计算机网络编码技术在无线传感器网络中的应用

丁全峰

摘要：随着我国国民经济水平的提高，科学技术的不断进步，编码技术在无线传感器中也得到了很大的应用。科学家已经证实网络编码能够逼近容量理论传输极限，在有线网络中得到了广泛应用。下面就详细介绍节点协同通信技术、分布式数据存储技术、簇内多节点信息交换技术等在无线传感器网络中的应用，希望其在未来网络中发挥的作用越来越大。

关键词：计算机；网络编码技术；无线传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）36-0009-02

业内人士都知道无线链路有物理层广播特性和不可靠性，针对这一问题开发了网络编码技术，计算机网络编码技术在无线传感器网络中有很大的使用前景，其能够节省网络能量的消耗，提高网络的吞吐量，增强网络的安全性，加强鲁棒性等优势，为了让该技术的作用在最大程度上得到发挥，推进我国编码技术的发展，下面就对该技术进行系统的介绍。

1有关网络编码技术的分析

网络编码技术就是在节点工作中，不仅要让其具备转发和储存的能力，同时还可以对相关数据进行编码操作。无线网络和物理方面的广播特点进行有机的融合，再引入网络编码技术，无线网络的传输性能将会有很大提升。例如在图1中，其是一个双向通信的三节点模型，在工作中需要对A和B两个节点的数据x A和xB 进行交换操作，在此过程中可以忽略A和B的直接链路。该图中反映了传统的译码方案设计思路。一般情况下而言，两步方案和三步方案是常用的网络编码方案，分别是图1（b）和1（c）所表示的情况，如果使用三步方案进行操作，中继节点需要进行译码，译码之后再进行信息的转发操作，在节点A中所包含的数据为xA到中继R，使用中继R对其进行译码操作，而节点B中的数据是从xB到中继R，利用中继R进行译码操作，最后中继节点可以把xR（xA，xB）数据进行广播，广播之后节点A和B就会接收到。如果使用两步方案进行广播，就应该让信息流通过多种接入途径进行广播，其中中继节点可以进行放大转发，或者是使用去噪转发，也可以应用联合译码转发，但是其工作原理都是相同的，就是让A和B节点分别结合所有的信息和对方的信息进行交换，进而得到对方的信息，然后进行联合译码转发，去噪转发，和放大转发。在中继节点上能够让信息收集到不同的网络编码算法。到目前为止，技术人员就提出了很多网络编码的计算方式，例如物理层网络编码算法，模拟网络编码算法，以及随机网络编码算法，线性网络编码算法等。为了让更多的人了解该技术，在工作岗位上熟练的操作和使用，下面就对节点协同通信技术，双向协同网络编码技术，节点之间的信息交换技术，分布式数据存储技术等进行分析。

2计算机网络编码技术在无线传感器中的应用分析

2.1节点协同通信技术的应用

协同通信技术在无线网络中有很大的作用，在操作方面其利用多个单天线点构成虚拟多天线阵列，这样可以获得很大的分集增益。该技术结合了MIMO系统和中继通信的优势，因此在协同传输中能力更强。在无线传感器网络中，会有一定的传输能耗和点电路能耗，应用协同MIMO的理论知识[1]，如果超过规定的距离后，其会得到比直接传输更好的性能，但是其也有一定的缺点，就是频谱效率有所下降，通过引入网络编码技术，能够提高网络吞吐量和频谱效率。

2.2单向协同网络编码技术的应用

如果节点对其中任何一个源节点信息译码都不正确，那么就表明系统程序已经中断。在系统中断后，如果使用了单向协同技术，可以得到和没有使用网络编码技术相同的分集度，但是考虑到A、B两个节点到目的节点的传输问题，每一个节点都要结合对应的中断节点来选择协同节点，从而协助对xA和xB到各个目的地的节点[2]。其中图2和图3中分别给出了多节点协同传输以及中继协同传输在应用网络编码和没有应用网络编码的示意图。从图2和图3中可以明显看出，如果使用自己适应的译码进行转发时，如果发生了协同点对其中的一个节点译码不正确，还可以只转发另一个节点的信息，不会造成频谱资源的大量浪费[3]。

2.3双向协同网络编码技术的应用

在图4中显示，当A、B两个节点交换各自的信息之后，就会有n个中继节点应用于协同中继，网络编码进行信息传输时，一般可以分成两个阶段[3]，在第一个阶段中，两个节点会把各自的信息传递到中继节点上，当进行第二个阶段时，中继节点会以协同的方式进行转发操作，空时分组码非常简单，而且实际操作性能优良，因此在无线传感器网络中得到了广泛的应用，现在已经被企业纳入到移动通信标准中[4]，由图4就可以看见其传输的流程，n 个中继节点能够使用空时分组码的方式进行信息传播，其操作简单，而且作用性能强，随着配套技术的不断成熟，该技术还会有更好的发展。

