论文：网络编码在无线传感器网络中的应用研究

Application research on network coding in WSN 

Abstract：This paper firstly introduces the characteristics of the Wireless Sensor Networks and the basic theory of Network Coding.Then the application of Network Coding in the WSNs and the induced effects are recommended,included improving network throughput,saving energy consuming and enhancing the robustness of network connection.

Keywords：Wireless Sensor Networks;Network Coding;throughput;energy  consumption;reliability and security

1 简介

    无线传感器网络的研究始于20世纪90年代后期。21世纪以来，学术界、工业界和军方都对无线传感器网络的应用投以极大的兴趣，2003年，美国《技术评论》杂志分析讨论了十大新型产业技术的未来，无线传感器网络被排在首位。无线传感器网络具有低成本、高灵活性、大规模自组织网络等优点，使其具有广泛的应用前景，现在它已经被应用在包括国防、环境监控、城市交通管理、仓储管理和智能家居等在内的广泛领域，并且它的广泛应用已经对产业发展和人们的日常生活带来了巨大的影响。

网络编码是二十一世纪通信理论领域的一大突破。在现有的计算机网络中，信息从源节点传输到目的节点是通过一系列的中间节点组成的一条通信链路，中间节点通过存储转发的方式来进行信息的传递，并且不对信息进行处理。然而网络编码允许中间节点对其所传输的信息进行编码处理以后再进行传输。网络编码理论上可以使网络吞吐量达到极限，对减少传输时延、改善鲁棒性和负载平衡等方面有着十分重要的作用，更主要的是无线传感器网络的广播特性使得多个数据流在同一个节点汇聚的机会很多，这意味着无线传感器网络拥有更多编码机会。

2 无线传感器网络

    无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。大量的传感器节点分布于要探测的区域中，将探测数据通过汇聚节点经网络发送给用户。传感器节点总体上可以说是由5部分组成：感知器、控制单元、通信模块、存储单元、电池（如图1所示）。

感知器

处理单元

电池

存储单元

通信模块

    查询请求    数据应答

                                图1 传感器节点模型

 无线传感器网络有以下2个基本特点：1)无线传感器网络的能量、通信能力、计算和存储能力都十分受限；2)传感器节点所采用的器件性能受到了，节点也更容易出现故障。另外，由于环境影响、带宽受限、信号干扰和能量耗尽等因素，无线通信容易失效，可靠性差。因此，设计有效的策略，延长网络生命周期，成为无线传感器网络研究的核心问题。图2给出了无线传感器网络节点能量消耗情况，可以看出，无线传感器网络中主要的能耗是节点间通信，减少通信量是节约能耗的主要方法。因此，非常适合将网络编码技术应用在无线传感器网络中。

图2 传感器网络节点能量消耗情况

3 网络编码理论

    在现有的计算机通信网络中，信息传输都是由源节点经过中间节点，以存储转发的方式传送到目标节点的。除了数据复制以外，一般来说在网络的中间节点并不需要做任何数据处理。在许多实际应用中，人们为了信息分析、信息安全以及交换的目的，总是要在中间节点进行某种形式的数据处理。人们普遍认为，中间节点所进行的数据处理对数据传输过程本身并不会带来任何好处。但2000年中文大学的Ahlswede R在IEEE信息论会刊上发表的论文彻底推翻了这一结论，网络编码理论应运而生。从广义上来讲，网络编码是网络中的节点将接收到的信息进行编码后再转发出去的多点传送(Muhicast)技术。多点传送也是网络中的一种重要的通信方式。

图3给出了网络编码中经典的网络图，图中，箭头代表有向链路。假设每条链路容量为l，信源节点S向接收节点t1，t2同时发送2 bit的信息。图3(a)中采用传统的广播技术，节点S分别向节点1，2发送l bit信息，节点1，2再分别将接收到的数据转发给其他节点。这样，节点1可以直接获得l bit，节点2可以直接获得l bit。但是，当节点1，2准备通过3进行转发时，由于节点3，4之间的链路容量为l，因此，每一bit信息需要在此排队等候一个单位时间。这样，每个接收节点在单位时间接收到的比特数为1.5 bit。图3(b)采用了网络编码技术，中间节点3将两条输入链路上收到的信息a和b 进行编码得到ab，然后送出。在接收节点t1，根据收到的a和ab ，即可恢复出b。同样，在接收节点t2也可以恢复出a。由于不需要排队，每个接收节点在单位时间内可以收到2 bit。此时的编码增益为33％，并达到了广播的最大流量 。 

网络编码思想突破了传统数据传输的模式，显著地提高多点传送的数据率。可以实现从源点到收点的最大传输数据率。在传统的网络中，作为中继的节点只能对接收到的信号进行复制、放大和转发，这种方式有时候不能充分利用网络资源。网络编码技术突破了这种，它允许中继节点对接收到的信息进行编码处理，并将编码后的数据包广播发送，而接收节点根据接受到的信息解码出所需要的信息包。

    a    b    a    b

    a    b    a    b

       a    a/b    b    a    b

    ab

              a       b        

           图3(a)  传统广播方法                    图3(b)  网络编码方法

4 网络编码对无线传感器网络通信性能影响

    因为无线链路和物理层的不稳定性，广播特性非常适用于网络编码，无线网络也成为了第一个应用网络编码的领域。传输的通过量和能量利用效率是最主要的衡量无线移动网络性能的指标，因此如何利用现有的资源增加网络的吞吐量和能量利用的效率是研究的重心。网络编码应用于无线传感器网络对于网络性能的影响主要是集中在以下几个方面。

