一種基于噴泉碼的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)包算法*

袁 靜 劉建航 董軒江 李世寶

（中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院 青島 266580）

1 引言

在物聯(lián)網(wǎng)時代中，所有智能設(shè)備互聯(lián)已成為必然趨勢。在網(wǎng)絡(luò)空間中，由于不同的無線設(shè)備使用不同的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，所以異構(gòu)無線設(shè)備上是相互隔離、無法直接通信的。若需要各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要共同訪問Internet［1，3～4，6］。為了實現(xiàn)異構(gòu)無線設(shè)備之間直接通信［5］，提出了Cross-Technology Communication（CTC）。CTC 改變了傳統(tǒng)無線技術(shù)之間間接通信的情況。以往這類通信方式往往需要通過帶有多個無線電接口的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，而這類通信方法需要增加進(jìn)出網(wǎng)關(guān)的流量開銷，并且為了滿足不同用戶相互通信，經(jīng)常需要購買網(wǎng)關(guān)等硬件實現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)部署。

現(xiàn)有的CTC 不僅可以使不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序共存，還能夠共享介質(zhì)以及物理空間中部署異構(gòu)設(shè)備［1］（例如：WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等）。然而在已有的CTC中，進(jìn)行文件傳輸時所依據(jù)的TCP協(xié)議的重傳機(jī)制存在自身局限性：在傳輸協(xié)議的編碼中，需要將傳輸?shù)奈募殖蒏 個數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。若在傳輸過程中發(fā)生了丟包則需要通知源節(jié)點哪些數(shù)據(jù)包需要重傳進(jìn)行再一次傳輸。直至所有數(shù)據(jù)包都被無差錯的被接收端接收完成譯碼后停止發(fā)送。這種傳統(tǒng)的傳輸方式雖然可以以高概率完成譯碼，但是由于較低的傳輸效率使得傳輸時間過長，在一些多播場景中并不適用。特別是在已有的CTC 中（WiFi To ZigBee），當(dāng)ZigBee 接收全部數(shù)據(jù)包并完成譯碼后需要向WiFi 發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)消息進(jìn)行反饋。由于ZigBee技術(shù)自身的傳播距離短、周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)等特征，需要多跳才能完成反饋，所以若存在較大的丟包率則會造成巨大時延導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率較低。

綜上，本文在CTC的基礎(chǔ)上提出了通過使用噴泉編碼實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸，利用噴泉碼其丟包不敏感的特點減小重傳機(jī)會，與此同時，本文根據(jù)分析實驗數(shù)據(jù)得到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包情況與發(fā)送條件有關(guān)。為減小丟包率，本文提出了在不同場景下實現(xiàn)丟包率最小的條件與發(fā)包算法。

2 相關(guān)工作

2.1 CTC研究成果

為了解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備呈指數(shù)增長的數(shù)量帶來的頻譜危機(jī)，提出了現(xiàn)有PMC［9］。PMC 發(fā)送端的設(shè)計目標(biāo)是利用與WiFi 子載波重合的帶寬模擬窄帶ZigBee 信號，提高頻譜利用率。它是指在單一的WiFi 通道中對異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)無線電進(jìn)行并行多協(xié)議通信，從而充分提高頻譜利用率。通過WiFi和Zig-Bee 設(shè)備之間的重疊通道來模仿ZigBee 的OQPSK調(diào)制實現(xiàn)在WiFi信道中發(fā)送ZigBee信號，如圖1所示：WiFi通道6與四個ZigBee通道（即：16、17、18和19）重合。利用這7 個子載波來模擬ZigBee 的OQPSK 調(diào)制，同時保持其余57 個子載波的正常通信，如圖1所示。

圖1 ZigBee與WiFi信道重疊

根據(jù)CSMA 協(xié)議，在傳輸ZigBee 信號時，WiFi的信號傳輸必須停止，所以造成了頻譜浪費。因此，PMC 為實現(xiàn)WiFi與ZigBee 信號同時傳輸，利用QAM 的特定WiFi 子載波信號模擬ZigBee 的OQPSK 信號，即將所需的ZigBee 時域信號輸入FFT，選擇相應(yīng)的QAM 星座點，若沒有遇到完全重合的QAM 點則考慮到Parseval stheorem［7］所給出的能量方程，結(jié)合傅里葉變換的先行性質(zhì)，即可得出頻域量化引入的誤差方程［8］：

