CN102355323A - 基于无率lt编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法 - Google Patents

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林子怀
刘扬
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Abstract

本发明公开一种基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，利用无率LT图形编码把无线传感网络的拓扑结构图映射到图形编码里的图形结构，把整个无线传感网络的数据传输过程作为一个图形编码的编码过程，在每个中继节点执行线性网络编码，在目的地节点对映射到图形编码的无线传感网络进行解码，中继节点向目的地节点的数据传输以逐个按需的方式行进。本发明同时推导出一个在瑞利衰落信道中，基于有限长度LT码的无线传感器网络的系统性能理论分析上限。

Description

基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法
技术领域
本发明涉及无线传感网领域，具体涉及基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法。
背景技术
随着物联网的兴起，无线传感网技术的研究目前已越来越引起研究人员的重视。无线传感器网络通常包含了大量低成本、低功耗的无线传感器节点、一些汇总节点以及一些目的地节点。传感器网络的应用非常多，比如监测、监控、跟踪、定位等。在这些应用中，传感器节点通常是以多跳（两次跳跃）的方式互相合作。在一个传统的传感网中，信息包通过路由进行交换。在路由交换算法中，在源节点和目的地节点之间的中继节点，只是简单的存储和转发接收到的数据包。由于无线传感网中拥有大量的传感器节点，使得为每个传感器节点建立和维护一个可行的的路由表成为一个非常艰巨的任务。
文献【R.Ahlswede, N.Cai, S.Y.R.Li, and R.W.Yeung, “Network Information Flow,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 46, no. 4, pp. 1204–1216, July 2000.】提出一种针对于有线网络的基于数据包的编码方法，即网络编码。不同于路由传输算法，在网络编码中，中继节点可以对收到的来自多个源节点的数据包进行编码，以便进行后续的传输。与传统的路由算法相比，网络编码可以提高网络容量。
由于无线通信的广播传输特性，网络编码的思想可以很容易让人们应用到无线传感网上。文献【X.Bao and J.Li, “Adaptive network coded cooperation (ancc) for wireless relay networks: matching code-on-graph with network-on-graph,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 7, pp. 574–583, Feb. 2008.】研究了自适应网络编码在无线中继网络中的应用，提出了一种低密度校验像码（LDPC）的编码方案，它是根据一类图形编码，为网络拓扑图而设计的。依据该编码方案，网络设计问题就可以简化为一个图形代码的设计。文献【S. Karande K. Misra and H. Radha, “Inpod: In-network processing over sensor networks based on code design,” in Proc. IEEE SECON2007, June 2007, pp. 324–333.】对如何处理这种设计问题进行了阐述，其引进了密度演化技术来设计无线网络代码的度分布。
在上述各文献所公开的现有技术中，都是假设中继节点是能够完全正确地接收到来自源节点的信息位的，且没有考虑到如自动要求重传（ARQ）的可靠传输机制。因此，现有技术所公开的网络编码只能在物理层得以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法。将无线传感网络的设计问题转化成对图形编码的设计问题，且避免不必要的冗余传输，节省中继节点的能量。
本发明的技术方案如下：
一种基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，利用无率LT图形编码把无线传感网络的拓扑结构图映射到图形编码里的图形结构，把无线传感网络的数据传输过程作为图形编码的编码过程，在每个中继节点执行线性网络编码，在目的地节点对映射到图形编码的无线传感网络进行解码，中继节点向目的地节点的数据传输以逐个按需的方式行进。
具体步骤如下：
1）源节点向中继节点广播数据包，每个数据包的头部包含其来自的源节点的地址；
2）每个中继节点根据预先设计好的度分布函数随机产生一个q值；
