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无线物联网中基于网络编码的能量受限数据传输机制

更新时间：2019-12-10 12:37:19 大小：685K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

本文针对无线物联网能量有限的应用场景,提出一种基于网络编码的能量受限数据传输机制NCDT.NCDT引入传染病路由的思想,对网络编码数据包的传输方式进行建模.通过限制编码数据包在网络中的复制次数,以及参与数据包交换的移动终端数量,控制网络的整体能量消耗.NCDT机制在限制网络编码资源消耗的同时,保证了在传输过程中取得较高的传输可靠性.

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第l期

2013年1月

Vd．41№．1

J锄．2013

电

子

学

ACrAⅡ正C1RONICA SINICA

报

无线物联网中基于网络编码的能量受限数据传输机制

黄辰1，李可维2，张伟1，潘永才1，黄本雄3，戴彬3

(1．湖北大学物理学与电子技术学院，湖北武汉430062；

2．武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430064；

3．华中科技大学电信系，湖北武汉43∞74)

摘要：本文针对无线物联网能量有限的应用场景，提出一种基于网络编码的能量受限数据传输机制NC【yI．．

NcDT引入传染病路由的思想，对网络编码数据包的传输方式进行建模．通过限制编码数据包在网络中的复制次数，以

及参与数据包交换的移动终端数量，控制网络的整体能量消耗．NcDT机制在限制网络编码资源消耗的同时，保证了在

传输过程中取得较高的传输可靠性．

关键词：

网络编码；物联网；能量

中图分类号：’rP301

文献标识码：

文章编号：

0372．2112(2013)01．014耷04

电子学报Ul也：http：／／www．ejo哪!a1．o唱．cn

DOI：10．3粥9／j．is弧．0372-2112．2013．01．025

T踟SmiSsion

B弱ed

Data

N帅水COCIing

Ene咧CO瞅ra．ned

Mechanism in Wi陀less Intemel of

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YoIlg．cail，删ANG Ben．】【ion矿，DAJ

(1．几mb旷P^，s删刹日瞄M拓，肺崩‰ 蚵，‰ ，强加430062，aI妇；

2．‰ 酬脚脑泖蒯胁赫施龇，‰ ，腩430064，‰ ；

3．隗舯咖∞t矿日哦M如删肋钿删溉E画r咖，执mb唔‰ 蚵矿眦∞d乃由蝴，‰ ，胁舸4姗4，吼蛔)

