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W SN基于LT码的数据传输可靠性和能耗研究

更新时间:2009-03-28

1 研究背景

物联网技术成为现今社会的热点,而作为物联网实现的关键——无线传感器网络在交通、工业和环境等领域的应用不断发展,引起了人们的广泛关注。

虽然WSN具有广阔的应用前景,但也存在一些亟待解决的问题。比如一般来说WSN网络中的传感器节点分布在各个角落,而且通常是无人值守的环境,无线通信的特点就是数据采用无线传输方式,而自由空间作为无线通信的介质,它是一个时变并且具有随机性的环境,会导致WSN在数据传输过程中具有较差的稳定性,甚至出现丢包的情况,这也直接使得WSN网络数据传输可靠性降低。

为了提高数据传输的可靠性,数据传输出现丢包的情况下,就要进行数据重传,这样就会使得WSN网络的能耗增加,因此,无线传感器网络的能量问题也是亟待解决的重要问题。由于传感器节点一般使用电池供电,而且大多工作在无人区或者较差环境中,不方便为其更换电源。WSN节点发射功率太小,部分节点将无法正常通信;节点的发射功率太大,又会造成浪费,并且会对监测区域的其他节点产生干扰。因此如何改善无线传感器网络环境中的数据传输可靠性和降低能耗是需要重点研究的内容。

保证WSN网络数据传输可靠性的方法主要有重传、路径冗余、网络编码和功率调节,本文从网络编码入手,尝试采用LT码来提高WSN网络的数据传输可靠性。基于LT码的喷泉特性,可以从路径冗余方面提高数据传输的可靠性和降低能耗。

从以下一组电报总可以反映出红军北上途径壤塘、阿坝(麦桑)、红原(麦哇、色达)、若尔盖、巴西地区筹粮活动的情况。

如图1所示,WSN节点主要组成部分为能量供应(电源)、传感器、处理器和无线通信模块。传感器节点一般均匀随机分布在监测区域,监测到的数据上传到接收站汇聚节点,进一步通过互联网和卫星将数据发送至管理节点(用户)进行数据处理。

综上所述,对于LT码和WSN的研究一直较多。本文尝试把LT码应用于WSN网络中,旨在取得对无线传感器网络中关键参数的改善,主要在可靠性和能耗这两个关键参数方面进行深入研究,用MATLAB仿真软件定量分析LT码在无线传感器网络中取得的效果。

2 方案研究与分析

信息传输需要进行编码,而编码主要有两类:信源编码和信道编码,信源编码主要是去冗余来提高信息的有效性,而信道编码主要是加冗余来提高信息的可靠性。差错控制机制是用来保证通信信息中数据的可靠传输。前向纠错技术、自动重传请求机制、混合纠错是常用的三种差错控制方案。三种方案的原理已在文献[9]中做过详细分析,在此不再赘述。

2.1 数字喷泉码

LT码度分布的选择直接决定了译码时间,因此度分布的选择就成为关键。在以后的研究工作中,也要充分认识到这一点,这样才能使得LT码发挥其最大的效用。

2.2 性能分析

目前有不少文献对LT码在WSN网络中的应用进行研究。文献[1][2][3]针对WSN网络数据可靠性的解决办法进行研究,文献[4]将网格编码应用在WSN网络中试图提高WSN网络的可靠性,文献[5]对喷泉码应用在WSN网络中的性能进行研究和分析,文献[6]将LT码应用在协作通信中,文献[7][8]将LT码与其他技术相结合,来提高系统的可靠性和能效。

  

图1 无线传感器网络模型图

LT码是数字喷泉码的一种,而定义作为喷泉码,其最主要的优势就是接收端可以在接收至一定程度的编码数据包之后就实现译码,也不关心具体收到哪一个数据包,因为数字喷泉码可以节约编译码时间,进而缩短数据传输的能耗。本文将LT码应用在WSN网络中,并用MATLAB研究分析系统的可靠性和能耗这两个参数。结果表明,LT码的引入对WSN网络的可靠性和能耗均有改善。

信息化时代给高校的思政教育工作带来了巨大的改变,使思政教育工作变得更加便捷,与此同时也使思想政治教育工作面临巨大挑战。

[2]朱晓娟,陆阳.无线传感器网络数据传输可靠性研究综述[J].计算机科学学报,2013(9):1-15.

