電磁納米網(wǎng)節(jié)能編碼方法研究進(jìn)展

黃龍軍,王萬良,姚信威,沈士根,潘小剛

(1.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310023;2.紹興文理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,浙江紹興 312000;3.嘉興學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江嘉興 314001)

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電磁納米網(wǎng)節(jié)能編碼方法研究進(jìn)展

黃龍軍1,2,王萬良1,姚信威1,沈士根2,3,潘小剛1

(1.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310023;2.紹興文理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,浙江紹興 312000;3.嘉興學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江嘉興 314001)

電磁納米網(wǎng)是采用納米電磁通信方式的無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò),由大量可相互通信的納米傳感器構(gòu)成.由于納米傳感器可存儲(chǔ)的能量極為有限,能量有效性成為電磁納米網(wǎng)中必須優(yōu)先考慮的重要問題.在對(duì)采用太赫茲通信的無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上,綜述電磁納米網(wǎng)通信能量相關(guān)的開關(guān)鍵控調(diào)制方法和節(jié)能低碼重信道編碼的研究現(xiàn)狀,探討電磁納米網(wǎng)節(jié)能編碼需要進(jìn)一步研究的方向.目前,尚鮮見無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)的中文文獻(xiàn),期望本文能促進(jìn)國(guó)內(nèi)對(duì)無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注和研究.

無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò);太赫茲通信;低碼重編碼;能耗;開關(guān)鍵控

電子學(xué)報(bào)URL:http://www.ejournal.org.cn DOI:10.3969/j.issn.0372-2112.2016.08.035

1 引言

納米技術(shù)源于諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼在1959年所作的著名演講《在底部還有很大空間》(There’s Plenty of Room at the Bottom)[1,2].隨著納米技術(shù)的發(fā)展,基于石墨烯、碳納米管、石墨烯納米帶等納米材料,可以制造能夠完成感知、處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、執(zhí)行等簡(jiǎn)單任務(wù)的納米元件.納米傳感器[1～3]由若干的納米元件構(gòu)成,尺寸僅為若干立方微米.納米傳感器可以通過相互之間的協(xié)作和信息共享在更大的距離范圍內(nèi)分布式地完成更復(fù)雜的任務(wù)[4],從而構(gòu)成無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless NanoSensor Networks,WNSN).納米傳感器之間最主要的通信方式[3,4]有兩種,即分子通信和納米電磁通信;文獻(xiàn)[2]廣泛討論了以分子為信息載體的分子通信;文獻(xiàn)[3]詳細(xì)綜述的電磁納米網(wǎng)(ElectroMagnetic NanoNetworks,EMNN)是采用納米電磁通信方式的無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò).下文中,無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)專指電磁納米網(wǎng),不區(qū)分地使用EMNN和WNSN.采用納米電磁通信時(shí),納米傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射與接收基于新型納米材料開發(fā)的納米器件所輻射的太赫茲(Terahertz,THz)頻段電磁波,其頻率范圍在0.1-10THz[3,5～7];因此,納米電磁通信也可以認(rèn)為是WNSN中的太赫茲通信.

納米傳感器節(jié)點(diǎn)的能量?jī)?chǔ)存能力極其有限[8],而納米傳感器在通信、傳感、處理等各方面都會(huì)產(chǎn)生能耗,因此能量有效性是EMNN中必須優(yōu)先考慮的問題.納米傳感器節(jié)點(diǎn)的能量主要消耗在通信方面,現(xiàn)有的EMNN編碼相關(guān)的文獻(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注通信能耗,例如,文獻(xiàn)[9～11]討論通信能耗中的傳輸能耗的最小化.本文概述WNSN,綜述EMNN節(jié)能編碼方法的研究現(xiàn)狀,展望EMNN編碼能量有效性相關(guān)的研究方向,期望引起國(guó)內(nèi)對(duì)WNSN的進(jìn)一步關(guān)注,促進(jìn)WNSN的理論研究及其在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、環(huán)境和軍事等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用研究,例如先進(jìn)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、納米物聯(lián)網(wǎng)、災(zāi)害防御系統(tǒng)和核生化防御系統(tǒng)等[12].

