楊 波，徐建波

湖南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201

無線傳感網(wǎng)使用網(wǎng)絡(luò)編碼的新型數(shù)據(jù)傳輸方法

楊 波，徐建波

湖南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201

1 概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，許多應(yīng)用需要很高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，要求數(shù)據(jù)從源節(jié)點可靠地傳輸?shù)侥康墓?jié)點。

傳統(tǒng)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的方法通過增加數(shù)據(jù)冗余傳輸實現(xiàn)，主要有重傳和多路徑兩種方式[1-2]。重傳中，為了保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，每跳信息傳輸都需要確認機制，以保轉(zhuǎn)發(fā)成功；多路徑方法事先根據(jù)所需的信息傳輸可靠性計算出路徑數(shù)，將信息沿著多條路徑傳輸，該方法不需要確認消息，但需要維護多條路徑，控制復(fù)雜。增加數(shù)據(jù)冗余傳輸?shù)乃枷胍韵膫鞲衅鞴?jié)點大量額外能量為代價，而且控制信息量大。由于傳感器節(jié)點能量非常有限，大量的冗余數(shù)據(jù)傳輸很容易使節(jié)點能量消耗殆盡，縮短網(wǎng)絡(luò)壽命。

2000年，Ahlswede等人[3]提出網(wǎng)絡(luò)編碼理論，其初衷是為了提升組播傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)吞吐量。伴隨著研究不斷深入，網(wǎng)絡(luò)編碼其他方面的優(yōu)點也體現(xiàn)了出來[4-5]，如均衡網(wǎng)絡(luò)負載、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬、減少網(wǎng)絡(luò)能耗等。在提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，文獻[6]提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無線傳感網(wǎng)多路徑傳輸方法；文獻[7]借助網(wǎng)絡(luò)編碼為傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一個數(shù)據(jù)收集協(xié)議SenseCode；文獻[8]在無線網(wǎng)絡(luò)中將基于簇的協(xié)作通信與網(wǎng)絡(luò)編碼結(jié)合起來研究；文獻[9]提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的機會路由機制。這些方法都采用類似的隨機線性編碼策略，需攜帶編碼向量傳輸，附帶信息量大；而且許多策略都需要構(gòu)建固定傳輸路徑，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點能量消耗不夠均衡。

本文首先設(shè)計了一個新的編碼矩陣構(gòu)造方法，它能提高解碼效率且不用傳輸編碼向量；隨后提出了一種新的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略，通過“區(qū)域推進”機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸與各節(jié)點的均衡能耗，并極大地減少不必要的冗余傳輸。新的數(shù)據(jù)傳輸策略簡單易行，可提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。

2 實用網(wǎng)絡(luò)編碼思想

實用的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法的基本思想是，源節(jié)點將要傳輸?shù)亩喾輸?shù)據(jù)編碼成許多彼此無關(guān)的數(shù)據(jù)，目的端只要接受到一部分編碼數(shù)據(jù)就能恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。具體的過程如下。

源節(jié)點S具有k份數(shù)據(jù)，記為 x1，x2，…，xk，需要發(fā)送給目的節(jié)點D。發(fā)送前，源節(jié)點S隨機產(chǎn)生n個(n＞k)k維（每個向量含有k個分量）向量，記為v1，v2，…，vn，即

各向量稱作編碼向量。

將這n個向量與k份數(shù)據(jù)進行式（3）的編碼運算，得到n份編碼數(shù)據(jù)，記為 y1，y2，…，yn，即

這些編碼向量組成的矩陣稱為編碼矩陣。

源節(jié)點S將每個編碼后的數(shù)據(jù) yj(j=1，2，…，n)與其對應(yīng)的編碼向量打包，得到n個編碼數(shù)據(jù)包，記為 pj(j=1，2，…，n)，將這n個編碼數(shù)據(jù)包發(fā)往目的節(jié)點D。目的節(jié)點收到足夠的編碼包后，當有k個編碼向量線性無關(guān)時，就能解碼出原始數(shù)據(jù)x1，x2，…，xk，如式（4）所示。

