基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)研究

摘 要：基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)是一個(gè)新興的、高度集成的領(lǐng)域，目前涉及多個(gè)學(xué)科的綜合知識(shí)。它包含大量節(jié)點(diǎn)，甚至將數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)集中在控制無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)視器上。分布廣泛的節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境的多樣性和能量的消耗而存在故障發(fā)生的可能。本文中筆者針對(duì)無(wú)線傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)能量和通信容量的限制，提出了一種將多徑傳輸與網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合的技術(shù)，將其引入到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，以平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，整體降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。并且就基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)編碼；無(wú)線傳輸技術(shù)；研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TN919.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）03-0060-02

Research on Wireless Transmission Technology based on Network Coding

YAN Xiaohui

（Naval Sergeant School，Bengbu 233012，China）

Abstract：Wireless transmission technology based on network coding is a new and highly integrated field，and now it involves multiple disciplines and comprehensive knowledge. It contains a large number of nodes，and even thousands of nodes are concentrated on the monitor of wireless transmission network system. The widespread distribution of nodes is possible due to environmental diversity and energy consumption. In this paper，aiming at the limitation of network energy and communication capacity of wireless transmission technology，a technology that combines multipath transmission and network coding is proposed，which is introduced into wireless sensor network to balance network load，reduce energy consumption as a whole and prolong life cycle of network. And this research mainly focuses on the analysis of wireless transmission technology based on network coding.

Keywords：network coding；wireless transmission technology；research

0 引 言

基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)包括多個(gè)方面，可指通過(guò)無(wú)線電波自由空間的無(wú)線信號(hào)傳輸、所有類(lèi)型的非有線通信以及無(wú)線電功率無(wú)人造導(dǎo)體的電能傳輸。編碼是一種數(shù)學(xué)技術(shù)，可用于提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、效率可量測(cè)性以及抵御攻擊和竊聽(tīng)等而不是簡(jiǎn)單地將收到的信息節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分成幾個(gè)分組并將其組合在一起進(jìn)行傳輸。這可用于獲得最大值信息。

1 網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)編碼示例體系

網(wǎng)絡(luò)編碼示例體系通常用于說(shuō)明其如何優(yōu)選擇途徑。兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)具有必須傳輸?shù)絻蓚€(gè)目的地節(jié)點(diǎn)的信息，這兩個(gè)目的地節(jié)點(diǎn)各自邊緣只能攜帶單個(gè)值。如果只允許使用路由，則中心鏈路只能承載單個(gè)系統(tǒng)，而不能同時(shí)承載兩者。假設(shè)我們使網(wǎng)絡(luò)編碼體系經(jīng)過(guò)中心；那么其中一個(gè)目的地將接收兩次。對(duì)于正確的目的地，發(fā)送時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)編碼使用簡(jiǎn)單的代碼，可以通過(guò)中心發(fā)送符號(hào)的總和同時(shí)發(fā)送到兩個(gè)目的地，換句話說(shuō)，我們是使用公式進(jìn)行編碼。它由目的地接收信號(hào)并且可以通過(guò)減去這兩個(gè)值來(lái)計(jì)算。類(lèi)似地，正確的目的地將接收另一信號(hào)，并且還能夠確定二者的區(qū)別。由于網(wǎng)絡(luò)編碼是一個(gè)相對(duì)較新的課題，其在工業(yè)中的應(yīng)用尚有待于進(jìn)一步研究。與其他編碼不同，網(wǎng)絡(luò)編碼由于其狹窄的特定使用場(chǎng)景而不完全適用于所有系統(tǒng)。學(xué)者們正試圖將網(wǎng)絡(luò)編碼連接到現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用程序，替代前向糾錯(cuò)和年度報(bào)告，使其在具有分組的傳統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用，如編碼傳輸控制協(xié)議、多用戶自動(dòng)重傳請(qǐng)求等。網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)窺探、竊聽(tīng)、重放或數(shù)據(jù)損壞等網(wǎng)絡(luò)攻擊具有強(qiáng)大的抵御能力。實(shí)現(xiàn)數(shù)字文件分發(fā)和文件共享，對(duì)信息進(jìn)行分布式存儲(chǔ)。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中吞吐量增加，編碼感知路由，均可以借助網(wǎng)絡(luò)編碼。空間傳感器網(wǎng)絡(luò)中的緩沖和延遲減??；空間緩沖多路復(fù)用，網(wǎng)絡(luò)編碼可減少單跳無(wú)線多播傳輸?shù)姆纸M重傳次數(shù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，并實(shí)現(xiàn)到移動(dòng)設(shè)備的低復(fù)雜度視頻流。