例如在第一个传送阶段， A 和 B所发送的信号都被中继节点所接收，中继节点对这些信息进行放大，然后再进行转发，转发方式可以是去噪转发，也可以是译码转发，下面就结合实际的例子进行飞行，希望能让更多的人理解[5]。如果在 两个符号周期内，信道是准静态平坦瑞利衰落信道，也就是说在这两个符号周期内，其中的衰落系数不会发生变化，这两个节点会分别传输一定量的信息，用向量表示为xb =（x1b，x2b），xA =（x1A ，x2A），这两个中继节点所接收到信号分别是 yR2=（y1R2，y2R2）和yR1=（y1R1，y2R1），在第二个阶段中，中继节点应用了空时分组码方式，分别把信息转发给A节点和B节点。如果进行放大转发，两个中继节点传输的信号就为xR1=（y1R1，-（y2R1）*）和xR1=（y1R2，-（y2R2）*）.如果使用译码方式进行转发，若两个中继节点的译码是正确的，需要对译码之后的信号x A和 xB做好网络编码操作，还是上述的情况，其传输的信号就分别变成（xR1=（x1A +x1B ，-x2A +x2B）*）和（xR1=（x2A +x2B ，-x1A +x1B）*）[6]。除此之外，还可以使用去噪方式进行转发，进行去噪转发过程中，要结合接收的两个节点信号，然后合理的判断出信号可能调制的映射情况，当其把这些信号转发给两个节点之后，这两个节点再分别结合自己的情况调整映射，最后就得到了对方的信息。就拿BPSK来进行分析[7]，如果中继节点收到的信号幅度为0，那么就能够判断这两个节点调制的映射是1， -1。如果中继节点所收到的信号幅度是2，那么也能够判断出两个节点映射是1，1.如果节点所收到的信号幅度是-2，那么这两个节点调制的映射都是-1，从这些情况可以看出在BPSK 调制下，可以进行简化操作，把两个信号是否相同作为参照，使用0和1对中继转发进行表示[8]，由此可以看出，双向协同网络编码技术有多种转发方式，因此可以结合实际需求进行选择，能够更好的满足于用户的需求，因此其在未来的发展前景非常好。

2.4节点之间的信息交换技术分析

在无线传感器网络运行中，其中有很多源之间的节点信息交换，例如在分布式的计算情况下，无论是同步信息的交换操作，还是拥塞控制信息的交换操作，都要求信息节点把信息从无线中广播到网络节点中，这在网络中也被称之为闲聊机制。其最重要的是多源节点信息交换技术，除此之外，去在个别节点信息交换，以及位置感知上也有很大作用[9]。在无线传感器网络中，源节点分别使用X1、X 2 …XN 来表示，其都需要和其他的节点进行信息交换，就例如分簇结构而言，对每一个源节点信息进行交换一般都使用簇头节点，也被称之为Cluster Head，CH，如果设定节点为Xi，i=1，2，3，4，5，6，7…，N需要把比特Bi传送给节点Xj，j≠i，而其中的每一个节点都利用物理层进行广播，一个比特信息就是一个单位时间，传送的信息量越大，其耗费的时间也就越多。如果不使用网络编码技术，设置节点为点 Xi，其中 i=1，2，3，4，5，6…，N要把比特信息Bi发送到簇头节点上，然后簇头节点会继续把比特信息发送出去，这样这个多源节点的信息交换过程就变得非常复杂，而且通过时间证明其所耗费的时间为2N个单位时间，是使用无线网络编码技术时间的2倍[10]。当使用网络编码技术后，其节点用Xi来表示，而i=1，2，3，4，5，6，7…，把比特信息Bi分别发送到簇头节点上，然后再由簇头节点把B1和B2，B1和B3 ，B4和B5 ，B，5和B6，B8和B9 …，B1和BN 的异或后的比特信息都广播出去，由于这些节点都有一个比特，当接收到所有异或结果时，就能够获得其他节点的比特信息，据初步统计需要2N-1个单位时间。由此可以看出，如果源节点的个数是N，其吞吐量提高的比例下限将会达到1/（2N-1）。在此基础上做进一步分析，在无线传感器网络中，经常有高于1/（2N-1）的吞吐量，就那3节点作为案例，假设X2和X1、X3和X2节点之间的距离比较近，那么X3和X3就是分别偷听到X1和X2的比特信息，设置其比特信息为B1和B2，之后各个节点就会向Ch发送信息，CH只要广播这三个比特信息的异或结果就可以，这样所耗费的时间为4个单位时间，此过程的吞吐量达到了50%，效率有了明显提升，因此编码技术在无线网络中的作用非常重要[11]。

2.5有关分布式数据存储方面的分析

在WSN中的数据流向和在Internet中的数据流向截然相反，在Internet的网络中，基本上都是从终端网络上得到一部分信息，但是在WSN中却不是这样的，其终端设备的工作是向网络中提供有效信息，但是其存在一定问题，在这些终端设备中，使用的都是微型化的传感器节点，存储的容量非常有限，尤其是在建筑监测、环境监测，以及自然灾害管理，或者是野外生物跟踪，以及军事管理等方面的应用中，这种动态实时数据管理以数据为中心，对数据存储的能力要求也就更高。而通过引入网络编码技术，为分布式数据存储理论带来了新的思路和方向，相信在科技人员不断的努力下，未来一定会有性能更加优越的分布式数据存储设备。

3 总结

在通信网络中引入了网络编码技术，可以说是在信息传输和信息处理方面的一大突破。经过实践检验和不断的技术完善，其在网络通信中的作用越来越大，与此同时，也证实了其开始的理论研究，让其在未来有更加广阔的应用前景。通过有关专家和部门的分析，其是下一代网络技术中的核心技术之一。在网络编码方面的很多技术都可以尝试的在无线传感器中使用，虽然要耗费一定的人力、物力和专家的时间，但是研究的成果将会有很大的应用价值。

参考文献：

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