3）每个中继节点计算所有收到的数据包的LLR值，选择具有最大LLR值的q个数据包，把这些数据包作线性组合，进行网络编码，形成一个新的数据包，并把该中继节点的地址信息以及对应q个数据包的源节点地址信息放在该新的数据包的头部；
4）每个中继节点向目的地节点广播其网络编码后的数据包；
5）目的地节点从中继节点接收到L个数据包后开始解码，L大于或者等于源节点数量；目的地节点先对收到的L个数据包的头部信息进行解码提取出整个网络的图形信息，然后利用针对分布式LT编码的可信度传播算法对L个数据包的数据部分进行解码；
6）若解码不成功，即信息位不能在目的地节点完全恢复，目的地节点向L+1个中继节点发送要数据的请求，令L=L+1，重复步骤5）和6）；如此循环往复，直到完成所有信息的比特恢复；
7）如果所有的中继节点的数据包都用完了，信息位仍然不能在目的地节点完全恢复，则每个中继节点根据预先设计好的度分布函数随机生成一个新的数q，并从网络编码缓冲区选出q个数据包，重复步骤3）至6）。
其进一步的技术方案为：所述从源节点到中继节点，以及从中继节点到目的地节点的信道为正交信道。
其进一步的技术方案为：所述从源节点到中继节点，以及从中继节点到目的地节点的信道为瑞利衰落信道。
其进一步的技术方案为：所述度分布函数为                                                ，其中q代表中继节点所连接的源节点的数量，
Figure 296017DEST_PATH_IMAGE002
代表具有q 度的中继节点的百分比，
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE003
，一个具体的度分布函数为：
Figure 760627DEST_PATH_IMAGE004
  。
其进一步的技术方案为：所述线性组合采用在GF(2)域的线性组合。
其进一步的技术方案为：所述网络编码后形成的新的数据包头部采用高信噪比传输并采用具有强力纠错能力的TURBO或者LDPC编码。
本发明的有益技术效果是：
一、本发明基于无率LT图形编码技术，把无线传感网络拓扑结构映射到无率LT图形编码来实现网络和通道编码增益，可同时利用网络和信道编码增益。每次中继节点都执行线性网络编码，图形代码会在每个目标节点形成，可以使得编码图形与网络图形相匹配。
二、现有的技术中，中继节点在收到来自源节点的数据包后不做任何处理，只是逐个转发到目的地节点。本发明中，中继节点对收到的数据包作网络编码，形成一个数据包，然后传输到目的地节点。节点间的传输是一个紧接一个的节点间进行的。传输过程中，源节点的数据是逐个被要求传输的，如果前面的源节点传输的数据能够使得目的地节点成功解码，那么后面的节点就不用传输了，避免了不必要的冗余传输，节省了中继节点的能量。
三、本发明为基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码推导出一个理论性能分析上限。从仿真模拟结果可以看到，推导出的误码率上限和仿真误码率是一致的，尤其是当码字较长时。
附图说明
图1是源节点数量为500时瑞利衰落信道中本发明编码方法的误码率上限的仿真结果和理论分析比较图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对发明做进一步说明。
现假设在一个无线传感网中有M个传感器节点要与一个目的地节点进行通信。假设M个传感器节点中的K个传感器节点要传输数据，作为源节点，且M>K。另外的M-K个传感器节点没有数据传输，作为中继节点。从源节点到目的地节点数据传输分为两个阶段。在第一阶段，所有的源节点向网络广播其各自的数据，每个数据包的头部包含所来自的源节点的地址。所有从源节点到目的地节点的信道都是正交，这样信道之间就不会造成相互干扰。同时，中继节点监听周围的源节点。
与现有技术中假设理想的绝对无错误信道不同，本发明考虑所有信道（从源节点到中继节点，以及从中继节点到目的地节点）都存在瑞利衰落（Rayleigh Fading）。对于接收到的每个数据包，所有聆听到的传感器节点首先计算其对数似然比（LLR）的值。每个中继节点为所收到的所有数据包计算出LLR值后，选择相应于q个最大LLR值的q个包，把这些数据包作线性组合，进行网络编码，形成一个新的数据包，并把该中继节点的地址信息以及对应q个数据包的源节点地址信息放在该新的数据包的头部。网络编码后形成的新的数据包头部采用高信噪比传输并采用具有强力纠错能力的TURBO或者LDPC编码，从而保证头部信息能够准确的被目的地节点解码。本实施例中采用在GF(2)域（Galois Field，伽罗华域）的线性组合来实现网络编码。所述数字q是依据一定的度分布函数，在每个中继节点上随机生成的，度分布函数是预先设计好的。本实施例的度分布函数将在下文作进一步说明。当应用本发明的方法来设计无线传感网络的时候，可以通过设计度分布函数，来使得q<<K，这样，在中继节点总能够确保准确收到q个源节点的数据包。在第二阶段，每个中继节点会接着向目的地节点广播其网络编码后的数据（第二跳）。
