LT 碼在WSN網絡中的應用研究

郭旭靜

（湖南郵電職業(yè)技術學院，湖南長沙410015）

LT 碼在WSN網絡中的應用研究

郭旭靜

（湖南郵電職業(yè)技術學院，湖南長沙410015）

無線傳感器網絡（WSN）是物聯網感知層的核心，對物聯網的發(fā)展起著至關重要的作用，因此，WSN網絡成為物聯網的研究熱點。文章主要分析物聯網和傳統編譯碼方案中存在的局限性問題，并嘗試將一種新的編譯碼方式LT碼應用于WSN網絡中，旨在改善WSN網絡的關鍵參數。

無線傳感器網絡；WSN；物聯網；LT碼標

從1990年網絡可樂販售機到1999年美國麻省理工學院（MIT）首次提出物聯網的概念，物聯網這個概念和領域并沒有受到太多的關注，直到1999年美國麻省理工學院建立物聯網的“自動識別中心（Auto-ID）”，提出“萬事萬物皆可通過網絡互聯”，才使得物聯網逐步進入人們的視線。

2009年，物聯網的概念在國內引起人們的關注，從而成為繼計算機、互聯網和移動通信之后引發(fā)新一輪信息產業(yè)浪潮的核心領域。2010年，我國研究制定促進物聯網產業(yè)發(fā)展的扶持政策，將物聯網明確納入重點產業(yè)振興。由此，推動了中國物聯網建設的快速發(fā)展。

物聯網，其英文名稱是“Internet of things（IoT）”，它是新一代的信息技術，也是當今信息化社會發(fā)展階段的主流應用。物聯網就是物物相連的互聯網。它是三個專業(yè)領域的技術結合：自動化、計算機網絡技術以及移動互聯網技術。物聯網的實質其實仍然是互聯網，是在移動互聯網基礎上發(fā)展起來的一種新興技術。移動互聯網是移動終端與移動終端之間的通信，物聯網只是將用戶端延伸和擴展到了物體與人之間以及任何物品與物品之間，也就是物物相息。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于各種網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后的又一大熱點技術。

傳感器技術、RFID技術和嵌入式系統技術是物聯網應用中的三項關鍵技術。眾所周知，絕大部分處理器處理的都是數字信號。無論是電話還是計算機，都需要傳感器把模擬信號轉換成數字信號。RFID也是一種傳感器技術，它是融合了無線射頻技術和嵌入式技術為一體的綜合技術，RFID在自動識別、物流管理有著廣闊的應用前景。

物聯網技術正在改變著人們的生活，推動著社會的發(fā)展。如果把物聯網比做一個人，無線傳感器網絡相當于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網絡就是人體的神經系統，用來傳遞信息，嵌入式系統則是人的大腦，在接收到信息后要進行分類處理。

傳感器網絡是物聯網技術的重要組成部分，這個網絡可以是有線的，也可以是無線的，或者有線無線混合使用。一般包括四個模塊：用于感知并傳遞數據的底層傳感器節(jié)點、用來收集各傳感器節(jié)點信息的匯聚節(jié)點、互聯網絡的融合以及終端的用戶應用。底層的傳感器節(jié)點，通過射頻識別以及無線局域網的技術采集周圍環(huán)境的信息，并將采集到的數據傳遞給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將傳感器節(jié)點傳遞過來的待測的數據進行相應的處理之后發(fā)送給需要采集數據信息的節(jié)點，實現傳感器網絡與互聯網的信息傳遞與處理。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）是物聯網感知層的技術，一般是自組織網絡，將傳感器節(jié)點部署在需要測量數據的環(huán)境中，用來收集數據。隨著無線通信、傳感器技術、嵌入式應用和微電子技術的日趨成熟，WSNs可以在任何時間、任何地點、任何環(huán)境條件下獲取人們所需信息，為物聯網（Internet of Things，IoT）技術的發(fā)展奠定基礎。無線傳感器網絡比較適用于生理數據收集、智能交通系統和海洋探測等眾多科研或技術領域。它在原有的人與人、計算機與計算機通信的基礎上，進一步實現了人與物，物與物之間的信息傳遞，有著廣闊的應用前景。