其中，u（t）是時域信號，v（t）是經(jīng)過QAM 量化后的時間時域信號U（k）和v（k）為其相對應(yīng)的階。所以將時域內(nèi)的信號失真最小化等價于QAM 量化后頻率分量的總偏差的最小化，即利用QAM 仿真的本質(zhì)是一個優(yōu)化過程。此時將沒有重合的點選擇總歐氏距離的k 個QAM 點與期望信號的k 個FFT 點之間距離最近的QAM點即可。

綜上，通過在物理層通過在發(fā)送端用WiFi 信號來模擬ZigBee信號，實現(xiàn)混合信號的發(fā)送。由圖1 可知，WiFi 第6 信道與ZigBee 信道重合，輸入的ZigBee 信號利用DSSS 模塊生產(chǎn)的LUT 查找表可以實現(xiàn)輸出其所匹配的QAM 點［9］，根據(jù)所輸出的QAM 點和WiFi 數(shù)據(jù)中其他的QAM 進(jìn)行快速傅里葉逆變換聚合形成混合信號：

最后，在WiFi 接收端不更改硬件的情況下，由于WiFi 和ZigBee 的碼率不同，傳統(tǒng)的WiFi 接收機(jī)無法對混合信號中模擬的ZigBee 信號進(jìn)行解調(diào)。所以，通過周期性地從信號數(shù)據(jù)流中刪除相應(yīng)Zig-Bee 數(shù)據(jù)，形成指定的WiFi 數(shù)據(jù)，得到所需的WiFi數(shù)據(jù)流。同時，在ZigBee 接收端接收到的模擬Zig-Bee 信號經(jīng)過帶通濾波器得到帶內(nèi)信號，并將該信號送入OQPSK 解調(diào)器。該解調(diào)器通過將載波發(fā)生器的信號相乘，將基帶信號與載波信號分離，然后跟蹤同相分量和正交分量的相位變化，從而確定ZigBee數(shù)據(jù)流。

這種利用信道重合改變發(fā)送方調(diào)制方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸方式的丟包率較大，而較大的丟包率會造成了較大的失敗譯碼率，該機(jī)制下的丟包對譯碼影響很大，所以增大了信道中的確認(rèn)與重傳消息。為實現(xiàn)較高效率的傳輸及較高的譯碼率，對CTC系統(tǒng)中新型的編譯碼方案提出了要求。

2.2 噴泉碼算法

噴泉碼本身是一種碼率不受限制的糾刪碼［2］（rateless erasure codes），即從源符號編碼產(chǎn)生的編碼符號序列是無限的，未成功完成譯碼中的中間數(shù)據(jù)不會對原始數(shù)據(jù)譯碼產(chǎn)生影響［11］。噴泉碼通過源源不斷的產(chǎn)生編碼分組流z1，z2…，作為任意長度向量的輸入與輸出符號。當(dāng)接收端接收到產(chǎn)生的k 個輸入符號（x1，x2，…，xk）后，每個輸出符號等于若干個隨機(jī)獨立選取的輸入符號的異或和［10］，如圖2 所示。用此編碼方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，可以根據(jù)接收情況決定發(fā)包數(shù)量。

由圖2可知，LT碼的譯碼過程是一個低復(fù)雜度的迭代譯碼法。首先任意選取一個度為1 的編碼分組，若不存在度為1 的編碼分組，則結(jié)束譯碼；若存在，則通過復(fù)制就可以解碼出與該編碼分組相鄰的數(shù)據(jù)。根據(jù)Tanner圖，將已經(jīng)恢復(fù)的數(shù)據(jù)分組信息與相鄰的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模二和運算，若在傳輸過程發(fā)生了數(shù)據(jù)包丟失，則可以根據(jù)接收到的相鄰編碼分組得到丟失數(shù)據(jù)，從而更新編碼分組的信息，并將相應(yīng)的Tanner 對應(yīng)的邊刪除并且無需關(guān)注具體是哪些數(shù)據(jù)包發(fā)生了丟失，如此往復(fù)，直到找不到度為1的編碼分而技術(shù)譯碼。