目的地节点从中继节点接收到L个数据包后，就开始进行解码。L大于或者等于源节点数量K。目的地节点先对收到的L个数据包的头部信息进行解码提取出整个网络的图形信息，然后利用针对分布式LT编码的可信度传播算法对L个数据包的数据部分进行解码。由于底层网络有一个完整的网络拓扑图，可以将这个网络拓扑图映射到图型编码中。本发明的编码采用文献【M. Luby, “LT codes,” Proceedings of the ACM Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS), 2002.】所述的LT编码。解码是根据接收到的数据包的软信息，通过基于文献【A. Shokrollahi, “LDPC Codes: An Introduction,” http://www.ics.uci.edu/welling/teaching/ICS279/LPCD.pdf, Apr. 2003.】所述的可信度传播算法（BPA）所设计的针对本发明的BPA解码算法来进行解码。
如果解码不成功，即信息位不能在目的地节点完全恢复，目的地节点就需向L+1个中继节点发送一个要数据的请求，要求经过网络编码的数据，并重新做解码。如果依然不成功，那么L+2中继节点的数据就要用来进行解码。如此循环往复地不断执行这个过程，直到完成所有信息的比特恢复。
举个例子来说明，比如有500个源节点，1000个中继节点，和一个目的地节点。中继节点对收到的数据包作网络编码，形成一个数据包，然后传到目的地节点。节点间的传输是一个紧接一个的节点间进行的，当目的地节点收到500个来自中继节点的数据包后开始解码，如果能够解码成功，那么其余剩下的500个中继节点就不用传输数据包了，如果不能够成功，那么第501个中继节点被要求传输数据，目的地节点再进行解码，如果不能成功解码，那么第502个中继节点被要求传输，再解码，如此直到源节点的数据包能够完全的被目的地解码。
如果所有的M-K个中继节点都用完了，信息位却仍然不能在目的地节点完全恢复，解码进程将会重新再来一遍。在这种情况下，每个中继节点将随机生成一个新的数q，并从网络编码缓冲区选出q个数据包，重复上述过程。
这样一来，在源节点和目的地节点之间就建立起一条可靠的传输链路。另外由于中继节点间的数据传输过程是在按照需要的情况下一个紧接一个的节点间进行的，因此避免了中继节点间的冗余传输。
理论性能分析
下面将推导一个基于无率编码的分布式网络信道编码（DNCC）误码率的理论性能分析上限，它是基于在瑞利衰落信道条件下，采用最大似然（ML）解码方案研究出来的。对于无率编码，比如LT编码，最大似然（ML）解码是非常复杂的，在实际中的解码是由可信度传播算法（BPA）来完成的。众所周知，基于可信度传播算法BPA的解码性能和最大似然ML解码性能是非常接近的。因此，所推导的这个理论上限完全可以用来判定本发明的性能。
在推导之前，先给出一些定义。假设传输的信息的长度为k个字符。根据LT编码的概念，根据度分布函数选定一些信息字符，并对其执行异或（XOR）操作，就形成一个输出符号。这些信息字符是根据预定义的度分布函数来选定的。定义
Figure 540365DEST_PATH_IMAGE001
为度分布函数，等式中的q个字符是依据概率
Figure 529049DEST_PATH_IMAGE002
而选定的。接着q度的输出字符就经瑞利衰落信道传到了目的地。在接收端，当收集到足够多的信息后就开始解码过程，称此足够数量为N，
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 343421DEST_PATH_IMAGE006
被称为膨胀系数。
设G为一个
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE007
的二进制矩阵，用来表示网络拓扑结构。如果源节点i与校验节点j连接，则
Figure 900305DEST_PATH_IMAGE008
，否则为零。让来代表一个传输信息序列，让代表一个信息错误序列，并定义接收到得信息序列为
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE011
。不失一般性，假设全零序列为传输信息序列，也就是说，s=0。信息码字错误概率可以计算为：
Figure 208981DEST_PATH_IMAGE012
       （1）
其中w(e)是错误序列e的权重, 
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE013
是确定的信息序列。方程（1）可进一步表示为：
Figure 674597DEST_PATH_IMAGE014
       （2）
这里eG为已解码的码字。
由于矩阵G的列是随机独立生成的，根据文献【N. Rahnavard, B. N. Vellambi, and F. Fekri, “Rateless codes with unequal error protection property,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 53, no. 4, pp. 1521–1532, April 2007.】，等式（2）中右侧的第一项可以表示为：
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE015
