出包；以及 目的節(jié)點(diǎn)，具有解碼器，用于從接收的自主批的表示自主地重新構(gòu)造每個(gè)大型數(shù)據(jù)文件，所述源節(jié)點(diǎn)和所述目的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的至少一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)通信，其中，所述中間節(jié)點(diǎn)被配置為對(duì) 所述自主批進(jìn)行重新編碼。
全文摘要
用于數(shù)據(jù)編碼和關(guān)聯(lián)的解碼的方法是基于批的概念，批允許從源節(jié)點(diǎn)將大型數(shù)據(jù)文件通過(guò)可采用網(wǎng)絡(luò)編碼的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，其中在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中采用了稀疏矩陣碼。批是使用稀疏矩陣編碼器通過(guò)輸入包的子集生成的一組包。稀疏矩陣編碼器可重復(fù)地訪問(wèn)以生成多個(gè)批。批通常是彼此獨(dú)立的。在通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸過(guò)程中，可對(duì)屬于同一批的包應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼從而改進(jìn)組播吞吐量。解碼器使用接收到的批恢復(fù)輸入包的全部或至少固定的一部分?？稍趹?yīng)用稀疏矩陣碼前使用預(yù)編碼對(duì)輸入包進(jìn)行預(yù)編碼。然后可通過(guò)對(duì)預(yù)編碼進(jìn)一步解碼來(lái)重新構(gòu)造數(shù)據(jù)文件。
文檔編號(hào)H04W92/10GK103250463SQ201180055775
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者楊升浩, 楊偉豪 申請(qǐng)人:香港中文大學(xué)