網(wǎng)絡編碼在無線傳感器網(wǎng)絡中地地的應用

1、網(wǎng)絡編碼在無線傳感器中的應用引言隨著計算機技術、通信技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡通信與人們的生活聯(lián)系越來越 緊 密。同時，網(wǎng)絡用戶數(shù)量正在迅速增長，用戶對網(wǎng)絡服務的多樣化和網(wǎng)絡傳輸質(zhì)量 要求不斷提高。因此，如何提高網(wǎng)絡資源的利用率，優(yōu)化網(wǎng)絡服務，尋求解 決傳輸 數(shù)據(jù)可靠性低的辦法，已經(jīng)成為學術界的研究熱點。在現(xiàn)有的計算機通信網(wǎng)網(wǎng)絡 中，信息傳輸都是由節(jié)點經(jīng)過中間節(jié)點，以存儲轉發(fā)的方式傳送到目標節(jié)點的。除 了數(shù)據(jù)復制之外，一般來說在網(wǎng)絡的中間節(jié)點并不需要做任何數(shù)據(jù)處理，在許多實 際應用中，人們?yōu)榱诵畔⒎治觯畔踩约敖粨Q的目的，總是要在中間節(jié)點進行 某種形式的數(shù)據(jù)處理。人們普遍認為，中間節(jié)點所進行的數(shù)

2、據(jù)處理對 數(shù)據(jù)傳輸過程 本身不會帶來任何好處。但2000年香港中文大學的Ahi swede R在IEEE信息論壇會 刊上發(fā)表的論文徹底推翻了這一結論，網(wǎng)絡編碼理論應運而生，字網(wǎng)絡編碼被提出 之后便逐漸得到了許多研究者的廣泛尖注，他們也從編碼、應用等角度對其提出了多種改進方法。本文將介紹一種網(wǎng)絡編碼在無線傳感器網(wǎng)絡 中的應用。網(wǎng)絡編碼的思想網(wǎng)絡編碼是一種融合了路由與編碼的信息交換技術，它的核心思想是在網(wǎng)絡中 的各個節(jié)點上對各條信道上受到的信息進行先行或者是非線性的處理，然后轉發(fā)給下游節(jié)點，中間節(jié)點扮演者編碼器或信號處理器的角色。根據(jù)圖論中的最大 流 最小割定理，數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方通信的最大速率

3、不能超過雙方之間的最大 流 值，如果采用傳統(tǒng)多播路由的方法，一般不能達到其上界。網(wǎng)絡編碼可以達到多播 路由傳輸?shù)淖畲罅鹘?，提高信息的傳輸效率。圖中給出了網(wǎng)絡編碼的經(jīng)典的網(wǎng)絡圖，圖中有箭頭代表有向鏈路，假設每條鏈 路的容量為1，心愿節(jié)點向接受節(jié)點同時發(fā)送2bit的信息。圖(a)中采用傳統(tǒng)的廣 播技術，節(jié)點S分別向節(jié)點T，U發(fā)送lbi t的信息，節(jié)點T，U在分別將接收到的數(shù) 據(jù)轉發(fā)給其他節(jié)點，這樣節(jié)點T，U都可以直接獲得lbit，但是，但這兩個節(jié)點通 過W進行轉發(fā)的時候，由于節(jié)點丫，Z之間的鏈路容量為1，因此，每lbit的信息 需要在此排隊等候一個單位時間。這樣，每個接收點在單位時間接收到的比特數(shù)

4、為 1.5bit。圖(b)采用了網(wǎng)絡編碼技術，中間節(jié)點將兩條鏈路上 接受到的信息進行編 碼，然后再送出，在接受節(jié)點，根據(jù)接受到的消息，即可恢復原來的發(fā)送信息。由 于不需要排隊，每個接受節(jié)點在單位時間內(nèi)可以達到2bit，此時的編碼增益為 33%，并達到了廣播的最大流量。無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡是大量的靜止或者移動的傳感器以自組織和多跳的方式構 成無 線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作的感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的檢測 信息，并報告給用戶。大量的傳感器節(jié)點分布于要探測的區(qū)域中， 將探測 數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點經(jīng)網(wǎng)絡發(fā)送給用戶。傳感器節(jié)點總體上說可以有五部分組成：傳 感器、中央控制單元、通信模塊、