1.2 隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼

隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼是一種簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的編碼方案，在網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)方案基礎(chǔ)之上，它允許使用分散算法來(lái)接近最佳吞吐量。節(jié)點(diǎn)發(fā)送它們接收分組的隨機(jī)線性組合，其中系數(shù)選自伽羅瓦域。如果場(chǎng)大小足夠大，則接收器將獲得線性無(wú)關(guān)組合，并因此獲得創(chuàng)新信息的概率接近1。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼具有優(yōu)異的吞吐量性能，但是無(wú)線傳輸技術(shù)如果接收機(jī)獲得的分組數(shù)量不足，則它們極可能不會(huì)恢復(fù)任何原始分組。這可以通過(guò)發(fā)送附加的隨機(jī)線性組合來(lái)解決，直到無(wú)線傳輸技術(shù)接收機(jī)獲得適當(dāng)數(shù)量的分組?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)仍然是一個(gè)比較新的課題。在前人研究的基礎(chǔ)上，已發(fā)現(xiàn)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的部分關(guān)鍵內(nèi)容。首先，它的解碼計(jì)算復(fù)雜程度較高，其次，大系數(shù)矢量附著到編碼塊而導(dǎo)致的高傳輸開(kāi)銷(xiāo)，以及系數(shù)向量之間的線性相關(guān)性，可以減少無(wú)線傳輸技術(shù)創(chuàng)新編碼塊的數(shù)量。

1.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)

無(wú)線與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漶詈系木W(wǎng)絡(luò)編碼性質(zhì)決定了它存在干擾。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的同時(shí)傳輸通常會(huì)導(dǎo)致所有分組丟失，即沖突，由于無(wú)線具有沖突避免的多址接入。因此，無(wú)線傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)需要調(diào)度器以最小化這種干擾。來(lái)自無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼的任何增益均會(huì)受到底層調(diào)度器的強(qiáng)烈影響，并且將偏離有線網(wǎng)絡(luò)中可以看到的增益。此外，由于硬件限制，無(wú)線鏈路通常是半雙工的；即，由于兩個(gè)路徑之間缺乏足夠的隔離，節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)發(fā)送和接收。盡管最初有學(xué)者提出在網(wǎng)絡(luò)層使用網(wǎng)絡(luò)編碼，但在無(wú)線傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)編碼已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于物理層。有研究結(jié)果表明，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用需要精心設(shè)計(jì)和思考，才能充分發(fā)揮分組混合的優(yōu)勢(shì)，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。此外，該系統(tǒng)還存在影響吞吐量性能的各種因素，例如媒體接入層協(xié)議、擁塞控制算法等。目前尚不清楚無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼之間是如何共存的，但可以確定的是，它可以應(yīng)用于無(wú)線傳輸技術(shù)體系。

2 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)研究

2.1 無(wú)線傳輸近場(chǎng)非輻射技術(shù)

在較大的相對(duì)距離處，無(wú)線傳輸技術(shù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的近場(chǎng)分量近似為準(zhǔn)靜態(tài)振蕩偶極字段。這些字段隨距離的減小而呈立方減小，因功率與場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比，所以傳送的功率減小為立方減小。無(wú)線傳輸技術(shù)如果相隔很遠(yuǎn)，將兩個(gè)天線之間的距離加倍會(huì)導(dǎo)致接收到的功率減小。結(jié)果，電感耦合和電容耦合只能用于天線裝置直徑的幾倍內(nèi)的短程功率傳輸。在輻射系統(tǒng)中，無(wú)線傳輸技術(shù)最大輻射發(fā)生在偶極天線橫向于傳播方向定向時(shí)，在偶極場(chǎng)中，最大耦合發(fā)生在偶極縱向定向時(shí)。無(wú)線傳輸電感耦合功率在線圈通過(guò)磁場(chǎng)，其發(fā)射器線圈和接收器線圈一起形成變壓器。無(wú)線傳輸技術(shù)交流電通過(guò)變送器線圈產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)，誘導(dǎo)交替電動(dòng)勢(shì)在接收器中產(chǎn)生交流電。無(wú)線傳輸感應(yīng)交流電可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，或者矯正到直流，由整流器在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的接收器中。無(wú)線傳輸技術(shù)系統(tǒng)工作在交流電干線處，電流直接應(yīng)用于發(fā)射器線圈，但是在大多數(shù)系統(tǒng)中電子振蕩器會(huì)產(chǎn)生更高頻率的交流電流來(lái)驅(qū)動(dòng)線圈，因?yàn)閭鬏斝孰S著頻率而變化。無(wú)線傳輸近場(chǎng)非輻射技術(shù)用于感應(yīng)充電代表無(wú)線使用的器具，傳輸?shù)墓β孰S頻率增加，還有互感非輻射技術(shù)在線圈之間，這取決于它們的幾何形狀和距離大小。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸非輻射近場(chǎng)技術(shù)的高效率，線圈必須緊密地靠在一起，線圈直徑的一小部分通常在厘米以?xún)?nèi)，線圈的軸線要對(duì)準(zhǔn)。通常使用寬的扁平線圈形狀，以增加耦合。無(wú)線傳輸“磁通限制”磁芯可以限制磁場(chǎng)，改善耦合和減少對(duì)附近電子設(shè)備的干擾，但是它們又重又大，所以小型無(wú)線設(shè)備通常使用空芯線圈。無(wú)線傳輸近場(chǎng)非輻射技術(shù)對(duì)于普通的電感耦合只能在線圈非?？拷鼤r(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。在大多數(shù)現(xiàn)代感應(yīng)系統(tǒng)中諧振電感耦合使用，比如通過(guò)使用近場(chǎng)非輻射提高了效率諧振電路。而無(wú)線傳輸技術(shù)還可以在比非共振電感耦合更大的距離處實(shí)現(xiàn)高效率。

