基于網(wǎng)絡(luò)編碼的水下傳感器可靠傳輸技術(shù)

彭躍磊，宋東亞（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，451150）

基于網(wǎng)絡(luò)編碼的水下傳感器可靠傳輸技術(shù)

彭躍磊，宋東亞
（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，451150）

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以極大的提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時(shí)能提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。為了提高水下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕镁W(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)消息的備份性進(jìn)行能量收集。該方案節(jié)省了電池能量，提高水下傳感器節(jié)點(diǎn)的生存周期。

網(wǎng)絡(luò)編碼；傳感器網(wǎng)絡(luò)；吞吐量；魯棒性

0 引言

水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線通信的方式組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能在水聲環(huán)境條件下進(jìn)行工作并獲得可靠的信息，在軍事國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并具有廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)引起了多個(gè)國(guó)家政府部門(mén)、科研機(jī)構(gòu)和工業(yè)界的高度重視。近年來(lái)，其在海洋環(huán)境中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)于檢測(cè)水下環(huán)境，獲得水下水文資料是目前不多的手段之一。馬航事件之后，國(guó)家對(duì)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究技術(shù)支持力度明顯加大，可以預(yù)見(jiàn)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

1 隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼

圖1 蝶狀網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想就是允許并提倡網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行融合，突破了傳統(tǒng)思想對(duì)中間節(jié)點(diǎn)功能的限制。其概念最初是在有線網(wǎng)絡(luò)中提出的，針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用線性網(wǎng)絡(luò)編碼或者非線性網(wǎng)絡(luò)編碼可以實(shí)現(xiàn)最小割最大流定理確定的網(wǎng)絡(luò)容量的上限。編碼分為確定網(wǎng)絡(luò)編碼和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼。因?yàn)榇_定網(wǎng)絡(luò)編碼雖然更精確，傳輸效率更高，但是構(gòu)造傳輸系數(shù)的過(guò)程非常復(fù)雜，并且隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牡膹?fù)雜度增高，構(gòu)造的時(shí)間成本難以承受。實(shí)際使用中一般采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，其具有更好的適應(yīng)性，同時(shí)，效率要低一些。網(wǎng)絡(luò)編碼可以用經(jīng)典的蝴蝶圖表示，如圖1所示。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼過(guò)程如下。源節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼過(guò)程如下：1）數(shù)據(jù)包分組。首先把要發(fā)送原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行分組，每個(gè)分組內(nèi)有m個(gè)原始數(shù)據(jù)。然后從一個(gè)有限域上隨機(jī)選取編碼系數(shù)。每組數(shù)里有m個(gè)數(shù)，每組即為一個(gè)編碼向量。將每個(gè)編碼向量與m個(gè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到n個(gè)與編碼向量，然后打包發(fā)送。將組標(biāo)識(shí)和編碼向量作為包頭加入到對(duì)應(yīng)生成的數(shù)據(jù)包中，打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。2）中間節(jié)點(diǎn)重新編碼。收到k個(gè)數(shù)據(jù)包后，為了進(jìn)一步降低每個(gè)數(shù)據(jù)包之間的線性相關(guān)性，需要對(duì)k個(gè)數(shù)據(jù)包重新編碼，增強(qiáng)獨(dú)立性。3）譯碼。信宿節(jié)點(diǎn)收到m個(gè)線性獨(dú)立的數(shù)據(jù)包之后就可以譯碼，得出原始消息。

2 水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線電波在水下環(huán)境中衰減嚴(yán)重，頻率越高衰減越大，并且只能實(shí)現(xiàn)短距離的高速傳輸，不能夠滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離水下通信的要求，不適用于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)。光學(xué)信號(hào)雖然可以用來(lái)短距離高速傳輸，但極易發(fā)生散射，并且它要求直線對(duì)準(zhǔn)傳輸，通信質(zhì)量還受海水的清晰度的影響，所以光學(xué)信號(hào)在水下的應(yīng)用也受到制約，一般只適合于用于近距離的高速數(shù)據(jù)通信。水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)一般主要利用水下聲波信道進(jìn)行通信，和陸上無(wú)線電信道相比，水下聲信道主要有以下特點(diǎn)：