需要說明的是，為便于計算機存儲和計算，編碼、解碼運算均是指有限域GF(2q)中運算。

3 新的編碼矩陣構(gòu)造方法

現(xiàn)有方法中，編碼矩陣都是通過在有限域中隨機生成各編碼向量得到，這不利于解碼甚至造成解碼失??；而且需要攜帶各編碼向量傳輸，以便目的節(jié)點獲得解碼向量。傳感器節(jié)點能量有限，應(yīng)盡量節(jié)能，減少額外信息傳輸，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

雖然有文獻指出增大有限域、或者讓中間節(jié)點對接受到的數(shù)據(jù)包再次編碼以增加編碼向量之間線性無關(guān)的機會，但都無法使解碼得到最終保證。而且，有限域越大，傳輸編碼向量的負擔(dān)也越大。

下面提出一種新的編碼矩陣構(gòu)造方法，它能保證任意的k個編碼向量線性無關(guān)，且不用攜帶編碼系數(shù)傳輸，目的節(jié)點只要收到任意k個編碼包即可推導(dǎo)出k個編碼向量并成功解碼。

3.1 構(gòu)造編碼矩陣

定理1構(gòu)造如下的矩陣M，其中k＜n，ai≠aj(i≠j)，ai≠0 (i=1，2，…，n)，則M中的任意k個列向量線性無關(guān)。

證明 如下所示構(gòu)建范德蒙行列式A，矩陣B是A對應(yīng)的矩陣：

由范德蒙行列式的性質(zhì)，當ai(i=1，2，…，n)互不相等時，行列式A≠0，因此，矩陣B的秩R(B)=n，所以矩陣B 的n個列向量線性無關(guān)。

從矩陣M中任意取k個列向量，由于每個列向量有k個分量，則這k個列向量可構(gòu)成一個行列式，記為C，設(shè)行列式C對應(yīng)的矩陣記為D。由矩陣M可知，行列式C仍是一個范德蒙行列式，所以C≠0，因此行列式C對應(yīng)的矩陣D的秩R(D)=k，即滿秩，因此D中的k個列向量線性無關(guān)。證畢。

3.2 編碼實現(xiàn)與解碼

使用新的編碼矩陣對原始數(shù)據(jù)編碼過程如式（5）所示。其中，D=(d1d2…dk)，表示由k份原始數(shù)據(jù)d1，d2，…，dk組成的數(shù)據(jù)行向量。編碼矩陣M的每個列向量即為編碼向量，編碼向量的第二個分量即ai稱為編碼向量標識，只需攜帶編碼向量標識傳輸即可。

每當sink收到一個編碼包，就可獲得該包的編碼數(shù)據(jù)yi和對應(yīng)的編碼向量標識ai，從而可導(dǎo)出該編碼包的編碼向量，即

當sink收到源節(jié)點S的任意k個編碼包后，即可推導(dǎo)出對應(yīng)的k個編碼向量和編碼數(shù)據(jù)。由定理1可知，這任意k個編碼向量是線性無關(guān)的。因此，收到任意k個編碼包即可成功解碼。

4 新型數(shù)據(jù)傳輸策略

現(xiàn)有基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法中，數(shù)據(jù)傳輸需要構(gòu)建固定傳輸路徑，構(gòu)建和維護多條路徑控制復(fù)雜。數(shù)據(jù)包只能沿著固定的路徑傳輸?shù)絪ink節(jié)點，當一路徑上的某個節(jié)點失效會造成數(shù)據(jù)鏈路的中斷，不能保證每跳轉(zhuǎn)發(fā)成功。

下面提出一種新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略，不用構(gòu)建固定傳輸路徑，使用區(qū)域推進機制，把數(shù)據(jù)可靠地向sink推進，能保證每跳可靠轉(zhuǎn)發(fā)和節(jié)點間均衡能耗。

