网络编码在无线传感器网络中的应用

网络编码在无线传感器中的应用引言随着计算机技术、通信技术的不断发展，网络通信与人们的生活联系越来越紧密。同时，网络用户数量正在迅速增长，用户对网络服务的多样化和网络传输质量要求不断提高。因此，如何提高网络资源的利用率，优化网络服务，寻求解决传输数据可靠性低的办法，已经成为学术界的研究热点。在现有的计算机通信网网络中，信息传输都是由节点经过中间节点，以存储转发的方式传送到目标节点的。除了数据复制之外，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不会带来任何好处。但2000年香港中文大学的AhlswedeR在IEEE信息论坛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，字网络编码被提出之后便逐渐得到了许多研究者的广泛关注，他们也从编码、应用等角度对其提出了多种改进方法。本文将介绍一种网络编码在无线传感器网络中的应用。网络编码的思想网络编码是一种融合了路由与编码的信息交换技术，它的核心思想是在网络中的各个节点上对各条信道上受到的信息进行先行或者是非线性的处理，然后转发给下游节点，中间节点扮演者编码器或信号处理器的角色。根据图论中的最大流最小割定理，数据的发送方和接收方通信的最大速率不能超过双方之间的最大流值，如果采用传统多播路由的方法，一般不能达到其上界。网络编码可以达到多播路由传输的最大流界，提高信息的传输效率。图中给出了网络编码的经典的网络图，图中有箭头代表有向链路，假设每条链路的容量为1，心愿节点向接受节点同时发送2bit的信息。图(a)中采用传统的广播技术，节点S分别向节点T，U发送1bit的信息，节点T，U在分别将接收到的数据转发给其他节点，这样节点T，U都可以直接获得1bit，但是，但这两个节点通过W进行转发的时候，由于节点Y，Z之间的链路容量为1，因此，每1bit的信息需要在此排队等候一个单位时间。这样，每个接收点在单位时间接收到的比特数为1.5bit。图(b)采用了网络编码技术，中间节点将两条链路上接受到的信息进行编码，然后再送出，在接受节点，根据接受到的消息，即可恢复原来的发送信息。由于不需要排队，每个接受节点在单位时间内可以达到2bit，此时的编码增益为33%，并达到了广播的最大流量。无线传感器网络无线传感器网络是大量的静止或者移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络，其目的是协作的感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的检测信息，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。传感器节点总体上说可以有五部分组成：传感器、中央控制单元、通信模块、存储单元、电池。无线传感器网络有一下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期间受到了限制，节点也更容易出现故障。另外由于环境影响、带宽限制、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，延长网络时间周期，成为无线传感器网络研究的核心问题，由于无线传感器网络中主要的能耗是节点间通信，减少通信量是节约消耗的主要方法，因此，将网络编码技术应用在无线传感器网络中是非常合适的。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率主要的衡量无线移动网络性能的指标，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集中在增加网络吞吐量、节省节点能量消耗、增加传输可靠性和安全性、增加数据聚合效率。基于网络编码的FLOOD协议基于网络编码的FLOOD协议实在IP层和MAC层之间增加一个编码成，编码机会查找和编码的机会在这一层完成。算法的基本思想如下：1.节点将接收到的数据包进行处理后不是直接丢掉，而是将其放在一个数据池中缓存一段时间。2.节点通过广播各自的邻居状态报告来时的每个几点都知道自己的2跳邻居状态并将给状态信息存在一张2跳邻居节点表中。3.每个节点都有一个邻居节点表，记录自己的邻居节点收到了哪些数据，用于确定是否发送某个数据包和是否对某个数据包进行编码。当节点收到一个数据包时，通过查看2跳邻居节点表，可以推知该数据包上一跳节点的邻居已收该数据包，据此曾欣邻居接收表相应表项。如果通过查看邻居接收表，知道该节点的邻居都已收到该数据包，该节点就不转发该数据包。4.只是用简答的异或操作来进行编码，并且只对原始数据进行编码，编码必须能够被所有的邻居节点解码。5.使用一个贪心的编码法案，即不是选取最有的编码包集合，而是贪心的选取一个数据包集合来进行编码。下面以一个简单的例子介绍基于编码的FLOOD算法是如何工作的，有三个节点，A拥有数据p1，B拥有数据包p2，C拥有数据包p3。假设网络中节点已经通过广播邻居报告获得了各自的2跳邻居状态。A、B、C依次将3个数据包广播出去，E收到了3个数据包，根据2跳邻居节点表和数据包的上一条信息更新自己的邻居节点表，如表所示：根据这个邻居节点表，E在准备发送ｐ１的时候，在输出队列寻找能够参与编码的数据包，首先考虑若发送ｐ１异或ｐ２，邻居们能否成功解码以获得缺失的数据包。由于ＡＢＣＤ中都拥两个数据包中至少一个数据包，所以当他们接收到异或好的数据包之后，能够通过将自己拥有的数据包和编码包进行异或操作来获得确实数据包。再考虑若继续添加原始的数据发，发送三个数据包的异或，邻居们能否成功解码，答案是否定的，就节点Ａ来看，其只拥有数据包ｐ１，当它收到三个数据包的异或的时候，并不能通过异或擦偶偶获得确实的数据包。所以节点Ｅ最终选择两个数据包节点的发送，它的四个邻居受到这个编码包后，都可以通过以后操作获得缺失的数据包。通过将基于编码的ＦＬＯＯＤ协议加入编码层，比较经过编码和未使用编码的平均网络延迟，可以发现使用网络编码的平均网络延迟较未使用网络编码的平均网络延迟有少许增加，大该增加了0.09s，这说明基于编码的FLOOD协算法让数据包在发出之前在输出的队列中等待一个随机选取的时长，以获得更多的编码机会。能量和吞吐量是用来比较传输相同的数据量所消耗的能量，可以看出，基网络编码的FLOOD，在传输相同的数据量的时候，比传统的节省了10%的能量，可以看出，基于网络编码的FLOOD能有效达到节省能量的目的。因此这种算法也可以有效延长无线传感器网络的生命周期。FLOOD协议是最基本的路由协议，是许多其他无线传感器网络路由协议的组成部分，而且通过上述分析，FLOOD协议在理论上能够通过网络编码降低网络中数据的发送次数，具有降低能耗的理论可行性。所以根据上文所表述的，选择FLOOD协议作为实验的基础协议，参考传统无线网络的编码方案，设计适合无线传感器网络的网络编码算法，从而提出一种新的基于网络编码的无线传感器网络路由协议是很有效的。通过使用NS2网络模拟器分别对FLOOD和基于网络编码的FLOOD进行网络模拟，对比新旧协议的性能表现，新设计的协议在网络吞吐量、网络节点的平均剩余能量、需要的数据包发送量等性能指标上都有较大的改善。总结网络编码从2000年被提出来以后，人们对它的研究在不断的深化，并将之应用到无线网络中，网络编码增在给无线传感器网络带来巨大的影响。本文介绍了网络编码的基本的定义以及形式，无线传感器网络的基本的组成以及衡量一个无线传感器网络性能的指标，并且提出了一种新的基于网络编码的FLOOD路由协议，利用仿真软件进行了仿真，分析了网路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网络编码有限域的大小，增加编码运算的有限域的大小，可以保证网络的安全性，但是优先于的增加，必然带来对于计算复杂度的要求。因此，寻求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彪马，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，同时在不影响数据可靠性传输的条件下，在数据传输可靠性和网络开销之间做一个权衡来寻找最优解决办法。