2 無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署了大量可相互通信的納米傳感器節(jié)點(diǎn).通過節(jié)點(diǎn)之間的通信,納米傳感器能夠以多跳的方式把信息傳輸?shù)絽R聚(Sink)節(jié)點(diǎn)[13].集成的納米傳感器[3]如圖1所示,包含傳感、處理、執(zhí)行、存儲(chǔ)、能量、通信等單元,其中,通信單元包括納米天線和電磁納米收發(fā)器.納米天線寬度僅有數(shù)十納米,長(zhǎng)度為幾微米,易于集成到納米傳感器中[13].基于碳納米管、石墨烯等材料的納米天線[14,15]及電磁納米收發(fā)器[16,17]等是實(shí)現(xiàn)WNSN太赫茲通信的基本要素.

根據(jù)文獻(xiàn)[3,4],WNSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含納米節(jié)點(diǎn)、納米路由器、微納米接口設(shè)備和網(wǎng)關(guān);例如,健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的WNSN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示.其中,納米傳感器和納米執(zhí)行器等納米節(jié)點(diǎn)能夠完成簡(jiǎn)單的計(jì)算、存儲(chǔ)等任務(wù).納米路由器比納米節(jié)點(diǎn)擁有更多的計(jì)算資源,既能對(duì)來自納米傳感器的信息進(jìn)行匯總,又能通過交換簡(jiǎn)單的命令控制納米節(jié)點(diǎn)的行為.微納米接口設(shè)備是一種混合設(shè)備[3],既可以使用納米通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米規(guī)模的通信,如匯總來自納米路由器的信息,并在各設(shè)備之間進(jìn)行信息傳輸,又可以使用常用的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信.網(wǎng)關(guān)(如智能手機(jī))連接WNSN和Internet,既可以轉(zhuǎn)發(fā)來自微納米接口設(shè)備的信息到Internet上,又使得用戶(如醫(yī)療服務(wù)提供者)能夠通過Internet對(duì)WNSN進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3,4].

當(dāng)前,納米傳感器之間的通信問題依然尚未得到解決[13].其中,太赫茲頻率產(chǎn)生極高的路徑損耗[7]是實(shí)現(xiàn)太赫茲通信的主要挑戰(zhàn)之一,因此通信距離是太赫茲通信的一個(gè)主要約束因素[7].在納米傳感器之間實(shí)現(xiàn)通信的首個(gè)研究挑戰(zhàn)[3]是太赫茲頻段信道建模.文獻(xiàn)[1,18]詳細(xì)討論了WNSN的信道建模并給出了太赫茲信道路徑損耗的計(jì)算方法.文獻(xiàn)[3]綜述了納米規(guī)模太赫茲信道的路徑損耗(包括傳播損耗和分子吸收損耗)、分子噪聲、帶寬和信道容量、多徑傳播和納米粒子散射等特性.關(guān)于EMNN的信道容量,文獻(xiàn)[1]首次進(jìn)行評(píng)估,文獻(xiàn)[19]給出了單用戶的可用信息率計(jì)算方法,文獻(xiàn)[13]進(jìn)一步研究了多用戶的信息率.但實(shí)現(xiàn)有效、實(shí)用的EMNN仍然存在諸多挑戰(zhàn);物理層研究方面的挑戰(zhàn)[7]包括調(diào)制方法、編碼方法、發(fā)送器/接收器復(fù)雜性均衡、物理層安全等;鏈路層研究方面的挑戰(zhàn)[7]包括介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control,MAC)機(jī)制、錯(cuò)誤控制策略、數(shù)據(jù)包大小的設(shè)計(jì)等.

研究EMNN的物理層、鏈路層等各層解決方案可以使用基于NS-3(Network Simulator 3)平臺(tái)的Nano-Sim[20,21]、COMSOL[12]等仿真工具及HITRAN[22]分子吸收數(shù)據(jù)庫(kù).

對(duì)于大量納米傳感器節(jié)點(diǎn)密集部署的EMNN,需要有新的MAC協(xié)議來控制信道的訪問及協(xié)調(diào)納米節(jié)點(diǎn)之間的并行傳輸.物理層感知MAC協(xié)議[23]是EMNN的首個(gè)MAC協(xié)議,該協(xié)議建立在基于脈沖的通信方案以及低碼重信道編碼方法的基礎(chǔ)之上.文獻(xiàn)[24]進(jìn)一步討論EMNN中能量和頻譜感知的MAC協(xié)議.文獻(xiàn)[25]討論在Ad Hoc納米網(wǎng)絡(luò)中不需要采用任何MAC協(xié)議,而是通過控制最大節(jié)點(diǎn)密度來保證通信可靠性.

