無(wú)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(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201

無(wú)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(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201

1 概述

無(wú)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(diǎn)可靠地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。

傳統(tǒng)提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的方法通過(guò)增加數(shù)據(jù)冗余傳輸實(shí)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(rèn)機(jī)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(jì)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(rèn)消息，但需要維護(hù)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(diǎn)大量額外能量為代價(jià)，而且控制信息量大。由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量非常有限，大量的冗余數(shù)據(jù)傳輸很容易使節(jié)點(diǎn)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(diǎn)也體現(xiàn)了出來(lái)[4-5]，如均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬、減少網(wǎng)絡(luò)能耗等。在提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳感網(wǎng)多路徑傳輸方法；文獻(xiàn)[7]借助網(wǎng)絡(luò)編碼為傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)數(shù)據(jù)收集協(xié)議SenseCode；文獻(xiàn)[8]在無(wú)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(lái)研究；文獻(xiàn)[9]提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的機(jī)會(huì)路由機(jī)制。這些方法都采用類似的隨機(jī)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(diǎn)能量消耗不夠均衡。

本文首先設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guò)“區(qū)域推進(jìn)”機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸與各節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(shí)用網(wǎng)絡(luò)編碼思想

實(shí)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(diǎn)將要傳輸?shù)亩喾輸?shù)據(jù)編碼成許多彼此無(wú)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(guò)程如下。

源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)D。發(fā)送前，源節(jié)點(diǎn)S隨機(jī)產(chǎn)生n個(gè)(n＞k)k維（每個(gè)向量含有k個(gè)分量）向量，記為v1，v2，…，vn，即

各向量稱作編碼向量。

將這n個(gè)向量與k份數(shù)據(jù)進(jìn)行式（3）的編碼運(yùn)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(diǎn)S將每個(gè)編碼后的數(shù)據(jù) yj(j=1，2，…，n)與其對(duì)應(yīng)的編碼向量打包，得到n個(gè)編碼數(shù)據(jù)包，記為 pj(j=1，2，…，n)，將這n個(gè)編碼數(shù)據(jù)包發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)D。目的節(jié)點(diǎn)收到足夠的編碼包后，當(dāng)有k個(gè)編碼向量線性無(wú)關(guān)時(shí)，就能解碼出原始數(shù)據(jù)x1，x2，…，xk，如式（4）所示。

需要說(shuō)明的是，為便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和計(jì)算，編碼、解碼運(yùn)算均是指有限域GF(2q)中運(yùn)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(guò)在有限域中隨機(jī)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(diǎn)獲得解碼向量。傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，應(yīng)盡量節(jié)能，減少額外信息傳輸，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

雖然有文獻(xiàn)指出增大有限域、或者讓中間節(jié)點(diǎn)對(duì)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(wú)關(guān)的機(jī)會(huì)，但都無(wú)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(fù)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(gè)編碼向量線性無(wú)關(guān)，且不用攜帶編碼系數(shù)傳輸，目的節(jié)點(diǎn)只要收到任意k個(gè)編碼包即可推導(dǎo)出k個(gè)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(gè)列向量線性無(wú)關(guān)。

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

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

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

3.2 編碼實(shí)現(xiàn)與解碼

使用新的編碼矩陣對(duì)原始數(shù)據(jù)編碼過(guò)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(gè)列向量即為編碼向量，編碼向量的第二個(gè)分量即ai稱為編碼向量標(biāo)識(shí)，只需攜帶編碼向量標(biāo)識(shí)傳輸即可。

每當(dāng)sink收到一個(gè)編碼包，就可獲得該包的編碼數(shù)據(jù)yi和對(duì)應(yīng)的編碼向量標(biāo)識(shí)ai，從而可導(dǎo)出該編碼包的編碼向量，即

當(dāng)sink收到源節(jié)點(diǎn)S的任意k個(gè)編碼包后，即可推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的k個(gè)編碼向量和編碼數(shù)據(jù)。由定理1可知，這任意k個(gè)編碼向量是線性無(wú)關(guān)的。因此，收到任意k個(gè)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(hù)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(diǎn)，當(dāng)一路徑上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效會(huì)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(jìn)機(jī)制，把數(shù)據(jù)可靠地向sink推進(jìn)，能保證每跳可靠轉(zhuǎn)發(fā)和節(jié)點(diǎn)間均衡能耗。

4.1 區(qū)域推進(jìn)機(jī)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(jìn)。

圖1 固定路徑

圖2 區(qū)域推進(jìn)

區(qū)域推進(jìn)的基本思想是，在遠(yuǎn)區(qū)（如區(qū)域A）使用一種簡(jiǎn)單的策略自動(dòng)選擇最佳代表節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)“推向”近區(qū)（如區(qū)域B）。