1　無線傳感器網絡存在的主要問題

雖然無線傳感器網絡在科研技術領域有很多應用場景和廣闊的應用前景，但仍然存在一些需要我們解決的問題。一般來說，用于數據信息采集的無線傳感器網絡節(jié)點通常部署在無人值守的環(huán)境以及一些不易部署網絡節(jié)點的場地，而無線環(huán)境是時變環(huán)境，無線鏈路的不穩(wěn)定及環(huán)境噪聲干擾都可能導致數據在傳輸過程中不穩(wěn)定，而出現丟包，這就會使得無線傳感器網絡中數據傳輸可靠性低，因此如何改善無線傳感器網絡環(huán)境中的數據傳輸可靠性是需要重點研究和解決的。

由于要保證數據傳輸的可靠性，所以在數據傳輸的過程中，一旦出現丟包，就要進行數據重傳，這樣就會使得無線傳感器網絡的能耗嚴重增加，因此，無線傳感器網絡的能量問題也是需要解決的重要問題。由于傳感器節(jié)點一般是無限的，使用電池，而且網絡中的節(jié)點大多工作在無人區(qū)或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，不方便為其更換電源，這就要求網絡功耗要小，并盡最大可能的節(jié)省電源消耗，以延長傳感器網絡的壽命。

也有相關文獻對無線傳感器的節(jié)能算法進行研究。其中研究較為成熟的是無線傳感器網絡的MAC協議。在無線傳感器網絡中，各節(jié)點采集的信息以多跳的方式傳送到匯聚點。從各節(jié)點到匯聚點形成一棵以匯聚點為根的傳輸樹。文中在對無線傳感器網絡傳輸特點分析的基礎上，剖析了基于CSMA/CA（載波多路監(jiān)聽/沖突避免）的MAC協議在樹狀結構無線傳感器網絡中的弊端，提出了一種基于CSMA/CA的MAC協議優(yōu)化算法。該算法根據節(jié)點的位置調整其MAC信道接入分配，將CSMA/CA采用的各節(jié)點均等競爭信道的方法優(yōu)化為各節(jié)點依據在傳輸樹中的位置情況競爭信道的方式，這一優(yōu)化提高了節(jié)點公平性，使MAC信道接入分配與樹狀結構的無線傳感器網絡傳輸特點相契合，解決了基于CSMA/CA的MAC協議與樹狀結構無線傳感器網絡不匹配的問題，從而減少了信道資源浪費，提高了網絡傳輸效率，降低了能耗。實驗結果表明該算法在網絡丟包率、吞吐量和能耗方面的性能均有較大改進。

2　差錯控制方案

2.1傳統數據傳輸差錯控制機制

目前，主要用差錯控制機制來保證通信信息中數據的可靠傳輸。前向糾錯技術、自動重傳請求機制、混合糾錯是常用的差錯控制方案。

2.1.1前向糾錯技術

在發(fā)送端，信息通過糾錯編碼后經過發(fā)射機進入無線信道，接收機則運用糾錯譯碼來自動糾正無線數據傳輸過程中出現的差錯，這種方式便稱為前向糾錯。前向糾錯是接收機進行糾錯的過程，不將差錯信息反饋給發(fā)送端。糾錯碼通過在傳輸信息中添加冗余碼元的方式實現差錯校驗，從而實現差錯控制編碼的功能。接收端按照一定規(guī)則發(fā)現和糾正錯誤，從而提高通信系統抗干擾的能力，改善系統整體的可靠性指標。前向糾錯技術的優(yōu)點是不需要反饋信道，實時性好，在現今的PPP通信以及點對多點組播通信中都有很好的性能表現。

2.1.2自動重傳請求機制

自動重傳請求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）是一種常用的數據傳輸的差錯控制方法，能保證通信系統中數據傳輸的可靠性。發(fā)送端發(fā)送檢錯碼，接收機檢測接收數據包是否存在傳輸差錯。如果判定數據包有差錯，則通過反饋信息通知發(fā)送端將該信息數據包重新發(fā)送一次，如此反復，直到接收端正確接收為止。當接收到完整的原始數據包后，接收端會產生一個接收確認信號，通過反饋信道發(fā)送給源端，發(fā)送端接收到接收端反饋的確認信號后停止發(fā)送數據包。

