丁全峰

摘要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，編碼技術(shù)在無線傳感器中也得到了很大的應(yīng)用。科學(xué)家已經(jīng)證實網(wǎng)絡(luò)編碼能夠逼近容量理論傳輸極限，在有線網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用。下面就詳細(xì)介紹節(jié)點協(xié)同通信技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、簇內(nèi)多節(jié)點信息交換技術(shù)等在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，希望其在未來網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的作用越來越大。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)；無線傳感器

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）36-0009-02

業(yè)內(nèi)人士都知道無線鏈路有物理層廣播特性和不可靠性，針對這一問題開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有很大的使用前景，其能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性，加強(qiáng)魯棒性等優(yōu)勢，為了讓該技術(shù)的作用在最大程度上得到發(fā)揮，推進(jìn)我國編碼技術(shù)的發(fā)展，下面就對該技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。

1有關(guān)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的分析

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)就是在節(jié)點工作中，不僅要讓其具備轉(zhuǎn)發(fā)和儲存的能力，同時還可以對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼操作。無線網(wǎng)絡(luò)和物理方面的廣播特點進(jìn)行有機(jī)的融合，再引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能將會有很大提升。例如在圖1中，其是一個雙向通信的三節(jié)點模型，在工作中需要對A和B兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)x A和xB 進(jìn)行交換操作，在此過程中可以忽略A和B的直接鏈路。該圖中反映了傳統(tǒng)的譯碼方案設(shè)計思路。一般情況下而言，兩步方案和三步方案是常用的網(wǎng)絡(luò)編碼方案，分別是圖1（b）和1（c）所表示的情況，如果使用三步方案進(jìn)行操作，中繼節(jié)點需要進(jìn)行譯碼，譯碼之后再進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)操作，在節(jié)點A中所包含的數(shù)據(jù)為xA到中繼R，使用中繼R對其進(jìn)行譯碼操作，而節(jié)點B中的數(shù)據(jù)是從xB到中繼R，利用中繼R進(jìn)行譯碼操作，最后中繼節(jié)點可以把xR（xA，xB）數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播，廣播之后節(jié)點A和B就會接收到。如果使用兩步方案進(jìn)行廣播，就應(yīng)該讓信息流通過多種接入途徑進(jìn)行廣播，其中中繼節(jié)點可以進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，或者是使用去噪轉(zhuǎn)發(fā)，也可以應(yīng)用聯(lián)合譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，但是其工作原理都是相同的，就是讓A和B節(jié)點分別結(jié)合所有的信息和對方的信息進(jìn)行交換，進(jìn)而得到對方的信息，然后進(jìn)行聯(lián)合譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，去噪轉(zhuǎn)發(fā)，和放大轉(zhuǎn)發(fā)。在中繼節(jié)點上能夠讓信息收集到不同的網(wǎng)絡(luò)編碼算法。到目前為止，技術(shù)人員就提出了很多網(wǎng)絡(luò)編碼的計算方式，例如物理層網(wǎng)絡(luò)編碼算法，模擬網(wǎng)絡(luò)編碼算法，以及隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼算法，線性網(wǎng)絡(luò)編碼算法等。為了讓更多的人了解該技術(shù)，在工作崗位上熟練的操作和使用，下面就對節(jié)點協(xié)同通信技術(shù)，雙向協(xié)同網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，節(jié)點之間的信息交換技術(shù)，分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)等進(jìn)行分析。

2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在無線傳感器中的應(yīng)用分析

2.1節(jié)點協(xié)同通信技術(shù)的應(yīng)用

協(xié)同通信技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)中有很大的作用，在操作方面其利用多個單天線點構(gòu)成虛擬多天線陣列，這樣可以獲得很大的分集增益。該技術(shù)結(jié)合了MIMO系統(tǒng)和中繼通信的優(yōu)勢，因此在協(xié)同傳輸中能力更強(qiáng)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，會有一定的傳輸能耗和點電路能耗，應(yīng)用協(xié)同MIMO的理論知識[1]，如果超過規(guī)定的距離后，其會得到比直接傳輸更好的性能，但是其也有一定的缺點，就是頻譜效率有所下降，通過引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和頻譜效率。