       （3）
这里代表GF(2)的向量乘法，c代表矩阵G的一个列向量。
以
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE017
来代表一个向量集合，该向量的长度为
Figure 891132DEST_PATH_IMAGE018
，其中的元素代表着错误序列e中所有的非零值出现的位置，
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE019
是相应的c的子向量。这样
Figure 237931DEST_PATH_IMAGE020
的概率就等于子向量
Figure 761316DEST_PATH_IMAGE019
包含偶数个1的概率。因此，
     （4）
由于无率编码的度分布是预先设定的，矩阵G每列权重w(c)的概率为
Figure 987898DEST_PATH_IMAGE022
 因为在K中有k个具有权重w(e)=k错误序列e，那么
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE023
      (5)
参看等式（2）的第二项，注意 是概率
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE025
，其中v = sG 是传输码，
Figure 973489DEST_PATH_IMAGE026
是解码后的码，并且
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE027
。对于瑞利衰落信道，
Figure 725282DEST_PATH_IMAGE028
，这里
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE029
是在瑞利衰落信道系数向量
Figure 60448DEST_PATH_IMAGE030
的期望值，其中
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE031
是第k个传输字符的信道系数，即从第k个中继节点到目的地节点之间的无线通道的系数。条件概率
Figure 258211DEST_PATH_IMAGE032
代表的是在给定的信道衰落系数h时解码后码字等于v'的概率。该条件概率可以由如下等式来表示：
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE033
      （6）
这里
Figure 133764DEST_PATH_IMAGE034
是两个调制信号和
Figure 631741DEST_PATH_IMAGE036
之间归一平方的欧式距离，
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE037
是第j个中继节点传输字符的能量，
Figure 747596DEST_PATH_IMAGE038
是所有j在
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE039
时候的集合。这里
Figure 432655DEST_PATH_IMAGE040
是对应于码字v的调制字符序列, y'是对应于v'的调制符字序列。
根据文献【J.W.Craig, “A new, simple and exact result for calculating the probability of error for two dimensional signal constellations,” Proc. IEEE Military Commun. Conf., pp. 25.5.1–25.5.5, 1991.8】，Q函数的替代表达式为：
Figure 315160DEST_PATH_IMAGE042
      （7）
瑞利衰落信道的无条件错误概率可以表示为：
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE043
        （8）
这里N0是高斯白噪声的单面功率谱密度。请注意
Figure 261120DEST_PATH_IMAGE037
反映的事实，即不同的中继节点可能有不同的功率。
把事件e有w（e）= k 权重，c有w(c)权重的错误码字v'有一位为1时的概率记为
Figure 203668DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE045
     （9）
把事件e有w（e）= k 权重的错误码字v'有一位为1时的概率记为，然后可以得出，
          （10）
假设采用的空中接口调制方式是BPSK（Binary Phase Shift Keying），根据文献【J. M. Wozencraft and I. M. Jacobs, Principles of Communication Engineering, John Wiley & Sons, New York, 1965.】，。因此，