2.1.3混合糾錯

HARQ（Hybrid ARQ）混合自動重傳技術是將自動重傳請求和前向糾錯編碼結合，保持了較高的糾錯性能的同時，在時延、和信道適應性都有較好的保證。發(fā)送端將源數據進行FEC編碼后發(fā)送，接收端對接收數據進行FEC解碼，根據解碼正確與否向發(fā)送端反饋ACK/NACK。發(fā)送端收到ACK反饋，則繼續(xù)下一個數據傳輸，否則啟動ARQ重傳上一次發(fā)送的FEC數據幀，接收端對于重傳數據和之前接收的數據合并解碼，直到還原出源數據。

2.2數字噴泉碼

2.2.1數字噴泉碼概念

John Byers及Michael Luby等人于1998年提出了數字噴泉碼的概念。數字噴泉碼是一種高效、可靠的編碼傳輸方式。數字噴泉碼可將k個原始數據包編碼生成無限長的編碼數據包。接收端只要收到一定數量的任意編碼數據包，就能成功完成原始數據的恢復，而不需要關心具體收到哪些編碼數據包及其接收順序。2002年Luby提出了第一種現實可行的噴泉碼——LT碼。LT碼具有編譯碼方法簡單以及譯碼開銷小的特點，為數字噴泉碼的發(fā)展提供了基礎。

2.2.2LT噴泉碼編譯碼方式

假設編碼器源數據塊包括K個數據包，每個數據包中包含m個比特，LT碼具體的編碼過程為：

1）編碼器根據某一度分布函數隨機產生每個編碼數據包的度，記為d；

2）從K個源數據包中隨機地選擇d個數據包，異或運算，進行LT編碼；

編碼器不斷重復上述編碼過程，就可以產生無限長的編碼數據包序列，如圖1所示。

圖1　LT碼編碼過程圖

譯碼器采用置信傳播譯碼算法進行LT譯碼，譯碼過程描述如下：

1）在正確接收到的所有編碼數據包中找到一個度為1的編碼數據包tn，令sk=tn；

2）所有與sk相連的其他編碼數據包與sk進行異或，即

3）移除所有與源數據包sk相連的邊，即將所有編碼數據包與源數據包sk的關聯關系去除；

4）對其余的編碼數據包重復上述過程，直到恢復出所有的源數據包或沒有度為1的編碼數據包為止。

2.2.3LT噴泉碼編碼現有編碼度分布

文獻［8］簡單介紹了兩種度分布，分別為理想孤子度分布和魯棒孤子度分布.在LT噴泉譯碼過程中，每次都是從度為1（d=1）的編碼數據包開始，由度為1的編碼數據包可直接恢復得到源數據包，并將它從其他與之相關聯的編碼數據包中移除，這些編碼數據包的度將會減1，然后尋找新的度為1的編碼數據包，以進行下一次迭代譯碼。在理想情況下，為了避免冗余，希望在每次迭代中，只有一個度為1的編碼數據包，而且在每次迭代譯碼之后，只出現一個新的度為1的編碼數據包。由此，可以得到一種理想孤子分布

其中，d表示每個編碼數據包的度；K表示參與編碼的源數據包數量；ρ（d）表示編碼數據包度為d的概率。

然而在實際中，由于度分布映射的隨機性，很容易造成度1的編碼數據包消失，從而導致譯碼過程無法繼續(xù)進行。魯棒孤子度分布（Robust Soliton Distribution，RSD）在理想孤子度分布上做出了改進，設計了一個函數，并將該函數與理想孤子度分布進行歸一化得到度分布。數主要增加了較大度取值的概率，并引入了兩個參量c和δ，其中，c為常數且0＜c＜1；δ為譯碼失敗概率的上界，一般取值為0.7，來確保譯碼過程中期望度為1的編碼數據包的個數。