   4.1 增加网络吞吐量

   网络编码理论（图3）表明网络编码使得每个链路仅仅使用了一次，这均衡了网络负载，减少了传输次数，同时减小了网络负载，增加了网络吞吐量。尤其是在带宽受限的传感器网络中，使用网络编码的数据流可以达到网络传输的理论极限。在传感器网络中，数据是通过一跳或多跳传输到目的节点，网络编码充分利用了无线信道的特性，可以极大地提高网络的吞吐量。

4.2 节省节点能量消耗

在无线传感器网络中，节点通常是电池供电的。同时由于传感器节点数量多，分布范围广，有时甚至位于不易到达的或者危险的地域，因此更换电池很不现实。因此如何有效地利用能量来扩展网络生存周期是传感器网络面临的重要问题。基于上面的分析，节点能量的消耗主要是由于节点间的通信，因此减少节点间通信量是节约能量的最主要方式。传统传感器网络增加通信效率的方法是重传。图4所示的例子可以表明，使用网络编码可以减少包的数量，增加数据转发率，也因此减少了网络能量的消耗。文献[1]把网络编码用作一种节点能量节约技术，从而延长了网络的生存时间，文献[2]基于网络编码思想，提出一种无需重传与确认的路由算法。

                    图4  广播重传的例子

      假设节点S向它的两个邻居节点t1和t2广播两个信息包P1和P2，但是由于链路的不理想，节点t1只收到了P1，t2只收到了P2，在传统的广播重传中，源节点S必须再分别广播P1和P2以保证t1和t2收到所有的信息，但是在网络编码方式下，节点S只需要广播P1P2，然后t1在收到P1P2后，通过P1(P1P2)即可解码出P2，类似的t2也可以解码出P1。传输次数得到了减少，节点能量自然就得到了节约。

4.3 增加传输可靠性和安全性

在实际应用中，传感器网络的节点和链路经常失效，这影响了网络的鲁棒性，传统的网络链路恢复方法是重新路由，然而网络编码可以弱化链路失效或者节点失效对于其他节点接受数据的影响，在接收节点仍然可以恢复数据，因此网络编码可以提高网络的容错率和网络的鲁棒性。同时由于网络中传输的编码以后的数据，窃听者在收到部分数据包时无法获得网络中传输的信息，这样使用线性网络编码的方式，仅需要将原始数据包进行线性组合，在不增加网络负担的情形下提高网络的私密性和安全性[6]。文献[7]结合随机线性网络编码和泛洪协议实现数据分发，重点讨论了保证可靠数据分发中的重传机制。文献[8]提出了一种自适应纠错机制，从而可以使数据准确可靠的传输到目的节点。

4.4 增加数据聚合效率

传感器网络中的感知节点会周期性地向sink节点发送收集来的数据，在有大量节点的网络中，数据聚合的过程必然会导致很大的数据流，一个有效的数据聚合策略会极大的加快数据聚合的过程，这样也就保证了数据的准确性并节约了节点能量。文献[10]提出了一种数据聚合策略，每个节点只保存一个数据包，当它接收到一个邻居节点发来的数据包时，乘以一个有限域中的因子，然后把结果和自身数据相加。这样，一个普通的节点无需解码，但是sink节点就可以以很高的概率重组n个数据包，因此无线传感器网络的数据聚合率通过网络编码得到了很大的提高。

5 结束语

网络编码从2000年被提出以来，人们对它的研究在不断的深化，并将之应用到无线网络中，网络编码正在给无线传感器网络带来巨大的影响。本文在介绍了基本的传感器网络和网络编码知识的基础上，分析了网络编码的应用对无线传感器网络性能的影响，包括增加网络吞吐量，节约节点能量，增加网络链路的可靠性和安全性，增加数据聚合效率等。但是，目前的很多方法非常依赖于网络编码的有限域的大小，增加编码运算的有限域的大小，可以保证网络的安全性，但是有限域的增大，必然带来对于计算复杂度的要求，因此，寻找计算复杂度低的算法，是理论研究转化为实际网络应用的关键。另外传输路径中的每个中继节点都要对数据包进行编码，这对资源受限的无线传感器网络来说，会带来一定的开销，如果对无线传感器网络中编码节点的选择进行分析，降低编码节点数量，从而可以进一步减少能耗，有效利用资源，同时在不影响数据传输可靠性的条件下，在数据传输可靠性与网络开销之间作一个权衡来寻找最优解决方法。

参考文献：

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[12] 杨 波,徐建波.无线传感网使用网络编码的新型数据传输方法[J],计算机工程与应用,2011,9:523-529.