NI丑yris

Al蚓怕d：

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IIlisSi∞reliabm哆．

Krey、～O—S：

n印^，o出codiI培；洫ter似of tlliI垮；enef留

动轨迹特点，对编码数据包的传输方式进行建模分析·

引言

2相关研究工作

无线物联网扩展了物联网的覆盖广度和宽度，智能

目前无线网络数据传输机制的研究中存在着诸多

理想化的假设条件．文献[1]假设信源拥有网络连接状

态的先验知识，文献[2]则假定节点移动的历史数据可

以用于预测消息发送成功概率．’I’舯等人【3]在多个单播

会话之间执行异或网络编码．文献[4]只缓存单播会话

队列的头队列．

移动终端是无线物联网的重要组成部分．移动终端进行

复杂运算的前提是有足够的能量保障，如何在降低网络

整体能量消耗的前提下，保证无线物联网通信的效率和

可靠性，成为无线物联网领域的重要研究课题．

本文提出了一种基于网络编码的能量受限数据传

Based

congtrained Da-

Energy

输机制NcdT(Networl【coding

1<atti等人提出了经典的c0PE协议uJ，将网络编码

理论用于单播，动态以及突发的数据流场景．sengIlpta等

人[6]提出将编码感知和信道干扰感知相结合．C}Iaporlm

1h璐111ission)．该机制在能量受限的无线物联网环境

中，参照经典的传染病模型，将编码数据包在无线物联

网中的传输视作传染病毒的感染和扩散，结合终端的运

收稿日期：2011．12—20；修回日期：2012一08—02

基金项目：国家自然科学基金(№．60啪5)；教育部新世纪人才基金(No．Nc肼联∞642)；湖北省软科学研究专项项目(No．20llDm014)；湖北大

学自然科学基金

万方数据

145

第

1期

黄辰：无线物联网中基于网络编码的能量受限数据传输机制

一

等人[71提出了一种用于COPE协议的优化调度机制．IJe

等人[8]提出将路由发现和编码机会探测相结合的思

路，搜索可能的高吞吐率路径．址reza等人[93分析了网

络编码在吞吐率和能耗这两个方面的性能上界．

。d

、、．．．，

：萼∥羔*2一罟

—

一

茁

1●J

A一4

1●●、r●J

+庶川譬一R)2

3受限数据传输模型

：萼『螋+2士]2

3．1传染病模型

综上，无线物联网中任意两个按照RWP模型运动

的移动终端的相遇时间期望E珏WP为

目前已有研究将数据包在网络中的随机转发过程

类比为传染病的传播[10J．在基于网络编码的数据传输

过程中，可以将节点的状态分为感染、健康和隔离三种

类型．文献[11]用受感染节点数目表示网络所处状态，

状态转移服从随机逗留时间的半马尔科夫链模型．

NC坍机制采用了一个连续时间模型，去近似Yo∞等

人[12]提出的离散马尔科夫模型，推导出基于时间变化

的网络性能的闭合表达式．在一般的传染病模型的基

础上，Nc叩机制将受限感染策略和网络编码结合在一

起，限制信源生成的编码数据包被移动终端编码的次

数，达到降低编码数据包的交换次数，最终减少网络能

量开销的目的．

巩WP=盎(，· +2艄k+亍)

(2)网络流量控制

一个原始编码数据包(病毒)的比例远远超过了其

它原始编码数据包，就会影响解码能力，因此需要对其

增长速度进行限制．

设M(￡)为t时刻，网络中原始编码索引Ⅲ为i的

受感染的移动终端数目．随着节点数Ⅳ的增长，M(￡)

收敛为常微分方程式(2)的解．Si(f)为时刻￡针对；的

流量控制策略的量化值．口为丢包率．

3．2流量控制策略

(1)移动终端的相遇时间期望

鼽：咖)．(～+"|s如)· 掣· 产(2)

在无线物联网的建模中，移动终端遵循随机路点

移动模型RwP(Randomwa)rpoint)．相遇时间期望影响到

受感染节点数量．将无线物联网中按照R船模型运动

的移动终端在位置(珥，，，)上的稳态密度函数记作厂(茗，

y)．定义线段(b，y，)，移动终端A和曰位于该线段上，

ys与y，分别是该线段的起点和终点，一个随机运动周

其中y(R)=盎(，l+2，2)2

设原始编码数据包i从生成，到感染到健康的信宿

所需的时间长度为乃，则处于健康状态的信宿节点在

任意时间段&内遇到且仅遇到一个编码数据包i的移

动终端的概率如式(3)所示

期就是从坛运动到％的时间．设传输范围为尺，所有

随机运动周期的集合为s={(蚝，y，)}，碰到日的运动

周期的集合为S懈={(ys，K)：|j％一‰ II 兄j．

一个运动周期内移动终端运动轨迹的长度为L，￡

的均值记为Z．设所有穿过日的线段的集合为％=

{(ys，K)：I【b—K II=o}，得11％{I一2只

· I『％||，根据八菇，y)的定义，可得“茗，)，)=I『％||／

P(f<乃<f+△￡)

(3)

=P(死>△￡)· I二二号 · ￡马御· d￡

-P(酗△c)．

r掣』V．￡‰ 咄

=[1一P(t)]· El生 · 巩WP· dtl

：m肌)】．E[掣．‰ 咄】

因此P(f)收敛于常微分方程式(4)的解

(4)

争 =【1-肌)】．E‰ · 掣

俨Z，则lI％Ii—V(戈，，，)尺俨Z．节点停留时间在[o，

k]内均匀分布，均值为r。，运动周期的时间均值是

(3)能量限制下的流量控制策略

设Ⅳ(f)为网络在时刻p的病毒总量，在不采用流

r．运动周期时间长度的期望为r蜘+丁，可以得到

量控制策略的情况下(．si(￡)=1)，￡=0时刻，网络中已

经存在G个原始编码数据包，从而有

』『南训，，一一

式(1)存在积分不收敛的问题，即是在网络边缘

(1)

编肿=土—而而一。(‰ +r)

Ⅳ(t)=G+ M(￡)

4|，

．厂(聋，y)—叼，可以通过修改边界的方式求取近似值[1

假设网络允许分配给每个单播会话的能量有限，

在该能量限制下，允许向网络中复制的病毒最大数量

为M(几>G)．结合式(3)和式(4)，得方程组(5)，可以

解得达到M所需的时间为瓦．

边界修改为[一~／矿／2+尺，√y／2一R]，可得

俨

．

JJ而斋机d)，2专(厶+2厶)2

万方数据

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