2.2單向協(xié)同網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的應(yīng)用

如果節(jié)點對其中任何一個源節(jié)點信息譯碼都不正確，那么就表明系統(tǒng)程序已經(jīng)中斷。在系統(tǒng)中斷后，如果使用了單向協(xié)同技術(shù)，可以得到和沒有使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)相同的分集度，但是考慮到A、B兩個節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸問題，每一個節(jié)點都要結(jié)合對應(yīng)的中斷節(jié)點來選擇協(xié)同節(jié)點，從而協(xié)助對xA和xB到各個目的地的節(jié)點[2]。其中圖2和圖3中分別給出了多節(jié)點協(xié)同傳輸以及中繼協(xié)同傳輸在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼和沒有應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的示意圖。從圖2和圖3中可以明顯看出，如果使用自己適應(yīng)的譯碼進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時，如果發(fā)生了協(xié)同點對其中的一個節(jié)點譯碼不正確，還可以只轉(zhuǎn)發(fā)另一個節(jié)點的信息，不會造成頻譜資源的大量浪費[3]。

2.3雙向協(xié)同網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的應(yīng)用

在圖4中顯示，當(dāng)A、B兩個節(jié)點交換各自的信息之后，就會有n個中繼節(jié)點應(yīng)用于協(xié)同中繼，網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行信息傳輸時，一般可以分成兩個階段[3]，在第一個階段中，兩個節(jié)點會把各自的信息傳遞到中繼節(jié)點上，當(dāng)進(jìn)行第二個階段時，中繼節(jié)點會以協(xié)同的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作，空時分組碼非常簡單，而且實際操作性能優(yōu)良，因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)被企業(yè)納入到移動通信標(biāo)準(zhǔn)中[4]，由圖4就可以看見其傳輸?shù)牧鞒?，n 個中繼節(jié)點能夠使用空時分組碼的方式進(jìn)行信息傳播，其操作簡單，而且作用性能強(qiáng)，隨著配套技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)還會有更好的發(fā)展。

例如在第一個傳送階段， A 和 B所發(fā)送的信號都被中繼節(jié)點所接收，中繼節(jié)點對這些信息進(jìn)行放大，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)方式可以是去噪轉(zhuǎn)發(fā)，也可以是譯碼轉(zhuǎn)發(fā)，下面就結(jié)合實際的例子進(jìn)行飛行，希望能讓更多的人理解[5]。如果在 兩個符號周期內(nèi)，信道是準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落信道，也就是說在這兩個符號周期內(nèi)，其中的衰落系數(shù)不會發(fā)生變化，這兩個節(jié)點會分別傳輸一定量的信息，用向量表示為xb =（x1b，x2b），xA =（x1A ，x2A），這兩個中繼節(jié)點所接收到信號分別是 yR2=（y1R2，y2R2）和yR1=（y1R1，y2R1），在第二個階段中，中繼節(jié)點應(yīng)用了空時分組碼方式，分別把信息轉(zhuǎn)發(fā)給A節(jié)點和B節(jié)點。如果進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)，兩個中繼節(jié)點傳輸?shù)男盘柧蜑閤R1=（y1R1，-（y2R1）*）和xR1=（y1R2，-（y2R2）*）.如果使用譯碼方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，若兩個中繼節(jié)點的譯碼是正確的，需要對譯碼之后的信號x A和 xB做好網(wǎng)絡(luò)編碼操作，還是上述的情況，其傳輸?shù)男盘柧头謩e變成（xR1=（x1A +x1B ，-x2A +x2B）*）和（xR1=（x2A +x2B ，-x1A +x1B）*）[6]。除此之外，還可以使用去噪方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行去噪轉(zhuǎn)發(fā)過程中，要結(jié)合接收的兩個節(jié)點信號，然后合理的判斷出信號可能調(diào)制的映射情況，當(dāng)其把這些信號轉(zhuǎn)發(fā)給兩個節(jié)點之后，這兩個節(jié)點再分別結(jié)合自己的情況調(diào)整映射，最后就得到了對方的信息。就拿BPSK來進(jìn)行分析[7]，如果中繼節(jié)點收到的信號幅度為0，那么就能夠判斷這兩個節(jié)點調(diào)制的映射是1， -1。如果中繼節(jié)點所收到的信號幅度是2，那么也能夠判斷出兩個節(jié)點映射是1，1.如果節(jié)點所收到的信號幅度是-2，那么這兩個節(jié)點調(diào)制的映射都是-1，從這些情況可以看出在BPSK 調(diào)制下，可以進(jìn)行簡化操作，把兩個信號是否相同作為參照，使用0和1對中繼轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行表示[8]，由此可以看出，雙向協(xié)同網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)有多種轉(zhuǎn)發(fā)方式，因此可以結(jié)合實際需求進(jìn)行選擇，能夠更好的滿足于用戶的需求，因此其在未來的發(fā)展前景非常好。

