基于网络编码的水下传感器可靠传输技术

彭跃磊，宋东亚（郑州工业应用技术学院，451150）

基于网络编码的水下传感器可靠传输技术

彭跃磊，宋东亚
（郑州工业应用技术学院，451150）

网络编码技术可以极大的提高网络的吞吐量，同时能提高网络的鲁棒性。为了提高水下传感器网络数据传输的可靠性，利用网络编码对消息的备份性进行能量收集。该方案节省了电池能量，提高水下传感器节点的生存周期。

网络编码；传感器网络；吞吐量；鲁棒性

0 引言

水声无线传感器网络是由随机部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点采用无线通信的方式组成的多跳自组织网络。水声无线传感器网络能在水声环境条件下进行工作并获得可靠的信息，在军事国防、环境监测、抢险救灾以及海洋开发等领域有着广泛的应用，并具有广阔的应用前景，已经引起了多个国家政府部门、科研机构和工业界的高度重视。近年来，其在海洋环境中的应用越来越广泛，对于检测水下环境，获得水下水文资料是目前不多的手段之一。马航事件之后，国家对水声传感器网络的相关研究技术支持力度明显加大，可以预见水声传感器网络的应用会越来越广泛。

1 随机线性网络编码

图1 蝶状网络

网络编码的核心思想就是允许并提倡网络中间节点对信息进行融合，突破了传统思想对中间节点功能的限制。其概念最初是在有线网络中提出的，针对不同的网络拓扑结构，使用线性网络编码或者非线性网络编码可以实现最小割最大流定理确定的网络容量的上限。编码分为确定网络编码和随机网络编码。因为确定网络编码虽然更精确，传输效率更高，但是构造传输系数的过程非常复杂，并且随着网络拓扑的的复杂度增高，构造的时间成本难以承受。实际使用中一般采用随机网络编码，其具有更好的适应性，同时，效率要低一些。网络编码可以用经典的蝴蝶图表示，如图1所示。

整个网络编码过程如下。源节点对数据进行网络编码过程如下：1）数据包分组。首先把要发送原始数据包进行分组，每个分组内有m个原始数据。然后从一个有限域上随机选取编码系数。每组数里有m个数，每组即为一个编码向量。将每个编码向量与m个原始数据进行运算得到n个与编码向量，然后打包发送。将组标识和编码向量作为包头加入到对应生成的数据包中，打包发送到网络。2）中间节点重新编码。收到k个数据包后，为了进一步降低每个数据包之间的线性相关性，需要对k个数据包重新编码，增强独立性。3）译码。信宿节点收到m个线性独立的数据包之后就可以译码，得出原始消息。

2 水下声学传感器网络

无线电波在水下环境中衰减严重，频率越高衰减越大，并且只能实现短距离的高速传输，不能够满足远距离水下通信的要求，不适用于水声传感器网络。光学信号虽然可以用来短距离高速传输，但极易发生散射，并且它要求直线对准传输，通信质量还受海水的清晰度的影响，所以光学信号在水下的应用也受到制约，一般只适合于用于近距离的高速数据通信。水声传感器网络一般主要利用水下声波信道进行通信，和陆上无线电信道相比，水下声信道主要有以下特点：

1）信号传输距离长、延时长和延时动态变化。

2）水声信号衰减较大：海水中声波传播的能量损耗主要包括扩散损失、吸收损失、散射损失和反射损失等。

3 能量收集和多路径技术技术

3.1 能量收集

无线传感器网络中进行多播的时候中间链路可能存在丢包，某一个中间节点可能丢失上游的一些信息包从而无法完成下游的编码。一个可能恢复这些中间节点所需要的信息的方法是充分利用无线传感器网络的广播特性。中间节点丢失的某个上游信息可能就在这个节点收到的多播冗余信息里，通过随机线性网络编码方案，在中间节点就把这些信息恢复出来从而完成下游信息的网络编码。因为这些信息是由于水声传感器网络的广播特性而获取的，不需要主动耗费传输能量，充分利用了广播的冗余信息从而节省了能量。这样做的好处：1）是避免一个错误的信息到信宿节点才被恢复出来从而需要重传而浪费能量，即使在中间节点恢复出来，从而节省能量。2）充分利用无线传感器网络信号的发散特性，利用网络编码将这些发散的信号中可能蕴含的备份信息解码出来。如果没有网络编码技术，在单纯的路由传输下，这些多余的信号能量就会被浪费掉。以上两点极大的增强了电池的续航能力，进而提高了传感器网络在水下的生存周期。

3.2 多路径技术

为了提高数据包的交付率、减少单位数据包所消耗的能量，针对水声传感器网络提出多路径传输的多播方案。水声传感器网络中由于存在丢包，为了提高传输成功率常采用多路径重传的方式，此时的多播网络编码和不存在差错的多播模型存在很多差别，因为中间节点可能丢失上游的信息包，按照传统多播网络编码模型无法完成编码。将上游错误的信息包用特殊的符号标记，继续参加本中间节点的局部网络编码并将编码信息广播到下游节点，这样可以使多播模型在存在差错的情况下也能实现。这就将经典网络编码多播模型和多路径网络编码传输有机的结合起来。这种方案减少了传输次数，从而节省了能量。

4 结语

本文利用基于网络编码的能量收集和多路径技术，实验结果表明，此方案有效的减小了传感器电池电量的消耗。

［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］ 刘敏， 惠力， 杨立， 等.水声传感器网络及其在海洋监测中的应用研究［J］.山东科学， 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