3 電磁納米網(wǎng)的調(diào)制與低碼重編碼方法

由于納米傳感器節(jié)點(diǎn)的尺寸及能量約束[19],傳統(tǒng)的基于傳輸連續(xù)信號(hào)的通信模式不適用于WNSN.在納米規(guī)模,通過石墨烯延時(shí)線和納米電容器的簡(jiǎn)單組合[3]易于產(chǎn)生亞皮秒脈沖并有效輻射.傳輸超短脈沖(亞皮秒脈沖[3]、飛秒脈沖[13])是使用太赫茲頻段信道的有效方法[13,26].目前,EMNN一般采用基于開關(guān)鍵控調(diào)制(On-Off Keying,OOK)的調(diào)制方法[9～11,19,23].在無線通信中使用基于OOK的優(yōu)化編碼方法是Erin等[27]最早提出的.使用基于OOK的調(diào)制及低碼重編碼[9～12,19]方法,可以降低傳輸能耗,從而節(jié)省通信能耗.

3.1 基于OOK的調(diào)制方法

考慮在EMNN中傳輸二進(jìn)制信息序列,采用OOK調(diào)制方法時(shí),納米傳感器節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送一個(gè)超短脈沖表示傳輸高位“1”,而以靜默表示傳輸?shù)臀弧?”.

TS-OOK(Time Spread On-Off Keying)是基于分時(shí)隙傳輸飛秒脈沖的開關(guān)鍵控調(diào)制,其實(shí)現(xiàn)方法[28]是:納米節(jié)點(diǎn)在傳輸高位“1”時(shí)發(fā)送一個(gè)飛秒脈沖,而在傳輸?shù)臀弧?”時(shí)保持靜默;固定每個(gè)位(比特)的傳輸時(shí)間間隔Ts,并使其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送一個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間(脈沖寬度)Tp,即Ts?Tp,例如,Tp=100(fs),Ts/Tp=1000.圖3是TS-OOK示意圖,兩個(gè)納米發(fā)送器分別傳輸“1100”、“1001”,圖中每個(gè)小矩形表示一個(gè)飛秒脈沖,每個(gè)小圓點(diǎn)表示一次靜默.使用TS-OOK,若干納米節(jié)點(diǎn)可以共用同一個(gè)信道;在傳輸時(shí)間間隔內(nèi),接收節(jié)點(diǎn)可以保持空閑狀態(tài),或者接收來自其他發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息,或者發(fā)送其本身的數(shù)據(jù)[19],從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的多址訪問控制.但是,WNSN中納米節(jié)點(diǎn)附近有大量的鄰居節(jié)點(diǎn),如果它們采取非合作行為,在任意時(shí)刻開始傳輸信號(hào),則產(chǎn)生碰撞是不可避免的[19].文獻(xiàn)[19]建立了接收端的干擾統(tǒng)計(jì)模型用于定量評(píng)估碰撞對(duì)WNSN的影響.采用TS-OOK,收發(fā)端之間必須進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間同步[8,17],文獻(xiàn)[17]討論了包含時(shí)間同步模塊的接收器架構(gòu).

區(qū)分傳輸符號(hào)率的分時(shí)隙開關(guān)鍵控RD TS-OOK(Rate Division Time Spread On-Off Keying)[23]是改進(jìn)的TS-OOK調(diào)制方法.RD TS-OOK在TS-OOK的基礎(chǔ)上要求對(duì)于不同的納米節(jié)點(diǎn)、不同類型的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間間隔Ts和傳輸符號(hào)率β=Ts/Tp都不同.RD TS-OOK能夠避免災(zāi)難性碰撞,使鄰居納米節(jié)點(diǎn)達(dá)到使用正交信道的效果.使用RD TS-OOK,減少了傳輸錯(cuò)誤,在大多數(shù)情況下,低碼重信道編碼結(jié)合簡(jiǎn)單重復(fù)碼就足以保證接收端正確地解碼所接收的信息[23].