  

图2 采用LT码和传统差错编码的误比特率比较图

能耗也是WSN需要重点考虑的参数,下面采用相同的仿真参数,并且假设节点的原始能量都是2W,通过统计数据传输完成时节点的剩余能量来比较在数据传输的过程中,采用传统差错编码和LT码的能耗情况。由图3可以看出,采用LT码,相比于采用传统差错编码,网络的总能耗更小。

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图3 采用LT码和传统差错编码的能耗比较图

3 总结与展望

本次仿真针对监测区域WSN节点数目不同时,采用LT码对网络的可靠性和能效的性能影响进行研究。通过仿真来分析LT码应用在WSN网络中,对网络可靠性和能耗的影响,并和采用混合纠错的差错控制方式进行比较。

数字喷泉码是一种高效、可靠的编码传输方式。数字喷泉码可将k个原始数据包编码生成无限长的编码数据包。接收端只要收到一定数量的任意编码数据包,就能成功完成原始数据的恢复,而不需要关心具体收到哪些编码数据包及接收顺序。而LT码作为喷泉码的一种典型码,其具有编译码方法简单以及译码开销小的特点。关于LT码的关键之一的度分布,也有相关文献对其进行深入研究,文献[10]对度分布进行优化,从而使得译码效率提高。

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[1]高海豹.无线传感器网络的数据传输[D].成都:电子科技大学,2011.

【参考文献】

本次仿真假设源数据有100个数据包,每个数据包的比特长度为100,LT码采用鲁棒孤子度分布,参数c和δ分别取0.5和0.03。为了保证数据仿真的可靠性,避免产生随机性的结果,仿真次数取50次。由图2可以看出,采用LT码,相比于采用传统差错编码,WSN网络的误比特率降低。

[3]沈玉龙.无线传感器网络数据传输及安全技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[4]陈卓,陈洋.无线传感器网络中基于网格编码的可靠数据传输策略[J].计算机应用学报,2012(11):3102-3106.

[5]柳秀秀.基于数字喷泉码的水下传感器网络可靠传输与分析[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2014(6):750-755.

[6]雷维嘉,谢显中.采用数字喷泉码的无线协作中继方案及其性能分析[J].电子学报学报,2010(38):228-233.

为了进一步检验经过响应面设计试验所获得的模型及其预测的最佳工艺条件的可靠性,在最佳工艺条件进行验证试验,并重复5次,结果及统计分析如表6所示:对于酵母固态发酵551H及552H,验证试验结果与预测结果差异性均不显著(P>0.05),因此,模型预测的最佳工艺参数适合实际应用。

[7]雷维嘉,郭旭静.采用喷泉码和自适应调制的多中继传统机制[J].北京邮电大学学报,2014(2):68-73.

[8]郭旭静.结合LT码的自适应解调最优解调门限的研究[J].湖南邮电职业技术学院学报,2015(4):33-37.

延续性护理是将院内的康复护理服务向院外的延伸护理,它通过对一系列护理行为进行系统设计,使患者在转换了不同的治疗护理情景都能得到高质量的与原各项措施具有协调性、持续性的护理[8]。这种护理模式的开展,为护理服务由院内向家庭或社区进行延伸,提供了安全、有效的保障;它通过调动患者及家属的主观能动性,有助于提升患者康复效果[9]。本研究拟从患者依从性行为、日常生活活动能力及再次入院率等方面,探讨延续性护理对脑卒中偏瘫患者出院后自我康复效果的影响,为延续性护理进一步由医院向社区延伸提供参考。

[9]郭旭静.LT码在WSN网络中的应用研究[J].湖南邮电职业技术学院学报,2016(3):14-17.

[10]雷维嘉,刘慧峰,谢显中.开关度分布:一种改进的LT数字喷泉编译码度分布[J].重庆邮电大学学报,2012(1):34-38.

 
郭旭静
《湖南邮电职业技术学院学报》2018年第01期文献

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