郭旭靜

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410015）

LT 碼在WSN網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

郭旭靜

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410015）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心，對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，因此，WSN網(wǎng)絡(luò)成為物聯(lián)網(wǎng)的研究熱點。文章主要分析物聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)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(yīng)用于WSN網(wǎng)絡(luò)中，旨在改善WSN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；WSN；物聯(lián)網(wǎng)；LT碼標(biāo)

從1990年網(wǎng)絡(luò)可樂販?zhǔn)蹤C(jī)到1999年美國麻省理工學(xué)院（MIT）首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念，物聯(lián)網(wǎng)這個概念和領(lǐng)域并沒有受到太多的關(guān)注，直到1999年美國麻省理工學(xué)院建立物聯(lián)網(wǎng)的“自動識別中心（Auto-ID）”，提出“萬事萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”，才使得物聯(lián)網(wǎng)逐步進(jìn)入人們的視線。

2009年，物聯(lián)網(wǎng)的概念在國內(nèi)引起人們的關(guān)注，從而成為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后引發(fā)新一輪信息產(chǎn)業(yè)浪潮的核心領(lǐng)域。2010年，我國研究制定促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持政策，將物聯(lián)網(wǎng)明確納入重點產(chǎn)業(yè)振興。由此，推動了中國物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)，其英文名稱是“Internet of things（IoT）”，它是新一代的信息技術(shù)，也是當(dāng)今信息化社會發(fā)展階段的主流應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。它是三個專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)結(jié)合：自動化、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)其實仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在移動互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)。移動互聯(lián)網(wǎng)是移動終端與移動終端之間的通信，物聯(lián)網(wǎng)只是將用戶端延伸和擴(kuò)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(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的又一大熱點技術(shù)。

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

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在改變著人們的生活，推動著社會的發(fā)展。如果把物聯(lián)網(wǎng)比做一個人，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網(wǎng)絡(luò)就是人體的神經(jīng)系統(tǒng)，用來傳遞信息，嵌入式系統(tǒng)則是人的大腦，在接收到信息后要進(jìn)行分類處理。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，這個網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)絡(luò)的融合以及終端的用戶應(yīng)用。底層的傳感器節(jié)點，通過射頻識別以及無線局域網(wǎng)的技術(shù)采集周圍環(huán)境的信息，并將采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理之后發(fā)送給需要采集數(shù)據(jù)信息的節(jié)點，實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞與處理。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）是物聯(lián)網(wǎng)感知層的技術(shù)，一般是自組織網(wǎng)絡(luò)，將傳感器節(jié)點部署在需要測量數(shù)據(jù)的環(huán)境中，用來收集數(shù)據(jù)。隨著無線通信、傳感器技術(shù)、嵌入式應(yīng)用和微電子技術(shù)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(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較適用于生理數(shù)據(jù)收集、智能交通系統(tǒng)和海洋探測等眾多科研或技術(shù)領(lǐng)域。它在原有的人與人、計算機(jī)與計算機(jī)通信的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)了人與物，物與物之間的信息傳遞，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的主要問題

雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在科研技術(shù)領(lǐng)域有很多應(yīng)用場景和廣闊的應(yīng)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(shù)據(jù)信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸過程中不穩(wěn)定，而出現(xiàn)丟包，這就會使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性低，因此如何改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸可靠性是需要重點研究和解決的。

由于要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，所以在?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，一旦出現(xiàn)丟包，就要進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳，這樣就會使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗嚴(yán)重增加，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的壽命。

也有相關(guān)文獻(xiàn)對無線傳感器的節(jié)能算法進(jìn)行研究。其中研究較為成熟的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)傳輸特點分析的基礎(chǔ)上，剖析了基于CSMA/CA（載波多路監(jiān)聽/沖突避免）的MAC協(xié)議在樹狀結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的弊端，提出了一種基于CSMA/CA的MAC協(xié)議優(yōu)化算法。該算法根據(jù)節(jié)點的位置調(diào)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(jù)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(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸特點相契合，解決了基于CSMA/CA的MAC協(xié)議與樹狀結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不匹配的問題，從而減少了信道資源浪費，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，降低了能耗。實驗結(jié)果表明該算法在網(wǎng)絡(luò)丟包率、吞吐量和能耗方面的性能均有較大改進(jìn)。