圖2 LT碼的Tanner圖

所以針對現(xiàn)有CTC系統(tǒng)丟包率較大，對丟包較為敏感的特點，本文提出了一種基于噴泉碼的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)包算法（A fountain code based heterogeneous network packet sending algorithm，F(xiàn)CSA）。在本中通過搭建了PMC 平臺作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，其次本文提出了通過改變發(fā)送端的編碼方式，在發(fā)送端采取噴泉編碼方式增大譯碼率，無需更改現(xiàn)有的硬件設(shè)施與譯碼方式。最后本文通過進(jìn)行多次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y試總結(jié)出影響丟包率的因素，并通過改變發(fā)送端發(fā)送策略從而使得丟包率達(dá)到最小。與已有算法相比，本文提出的算法可以明顯減小丟包率，使得傳輸系統(tǒng)有較大的的信道利用率與較高的譯碼率。

3 基于噴泉碼的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)包算法

3.1 算法思想

本節(jié)主要介紹FCSA 的主要思想，以及在CTC平臺進(jìn)行實驗后對實現(xiàn)丟包率達(dá)到最小時的總結(jié)。首先，通過使用開銷較小的LT 碼對發(fā)送端進(jìn)行編碼，假設(shè)接收節(jié)點將發(fā)送K 個原始數(shù)據(jù)包，根據(jù)度分布式（3）表明，在每個迭代過程中必有一個節(jié)點度為1，所以在理想情況下，孤子分布的度函數(shù)為

其次，為了保證接收器在接收到足夠數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解碼，每個疊戴過程至少應(yīng)有一個度為1 的數(shù)據(jù)包［12］。若δ為接收機(jī)無法解碼原始數(shù)據(jù)的概率，則S=cloge(K′/δ)，有此可知，每次迭代過程中保證度數(shù)為1的數(shù)量為

根據(jù)輸出的混合信號可得，當(dāng)傳統(tǒng)的WiFi 接收方接收到PMC 發(fā)送端發(fā)出的混合信號時，部分子載波包含WiFi 數(shù)據(jù)流，其余部分包含了ZigBee數(shù)據(jù)流。所以，我們在WiF端采取了周期性的刪除ZigBee 數(shù)據(jù)流從而提取出WiFi 數(shù)據(jù)流的方法，形成傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的WiFi接收器指定的WiFi信號：

本文對丟包率的估算是指在傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失的數(shù)量占所發(fā)送的數(shù)據(jù)組的比率，其本身是用于衡量無線信道性能的重要指標(biāo)，至今已經(jīng)進(jìn)行了許多針對估計丟包概率的相關(guān)研究［13～16］。本文根據(jù)現(xiàn)有的信道評估技術(shù)，利用接收端估計SNR（信噪比）［17］進(jìn)行信道質(zhì)量估計，通過式子表達(dá)每bit的能量比（Eb/N0）：

其中，Rb代表比特率，B 是信道帶寬，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制之后，采用低密度奇偶校驗（LDPC）編碼進(jìn)行信道解碼，接收機(jī)解碼失敗概率可表示為

最后，根據(jù)本文在不同距離下測得的最小丟包率的匯總，找到不同距離下可以實現(xiàn)在該距離下的最小丟包率的對應(yīng)發(fā)送周期、增益，對該周期、增益進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、分析、模擬后得出不同距離下實現(xiàn)最小丟包率的發(fā)包條件。

3.2 實驗設(shè)置

我們在TelosB 平臺上，利用一個USRP 與三個ZigBee開發(fā)板實現(xiàn)了PMC模型，如圖3所示。其中，USRP 的型號為NI USRP-2932，通過本型號USRP 生成符合IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)下的WiFi 數(shù)據(jù)包，利用WiFi 與ZigBee 的重疊信道發(fā)送數(shù)據(jù)包至ZigBee 平臺。本實驗采用WiFi 的第6 信道和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的第16 信道來構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道。本實驗通過調(diào)整發(fā)送周期、增益與距離變量，將其都作為可控開關(guān)，并進(jìn)行測試與對其分別進(jìn)行說明。實驗每次發(fā)送1000 個數(shù)據(jù)，測得每次發(fā)送后的接收情況，求得不同因變量下的丟包率，并對其進(jìn)行分析。由于本設(shè)備在設(shè)置增益時，會產(chǎn)生接收信號振幅隨頻段和設(shè)備之間的變化而變化，所以本實驗全程在2.4GHz與相同的三個接收端進(jìn)行。