3.2 節(jié)省傳輸能耗的低碼重編碼方法

一般而言,信源編碼通過減小編碼的冗余信息來提高符號(hào)的平均信息量;而信道編碼通過增加編碼的冗余信息來保證通信的可靠性.針對(duì)二進(jìn)制信息序列,電磁納米網(wǎng)常用的編碼方法將較短的/源字(Sourceword)匹配為較長(zhǎng)的碼字(Codeword),從而減少需要傳輸?shù)母呶弧?”的數(shù)量.這種編碼方法增加了冗余比特,通常被稱為一種信道編碼.表1是長(zhǎng)度為2的源字和長(zhǎng)度為3的碼字匹配表,其中,碼字的碼重指的是碼字中“1”的數(shù)量.

表1 源字-碼字匹配表

納米傳感器節(jié)點(diǎn)的能量非常有限,節(jié)省能耗是EMNN編碼方法必須考慮的一個(gè)重要因素.目前,基于石墨烯的納米電子學(xué)能耗依然是未知數(shù)[23],已有文獻(xiàn)一般暫不考慮發(fā)送端電路等能耗[9],重點(diǎn)討論的是通信能耗中的傳輸能耗.目前,EMNN低碼重編碼方法通過減小碼字集合(碼本)的平均碼重(Average Codeword Weight,ACW),減少所要傳輸?shù)母呶粩?shù)量,從而節(jié)省傳輸能耗.如表1所示,編碼前后的ACW分別為1和0.75.使用低碼重編碼時(shí),通過合理選擇碼重[19]或者滿足碼距[10]約束條件等措施,可以保障通信的可靠性.

在考慮源字等概率出現(xiàn)的情況下,ACW用Wmin表示,按式(1)計(jì)算:

(1)

考慮源字非等概率出現(xiàn)的情況,最小化ACW需要把出現(xiàn)概率大的源字匹配為碼重小的碼字,若用pi表示匹配給第i個(gè)碼字的源字的出現(xiàn)概率,則最小化的ACW按式(2)計(jì)算:

(2)

s.t.w1≤w2≤…≤wi≤…≤wM,

p1≥p2≥…≥pi≥…≥pM

Jornet等[19]采用TS-OOK調(diào)制方法,在電磁納米網(wǎng)絡(luò)中采用低碼重信道編碼(Low-Weight channel Coding,LWC)來降低共同使用信道的納米節(jié)點(diǎn)之間的干擾.文獻(xiàn)[12]表明,通過控制LWC的碼重,可以降低EMNN的分子吸收噪聲和多用戶干擾,從而降低誤碼率,保障通信的可靠性,而且不會(huì)降低可用信息率.其實(shí),LWC通過使用低碼重,也能達(dá)到節(jié)省傳輸能耗的效果;通過降低誤碼率,可以減少碼字重傳所產(chǎn)生的能耗.文獻(xiàn)[12]、[19]所采用的碼字具有相同的碼重,即碼重為某個(gè)常量u,在源字等概率出現(xiàn)的情況下,ACW即為u.設(shè)碼長(zhǎng)n=42,碼字的高位傳輸概率p1=u/n=0.3,則可以得到常量碼重u=?n·p1」=12.根據(jù)文獻(xiàn)[12]、[19],在碼長(zhǎng)為n的碼字集合中選擇碼重為u的不同碼字來匹配長(zhǎng)度為m的2m個(gè)源字,共有式(3)所示的種數(shù),并且滿足式(4):

(3)

W(n,u)≥2m

(4)

Kocaoglu等[10]所提的最小能耗編碼(Minimum Energy Coding,MEC),通過最小化平均碼重以最小化平均傳輸能耗,同時(shí)使編碼滿足漢明碼距約束來保證通信的可靠性.若編碼的碼距為d,則能夠糾錯(cuò)?(d-1)/2」位,隨著碼距增大,可靠性增高[10].設(shè)M(≤2m)個(gè)源字的出現(xiàn)概率為pi(1≤i≤M),其中最大出現(xiàn)概率為pmax.根據(jù)文獻(xiàn)[10],對(duì)于給定的碼距d,最小化的ACW按式(5)計(jì)算:

(5)

對(duì)于給定的碼距d和最大碼重k,若滿足「d/2?k

(6)

MEC通過滿足漢明碼距來保障通信可靠性,通過保持較大的碼距,在滿足源字個(gè)數(shù)小于誤符號(hào)率(symbol error probability)的倒數(shù)時(shí),MEC能完全無誤地解碼[10].文獻(xiàn)[10]的仿真結(jié)果表明,MEC優(yōu)于Hamming碼、Reed-Solomon碼、Golay碼等分組碼.