5、存儲單元、電池。無線傳感器網(wǎng)絡有一下2個基本特點：1）無線傳感器網(wǎng)絡的能量、通信能力、計算和存儲能力都十分受限；2）傳感器節(jié)點所采用的期間受到了限制，節(jié)點也更 容易出現(xiàn)故障。另外由于環(huán)境影響、帶寬限制、信號干擾和能量耗盡等因素，無 線 通信容易失效，可靠性差。因此，設計有效的策略，延長網(wǎng)絡時間周期，成為無線 傳感器網(wǎng)絡研究的核心問題，由于無線傳感器網(wǎng)絡中主要的能耗是節(jié)點間通信，減 少通信量是節(jié)約消耗的主要方法，因此，將網(wǎng)絡編碼技術應用在無線傳感器網(wǎng)絡中 是非常合適的。因為無線鏈路和物理層的不穩(wěn)定性，廣播特性非常適用于網(wǎng)絡編碼，無線 網(wǎng)絡也成為了第一個應用網(wǎng)絡編碼的領域。傳輸?shù)耐ㄟ^量和能量利用率

6、主要的衡量 無線移動網(wǎng)絡性能的指標，如何利用現(xiàn)有的資源增加網(wǎng)絡的吞吐量和能量利用的效 率是研究的重心，網(wǎng)絡編碼應用于無線傳感器網(wǎng)絡對于網(wǎng)絡性能的影響主要集中在 增加網(wǎng)絡吞吐量、節(jié)省節(jié)點能量消耗、增加傳輸可靠性和安全性、增加數(shù)據(jù)聚合效 率?；诰W(wǎng)絡編碼的FLOOD協(xié)議基于網(wǎng)絡編碼的FLOOD協(xié)議實在IP層和MAC層之間增加一個編碼成，編碼機會 查找和編碼的機會在這一層完成。算法的基本思想如下：1節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)包進行處理后不是直接丟掉，而是將其放在一個數(shù)據(jù)池中緩存一段時間。2.節(jié)點通過廣播各自的鄰居狀態(tài)報告來時的每個幾點都知道自己的2跳鄰居狀態(tài)并將給狀態(tài)信息存在一張2跳鄰居節(jié)點表中。3每個節(jié)點

7、都有一個鄰居節(jié)點表，記錄自己的鄰居節(jié)點收到了哪些數(shù)據(jù)，用于確定是否發(fā)送某個數(shù)據(jù)包和是否對某個數(shù)據(jù)包進行編碼。當節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)包時，通過查看2跳鄰居節(jié)點表，可以推知該數(shù)據(jù) 包 上一跳節(jié)點的鄰居已收該數(shù)據(jù)包，據(jù)此曾欣鄰居接收表相應表項。如果通過查看鄰居接收表，知道該節(jié)點的鄰居都已收到該數(shù)據(jù)包，該 節(jié) 點就不轉發(fā)該數(shù)據(jù)包。4. 只是用簡答的異或操作來進行編碼，并且只對原始數(shù)據(jù)進行編碼，編碼必須能夠被所有的鄰居節(jié)點解碼。5. 使用一個貪心的編碼法案，即不是選取最有的編碼包集合，而是貪心的選取一個數(shù)據(jù)包集合來進行編碼。下面以一個簡單的例子介紹基于編碼的FLOOD算法是如何工作的，有三個節(jié) 點，A擁有數(shù)

8、據(jù)pl，B擁有數(shù)據(jù)包p2，C擁有數(shù)據(jù)包p3。假設網(wǎng)絡中節(jié)點已經(jīng) 通過廣播鄰居報告獲得了各自的2跳鄰居狀態(tài)。A、B、C依次將3個數(shù)據(jù)包廣 播出去，E收到了 3個數(shù)據(jù)包，根據(jù)2跳鄰居節(jié)點表和數(shù)據(jù)包的上一條信息更 新自己的鄰居節(jié)點表，如表所示：EPlA101Bi010C101D010根據(jù)這個鄰居節(jié)點表，E在準備發(fā)送pl的時候，在輸出隊列尋找能夠參與編 碼的數(shù)據(jù)包，首先考慮若發(fā)送pl異或P2,鄰居們能否成功解碼以獲得缺失 的數(shù)據(jù) 包。由于ABCD中都擁兩個數(shù)據(jù)包中至少一個數(shù)據(jù)包，所以當他們接收到異或好的數(shù)據(jù)包之后，能夠通過將自己擁有的數(shù)據(jù)包和編碼包進行異或操作來獲 得確實數(shù)據(jù)包。再考慮若繼續(xù)添加原始的

