無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼緩沖策略的丟包恢復(fù)研究.pdf

1、當(dāng)前，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、無線通信與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了極大發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家居等多個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在特定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點以無線通信的方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。其任務(wù)是感知、采集并處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)指定對象的信息，并發(fā)送給用戶。組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點通常只具有有限的存儲空間、有限的計算處理能力以及不可再生的能量儲備，其能量主要消耗在無線通信上。如何更有效地使用節(jié)

2、點能量以最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。
　　 網(wǎng)絡(luò)編碼是2000年提出的一種新的數(shù)據(jù)傳輸方式。與傳統(tǒng)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式相比，其允許網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼之后再轉(zhuǎn)發(fā)。只要接收節(jié)點收到足量的編碼數(shù)據(jù)，就能通過相應(yīng)的解碼操作恢復(fù)原數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)編碼可以顯著改善網(wǎng)絡(luò)性能，如增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量、減少網(wǎng)絡(luò)時延、均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸可靠性等。無線網(wǎng)絡(luò)由于其物理層的廣播特性和鏈路的不可靠性，成為了網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用最廣泛的

3、領(lǐng)域。相關(guān)研究表明，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少能耗。
　　 本文研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)問題，主要研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下：
　　 1.本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的緩沖策略，以有效利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的緩沖空間，減少丟包恢復(fù)所需的重傳次數(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多播應(yīng)用中，給定各接收節(jié)點的集合，可利用中間節(jié)點緩沖區(qū)和源節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行逐跳丟包恢復(fù)。但無線傳感

4、器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的存儲空間一般較小，且中間節(jié)點同時需要分配一定的存儲空間以執(zhí)行其他任務(wù)，使得可用于數(shù)據(jù)恢復(fù)的存儲資源有限。本文將網(wǎng)絡(luò)編碼理論應(yīng)用于中間節(jié)點的緩沖機(jī)制。中間節(jié)點將已發(fā)送的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，存儲在緩沖區(qū)中，在需要時重傳編碼包對丟包節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的緩沖機(jī)制削弱了數(shù)據(jù)恢復(fù)對緩沖空間大小的依賴，而且可以有效地減少丟包重傳次數(shù)。
　　 2.本文以最小化丟包恢復(fù)所需的重傳次數(shù)為目標(biāo)，提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼緩沖策略的逐

5、跳ARQ恢復(fù)機(jī)制。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)對傳感器節(jié)點進(jìn)行軟件更新時，必須確保更新數(shù)據(jù)的可靠傳輸。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路不穩(wěn)定會造成數(shù)據(jù)包丟失，并使得丟包恢復(fù)的重傳工作成為網(wǎng)絡(luò)耗能增大的主要原因。因此，減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)丟包恢復(fù)所需的重傳次數(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)能效、延長網(wǎng)絡(luò)壽命的最有效途徑。本文在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩沖空間有限的前提下，提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼緩沖策略的逐跳ARQ恢復(fù)機(jī)制，并分別給出了該機(jī)制和基于傳統(tǒng)FIFO緩沖策略的逐跳ARQ恢復(fù)機(jī)制

6、的數(shù)學(xué)模型，分析比較了兩種機(jī)制下實現(xiàn)丟包恢復(fù)所需的期望重傳次數(shù)。
　　 3.本文在數(shù)學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值試驗。本文以期望重傳次數(shù)和期望重傳次數(shù)減少比率RERR為性能評價標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置了不同的丟包率、緩沖大小以及子節(jié)點數(shù)，分析比較了本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)編碼緩沖策略與基于傳統(tǒng)FIFO緩沖策略的逐跳ARQ恢復(fù)機(jī)制的性能差異。實驗結(jié)果表明，利用網(wǎng)絡(luò)編碼能夠顯著減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多播應(yīng)用中丟失數(shù)據(jù)包的期望重傳次數(shù)，從而減少丟包恢復(fù)所需的能量