(7)

構(gòu)建優(yōu)化碼本時(shí),在碼重取值范圍為[0,wmax]的碼字集合中按碼重從小到大選擇前M個(gè)碼字.源字長(zhǎng)度為m,在源字等概率出現(xiàn)的情況下,設(shè)傳輸每個(gè)高位的能耗為Ep,根據(jù)文獻(xiàn)[9],優(yōu)化碼本的最小化ACW按式(8)計(jì)算,而EPB按式(9)計(jì)算:

(8)

(9)

根據(jù)文獻(xiàn)[9],MTE編碼在中低誤比特率(≤0.01)的場(chǎng)景下EPB低于MEC,而在高誤比特率場(chǎng)景下MTE編碼的EPB高于MEC,因?yàn)镸EC中需要相對(duì)較大的ACW來保證通信的可靠性;而MTE的平均碼字重傳次數(shù)會(huì)隨著誤比特率增大而增大,從而導(dǎo)致EPB增大.因此,MTE編碼適用于在中低誤碼率的場(chǎng)景下節(jié)省傳輸能耗.

2.1.2 手術(shù)禁忌證 TURBT并無絕對(duì)禁忌證，但在遇到以下情況時(shí)，應(yīng)在患者一般情況調(diào)整好或病情基本穩(wěn)定后手術(shù)：①系統(tǒng)疾病。如嚴(yán)重的高血壓、急性心肌梗死、未能控制的心力衰竭、嚴(yán)重的心律失常、近期發(fā)生腦血管意外者；嚴(yán)重的支氣管哮喘、肺氣腫合并肺部感染、肺功能顯著減退者；嚴(yán)重的肝、腎功能異常；全身出血性疾??；嚴(yán)重糖尿病，血糖未能有效控制者；精神障礙、不能配合手術(shù)者。②局部或?qū)？萍膊?。如急性泌尿生殖系統(tǒng)感染；嚴(yán)重的尿道狹窄或尿道閉鎖，經(jīng)尿道擴(kuò)張或尿道內(nèi)切開術(shù)仍不能置入電切鏡鞘者；髖關(guān)節(jié)強(qiáng)直，不能采取截石位者。

根據(jù)文獻(xiàn)[11],PFC編碼在中低誤比特率(≤0.01)的場(chǎng)景下傳輸能耗低于MEC,這是因?yàn)镸EC為了保證糾錯(cuò)能力而導(dǎo)致相對(duì)更大的ACW;在中低誤碼率的場(chǎng)景中,PFC編碼方法較之定長(zhǎng)的低碼重編碼方法,傳輸能耗更小且吞吐率更易于控制;在ACL閾值Γ滿足m<Γ<2m-1的條件下,PFC編碼較之定長(zhǎng)編碼,每碼字平均能耗更小.

表2所示是LWC、MEC、MTE、PFC等編碼方法的比較情況.

表2 編碼方法對(duì)比

4 電磁納米網(wǎng)節(jié)能編碼研究展望

電磁納米網(wǎng)是一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),許多理論與技術(shù)問題亟待研究.在電磁納米網(wǎng)節(jié)能編碼方面,需要進(jìn)一步研究的主要方向如下:

(1)電磁納米網(wǎng)編碼理論與方法的完善

在完善太赫茲信道建模理論的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善EMNN編碼理論,建立認(rèn)可度高的、低復(fù)雜性的信道編碼方案,將為編碼方法和算法的進(jìn)一步研究與實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ).在文獻(xiàn)[9，10，12，19]等定長(zhǎng)編碼和文獻(xiàn)[11]的變長(zhǎng)編碼的研究基礎(chǔ)之上,進(jìn)一步深入研究各種不同的編碼方法,將促進(jìn)電磁納米網(wǎng)編碼方法的不斷趨于完善.研究EMNN編碼理論與方法,既要考慮源字等概率出現(xiàn)的場(chǎng)景,又要考慮隨機(jī)概率分布等非等概率的場(chǎng)景.另外,在EMNN中如何借鑒基于分子通信方式的納米網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)、網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding,NC)等相關(guān)的編碼研究成果,也是亟待研究的.