區(qū)域推進(jìn)充分利用無(wú)線通信的廣播優(yōu)勢(shì)，受到廣播信息的節(jié)點(diǎn)都具有轉(zhuǎn)發(fā)信息的可能性，動(dòng)態(tài)地自動(dòng)選取某些最佳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)向前推進(jìn)；而固定路徑只有特定的節(jié)點(diǎn)才會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。區(qū)域推進(jìn)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(hù)簇，也不用只由簇頭將數(shù)據(jù)傳送給下一個(gè)簇頭。

4.2 策略實(shí)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(gè)圓環(huán)的寬度為r/4，r為傳感器節(jié)點(diǎn)的最大輻射半徑。每個(gè)圓環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)相同的圓環(huán)ID號(hào)，不同圓環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的圓環(huán)ID號(hào)不同，圓環(huán)ID號(hào)從里向外依次為1，2，…，n。圓環(huán)ID號(hào)代表節(jié)點(diǎn)到sink的跳數(shù)，也代表節(jié)點(diǎn)到sink的距離。這樣，每個(gè)圓環(huán)就代表了一個(gè)區(qū)域，數(shù)據(jù)沿著圓環(huán)由外往里向sink推進(jìn)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模型示意

數(shù)據(jù)傳輸之前，源節(jié)點(diǎn)S需要對(duì)每個(gè)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(gè)編碼數(shù)據(jù)；包頭有三部分：編碼向量標(biāo)識(shí)、源節(jié)點(diǎn)S的ID號(hào)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)圓環(huán)ID號(hào)。數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)圓環(huán)ID號(hào)會(huì)逐步被修改。

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到（receive）一個(gè)數(shù)據(jù)包后，若該節(jié)點(diǎn)的圓環(huán)ID號(hào)小于收到包的包頭中的圓環(huán)ID號(hào)，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(jìn)行說(shuō)明，該討論具有一般性。

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

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)a接受一個(gè)包 pj時(shí)，便計(jì)算出其對(duì)該包的轉(zhuǎn)發(fā)概率 pa(pj)和轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)間ta(pj)。pa(pj)計(jì)算方法如式（7）所示：

其中，ERes(a)表示節(jié)點(diǎn)a的當(dāng)前剩余能量，EIni(Const)為統(tǒng)一設(shè)定的初始能量參考值，是個(gè)常量，各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)1轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)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(diǎn)接收到轉(zhuǎn)發(fā)包，則應(yīng)從F中選取轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，否則從E中選取下一輪轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，目的是讓每次轉(zhuǎn)發(fā)都將數(shù)據(jù)推進(jìn)的更遠(yuǎn)。據(jù)此設(shè)計(jì)ta(pj)如式（8）所示：

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

某個(gè)接受節(jié)點(diǎn)在其轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)間內(nèi)，若沒(méi)有偵聽(tīng)到“抑制”信號(hào)，則表示還沒(méi)有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該包，該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)立即發(fā)送一個(gè)該包的“抑制”信號(hào)，抑制信號(hào)發(fā)射半徑為r，用于抑制所有其他接受節(jié)點(diǎn)再次轉(zhuǎn)發(fā)該包。所以，ta(pj)最小的節(jié)點(diǎn)就被自動(dòng)選取為最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

如圖5，節(jié)點(diǎn)1廣播后，節(jié)點(diǎn)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(gè)接受節(jié)點(diǎn)如2、3之間的距離可能會(huì)大于r/2，但一定不超過(guò)r。因此，選取抑制信號(hào)發(fā)射半徑為r，這樣，所有其他接受節(jié)點(diǎn)都將收到抑制信號(hào)，從而放棄轉(zhuǎn)發(fā)。

圖5 抑制信號(hào)

選取出的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)廣播抑制信號(hào)后，立即將包頭的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)圓環(huán)ID號(hào)更新為自身的圓環(huán)ID號(hào)，并進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)推進(jìn)。

另一方面，某個(gè)接受節(jié)點(diǎn)在其轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)間內(nèi)，若偵聽(tīng)到了“抑制”信號(hào)，則表明已有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該包，因此收到抑制信號(hào)的節(jié)點(diǎn)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(hào)發(fā)射半徑為r，這樣，數(shù)據(jù)包在往sink方向的“推進(jìn)”過(guò)程中，每次推進(jìn)一定會(huì)選出一個(gè)最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，保證了向前推進(jìn)的可靠性。使用抑制信號(hào)機(jī)制，所有其他接受節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能量，也降低了沖突和干擾。