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE049
   (11)
将式（5）和式（11）带入式（2）中，信息位的比特误码率就可以表达为： 
Figure 2011102202856100002DEST_PATH_IMAGE051
      (12)
仿真结果
在仿真实验中，考虑的是具有500个传感器源节点和多达900个中继节点的网络。假设构建的网络上的图形节点是相似的，也就是说，所有的源节点和中继节点具有同等的传输信号噪声比（SNR）。SNR定义为Eb/N0，其中Eb是源信息比特能量，这样就可以公平的比较具有能量约束的不同系统。本发明采用文献【A. Shokrollahi, “Raptor codes,” IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 52, no. 6, pp. 2551–2567, June 2006.】中描述的度分布函数来评估ML解码条件下的误码率上限：
Figure 315215DEST_PATH_IMAGE004
      (13)
图1是源节点数量K = 500时瑞利衰落信道中本发明编码方案的误码率的上限比较。图1显示了误码率（BER）的性能表现，以及当平均Eb/N0为6时，使用LT编码构造的网络的模拟结果。假设采用BPSK在来调制信息块并在瑞利衰落信道中传输。对600多个基于LT网络编码的无线传感网络进行实验，然后将它们的结果平均，最终得出了误码率性能结果。由此可以看出，仿真结果（图1中实线）是和理论分析（图1中虚线）的误码率上限是吻合的。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，其特征在于：利用无率LT图形编码把无线传感网络的拓扑结构图映射到图形编码里的图形结构，把无线传感网络的数据传输过程作为图形编码的编码过程，在每个中继节点执行线性网络编码，在目的地节点对映射到图形编码的无线传感网络进行解码，中继节点向目的地节点的数据传输以逐个按需的方式行进。
2.根据权利要求1所述基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）源节点向中继节点广播数据包，每个数据包的头部包含其来自的源节点的地址；
2）每个中继节点根据预先设计好的度分布函数随机产生一个q值；
3）每个中继节点计算所有收到的数据包的LLR值，选择具有最大LLR值的q个数据包，把这些数据包作线性组合，进行网络编码，形成一个新的数据包，并把该中继节点的地址信息以及对应q个数据包的源节点地址信息放在该新的数据包的头部；
4）每个中继节点向目的地节点广播其网络编码后的数据包；
5）目的地节点从中继节点接收到L个数据包后开始解码，L大于或者等于源节点数量；目的地节点先对收到的L个数据包的头部信息进行解码提取出整个网络的图形信息，然后利用针对分布式LT编码的可信度传播算法对L个数据包的数据部分进行解码；
6）若解码不成功，即信息位不能在目的地节点完全恢复，目的地节点向L+1个中继节点发送要数据的请求，令L=L+1，重复步骤5）和6）；如此循环往复，直到完成所有信息的比特恢复；
7）如果所有的中继节点的数据包都用完了，信息位仍然不能在目的地节点完全恢复，则每个中继节点根据预先设计好的度分布函数随机生成一个新的数q，并从网络编码缓冲区选出q个数据包，重复步骤3）至6）。
3.根据权利要求2所述基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，其特征在于：所述从源节点到中继节点，以及从中继节点到目的地节点的信道为正交信道。
4.根据权利要求2所述基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，其特征在于：所述从源节点到中继节点，以及从中继节点到目的地节点的信道为瑞利衰落信道。
5.根据权利要求2所述基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，其特征在于：所述度分布函数为                                                
Figure 467983DEST_PATH_IMAGE001
，其中q代表中继节点所连接的源节点的数量，代表具有q 度的中继节点的百分比，
Figure 57228DEST_PATH_IMAGE003
，一个具体的度分布函数为：
Figure 2011102202856100001DEST_PATH_IMAGE004
  。
6.根据权利要求2所述基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，其特征在于：所述线性组合采用在GF(2)域的线性组合。
7.根据权利要求2所述基于无率LT编码的无线传感网的分布式网络通道编码方法，其特征在于：所述网络编码后形成的新的数据包头部采用高信噪比传输并采用具有强力纠错能力的TURBO或者LDPC编码。
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