2.4節(jié)點之間的信息交換技術(shù)分析

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行中，其中有很多源之間的節(jié)點信息交換，例如在分布式的計算情況下，無論是同步信息的交換操作，還是擁塞控制信息的交換操作，都要求信息節(jié)點把信息從無線中廣播到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，這在網(wǎng)絡(luò)中也被稱之為閑聊機(jī)制。其最重要的是多源節(jié)點信息交換技術(shù)，除此之外，去在個別節(jié)點信息交換，以及位置感知上也有很大作用[9]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點分別使用X1、X 2 …XN 來表示，其都需要和其他的節(jié)點進(jìn)行信息交換，就例如分簇結(jié)構(gòu)而言，對每一個源節(jié)點信息進(jìn)行交換一般都使用簇頭節(jié)點，也被稱之為Cluster Head，CH，如果設(shè)定節(jié)點為Xi，i=1，2，3，4，5，6，7…，N需要把比特Bi傳送給節(jié)點Xj，j≠i，而其中的每一個節(jié)點都利用物理層進(jìn)行廣播，一個比特信息就是一個單位時間，傳送的信息量越大，其耗費的時間也就越多。如果不使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，設(shè)置節(jié)點為點 Xi，其中 i=1，2，3，4，5，6…，N要把比特信息Bi發(fā)送到簇頭節(jié)點上，然后簇頭節(jié)點會繼續(xù)把比特信息發(fā)送出去，這樣這個多源節(jié)點的信息交換過程就變得非常復(fù)雜，而且通過時間證明其所耗費的時間為2N個單位時間，是使用無線網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)時間的2倍[10]。當(dāng)使用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)后，其節(jié)點用Xi來表示，而i=1，2，3，4，5，6，7…，把比特信息Bi分別發(fā)送到簇頭節(jié)點上，然后再由簇頭節(jié)點把B1和B2，B1和B3 ，B4和B5 ，B，5和B6，B8和B9 …，B1和BN 的異或后的比特信息都廣播出去，由于這些節(jié)點都有一個比特，當(dāng)接收到所有異或結(jié)果時，就能夠獲得其他節(jié)點的比特信息，據(jù)初步統(tǒng)計需要2N-1個單位時間。由此可以看出，如果源節(jié)點的個數(shù)是N，其吞吐量提高的比例下限將會達(dá)到1/（2N-1）。在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步分析，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常有高于1/（2N-1）的吞吐量，就那3節(jié)點作為案例，假設(shè)X2和X1、X3和X2節(jié)點之間的距離比較近，那么X3和X3就是分別偷聽到X1和X2的比特信息，設(shè)置其比特信息為B1和B2，之后各個節(jié)點就會向Ch發(fā)送信息，CH只要廣播這三個比特信息的異或結(jié)果就可以，這樣所耗費的時間為4個單位時間，此過程的吞吐量達(dá)到了50%，效率有了明顯提升，因此編碼技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的作用非常重要[11]。

2.5有關(guān)分布式數(shù)據(jù)存儲方面的分析

在WSN中的數(shù)據(jù)流向和在Internet中的數(shù)據(jù)流向截然相反，在Internet的網(wǎng)絡(luò)中，基本上都是從終端網(wǎng)絡(luò)上得到一部分信息，但是在WSN中卻不是這樣的，其終端設(shè)備的工作是向網(wǎng)絡(luò)中提供有效信息，但是其存在一定問題，在這些終端設(shè)備中，使用的都是微型化的傳感器節(jié)點，存儲的容量非常有限，尤其是在建筑監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測，以及自然災(zāi)害管理，或者是野外生物跟蹤，以及軍事管理等方面的應(yīng)用中，這種動態(tài)實時數(shù)據(jù)管理以數(shù)據(jù)為中心，對數(shù)據(jù)存儲的能力要求也就更高。而通過引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，為分布式數(shù)據(jù)存儲理論帶來了新的思路和方向，相信在科技人員不斷的努力下，未來一定會有性能更加優(yōu)越的分布式數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。

3 總結(jié)

在通信網(wǎng)絡(luò)中引入了網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，可以說是在信息傳輸和信息處理方面的一大突破。經(jīng)過實踐檢驗和不斷的技術(shù)完善，其在網(wǎng)絡(luò)通信中的作用越來越大，與此同時，也證實了其開始的理論研究，讓其在未來有更加廣闊的應(yīng)用前景。通過有關(guān)專家和部門的分析，其是下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的核心技術(shù)之一。在網(wǎng)絡(luò)編碼方面的很多技術(shù)都可以嘗試的在無線傳感器中使用，雖然要耗費一定的人力、物力和專家的時間，但是研究的成果將會有很大的應(yīng)用價值。

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