2　差錯控制方案

2.1傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸差錯控制機(jī)制

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

2.1.1前向糾錯技術(shù)

在發(fā)送端，信息通過糾錯編碼后經(jīng)過發(fā)射機(jī)進(jìn)入無線信道，接收機(jī)則運用糾錯譯碼來自動糾正無線數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的差錯，這種方式便稱為前向糾錯。前向糾錯是接收機(jī)進(jìn)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(xiàn)差錯校驗，從而實現(xiàn)差錯控制編碼的功能。接收端按照一定規(guī)則發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，從而提高通信系統(tǒng)抗干擾的能力，改善系統(tǒng)整體的可靠性指標(biāo)。前向糾錯技術(shù)的優(yōu)點是不需要反饋信道，實時性好，在現(xiàn)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(xiàn)。

2.1.2自動重傳請求機(jī)制

自動重傳請求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e控制方法，能保證通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送端發(fā)送檢錯碼，接收機(jī)檢測接收數(shù)據(jù)包是否存在傳輸差錯。如果判定數(shù)據(jù)包有差錯，則通過反饋信息通知發(fā)送端將該信息數(shù)據(jù)包重新發(fā)送一次，如此反復(fù)，直到接收端正確接收為止。當(dāng)接收到完整的原始數(shù)據(jù)包后，接收端會產(chǎn)生一個接收確認(rèn)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(rèn)信號后停止發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2.1.3混合糾錯

HARQ（Hybrid ARQ）混合自動重傳技術(shù)是將自動重傳請求和前向糾錯編碼結(jié)合，保持了較高的糾錯性能的同時，在時延、和信道適應(yīng)性都有較好的保證。發(fā)送端將源數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC編碼后發(fā)送，接收端對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC解碼，根據(jù)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(shù)據(jù)傳輸，否則啟動ARQ重傳上一次發(fā)送的FEC數(shù)據(jù)幀，接收端對于重傳數(shù)據(jù)和之前接收的數(shù)據(jù)合并解碼，直到還原出源數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)字噴泉碼

2.2.1數(shù)字噴泉碼概念

John Byers及Michael Luby等人于1998年提出了數(shù)字噴泉碼的概念。數(shù)字噴泉碼是一種高效、可靠的編碼傳輸方式。數(shù)字噴泉碼可將k個原始數(shù)據(jù)包編碼生成無限長的編碼數(shù)據(jù)包。接收端只要收到一定數(shù)量的任意編碼數(shù)據(jù)包，就能成功完成原始數(shù)據(jù)的恢復(fù)，而不需要關(guān)心具體收到哪些編碼數(shù)據(jù)包及其接收順序。2002年Luby提出了第一種現(xiàn)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(shù)字噴泉碼的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

2.2.2LT噴泉碼編譯碼方式

假設(shè)編碼器源數(shù)據(jù)塊包括K個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包中包含m個比特，LT碼具體的編碼過程為：

1）編碼器根據(jù)某一度分布函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生每個編碼數(shù)據(jù)包的度，記為d；

2）從K個源數(shù)據(jù)包中隨機(jī)地選擇d個數(shù)據(jù)包，異或運算，進(jìn)行LT編碼；

編碼器不斷重復(fù)上述編碼過程，就可以產(chǎn)生無限長的編碼數(shù)據(jù)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(jìn)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(shù)據(jù)包中找到一個度為1的編碼數(shù)據(jù)包tn，令sk=tn；

2）所有與sk相連的其他編碼數(shù)據(jù)包與sk進(jìn)行異或，即

3）移除所有與源數(shù)據(jù)包sk相連的邊，即將所有編碼數(shù)據(jù)包與源數(shù)據(jù)包sk的關(guān)聯(lián)關(guān)系去除；