從上述轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生過(guò)程可以看出，在所有接受節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前剩余能量最多的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)概率越大，轉(zhuǎn)發(fā)等待時(shí)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(diǎn)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?shí)現(xiàn)了各節(jié)點(diǎn)間能耗的均衡，避免了某些節(jié)點(diǎn)由于能耗過(guò)快而過(guò)早死亡。

5 性能分析

無(wú)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(diǎn)能量消耗快，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的均衡能耗。本文新策略具有如下優(yōu)點(diǎn)：不用構(gòu)造和維護(hù)固定路徑，路由簡(jiǎn)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(jìn)”機(jī)制轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，保證了每跳可靠傳輸；充分利用無(wú)線通信廣播特性，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間能耗的均衡使用；sink只要收到任意k個(gè)編碼包就可以成功解碼出原始k份數(shù)據(jù)。

表1對(duì)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(jìn)行了對(duì)比分析，其中的sink解碼成功率是指sink收到k個(gè)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(diǎn)個(gè)數(shù)為400，各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)均勻分布，能量不可補(bǔ)充，sink位于網(wǎng)絡(luò)中心位置，傳感器節(jié)點(diǎn)的最大輻射半徑r設(shè)為20 m，以下結(jié)果為重復(fù)運(yùn)行100次仿真的平均性能。

表1 NCM和NCDT性能對(duì)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(shí)際應(yīng)發(fā)送的原始數(shù)據(jù)數(shù)量的比率。如某源點(diǎn)S有5份原始數(shù)據(jù)需要傳輸給sink節(jié)點(diǎn)，當(dāng)冗余系數(shù)取2時(shí)，則S對(duì)源數(shù)據(jù)編碼后往外發(fā)送編碼包個(gè)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(shí)NCDT優(yōu)勢(shì)較大。這是由于當(dāng)傳輸?shù)木幋a包較少時(shí)，新策略能保證sink收到任意k個(gè)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(diǎn)的數(shù)量間接反映出來(lái)。圖7是網(wǎng)絡(luò)中存活節(jié)點(diǎn)百分比隨網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的變化，可以看出，NCM節(jié)點(diǎn)存活數(shù)量下降較快，因?yàn)镹CM使用多條固定路徑且攜帶編碼向量傳輸會(huì)造成路徑上節(jié)點(diǎn)的能量快速消耗，網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)均衡能耗。

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生命周期

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(wú)線通信廣播特性，使用“區(qū)域推進(jìn)”機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。sink節(jié)點(diǎn)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(gè)編碼包就可解碼出k個(gè)原始數(shù)據(jù)，而以前的方法很難做到這一點(diǎn)。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(jiǎn)單，能提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間能量的均衡利用。

[1]Deb B，Bhatnagar S，Nath B.ReInForm：reliable information forwarding using multiple paths in sensor networks[C]// Proc of the 28th Annual IEEE Conf on Local Computer Networks.Los Alamitos：IEEE Computer Society，2003：406-415.

[2]Popa L，Raiciu C，Stoica I，et al.Reducing congestion effects in wireless networks by multipath routing[C]//Proc of the ICNP.Santa Barbara：IEEE Press，2006：96-105.

[3]Ahlswede R，Cai N，Li S Y R，et al.Network information flow[J].IEEE Transactions on Information Theory，2000，46 （4）：1204-1216.

[4]Noguchi T，Matsuda T，Yamamoto M.Performance evaluation of new multicast architecture with network coding[J]. IEICE Trans on Comm，2003.

[5]康巧燕，孟相如，王建峰.網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)組播通信的性能改善[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（3）：150-152.

[6]李珊珊，廖湘科，朱培棟，等.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳感網(wǎng)多路徑傳輸方法[J].軟件學(xué)報(bào)，2008，19(10）：2638-2647.

[7]Lorenzo K，Emre A，Katerina A，et al.SenseCode：network coding forreliable sensornetworks[R].Lausanne，Switzerland：EPFL，2009.

[8]Haas Z J，Chen T C.Cluster-based cooperative communication with network coding in wirelessnetworks[C]//IEEE MILCOM.[S.l.]：IEEE Press，2010：596-603.

[9]Rout R R，Ghosh S K，Chakrabarti S.A network coding based probabilistic routing scheme for wireless sensor networks[C]//Wireless Communication and SensorNetworks （WCSN）.Allahabad：[s.n.]，2010：1-6.

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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性，針對(duì)現(xiàn)有基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸策略隨機(jī)選取編碼向量和使用固定路徑所帶來(lái)的缺陷，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)編碼向量線性無(wú)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(jìn)”機(jī)制，自動(dòng)選取最佳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)包可靠地向sink“推進(jìn)”，并實(shí)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(wú)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(diǎn)項(xiàng)目（No.09A027）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)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?yàn)闊o(wú)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