4.1 區(qū)域推進機制

該策略中，數(shù)據(jù)傳輸不使用傳統(tǒng)的圖1所示的固定路徑模式，而是使用圖2的模式，本文稱之為區(qū)域推進。

圖1 固定路徑

圖2 區(qū)域推進

區(qū)域推進的基本思想是，在遠區(qū)（如區(qū)域A）使用一種簡單的策略自動選擇最佳代表節(jié)點將數(shù)據(jù)“推向”近區(qū)（如區(qū)域B）。

區(qū)域推進充分利用無線通信的廣播優(yōu)勢，受到廣播信息的節(jié)點都具有轉(zhuǎn)發(fā)信息的可能性，動態(tài)地自動選取某些最佳節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)向前推進；而固定路徑只有特定的節(jié)點才會轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。區(qū)域推進不用建立固定的傳輸路徑；與分簇相比，不用周期性地選擇簇頭，不用構(gòu)建和維護簇，也不用只由簇頭將數(shù)據(jù)傳送給下一個簇頭。

4.2 策略實現(xiàn)

使用如圖3的網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)以sink為中心被劃分成許多圓環(huán)，每個圓環(huán)的寬度為r/4，r為傳感器節(jié)點的最大輻射半徑。每個圓環(huán)內(nèi)的節(jié)點都有一個相同的圓環(huán)ID號，不同圓環(huán)內(nèi)的節(jié)點的圓環(huán)ID號不同，圓環(huán)ID號從里向外依次為1，2，…，n。圓環(huán)ID號代表節(jié)點到sink的跳數(shù)，也代表節(jié)點到sink的距離。這樣，每個圓環(huán)就代表了一個區(qū)域，數(shù)據(jù)沿著圓環(huán)由外往里向sink推進。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模型示意

數(shù)據(jù)傳輸之前，源節(jié)點S需要對每個編碼數(shù)據(jù)打包，數(shù)據(jù)包由包頭和包體組成。包體即為一個編碼數(shù)據(jù)；包頭有三部分：編碼向量標識、源節(jié)點S的ID號和當前節(jié)點圓環(huán)ID號。數(shù)據(jù)包傳輸過程中，當前節(jié)點圓環(huán)ID號會逐步被修改。

當某個節(jié)點收到（receive）一個數(shù)據(jù)包后，若該節(jié)點的圓環(huán)ID號小于收到包的包頭中的圓環(huán)ID號，則接受（accept）該包，否則丟棄（discard）該包。為便于討論，下面使用示意圖進行說明，該討論具有一般性。

如圖4所示，假設(shè)在某時刻，節(jié)點1為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，則稱區(qū)域C為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的后向區(qū)域，區(qū)域D為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的所在區(qū)域，區(qū)域E、F為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的前向區(qū)域。本文中，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的輻射半徑設(shè)為r/2。因此，當節(jié)點1轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，只有區(qū)域E、F中的節(jié)點才會接受包，區(qū)域C、D中的節(jié)點不接受包。

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

當節(jié)點a接受一個包 pj時，便計算出其對該包的轉(zhuǎn)發(fā)概率 pa(pj)和轉(zhuǎn)發(fā)等待時間ta(pj)。pa(pj)計算方法如式（7）所示：

其中，ERes(a)表示節(jié)點a的當前剩余能量，EIni(Const)為統(tǒng)一設(shè)定的初始能量參考值，是個常量，各節(jié)點中該值都相同。

由于區(qū)域的寬度為r/4，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)半徑為r/2，因此，節(jié)點1轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時會跨越覆蓋其前向(0，r/4)區(qū)域E，但只部分覆蓋(r/4，2r/4)區(qū)域F。所以，若F中有節(jié)點接收到轉(zhuǎn)發(fā)包，則應(yīng)從F中選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，否則從E中選取下一輪轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，目的是讓每次轉(zhuǎn)發(fā)都將數(shù)據(jù)推進的更遠。據(jù)此設(shè)計ta(pj)如式（8）所示：