(2)更全面的能耗模型

已有的EMNN低碼重編碼方法相關(guān)文獻(xiàn)中一般僅考慮通信能耗中的傳輸能耗.其實(shí),對(duì)于太赫茲短距通信,接收能耗也是不可忽視的[7].在EMNN中,節(jié)省通信能耗的編碼方法需要結(jié)合納米節(jié)點(diǎn)密集部署導(dǎo)致的多用戶干擾影響和太赫茲通信的特性,例如路徑損耗、分子吸收噪聲等,綜合考慮傳輸能耗與接收能耗.設(shè)傳輸能耗表示為Etx,接收能耗表示為Erx,則通信能耗Ecom可用式(10)表示:

Ecom=Etx+Erx

(10)

傳輸能耗主要由碼重決定,而接收能耗與碼長(zhǎng)密切相關(guān),通信能耗模型需要綜合考慮碼重與碼長(zhǎng)對(duì)通信能耗的影響.在更全面的通信能耗模型中,編碼和解碼產(chǎn)生的能耗及納米收發(fā)器的電路能耗等其他能耗也應(yīng)該加以考慮.更全面的能耗模型還需要考慮傳感、處理等其他方面的能耗.另外,由于路徑損耗、分子吸收噪聲、多用戶干擾等影響,太赫茲信道的誤比特率(Bit Error Rate,BER)較高,從而誤碼率(Codeword Error Rate,CER)也較高,能耗模型中應(yīng)考慮為了保證正確接收碼字而進(jìn)行碼字重傳所產(chǎn)生的能耗.

(3)節(jié)能高效的編碼算法

EMNN中的納米傳感器節(jié)點(diǎn)由于尺寸及當(dāng)前技術(shù)所限,所能存儲(chǔ)的能量極其有限,所用的編碼算法必須是節(jié)能高效的.如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)算法高效地產(chǎn)生低碼重編碼是亟待研究的問題.對(duì)于源字長(zhǎng)度為m,源字個(gè)數(shù)為M=2m的情況,文獻(xiàn)[11]所提的啟發(fā)式編碼算法中,BT-WD算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(M3log2M),BT-LD算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(M4),較適用于源字長(zhǎng)度很小的場(chǎng)景,對(duì)于較大的碼字長(zhǎng)度,一般需要離線使用.在EMNN中,對(duì)于計(jì)算、存儲(chǔ)能力都極低的納米節(jié)點(diǎn)而言,時(shí)間復(fù)雜度較低(例如O(M)、O(Mlog2M)、O(M2))的編碼算法既可以減少運(yùn)行時(shí)間,節(jié)約納米傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源,又可以高效地產(chǎn)生低碼重編碼,節(jié)省納米傳感器節(jié)點(diǎn)的處理、通信等能耗;空間復(fù)雜度較低(例如O(M))的編碼算法可以節(jié)約納米節(jié)點(diǎn)有限的存儲(chǔ)資源.另外,與編碼算法對(duì)應(yīng)的解碼算法也應(yīng)該具有較低的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度.

(4)權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)性能的節(jié)能編碼優(yōu)化

EMNN編碼方法與算法既要具有能量有效性,又要兼顧通信可靠性、時(shí)延、吞吐率等網(wǎng)絡(luò)性能.采用減小碼重的方法[12],能降低EMNN中的分子吸收噪聲和多用戶干擾,從而降低誤碼率,使通信可靠性得到保證,因此需要優(yōu)化確定碼重.MEC通過保證漢明碼距[10]約束來保障通信可靠性,但導(dǎo)致碼長(zhǎng)過大.大的碼長(zhǎng)可以減小ACW,從而減小傳輸能耗,但將導(dǎo)致大的接收能耗和時(shí)延,使得吞吐率降低,也可能產(chǎn)生較大的誤碼率,因此需要優(yōu)化碼長(zhǎng).編碼優(yōu)化可以從點(diǎn)到點(diǎn)通信、端到端通信和整個(gè)EMNN等不同角度進(jìn)行研究.

(5)電磁納米網(wǎng)編碼的實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)前,EMNN編碼尚處于理論研究階段,編碼與實(shí)際應(yīng)用之間還存在很大的距離.由于納米傳感器的尺寸和能量限制,實(shí)用的EMNN編碼和解碼方法應(yīng)該具有低復(fù)雜性;實(shí)用的編碼和解碼算法應(yīng)該具有易于集成到納米收發(fā)器、納米編/解碼器等納米器件中.針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)條件和性能需求,對(duì)于源字長(zhǎng)度、碼長(zhǎng)、碼重、數(shù)據(jù)包大小等參數(shù),既要在編碼設(shè)計(jì)階段合理地優(yōu)化,又要考慮在編碼算法運(yùn)行時(shí)能自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整.