1）信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、延時(shí)長(zhǎng)和延時(shí)動(dòng)態(tài)變化。

2）水聲信號(hào)衰減較大：海水中聲波傳播的能量損耗主要包括擴(kuò)散損失、吸收損失、散射損失和反射損失等。

3 能量收集和多路徑技術(shù)技術(shù)

3.1 能量收集

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多播的時(shí)候中間鏈路可能存在丟包，某一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)可能丟失上游的一些信息包從而無(wú)法完成下游的編碼。一個(gè)可能恢復(fù)這些中間節(jié)點(diǎn)所需要的信息的方法是充分利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播特性。中間節(jié)點(diǎn)丟失的某個(gè)上游信息可能就在這個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的多播冗余信息里，通過(guò)隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼方案，在中間節(jié)點(diǎn)就把這些信息恢復(fù)出來(lái)從而完成下游信息的網(wǎng)絡(luò)編碼。因?yàn)檫@些信息是由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播特性而獲取的，不需要主動(dòng)耗費(fèi)傳輸能量，充分利用了廣播的冗余信息從而節(jié)省了能量。這樣做的好處：1）是避免一個(gè)錯(cuò)誤的信息到信宿節(jié)點(diǎn)才被恢復(fù)出來(lái)從而需要重傳而浪費(fèi)能量，即使在中間節(jié)點(diǎn)恢復(fù)出來(lái)，從而節(jié)省能量。2）充分利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的發(fā)散特性，利用網(wǎng)絡(luò)編碼將這些發(fā)散的信號(hào)中可能蘊(yùn)含的備份信息解碼出來(lái)。如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，在單純的路由傳輸下，這些多余的信號(hào)能量就會(huì)被浪費(fèi)掉。以上兩點(diǎn)極大的增強(qiáng)了電池的續(xù)航能力，進(jìn)而提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)在水下的生存周期。

3.2 多路徑技術(shù)

為了提高數(shù)據(jù)包的交付率、減少單位數(shù)據(jù)包所消耗的能量，針對(duì)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)提出多路徑傳輸?shù)亩嗖シ桨浮Ｋ晜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)中由于存在丟包，為了提高傳輸成功率常采用多路徑重傳的方式，此時(shí)的多播網(wǎng)絡(luò)編碼和不存在差錯(cuò)的多播模型存在很多差別，因?yàn)橹虚g節(jié)點(diǎn)可能丟失上游的信息包，按照傳統(tǒng)多播網(wǎng)絡(luò)編碼模型無(wú)法完成編碼。將上游錯(cuò)誤的信息包用特殊的符號(hào)標(biāo)記，繼續(xù)參加本中間節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)編碼并將編碼信息廣播到下游節(jié)點(diǎn)，這樣可以使多播模型在存在差錯(cuò)的情況下也能實(shí)現(xiàn)。這就將經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)編碼多播模型和多路徑網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。這種方案減少了傳輸次數(shù)，從而節(jié)省了能量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的能量收集和多路徑技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方案有效的減小了傳感器電池電量的消耗。

［1］ AKYILD IZ I F， POMP IL ID，MELOD IA T.Underwater Acoustic Sensor Networks： Research Challenges.Ad Hoc Networks，2005，3（3）：257- 279.

［2］ 劉敏， 惠力， 楊立， 等.水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在海洋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［J］.山東科學(xué)， 2010， 23（2）： 22-27.

［3］ Guo Zheng， Wang Bing， Cui Jun-Hong.Efficient error recovery using network coding in underwater sensor networks.IFIP-TC6 Netw''07 （LNCS 4479）， 2007：227-238

Reliable transmission technology of underwater sensor based on network coding

Peng yuelei，Song dongya
（Zhengzhou university of idustrial technology 451150）

The network coding technique provide improved throughput while it also can increase the robust of network.To improve the reliability of underwater sensor network，this scheme is to collect the energy based on the nature that messages can back-up each other in network coding.It saves battery power and improves the survival time.

network coding；sensor network；throughput；robustness

N915.01