2.2 無(wú)線傳輸遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)

采用無(wú)線傳輸遠(yuǎn)場(chǎng)方法可獲得更長(zhǎng)的距離，通常是多公里的距離，其中距離遠(yuǎn)大于裝置的直徑。無(wú)線電波和光學(xué)裝置具有較長(zhǎng)距離的主要原因是遠(yuǎn)場(chǎng)可以使接收區(qū)域的形狀匹配，使用高方向性天線或準(zhǔn)直良好的激光器梁。無(wú)線傳輸遠(yuǎn)場(chǎng)天線的最大方向性受到物理限制衍射?？偟膩?lái)說(shuō)，可見(jiàn)光和微波是最適合能量傳輸?shù)碾姶泡椛湫问?。無(wú)線傳輸遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)部件的尺寸可以是距離發(fā)射機(jī)到接收器的波長(zhǎng)；此外，還有判據(jù)衍射限值，用于標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電頻率天線設(shè)計(jì)，這也適用于激光器。遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)極限也經(jīng)常用于確定任意距離處的近似光斑大小孔。電磁輻射在較短波長(zhǎng)較高頻率下經(jīng)歷較少衍射，無(wú)線傳輸遠(yuǎn)場(chǎng)輻射指示任何無(wú)線電波、微波或激光束將傳播變?nèi)鮽鞑ミh(yuǎn)距離；發(fā)射器天線或激光孔徑與波長(zhǎng)對(duì)于輻射，光束越緊，其作為距離的函數(shù)的擴(kuò)展越小，反之亦然。它比波長(zhǎng)大得多的激光孔徑更易引起多模式輻射準(zhǔn)直器，在發(fā)射的輻射耦合到光纖或空間之前使用。無(wú)線傳輸遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)最終波束寬度通過(guò)衍射物理確定，這是由于盤(pán)的尺寸相對(duì)于用于產(chǎn)生光束的電磁輻射波更長(zhǎng)。微波功率束比激光更有效，并且不易受到大氣的影響。無(wú)線傳輸遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)通過(guò)將上述參數(shù)組合在一起，并增加和損耗由于天線特性和透明度散布輻射所通過(guò)的介質(zhì)，減少計(jì)算鏈路預(yù)算。

2.3 無(wú)線傳輸離子體通道技術(shù)

在無(wú)線傳輸離子體通道耦合中，能量通過(guò)電離空氣的導(dǎo)電在兩個(gè)電極之間傳遞。無(wú)線傳輸離子通道技術(shù)在海平面大氣壓下，兩個(gè)電極之間存在電場(chǎng)梯度時(shí)，發(fā)生電弧。離子體通道介質(zhì)擊穿導(dǎo)致電流沿著隨機(jī)軌跡，流過(guò)電離的等離子體通道的兩個(gè)電極之間。關(guān)于無(wú)線傳輸技術(shù)激光誘導(dǎo)等離子體通道，有研究目前正在使用超快激光來(lái)人工促進(jìn)等離子體通道通過(guò)空氣的發(fā)展、引導(dǎo)電弧以及以可控方式引導(dǎo)電流通過(guò)特定路徑。激光能量降低了電介質(zhì)擊穿的電壓，并且通過(guò)過(guò)熱使空氣絕緣程度降低。無(wú)線傳輸離子體通道技術(shù)作為常規(guī)無(wú)線電天線的替代，從高壓電容器放電轉(zhuǎn)移功率，可以用于定向能武器，采用通過(guò)接地返回路徑的導(dǎo)電的應(yīng)用和電子干擾等方式。

3 結(jié) 論

基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)，理論上已經(jīng)從數(shù)學(xué)上證明線性編碼足以在具有一個(gè)源的多播問(wèn)題中達(dá)到上界。然而，一般而言，只有無(wú)線傳輸技術(shù)是不夠的，例如對(duì)于多源、具有任意需求的多鏈路，甚至對(duì)于諸如卷積編碼和濾波器組?；诰W(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)于具有任意需求的一般網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，能夠?qū)ふ易顑?yōu)編碼方案，是一個(gè)優(yōu)化措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖瀟.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)研究 [D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[2] 曹婷婷.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線傳輸技術(shù)研究 [J].知識(shí)文庫(kù)，2015（3）：6.

作者簡(jiǎn)介：閆曉暉（1982-），男，漢族，河南人，信息通信系助教，本科。研究方向：無(wú)線通信技術(shù)；陳安全（1988-），男，漢族，河南人，信息通信系助教，研究生。