4）對其余的編碼數(shù)據(jù)包重復(fù)上述過程，直到恢復(fù)出所有的源數(shù)據(jù)包或沒有度為1的編碼數(shù)據(jù)包為止。

2.2.3LT噴泉碼編碼現(xiàn)有編碼度分布

文獻(xiàn)［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(shù)據(jù)包開始，由度為1的編碼數(shù)據(jù)包可直接恢復(fù)得到源數(shù)據(jù)包，并將它從其他與之相關(guān)聯(lián)的編碼數(shù)據(jù)包中移除，這些編碼數(shù)據(jù)包的度將會減1，然后尋找新的度為1的編碼數(shù)據(jù)包，以進(jìn)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(shù)據(jù)包，而且在每次迭代譯碼之后，只出現(xiàn)一個新的度為1的編碼數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的度；K表示參與編碼的源數(shù)據(jù)包數(shù)量；ρ（d）表示編碼數(shù)據(jù)包度為d的概率。

然而在實際中，由于度分布映射的隨機(jī)性，很容易造成度1的編碼數(shù)據(jù)包消失，從而導(dǎo)致譯碼過程無法繼續(xù)進(jìn)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(jìn)，設(shè)計了一個函數(shù)，并將該函數(shù)與理想孤子度分布進(jìn)行歸一化得到度分布。數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)包的個數(shù)。

3　研究現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸》一文中著重介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?，包括三個主要的傳輸模塊：基于ZIGBEE協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸及通信測試手段、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器；與匯聚節(jié)點的UART通信或遠(yuǎn)程通信以及網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)程序設(shè)計及其相關(guān)理論基礎(chǔ)。三個模塊相互間的正常運行構(gòu)成了完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，最終將現(xiàn)實世界的物理量在上位機(jī)程序中顯示、保存、進(jìn)行有價值的運算，實現(xiàn)人機(jī)交互的智能化。朱曉娟、陸陽等發(fā)表在《計算機(jī)科學(xué)》上的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究綜述》，該文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究意義，從可靠性評估和可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)兩個方面介紹了近年來的研究成果，對這些成果進(jìn)行了分類、比較，進(jìn)一步展望了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性未來的研究方向。沈玉龍在西安電子科技大學(xué)博士論文《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及安全技術(shù)研究》一文中，主要對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署到網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供過程中涉及到的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及其安全技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。陳卓、陳洋在計算機(jī)應(yīng)用學(xué)報上發(fā)表的《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)格編碼的可靠數(shù)據(jù)傳輸策略》結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼理論，提出了一種適應(yīng)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的可靠數(shù)據(jù)傳輸策略——M-Growth Codes，通過基于梯度的有向路由，保證所有數(shù)據(jù)都朝著匯聚節(jié)點的方向匯聚。另外該數(shù)據(jù)傳輸策略還可以實現(xiàn)利用編碼包實現(xiàn)對其他編碼包的解碼操作，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可恢復(fù)性。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)仿真驗證表明M-Growth Codes策略能有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。柳秀秀等發(fā)表在重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）上的論文《基于數(shù)字噴泉碼的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸與分析》通過分析水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點及傳統(tǒng)可靠傳輸機(jī)制在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用局限性，提出一種基于數(shù)字噴泉碼的、逐跳的可靠傳輸機(jī)制，并對譯碼成功的概率、端到端時延及能耗等網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了分析與仿真。結(jié)果表明，該機(jī)制明顯減少了端到端時延和能耗，提高了包傳輸率。文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［16］分別將LT碼應(yīng)用于無線協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的編譯碼方式有較大的改善。文獻(xiàn)［17］是將LT碼和自適應(yīng)解調(diào)結(jié)合起來，尋求最優(yōu)解調(diào)門限。研究表明，在此解調(diào)門限下系統(tǒng)誤碼率較低。

綜上所述，LT碼具有較好的應(yīng)用前景。在以后的研究工作中，將嘗試把LT碼應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，以取得對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵參數(shù)的改善，主要在可靠性和能效這兩個關(guān)鍵參數(shù)方面進(jìn)行深入研究，用MATLAB仿真軟件定量分析LT碼在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)字噴泉碼的無線協(xié)作中繼方案及其性能分析［J］.電子學(xué)報，2010（1）：228-233.

［17］郭旭靜.結(jié)合LT碼的自適應(yīng)解調(diào)最優(yōu)解調(diào)門限的研究［J］.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)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(shù)學(xué)院助教，碩士，研究方向：移動通信。

湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題項目“應(yīng)用LT碼提升WSN網(wǎng)絡(luò)可靠性及能效”（課題編號：16CZ13）。