5 總結(jié)

本文在概述無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,從基于OOK的調(diào)制技術(shù)和節(jié)省傳輸能耗的低碼重編碼方法這兩方面綜述電磁納米網(wǎng)(EMNN)中節(jié)能編碼方法的研究進(jìn)展,展望EMNN的研究方向.目前,電磁納米網(wǎng)的編碼方法主要包括低碼重信道編碼(LWC)、最小能耗編碼(MEC)、最小傳輸能耗(MTE)編碼及前綴編碼(PFC)等,其中,LWC、MEC、MTE編碼屬于定長(zhǎng)編碼,碼長(zhǎng)是定值,而PFC編碼是碼長(zhǎng)可變的變長(zhǎng)編碼,這些編碼通過最小化平均碼重(ACW)以最小化傳輸能耗.EMNN節(jié)能編碼方法的進(jìn)一步研究,需要完善編碼理論和方法,需要緊密結(jié)合太赫茲通信特性,綜合考慮傳輸能耗與接收能耗等各方面能耗建立全面的能耗模型,需要設(shè)計(jì)低復(fù)雜性的編碼方法和節(jié)能高效的編碼算法,需要在編碼節(jié)能優(yōu)化的同時(shí)兼顧通信可靠性等其他網(wǎng)絡(luò)性能,需要考慮編碼方法和算法的實(shí)用性.電磁納米網(wǎng)編碼從理論到實(shí)際應(yīng)用都亟待研究,這些研究的深入將極大地推動(dòng)和促進(jìn)EMNN節(jié)能編碼方法不斷趨向成熟與完善.無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際研究前沿課題之一,國(guó)內(nèi)已有一些高校、研究機(jī)構(gòu)及研究人員在進(jìn)行相關(guān)研究,但當(dāng)前尚鮮見無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)的中文文獻(xiàn),希望本文能夠促進(jìn)國(guó)內(nèi)對(duì)無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步關(guān)注和研究.

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黃龍軍 男,1976年生于福建連城.博士生,講師,研究方向?yàn)闊o線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和博弈論.

E-mail:hlj-jlh@163.com

王萬良(通信作者) 男,1957年生于江蘇高郵.博士生導(dǎo)師,教授,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)智能、自動(dòng)化和無線網(wǎng)絡(luò).

E-mail:wwl@zjut.edu.cn

姚信威 男,1986年生于浙江諸暨.博士,副教授,研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò).

E-mail:xwyao@zjut.edu.cn

沈士根 男,1974年生于浙江桐鄉(xiāng).博士,教授,研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)和博弈論.

E-mail:shigens@126.com

潘小剛 男,1990年生于河南濮陽(yáng).碩士生,研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò).

E-mail:pxg-zjut@hotmail.com

A Survey on Energy-Efficient Coding for Electromagnetic Nanonetworks

HUANG Long-jun1,2,WANG Wan-liang1,YAO Xin-wei1,SHEN Shi-gen2,3,PAN Xiao-gang1

(1.CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou,Zhejiang310023,China;2.DepartmentofComputerScienceandEngineering,ShaoxingUniversity,Shaoxing,Zhejiang312000,China;3.CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing,Zhejiang314001,China)

Wireless nanosensor networks (WNSNs) employing nano-electromagnetic communications,known as electromagnetic nanonetworks,are composed of many nanosensors communicating with each other.Because the nanosensors' energy is extremely limited,the energy efficiency become an important issue in electromagnetic nanonetworks.Firstly,WNSNs using terahertz communication are outlined.Then the state of the art in communication energy of electromagnetic nanonetworks is reviewed,in terms of on-off keying modulation and energy-efficient low-weight channel coding.Finally,the next research focuses of energy-efficient coding for electromagnetic nanonetworks are discussed.So far,Chinese literatures on WNSNs are rare.This work is hoped to forward the internal focuses and research on WNSNs.

wireless nanosensor networks;terahertz communication;low-weight coding;energy consumption;on-off keying

2015-02-06;

2015-03-31;責(zé)任編輯:馬蘭英

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61379123,No.61402414,No.61272034);浙江省教育廳科研項(xiàng)目(No.Y201533837,No.Y201431815)

TP393

A

0372-2112 (2016)08-2018-07