周浩慧
(長(zhǎng)沙商貿(mào)旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息系,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展,通信網(wǎng)絡(luò)與人們的生活聯(lián)系越來(lái)越緊密。為了滿(mǎn)足人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多元化的需求,近年來(lái)出現(xiàn)了很多滿(mǎn)足特殊應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò),無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)就是其中的一種。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是能在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何環(huán)境下快速組網(wǎng)并完成一定感知任務(wù)的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò),如車(chē)載傳感器網(wǎng)絡(luò)、氣象監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)水下設(shè)備傳感器網(wǎng)絡(luò)以及森林環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。
然而在一些特殊的環(huán)境下應(yīng)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí),由于某些原因,網(wǎng)絡(luò)大部分時(shí)間是不連通的,傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)要求通信的2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間至少存在1條完整的路徑,這種特殊的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)帶來(lái)的相遇機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)通信,稱(chēng)之為延遲容忍移動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Mobile Sensor Networks,DTMSN)[1]。隨著DTMSN在實(shí)際的應(yīng)用增多,越來(lái)越多的研究人員投入到DTMSN的研究中,而且在DTMSN數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯可先〉昧艘恍┏晒?,但仍然不能滿(mǎn)足在特殊環(huán)境中應(yīng)用的需求,筆者在DTMSN中引入網(wǎng)絡(luò)編碼[2],主要研究在DTMSN的數(shù)據(jù)傳輸中使用網(wǎng)絡(luò)編碼來(lái)優(yōu)化DTMSN的傳輸性能。
DTMSN由2種節(jié)點(diǎn)組成:傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink),傳感器節(jié)點(diǎn)放置在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)體上并形成一個(gè)間歇性連通利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)通信的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),匯聚節(jié)點(diǎn)是放置在某固定位置或運(yùn)動(dòng)體上用來(lái)收集數(shù)據(jù)的超級(jí)節(jié)點(diǎn),是所有源傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)回傳的終點(diǎn)。一方面,DTMSN具有傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]的很多特性,如傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸距離短、計(jì)算能力弱、存儲(chǔ)空間和能源非常有限等。另一方面,與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相比,DTMSN又具有如下特性:1)隨機(jī)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)或Sink節(jié)點(diǎn)是放在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)體上,節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)變化的。2)連通間歇性。DTMSN的連通性比較差,網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點(diǎn)之間的連通是偶爾的。3)延遲容忍。DTMSN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t很高,在使用時(shí)要能夠容忍延遲。4)較差的可靠性。DTMSN中數(shù)據(jù)的傳輸成功率較低,數(shù)據(jù)交付的可靠性比較差。
目前DTMSN還沒(méi)有一個(gè)比較統(tǒng)一的定義,筆者參照現(xiàn)有一些文獻(xiàn)分析DTMSN的特點(diǎn),給出一個(gè)描述性定義:DTMSN是一種不需要傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間存在完整鏈路,利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的相遇機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)廣泛數(shù)據(jù)收集的新型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。DTMSN的路由模式是“存儲(chǔ)—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)”。圖1是DTMSN示意圖,t1時(shí)刻源傳感器節(jié)點(diǎn)1希望將數(shù)據(jù)傳輸給固定位置的Sink節(jié)點(diǎn),但節(jié)點(diǎn)1和Sink節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有一條完整的通信鏈路,因此,1將數(shù)據(jù)發(fā)送給鄰居節(jié)點(diǎn)2,2再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給3,由于3沒(méi)有合適的下一跳可轉(zhuǎn)發(fā),它將數(shù)據(jù)在本地存儲(chǔ)并等待傳輸機(jī)會(huì),過(guò)一段時(shí)間到達(dá)t2時(shí)刻,通過(guò)運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)6相遇,3將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給6,t3時(shí)刻,6將數(shù)據(jù)傳輸給Sink節(jié)點(diǎn),完成數(shù)據(jù)傳輸。