其中，T為一個事先約定時間系數(shù)。于是，所有F中的接受節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)等待時間均小于T，而E中的所有接受節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)等待時間都大于T但小于2T。下面討論如何自動確定下一次的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

某個接受節(jié)點在其轉(zhuǎn)發(fā)等待時間內(nèi)，若沒有偵聽到“抑制”信號，則表示還沒有節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該包，該節(jié)點a就獲得該包的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)。獲得轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)的節(jié)點立即發(fā)送一個該包的“抑制”信號，抑制信號發(fā)射半徑為r，用于抑制所有其他接受節(jié)點再次轉(zhuǎn)發(fā)該包。所以，ta(pj)最小的節(jié)點就被自動選取為最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

如圖5，節(jié)點1廣播后，節(jié)點2、3、4都將收到，由于數(shù)據(jù)包發(fā)射半徑為r/2，所以兩個接受節(jié)點如2、3之間的距離可能會大于r/2，但一定不超過r。因此，選取抑制信號發(fā)射半徑為r，這樣，所有其他接受節(jié)點都將收到抑制信號，從而放棄轉(zhuǎn)發(fā)。

圖5 抑制信號

選取出的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點廣播抑制信號后，立即將包頭的當前節(jié)點圓環(huán)ID號更新為自身的圓環(huán)ID號，并進行下一步的數(shù)據(jù)推進。

另一方面，某個接受節(jié)點在其轉(zhuǎn)發(fā)等待時間內(nèi)，若偵聽到了“抑制”信號，則表明已有節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該包，因此收到抑制信號的節(jié)點將該包丟棄不再轉(zhuǎn)發(fā)。

本文網(wǎng)絡(luò)模型中，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)半徑為r/2，抑制信號發(fā)射半徑為r，這樣，數(shù)據(jù)包在往sink方向的“推進”過程中，每次推進一定會選出一個最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，保證了向前推進的可靠性。使用抑制信號機制，所有其他接受節(jié)點不再重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，避免了不必要的冗余傳輸，節(jié)約節(jié)點能量，也降低了沖突和干擾。

從上述轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的產(chǎn)生過程可以看出，在所有接受節(jié)點，當前剩余能量最多的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)概率越大，轉(zhuǎn)發(fā)等待時間越短，從而越容易獲得轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)，這樣每次獲得的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點都是最優(yōu)的。數(shù)據(jù)包以這種方式傳輸，不僅保證了每跳傳輸?shù)目煽啃?，而且實現(xiàn)了各節(jié)點間能耗的均衡，避免了某些節(jié)點由于能耗過快而過早死亡。

5 性能分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸方法需要攜帶編碼向量傳輸，需要構(gòu)建固定的多條路徑，這些固定路徑上的節(jié)點能量消耗快，沒有實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的均衡能耗。本文新策略具有如下優(yōu)點：不用構(gòu)造和維護固定路徑，路由簡便且有效；不用攜帶編碼系數(shù)，節(jié)約傳輸系數(shù)的能量消耗；使用“區(qū)域推進”機制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，保證了每跳可靠傳輸；充分利用無線通信廣播特性，實現(xiàn)節(jié)點間能耗的均衡使用；sink只要收到任意k個編碼包就可以成功解碼出原始k份數(shù)據(jù)。

表1對基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多路徑傳輸（記為NCM）和本文新方法（記為NCDT）進行了對比分析，其中的sink解碼成功率是指sink收到k個編碼包的解碼成功率。

仿真關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下，網(wǎng)絡(luò)大小為200 m×200 m，傳感器節(jié)點個數(shù)為400，各節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中隨機均勻分布，能量不可補充，sink位于網(wǎng)絡(luò)中心位置，傳感器節(jié)點的最大輻射半徑r設(shè)為20 m，以下結(jié)果為重復(fù)運行100次仿真的平均性能。