9、數(shù)據(jù)發(fā)，發(fā)送三個數(shù)據(jù)包的異或，鄰居們 能否成功解碼，答案是否定的，就節(jié)點A來看，其只擁有數(shù)據(jù)包pl,當它收到三個 數(shù)據(jù)包的異或的時候，并不能通過異或擦偶偶獲得確實的數(shù)據(jù)包。所以節(jié)點E最終 選擇兩個數(shù)據(jù)包節(jié)點的發(fā)送，它的四個鄰居受到這個編碼包后，都可以通過以后操 作獲得缺失的數(shù)據(jù)包。通過將基于編碼的FLOOD協(xié)議加入編碼層，比較經(jīng)過編碼和未使用編碼的 平均網(wǎng)絡延遲，可以發(fā)現(xiàn)使用網(wǎng)絡編碼的平均網(wǎng)絡延遲較未使用網(wǎng)絡編碼的平 均網(wǎng) 絡延遲有少許增加，大該增加了 009s，這說明基于編碼的FLOOD協(xié)算法讓數(shù)據(jù)包 在發(fā)出之前在輸出的隊列中等待一個隨機選取的時長，以獲得更多的編碼機會。能量和吞吐量是用來比

10、較傳輸相同的數(shù)據(jù)量所消耗的能量，可以看出，基網(wǎng) 絡編碼的FLOOD，在傳輸相同的數(shù)據(jù)量的時候，比傳統(tǒng)的節(jié)省了 10%的能量，可以看 出，基于網(wǎng)絡編碼的FLOOD能有效達到節(jié)省能量的目的。因此這種算法也可以有效 延長無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。FLOOD協(xié)議是最基本的路由協(xié)議，是許多其他無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的組成 部分，而且通過上述分析，F(xiàn)LOOD協(xié)議在理論上能夠通過網(wǎng)絡編碼降低 網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的 發(fā)送次數(shù)，具有降低能耗的理論可行性。所以根據(jù)上文所表述的，選擇FLOOD協(xié)議 作為實驗的基礎協(xié)議，參考傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的編碼方案，設計適合無線傳感器網(wǎng)絡的 網(wǎng)絡編碼算法，從而提出一種新的基于網(wǎng)絡編碼的無線傳感

11、器網(wǎng)絡路由協(xié)議是很有 效的。通過使用NS2網(wǎng)絡模擬器分別對FLOOD和基于 網(wǎng)絡編碼的FLOOD進行網(wǎng)絡模 擬，對比新舊協(xié)議的性能表現(xiàn)，新設計的協(xié)議在網(wǎng)絡吞吐量、網(wǎng)絡節(jié)點的平均剩余 能量、需要的數(shù)據(jù)包發(fā)送量等性能指標上都有較大的改善?？偨Y網(wǎng)絡編碼從2000年被提出來以后，人們對它的研究在不斷的深化，并將 之應用到無線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡編碼增在給無線傳感器網(wǎng)絡帶來巨大的影響。 本文介 紹了網(wǎng)絡編碼的基本的定義以及形式，無線傳感器網(wǎng)絡的基本的組成以及衡量一個 無線傳感器網(wǎng)絡性能的指標，并且提出了一種新的基于網(wǎng)絡編碼的FLOOD路由協(xié) 議，利用仿真軟件進行了仿真，分析了網(wǎng)路編碼的應用對無線傳感器網(wǎng)絡性能的影 響，包括增加網(wǎng)絡吞吐量，節(jié)約節(jié)點能量，增加網(wǎng)絡鏈路的可靠性和安全性，增加 數(shù)據(jù)聚合效率等。但是，目前的很多方法非常依賴網(wǎng)絡編碼有限域的大小，增加編 碼運算的有限域的大小，可以保證網(wǎng)絡的安全性，但是優(yōu)先于的增加，必然帶來對 于計算復雜度的要求。因此，尋求計算復雜度低