網(wǎng)絡(luò)編碼理論[4]作為21世紀(jì)初信息論領(lǐng)域中一大重要突破,是由香港中文大學(xué)的Ahlswede等人提出,該理論改變傳統(tǒng)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入的信息流只進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的模式,通過(guò)允許中間節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入信息流在轉(zhuǎn)發(fā)前進(jìn)行編碼,并保證接收節(jié)點(diǎn)能正確地恢復(fù)源節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信息,從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)通信的最大容量,最大限度地利用網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的資源。網(wǎng)絡(luò)編碼最初是為有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)而提出的,但經(jīng)過(guò)大量研究卻發(fā)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中鏈路的不可靠性和物理廣播特性非常適合網(wǎng)絡(luò)編碼。因此,網(wǎng)絡(luò)編碼被應(yīng)用去解決各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題,并且取得了一定的成果,DTMSN作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一種同樣適合網(wǎng)絡(luò)編碼。
圖2是簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)編碼示意圖,假設(shè)每條鏈路的容量為每單位時(shí)間1 bit,源節(jié)點(diǎn)S向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D1和D2同時(shí)發(fā)送2 bit信息a和b。圖2a采用傳統(tǒng)的組播技術(shù),節(jié)點(diǎn)S把信息a和b分別發(fā)送給1和2,節(jié)點(diǎn)1和2將收到的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)1直接得到a,節(jié)點(diǎn)2直接得到b。當(dāng)a和b到達(dá)節(jié)點(diǎn)3要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),由于節(jié)點(diǎn)3和4之間只有1條鏈路且鏈路的容量為1 bit,因此信息a或b必須在節(jié)點(diǎn)3處排隊(duì)等候1個(gè)單位時(shí)間。如此一來(lái),這2個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)接收到的信息為1.5 bit。圖2b使用網(wǎng)絡(luò)編碼,中間節(jié)點(diǎn)3將收到的信息a和b進(jìn)行編碼,得到a⊕b,然后將編碼后的信息轉(zhuǎn)發(fā)出去。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D1接收到信息a和編碼后的信息a⊕b,通過(guò)運(yùn)算解碼出b。同樣,在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D2上也通過(guò)運(yùn)算解碼出a。這樣這2個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)接收到的信息接近2 bit。
圖2 2種信息處理方式示意圖
網(wǎng)絡(luò)編碼作為信息論和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合,在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、節(jié)約能耗、增強(qiáng)可靠性和安全性等方面表現(xiàn)突出,但同時(shí)也增加了節(jié)點(diǎn)的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。由于近幾十年計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i不是計(jì)算量而是網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心就是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力換取在網(wǎng)絡(luò)帶寬方面的提高以及安全性和可靠性方面的增強(qiáng)。
在DTMSN中加入其他技術(shù)和設(shè)計(jì)出適合的數(shù)據(jù)傳輸策略來(lái)提高DTMSN的性能,已經(jīng)成為DTMSN研究中的重要內(nèi)容?;诰W(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)某種編碼方法編碼成相互冗余的數(shù)據(jù)消息,目的節(jié)點(diǎn)只要收到一定數(shù)量編碼后的數(shù)據(jù)消息就可以通過(guò)運(yùn)算恢復(fù)出原數(shù)據(jù)。基于復(fù)制的數(shù)據(jù)傳輸是在網(wǎng)絡(luò)中注入大量冗余信息,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?,但卻加大了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)?;谛в玫臄?shù)據(jù)傳輸能在一定程度上避免節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的盲目性,減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù),提高數(shù)據(jù)傳輸成功率,可是卻加重了部分節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān),造成了某些鏈路的嚴(yán)重?fù)砣6谛в煤途W(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸能在提高數(shù)據(jù)傳輸成功率的同時(shí)很好地均衡網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo),有效減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)和傳輸延遲,最終實(shí)現(xiàn)DTMSN性能的最大化。