3　研究現狀及未來展望

Zhang X，Wicker SB在其論文Robustness vs efficiency in sensor Networks中研究分析了傳感器網絡的魯棒性和效率。高海豹在其碩士畢業(yè)論文《無線傳感器網絡的數據傳輸》一文中著重介紹無線傳感器網絡數據傳輸的流程，包括三個主要的傳輸模塊：基于ZIGBEE協議的無線傳感器網絡節(jié)點數據傳輸及通信測試手段、數據中轉器；與匯聚節(jié)點的UART通信或遠程通信以及網絡上位機程序設計及其相關理論基礎。三個模塊相互間的正常運行構成了完整的無線傳感器網絡數據傳輸系統，最終將現實世界的物理量在上位機程序中顯示、保存、進行有價值的運算，實現人機交互的智能化。朱曉娟、陸陽等發(fā)表在《計算機科學》上的《無線傳感器網絡數據傳輸可靠性研究綜述》，該文首先介紹了無線傳感器網絡可靠性的研究意義，從可靠性評估和可靠的數據傳輸技術兩個方面介紹了近年來的研究成果，對這些成果進行了分類、比較，進一步展望了無線傳感器網絡可靠性未來的研究方向。沈玉龍在西安電子科技大學博士論文《無線傳感器網絡數據傳輸及安全技術研究》一文中，主要對傳感器網絡節(jié)點部署到網絡業(yè)務提供過程中涉及到的傳感器網絡數據傳輸及其安全技術進行了詳細的闡述。陳卓、陳洋在計算機應用學報上發(fā)表的《無線傳感器網絡中基于網格編碼的可靠數據傳輸策略》結合網絡編碼理論，提出了一種適應于無線傳感器網絡環(huán)境的可靠數據傳輸策略——M-Growth Codes，通過基于梯度的有向路由，保證所有數據都朝著匯聚節(jié)點的方向匯聚。另外該數據傳輸策略還可以實現利用編碼包實現對其他編碼包的解碼操作，進一步增強了數據的可恢復性。經過網絡仿真驗證表明M-Growth Codes策略能有效提高無線傳感器網絡的吞吐量并改善數據傳輸的可靠性。柳秀秀等發(fā)表在重慶郵電大學學報（自然科學版）上的論文《基于數字噴泉碼的水下傳感器網絡可靠傳輸與分析》通過分析水下傳感器網絡的特點及傳統可靠傳輸機制在水下傳感器網絡的應用局限性，提出一種基于數字噴泉碼的、逐跳的可靠傳輸機制，并對譯碼成功的概率、端到端時延及能耗等網絡性能進行了分析與仿真。結果表明，該機制明顯減少了端到端時延和能耗，提高了包傳輸率。文獻［15］和文獻［16］分別將LT碼應用于無線協作中繼網絡中，通過研究表明，LT碼在可靠性、誤碼率、傳輸時間和能耗方面相比于傳統的編譯碼方式有較大的改善。文獻［17］是將LT碼和自適應解調結合起來，尋求最優(yōu)解調門限。研究表明，在此解調門限下系統誤碼率較低。

綜上所述，LT碼具有較好的應用前景。在以后的研究工作中，將嘗試把LT碼應用于無線傳感器網絡中，以取得對無線傳感器網絡中關鍵參數的改善，主要在可靠性和能效這兩個關鍵參數方面進行深入研究，用MATLAB仿真軟件定量分析LT碼在無線傳感器網絡中取得的改善效果。

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［16］雷維嘉，謝顯中，李廣軍.采用數字噴泉碼的無線協作中繼方案及其性能分析［J］.電子學報，2010（1）：228-233.

［17］郭旭靜.結合LT碼的自適應解調最優(yōu)解調門限的研究［J］.湖南郵電職業(yè)技術學院學報，2015（4）：33-37.

Research on LT codes in theapplication ofWSN

GUO Xu-jing
（Hunan Postand Telecommunication College，Changsha，Hunan，China410015）

W ireless sensor network is the core of the perception layer of Internetof thingsand is very important for the development of Internetof things.So，WSN hasbecome the research hotspotof Internetof things.Thispapermainly analyses the problemswhich exit in the Internetof thingsand the traditional encoding and decoding schemesand tries to app ly a new code-LT code in theWSNs for the purposeofimproving the key parameters.

wireless sensornetwork；WSN；Internetof things；LT code

10.3969/j.issn.2095-7661.2016.03.004】

TN911.2

A

2095-7661（2016）03-0014-04

2016-07-02

郭旭靜（1988-），女，河南南陽人，湖南郵電職業(yè)技術學院助教，碩士，研究方向：移動通信。

湖南郵電職業(yè)技術學院課題項目“應用LT碼提升WSN網絡可靠性及能效”（課題編號：16CZ13）。