圖3 實驗場景

3.3 實驗結(jié)果

3.3.1 距離的影響

本節(jié)介紹了當(dāng)發(fā)送端與接收端處于不同距離下時對丟包率的影響。通過圖4 可得，隨著距離的增加，最大丟包率總體呈現(xiàn)上升趨勢，其次，由于ZigBee本身的短距離傳輸特性，經(jīng)測量在10m～13m之間會有一次丟包率的突增現(xiàn)象。以12m為例，當(dāng)發(fā)送端與接收端相距12m 時，無論增益如何變化，都會使得丟包率發(fā)生增加，所以在實際布置ZigBee節(jié)點時可以盡量避免該距離區(qū)間。

圖4 距離對丟包率的影響

3.3.2 增益的影響

本節(jié)介紹了當(dāng)發(fā)送端與接收端增益不同時對最大丟包率的影響，利用USRP 調(diào)整發(fā)送增益，對比分析得到如下結(jié)論：本文選取0dB、16dB 和31dB三種增益進(jìn)行實驗，如圖所示。根據(jù)圖5 可得，隨著增益的增加，最大丟包率明顯減小，例如當(dāng)增益為0dB 時，平均丟包率為21.81%，當(dāng)增益增加到16dB 時，平均丟包率減小至7.59%，可見增加發(fā)送增益可以明顯減小丟包率，例如，當(dāng)發(fā)送端與接收端相距40m 時，當(dāng)發(fā)送增益為16dB 時，最大丟包率為5.83%，增益增加至31dB 時，最大丟包率僅為2.70%。但是為了減小丟包率一味增加增益不一定會使丟包率減小，例如當(dāng)發(fā)送端與接收端相距1m時，最大丟包率由于增益的增加沒有減小反而有所增加。由此可知，在距離一定的情況下，增加一定的增益可以明顯減小丟包率，但是不斷增加增益不一定會使得丟包率下降，反而有可能會使得丟包率比較小增益時增大。同時，由圖5 可知，較大的增益甚至可能會使得丟包率增加，所以為減小丟包率盲目增加增益會使得傳輸系統(tǒng)很不穩(wěn)定，無法控制數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

圖5 增益對丟包率的影響

3.3.3 周期的影響

本節(jié)介紹了當(dāng)發(fā)送端與接收端周期不同時對丟包率的影響情況，由于本文中所述實驗進(jìn)行測試次數(shù)較多，而對于數(shù)據(jù)傳輸過程中所能影響數(shù)據(jù)丟失的因素也比較多，所以發(fā)送周期的影響比較復(fù)雜。本節(jié)將分為三個部分進(jìn)項闡述：

1）當(dāng)發(fā)送端與接收端之間采取0dB 增益進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，如果距離越近發(fā)送周期越小，可以減小丟包率，如圖6 所示。例如當(dāng)發(fā)送端與接收端相距1m 時，若發(fā)送周期僅為25ms則丟包率僅為0.42%，較小發(fā)送周期對較遠(yuǎn)距離并不友好，例如當(dāng)發(fā)送端與接收端相距25m 時，若扔采取25ms 作為發(fā)送周期，則丟包率可高達(dá)16.27%，較大的數(shù)據(jù)丟失會嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。所以較大傳輸距離的情況下應(yīng)適當(dāng)增加發(fā)送周期從而減小丟包率。

圖6 0dB時周期對丟包率的影響

2）當(dāng)增益增加至16dB 時，距離對丟包率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于增益對丟包率的影響。通過實驗可得，發(fā)送周期變小使得不同距離下的最大丟包率增多，但是并不代表較小的發(fā)送周期一定帶來大丟包率。例如當(dāng)發(fā)送端月接收端相距25m時，發(fā)送周期為25ms 的丟包率僅為0.29%。當(dāng)發(fā)送端與接收端相距12m，發(fā)送周期為10ms 時，這在實際應(yīng)用場景中是一個很小的發(fā)送功率，但是此時的丟包率僅為0.38%。增益變大時發(fā)送周期越短并不意味著丟包率大，相反有時可以帶來更大的收益，使發(fā)送速率快并且很系統(tǒng)穩(wěn)定，使得網(wǎng)絡(luò)性能大幅提升。尤其是超過12m 之后，丟包率比增益為0dB 時明顯減小，所以當(dāng)距離增大時可以適當(dāng)增加增益來減小丟包。