Spray and Focus(SF)[5]是一種基于效用的數(shù)據(jù)傳輸策略,該策略改進(jìn)了基于復(fù)制的Spray and Wait(SW)[6]數(shù)據(jù)傳輸策略的Wait階段。SF分為Spray和Focus 2個(gè)階段,在Spray階段,源節(jié)點(diǎn)生成1個(gè)數(shù)據(jù)后產(chǎn)生該數(shù)據(jù)的L(L>1)份副本,使用某種分發(fā)策略將這L份副本分發(fā)給其他沒(méi)有緩存該數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn),當(dāng)分發(fā)任務(wù)完成后,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Focus階段,在Focus階段,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與其相遇的節(jié)點(diǎn)維持1個(gè)效用值,這樣網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)不斷從效用值較低的節(jié)點(diǎn)經(jīng)“存儲(chǔ)—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)”傳送到效用值高的節(jié)點(diǎn),直到與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相遇完成數(shù)據(jù)的傳輸。假如節(jié)點(diǎn)的效用值在網(wǎng)絡(luò)中分布適當(dāng),SF可在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。
1)定義1[7]
平均連接頻率(ACF)fi,j是指節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在單位時(shí)間內(nèi)聯(lián)系的次數(shù),公式為
式中:T指預(yù)先定義的固定時(shí)長(zhǎng),Ni,j是指在T時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)i和j聯(lián)系的次數(shù)。
2)定義2[8]
Ci是指節(jié)點(diǎn)i在一段時(shí)間內(nèi)與網(wǎng)路內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的連接次數(shù)不小于1的節(jié)點(diǎn)數(shù),公式為
式中:N是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù),T指預(yù)先定義的固定時(shí)長(zhǎng),如果在T時(shí)間段內(nèi)Ni,j不小于1,那么ET(i,j)=1,否則ET(i,j)=0。
在DTMSN中,假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有1個(gè)唯一的ID且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與其相遇的節(jié)點(diǎn)維持1個(gè)C值并與Sink節(jié)點(diǎn)維持1個(gè)ACF值,每T時(shí)間內(nèi)更新節(jié)點(diǎn)的ACF值和C值。SF-NC中的Spray階段采用C-Binary分發(fā)策略,該分發(fā)策略改進(jìn)了SF中Spray階段副本擴(kuò)散的局部性弊端,并且為網(wǎng)絡(luò)編碼提供了好的編碼環(huán)境,源傳感器節(jié)點(diǎn)生成1個(gè)數(shù)據(jù)后產(chǎn)生該數(shù)據(jù)的L(L>1)份副本,使用交換機(jī)制分發(fā)給未緩存該數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn),在分發(fā)過(guò)程中,當(dāng)遇到未緩存該數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)時(shí),就將數(shù)據(jù)的1份副本給它,然后這2個(gè)節(jié)點(diǎn)按一定比例來(lái)分配當(dāng)前剩余副本的分發(fā)任務(wù),這個(gè)比例就是這2個(gè)節(jié)點(diǎn)C的比值,C-Binary分發(fā)策略能很好地將同一個(gè)數(shù)據(jù)的副本在網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散開(kāi)。當(dāng)分發(fā)任務(wù)完成后,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Focus階段,在Focus階段使用網(wǎng)絡(luò)編碼,采用以下2個(gè)機(jī)制觸發(fā)編碼器:1)緩存隊(duì)列滿(mǎn)時(shí)。2)遇到比自己ACF值高的節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)。中間節(jié)點(diǎn)將編碼后的數(shù)據(jù)消息廣播,只有ACF值比該節(jié)點(diǎn)ACF大的節(jié)點(diǎn)才接收此數(shù)據(jù)消息,并放入緩存隊(duì)列中等待,Sink節(jié)點(diǎn)的ACF值可看成是無(wú)窮大,T可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況來(lái)設(shè)定。
隨機(jī)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)編碼[9-11]是指每個(gè)消息都對(duì)應(yīng)1個(gè)在有限域中隨機(jī)選取的編碼系數(shù),這些消息和其對(duì)應(yīng)的編碼系數(shù)通過(guò)加和乘運(yùn)算組成線(xiàn)性組合的一種編碼方法。策略使用離散時(shí)間模型[12],把在源傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生分成離散的時(shí)間段,這里稱(chēng)時(shí)間段為“代”,每“代”產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有1個(gè)相同的標(biāo)識(shí),只有擁有相同標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行編碼。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收到的相同標(biāo)識(shí)的信息向量和對(duì)應(yīng)的編碼向量放在1個(gè)解碼矩陣中存儲(chǔ)。Sink節(jié)點(diǎn)按“代”將收到的數(shù)據(jù)消息分別放入解碼矩陣中,當(dāng)單個(gè)信息向量包含的源數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)等于解碼矩陣的秩時(shí),能解碼出對(duì)應(yīng)的源數(shù)據(jù)。例如,中間節(jié)點(diǎn)A,B1,B2,…,Bn,目的節(jié)點(diǎn)為Sink節(jié)點(diǎn),則fA表示節(jié)點(diǎn)A的ACF值,GAr表示節(jié)點(diǎn)A的r代解碼矩陣,fBi表示節(jié)點(diǎn)Bi的ACF值表示節(jié)點(diǎn)Bi的r代解碼矩陣。(gAr(t),yAr(t))表示A節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻發(fā)出的編碼向量和信息向量的元組,GAr(t)表示節(jié)點(diǎn)A在t時(shí)刻r代的解碼矩陣,Rr(t)是1個(gè)在有限域中隨機(jī)取的不為0的系數(shù)向量。假設(shè)則算法為:
1)在t時(shí)刻,假如節(jié)點(diǎn)A滿(mǎn)足以上2種觸發(fā)機(jī)制中的任何一種就觸發(fā)編碼器進(jìn)行編碼,得到
假如是第1種機(jī)制觸發(fā),編碼后再存儲(chǔ),假如是第2種機(jī)制觸發(fā),就轉(zhuǎn)發(fā)元組(gAr(t),yAr(t))。
2)假如不能觸發(fā)編碼器,則再等待t1時(shí)間,即t+=wait(t1),返回 1)。Bi節(jié)點(diǎn)收到(gAr(t),yAr(t))后將其插到自己的解碼矩陣GBir中,如果插入后增加了解碼矩陣的秩就存儲(chǔ),否則忽略。為快速解碼源數(shù)據(jù),一般使用高斯消元法讓解碼矩陣保持簡(jiǎn)化形式。
使用NS2進(jìn)行仿真,仿真環(huán)境為:將60個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)放在60個(gè)運(yùn)動(dòng)體上,然后在1個(gè)3 000 m×3 000 m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署,1個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)固定在1 500 m×1 500 m處,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍是80 m,在其中選5個(gè)節(jié)點(diǎn)作為源傳感器節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,源傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)之間幾乎不存在完整的鏈路,傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模型為Random-Waypoint,設(shè)定SF-NC算法中隨機(jī)線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)編碼的編碼向量是基于有限域GF(28)。
筆者模擬實(shí)現(xiàn)了SF-NC,F(xiàn)AD和泛洪算法,分別將它們?cè)趥鞲衅鞴?jié)點(diǎn)不同移動(dòng)速度和不同存儲(chǔ)隊(duì)列長(zhǎng)度下,對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸成功率和平均傳輸時(shí)間進(jìn)行比較。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。
在DTMSN實(shí)際環(huán)境中,為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β剩坏貌幌蚓W(wǎng)絡(luò)中注入大量冗余信息,因此網(wǎng)絡(luò)相對(duì)比較繁忙,網(wǎng)絡(luò)越繁忙傳感器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)受限問(wèn)題就越突出,但此卻非常適合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼,使用網(wǎng)絡(luò)編碼經(jīng)1次編碼就可以完成多次發(fā)送任務(wù),而基于效用值的傳輸能很好地控制副本的數(shù)量。這樣就很大程度上緩解了節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)受限問(wèn)題,而且大大提高了傳輸效率,減輕了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷,減少了節(jié)點(diǎn)的能量消耗,縮短了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。
可以看到SF-NC數(shù)據(jù)傳輸策略能以較低的數(shù)據(jù)傳輸延遲獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。由于該策略能有效利用局部連通機(jī)會(huì),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼使節(jié)點(diǎn)間以最有效的方式傳輸數(shù)據(jù),減輕網(wǎng)絡(luò)的擁塞,節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間,讓節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能在有限的相遇時(shí)間內(nèi)以最快的方式轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣既減少了傳輸次數(shù),又充分利用了節(jié)點(diǎn)間難得的相遇機(jī)會(huì),當(dāng)節(jié)點(diǎn)的ACF值在網(wǎng)絡(luò)中分布適當(dāng)并且L的值適合時(shí),SF-NC能極大地提高DTMSN的傳輸性能。
筆者把網(wǎng)絡(luò)編碼引入到DTMSN中,結(jié)合基于效用的SF數(shù)據(jù)傳輸策略,設(shè)計(jì)出了SF-NC數(shù)據(jù)傳輸策略,相比DTMSN中現(xiàn)有的幾種數(shù)據(jù)傳輸策略,在整體性能上有很大的提升。網(wǎng)絡(luò)編碼作為通信領(lǐng)域的重大突破,隨著對(duì)網(wǎng)絡(luò)編碼研究的不斷深入,將給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來(lái)革命性的變化,DTMSN作為一種新型的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò),把它與網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合對(duì)DTMSN的發(fā)展將產(chǎn)生具有深遠(yuǎn)意義的影響。下一步將更加深入地研究網(wǎng)絡(luò)編碼在DTMSN中的應(yīng)用。
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