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?，利用網(wǎng)絡(luò)編碼對消息的備份性進行能量收集。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

水聲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的廉價微型傳感器節(jié)點采用無線通信的方式組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。水聲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能在水聲環(huán)境條件下進行工作并獲得可靠的信息，在軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)以及海洋開發(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)引起了多個國家政府部門、科研機構(gòu)和工業(yè)界的高度重視。近年來，其在海洋環(huán)境中的應(yīng)用越來越廣泛，對于檢測水下環(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，國家對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究技術(shù)支持力度明顯加大，可以預(yù)見水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用會越來越廣泛。

1 隨機線性網(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)點對信息進行融合，突破了傳統(tǒng)思想對中間節(jié)點功能的限制。其概念最初是在有線網(wǎng)絡(luò)中提出的，針對不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)編碼和隨機網(wǎng)絡(luò)編碼。因為確定網(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)的過程非常復(fù)雜，并且隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲的的復(fù)雜度增高，構(gòu)造的時間成本難以承受。實際使用中一般采用隨機網(wǎng)絡(luò)編碼，其具有更好的適應(yīng)性，同時，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。

整個網(wǎng)絡(luò)編碼過程如下。源節(jié)點對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)編碼過程如下：1）數(shù)據(jù)包分組。首先把要發(fā)送原始數(shù)據(jù)包進行分組，每個分組內(nèi)有m個原始數(shù)據(jù)。然后從一個有限域上隨機選取編碼系數(shù)。每組數(shù)里有m個數(shù)，每組即為一個編碼向量。將每個編碼向量與m個原始數(shù)據(jù)進行運算得到n個與編碼向量，然后打包發(fā)送。將組標識和編碼向量作為包頭加入到對應(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)點重新編碼。收到k個數(shù)據(jù)包后，為了進一步降低每個數(shù)據(jù)包之間的線性相關(guān)性，需要對k個數(shù)據(jù)包重新編碼，增強獨立性。3）譯碼。信宿節(jié)點收到m個線性獨立的數(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)

無線電波在水下環(huán)境中衰減嚴重，頻率越高衰減越大，并且只能實現(xiàn)短距離的高速傳輸，不能夠滿足遠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)信號雖然可以用來短距離高速傳輸，但極易發(fā)生散射，并且它要求直線對準傳輸，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行通信，和陸上無線電信道相比，水下聲信道主要有以下特點：

1）信號傳輸距離長、延時長和延時動態(tài)變化。

2）水聲信號衰減較大：海水中聲波傳播的能量損耗主要包括擴散損失、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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行多播的時候中間鏈路可能存在丟包，某一個中間節(jié)點可能丟失上游的一些信息包從而無法完成下游的編碼。一個可能恢復(fù)這些中間節(jié)點所需要的信息的方法是充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播特性。中間節(jié)點丟失的某個上游信息可能就在這個節(jié)點收到的多播冗余信息里，通過隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼方案，在中間節(jié)點就把這些信息恢復(fù)出來從而完成下游信息的網(wǎng)絡(luò)編碼。因為這些信息是由于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播特性而獲取的，不需要主動耗費傳輸能量，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）是避免一個錯誤的信息到信宿節(jié)點才被恢復(fù)出來從而需要重傳而浪費能量，即使在中間節(jié)點恢復(fù)出來，從而節(jié)省能量。2）充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號的發(fā)散特性，利用網(wǎng)絡(luò)編碼將這些發(fā)散的信號中可能蘊含的備份信息解碼出來。如果沒有網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，在單純的路由傳輸下，這些多余的信號能量就會被浪費掉。以上兩點極大的增強了電池的續(xù)航能力，進而提高了傳感器網(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，針對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)提出多路徑傳輸?shù)亩嗖シ桨?。水聲傳感器網(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，此時的多播網(wǎng)絡(luò)編碼和不存在差錯的多播模型存在很多差別，因為中間節(jié)點可能丟失上游的信息包，按照傳統(tǒng)多播網(wǎng)絡(luò)編碼模型無法完成編碼。將上游錯誤的信息包用特殊的符號標記，繼續(xù)參加本中間節(jié)點的局部網(wǎng)絡(luò)編碼并將編碼信息廣播到下游節(jié)點，這樣可以使多播模型在存在差錯的情況下也能實現(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)編碼傳輸有機的結(jié)合起來。這種方案減少了傳輸次數(shù)，從而節(jié)省了能量。

4 結(jié)語

本文利用基于網(wǎng)絡(luò)編碼的能量收集和多路徑技術(shù)，實驗結(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