3053基于网络编码的高效无线传感器网络数据广播算法.doc

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收稿日期:
基金项目:国家自然科学基金项目(60903019);高等教育学校博士点基金项目(200805321056)
无线广播中基于网络编码的隐藏终端解决机制
后学知张大方何思茗
(湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙410082)
(HYPERLINK"mailto:[e-mail]"[e-mail])
摘要:无线广播网络中由于没有RTS和CTS机制，因此会产生隐藏终端问题而无法解决。把网络编码的方法应用在无线广播网络中解决隐藏终端，在节点处采用特殊的机制确认碰撞包，再采用网络编码的方法解码碰撞包，从而恢复原始数据包。分析和实验表明网络编码解决机制减少了误码率和丢包率，提高了无线广播网络的吞吐量。
关键词:网络编码，无线广播网络，隐藏终端，

AhiddenterminalresolutionmechanismbasedonNetworkCodinginWirelessbroadcastNetworks
HOUxuezhi,ZHANGdafang,HeSiMing
(SchoolofComputerandCommunication,HunanUniversity,Changsha410082,China)
Abstract:BecauseofintheabsenceofRTSandCTSmechanisminthewirelessbroadcastingnetwork,thehiddenterminalproblemcannotberesolved.Applicationofthemethodofthenetworkcodinginwirelessbroadcastingnetworktoresolvethehiddenterminalandadoptingaspacialmechanismtoconfirmthecollisionpacketsinthenode.Thenusingthemethodofnetworkcodingtodecodecollisionpacketsandrestoringtheoriginalpackets.
Keywords:Networkcoding,Wirelessbroadcastingnetworks,hiddenterminal

1引言
无线传感器网络已被广泛应用于军事、环境监测、医疗护理、建筑物状态监控等很多方面。在传感器网络中，Sink节点经常需要对所有节点进行广播，比如应用程序开发与调试、代码更新、参数设置、任务分配等。本文所讨论的广播是Sink节点将数据包传输给网络中所有节点的一种操作。该广播必须是可靠、快速并且尽可能地减少能量消耗。
网络编码理论[2]融合了编码和路由技术,允许网络中间节点在传统数据转发的基础上参与编码，具有提升网络吞吐量、改善网络负载平衡、提高带宽利用率、节省无线网络节点能量消耗等优点。
在无线传感器网络中，无线链路的不可靠性和物理层的广播特性非常适合使用编码的方法。如图1所示，Sink节点广播4个包（p1,p2,p3,p4）到所有节点。各个不同节点接收到的数据包是相互独立的，每个节点都有丢包的情况发生(各链路丢包率为均0.5)。假设每个节点收到了如图1所示的数据包，即节点1收到了p1和p2，丢失了p3和p4，节点2收到了p2和p3，丢失了p1和p4，节点3收到了p3和p4，丢失了p1和p2。在没有网络编码的情况下，Sink节点不得不重传所有的4个包。但是如果利用网络编码，只需要再传送2个编码后的数据包。例如Sink节点可以发送p’1=p1+p2+p3+p4和p’2=p1+2p2+3p3+4p4。尽管每个节点丢失的是不同的数据包，但它们都可以顺利地解码出4个原始的数据包。例如，节点1收到了p1、p2、p’1和p’2，通过高斯消元法就可以解的4个原始包（p1,p2,p3,p4）。在这个例子中，利用网络编码减少了传输的次数，从原来的8次减少到6次。直观的看，发送数据包所消耗的能量与数据包的发送次数在一定程度上是成比例的。减少数据包的传输次数就可以节省能量消耗。若更进一步，在Sink节点发送源数据包的时候就考虑采用网络编码，比如Sink节点最初不是广播4个包（p1,p2,p3,p4），而是先利用网络编码发送6个编码包（因为考虑了丢包的存在，所以发送大于4个的编码包，避免了重传），如p’1和p’2（p’1=p1+p2+p3+p4，p’2=p1+2p2+3p3+4p4）等，同样因为链路的不可靠性会造成节点丢包，但每个节点只要收到其中的任意4个满足系数向量线性独立的编码包，利用高斯消元法就能顺利解码出4个原始包（p1,p2,p3,p4）。使用网络编码后，因