表1 NCM和NCDT性能對比

（1）為比較數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，定義冗余系數(shù)為發(fā)送的編碼包數(shù)量與實際應(yīng)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)數(shù)量的比率。如某源點S有5份原始數(shù)據(jù)需要傳輸給sink節(jié)點，當冗余系數(shù)取2時，則S對源數(shù)據(jù)編碼后往外發(fā)送編碼包個數(shù)為5×2=10。圖6比較了NCDT和NCM在不同冗余系數(shù)下的傳輸成功率，可以看到，在較小冗余系數(shù)時NCDT優(yōu)勢較大。這是由于當傳輸?shù)木幋a包較少時，新策略能保證sink收到任意k個編碼包即成功解碼。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸可靠性分析

（2）網(wǎng)絡(luò)的生存周期可以用存活節(jié)點的數(shù)量間接反映出來。圖7是網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點百分比隨網(wǎng)絡(luò)運行時間的變化，可以看出，NCM節(jié)點存活數(shù)量下降較快，因為NCM使用多條固定路徑且攜帶編碼向量傳輸會造成路徑上節(jié)點的能量快速消耗，網(wǎng)絡(luò)沒有實現(xiàn)均衡能耗。

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生命周期

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新的編碼矩陣生成方法，提出了一種新的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠數(shù)據(jù)傳輸策略。該策略不用傳輸編碼系數(shù)，充分利用了無線通信廣播特性，使用“區(qū)域推進”機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。sink節(jié)點根據(jù)收到的編碼包可推導(dǎo)出編碼系數(shù)，且只要收到任意k個編碼包就可解碼出k個原始數(shù)據(jù)，而以前的方法很難做到這一點。與傳統(tǒng)的冗余傳輸、基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多路徑數(shù)據(jù)傳輸?shù)人枷胂啾?，新的?shù)據(jù)傳輸策略控制簡單，能提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，并實現(xiàn)節(jié)點之間能量的均衡利用。

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YANG Bo,XU Jianbo

School of Computer Science and Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan,Hunan 411201,China

Recent researches show network coding can improve data transmission reliability in wireless sensor networks,existing network coding-based data transmission strategies select encoding vectors randomly and use fixed paths to transmit packets, which causes performance deficiencies.This paper designs a new scheme for constructing encoding matrix,and proposes a novel reliable data transmission method.Any k encoding vectors of the new encoding matrix are linearly independent and encoding vectors are not need to be transmitted to sink.Data forwarding uses“region pushing”mechanism,which automatically selects the best forwarding nodes to“push”packets from one area to another area closer to sink.Analysis and simulation results illustrate that the new proposed method can improve data transmission reliability and reduce network energy consumption.

wireless sensor network;network coding;data transmission;encoding matrix;reliability

網(wǎng)絡(luò)編碼能提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性，針對現(xiàn)有基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸策略隨機選取編碼向量和使用固定路徑所帶來的缺陷，設(shè)計了一個新的編碼矩陣構(gòu)造方法，并提出了一種新型的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠數(shù)據(jù)傳輸方法。該編碼方案能保證任意k個編碼向量線性無關(guān)，且不用傳輸編碼向量。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)使用“區(qū)域推進”機制，自動選取最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，將數(shù)據(jù)包可靠地向sink“推進”，并實現(xiàn)了最少冗余傳輸和網(wǎng)絡(luò)均衡能耗。分析與仿真表明，新的數(shù)據(jù)傳輸策略能消除現(xiàn)有方法的缺陷，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，降低能耗。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)編碼；數(shù)據(jù)傳輸；編碼矩陣；可靠性

A

TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1108-0371

YANG Bo,XU Jianbo.Novel data transmission method in wireless sensor network using network coding.Computer Engineering and Applications,2013,49（5）：99-102.

湖南省教育廳科學(xué)研究重點項目（No.09A027）；湖南省自然科學(xué)基金項目（No.09JJ9006）；湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（No.S100117）。

楊波（1986—），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；徐建波（1963—），男，博士，教授。E-mail：bozyyang@126.com

2011-08-25

2011-10-08

1002-8331（2013）05-0099-04

CNKI出版日期：2011-12-09 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20111209.1000.015.html