圖7 16dB時周期對丟包率的影響

3）通過圖8 我們可以對比出，相對于增益為16dB 的情況，當(dāng)增加增益至31dB 時，整個網(wǎng)絡(luò)傳輸較不穩(wěn)定。由圖8 可知，是當(dāng)發(fā)送端的發(fā)送周期為50ms 時，發(fā)送端與接收端相距12m 的最大丟包率遠(yuǎn)大于50m時的最大丟包率，所以當(dāng)收發(fā)兩端相距很遠(yuǎn)時，可以通過找到一個適宜的發(fā)送周期，使整個傳輸系統(tǒng)丟包率減小，例如當(dāng)距離增大至50m時，發(fā)送周期提高至150ms 才可以實現(xiàn)最佳發(fā)送，剩下其余情況丟包率都高于該種情況。

圖8 31dB時周期對丟包率的影響

3.4 最小丟包率走勢

通過實驗對比我們發(fā)現(xiàn)，距離、增益與周期都是可以影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾蛩?。綜上所述，影響丟包的因素是多方面的，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于很多節(jié)點是無法移動的，所以通過調(diào)節(jié)增益與發(fā)送周期可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速有效的傳播。最后，根據(jù)本文通過細(xì)化距離，在等差條件下測得的最小丟包率的匯總，如圖9所示。

圖9 等差距離下的最小丟包率

我們找到對應(yīng)的發(fā)送周期，對該周期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后得出不同距離下的最佳發(fā)送周期：當(dāng)距離小于5m，增益小于等于16dB 時，發(fā)送端以任意發(fā)送周期都可達(dá)到0 丟包率；當(dāng)距離大于5m，增益為31dB時，實現(xiàn)最小丟包率的最佳發(fā)送周期為

當(dāng)發(fā)送端大于14m，增益為31dB 時，最佳發(fā)送周期為

其中，Pe為周期（單位：ms），d為距離（單位：m）。

4 實驗性能分析

在CTC 算法中，常見的性能指標(biāo)包括吞吐量、誤碼率、時延和丟包率等。本文通過實際實驗，利用usrp發(fā)送數(shù)據(jù)包，普通商用ZigBee開發(fā)板進(jìn)行廣播接收，測得噴泉編碼下利用本文所提FCSA 每次發(fā)送1000 個數(shù)據(jù)包的丟包率與時延，并與已有PMC平臺作為參照進(jìn)行分析對比。

由圖10 可知當(dāng)發(fā)送端與接收端采用增益為0dB 時，最大的丟包率也僅為13.32%，此時兩者相距“不穩(wěn)定距離”12m。其次除了相距50m 時丟包率達(dá)到了10.69%以外，通過采用本文所提發(fā)包算法均可使丟包率低于2%。當(dāng)增大發(fā)送端增益至16dB 時可以明顯減小數(shù)據(jù)傳輸過程的丟包率，此時在本文算法下的最大丟包率僅為相距50m 時的6.29%，同時其他情況均不發(fā)生丟包現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)送端調(diào)整增益至31dB 時，最大丟包率不足1%，并且此時發(fā)送端與接收端之間的距離為50m。

圖10 FCSA不同增益下的丟包率

圖11顯示了本文所提算法與PMC之間丟包率的對比，可以看出在PMC 平臺采用FCSA 算法后可以明顯降低丟包率，通過計算可得，發(fā)送端采用FCSA 算算法后，丟包率可減小至少66%以上。同時，由于丟包率的減小提升了系統(tǒng)的吞吐量，由圖12 可以知，在PMC 的基礎(chǔ)上，增加FCSA 算法可明顯提高吞吐量。

圖11 丟包率對比

圖12 吞吐量對比

5 結(jié)語

近幾年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不斷呈爆炸式增長，實現(xiàn)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通信成為了必然趨勢。本文基于PMC 平臺設(shè)計了一種更高效的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，通過采用噴泉編碼中成熟的LT 技術(shù)進(jìn)行編碼，在實驗中測得了在所提編碼下的實現(xiàn)丟包率最小值的最優(yōu)解。最后本文在所得數(shù)據(jù)中進(jìn)行分析與總結(jié)得到FCSA算法相比較CSMA甚至PMC皆可明顯減小丟包率，同時很大程度提升了系統(tǒng)吞吐量。本文后續(xù)將繼續(xù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更多測試與探究，以期進(jìn)一步提升該系統(tǒng)性能。