基于LT碼數據分發協議性能分析
2014-08-08 13:32:23張亞昕劉華
計算技術與自動化 2014年2期
張亞昕+劉華
收稿日期：2013-09-17
作者簡介：張亞昕（1978—），女，河南新鄭人，講師，碩士，研究方向：數據挖掘，無線傳感網絡。
文章編號：1003-6199(2014)02-0141-04
摘 要：無線傳感網絡節點數目龐大，能量消耗大，傳感器節點的計算和存儲能力有限，網絡丟包率較為嚴重。為了設計節能可靠的網絡協議，降低節點的能耗，在TinyOS網絡平臺上設計實現了基于LT碼的數據分發協議，在仿真環境TOSSIM上進行了性能分析，仿真結果表明，基于LT碼的數據分發協議，更好的展示了LT碼的無比率特性，提高了網絡數據傳輸的可靠性，降低的網絡負載。
關鍵詞：LT碼；分發協議；無線傳感網絡
中圖分類號：TP391文獻標識碼：A
Based on the Analysis of LT Codes Performance Data Distribution Agreement
ZHANG Yaxin，LIU Hua
(Xi'an Railway Vocational and Technical College Department of electronic information，Xi'an,Shannxi 710014，China)
Abstract:wireless sensor network node number, energy consumption, limited computing and storage capacity of sensor nodes, network packet loss rate is more serious. In order to design of energy saving and reliable network protocol, reduce the energy consumption of nodes in TinyOS network platform design has realized the data distribution agreement based on LT codes, the performance analysis on the simulation environment TOSSIM, simulation results show that based on the data distribution agreement LT codes, better shows no ratio characteristics of LT codes, to improve the reliability of the network data transmission, reduce the network load.
Key words:LT codes;distribution agreement;wireless sensor network
1 引 言
近年來隨著無線傳感網絡飛速發展，其應用范圍也逐漸從軍事應用推廣到工業，醫療、農業、環境監測等領域［1］。由于無線傳感器網絡的節點數目龐大,通訊能力較弱,并且傳感器節點的計算和存儲能力有限，使得網絡的丟包率較為嚴重,一般會達到10%甚至更高。因此為網絡提供可靠的傳輸和存儲機制成為了無線傳感網絡的一個基本問題。
比較簡單的方法就是多次發送數據包，但這樣發包的數量會大大增加，并且也不能保證數據傳輸的可靠性，同時還增加了網絡的能耗。另一種方法是采用請求重傳，即發送端發出的數據包丟失，接收端就會向發送端請求重新發送未接收到的數據包，若數據包再次丟失，發送端還要再次發送。在無線傳感網絡多使用廣播方式，該方法會增加網絡負載和傳輸延遲，如果丟包率稍大，大量的處罰數據包將可能造成整個網絡的癱瘓。還有一種文獻［2］提出了使用范德蒙德矩陣構造RS糾刪碼［3］來提高數據的可靠傳輸,但糾刪碼運算復雜度較高。噴泉碼(Fountain Codes)［4-6］是一種無比率碼。一般來說，噴泉碼是指原始數據分組像噴泉一樣生成任意數量的編碼分組 ，接收端只要收到足夠多任意組合的編碼分組，就可以通過譯碼以高概率成功恢復全部原始數據分組。這種性質使得它能夠在信道多變情況下進行數據傳輸，幾乎不受信道刪除率的影響［7-8］。
2 LT編譯碼原理
2.1 LT編碼
假設編碼器要編碼的數據文件被分為k個數據分組s1,s2,…,sk，編碼后生成的編碼分組為t1,t2,….tn。當接收端收到一定數量的輸出數據后，就可以通過譯碼以高概率成功恢復全部原始數據分組。LT編碼過程如下（如圖1）：
圖1 LT編碼示意圖
1)按照度分布函數為每一個編碼分組隨機選取一個度d(d
SymbolcB@
k)，d的選擇由度概率分布函數ρ(d)決定;
2) 從k個原始數據分組中，等概地隨機選擇不同的d個;
3) 將這d個原始數據分組進行異或運算，即得到一個編分組;
重復步驟1)、2)、3)即可源源不斷地產生編碼分組。
顯然LT碼編碼的前提是隨機度d的選擇，而度概率 ρ(d)是度分布函數設計的關鍵。既要保證編碼器輸出的任何一個編碼分組sk參與了編碼；又要盡量使編碼和譯碼過程異或的次數較少，保證譯碼能夠開始并持續下去。Luby在文獻［4］中提出理想孤波分布(Ideal Solition Distribution)，定義為：
ρ(d)=1kd=11d(d－1),d=2,3,…k(1)
對于這種度分布k個編碼分組的度的平均度值近似為ln k。但是，由于理想孤波分布度值選取是隨機的，造成在實際應用中很不穩定，稍有波動就可能導致在譯碼時在某些點沒有度為1編碼分組出現，造成譯碼失敗。為了提高譯碼成功率，Luby在理想孤波分布之上進行了改進，提出了魯棒孤波分布(Robust Soliton distribution，RSD)：
τ(d)=sk1d d=1,2,3,…(k/s)－1sklog (s/δ)d=k/s0d＞k/s(2)
將理想孤波分布ρ(?)與τ(?)相加，得到改進后的度概率密度分布函數μ(d)：
μ(d)=ρ(d)+τ(d)Z (3)
計算技術與自動化2014年6月
第33卷第2期張亞昕等：基于LT碼數據分發協議性能分析
其中c為大于0的常數，取值范圍為0,1，δ為譯碼失敗的概率。s=c?ln (k/δ)k表示編碼分組度為1的數目。
2.2 LT譯碼
開始時原始數據分組均未恢復，當接收端收到一定數量的編碼分組后開始譯碼。譯碼器在每一步都利用部分已經譯碼的數據在剩余的數據中解出一部分新的源數據,如此不斷的反復迭代直到所有的數據都被恢復出來。譯碼過程如下：
1）根據已有的原始數據和編碼分組的對應關系建立雙向圖；
2）任意選取一個度為1的編碼分組，如果存在,即可恢復與其相連的原始數據，并將該編碼分組從雙向圖中移除;如果不存在,則譯碼停止；
3）對已恢復的數據,將其從其他參與異或的編碼分組中移除，從而使輸出數據的的度減1；
4）重復步驟2）和3）,直至所有數據都被恢復,則譯碼成功；否則,譯碼失敗,需接收更多的編碼分組才能繼續譯碼。
3 LT碼數據分發協議的設計
在分析了LT碼編譯原理后，可知LT碼數據包的數量一般不受限制，但為了進行LT編碼數據包數量、數據包號、每個包對應的度需要知道。數據包結構一般包括四部分：Head、Data、Footer、Dataelement。其中Data是主要部分，最大長度為29個字節，如果接收方不知道發包數量和碼率,Data還要設置原始數據包數(Sour-num)和編碼后的數據包數(Codenum)。其余三部分與硬件相關。LT傳輸數據包結構如圖2所示：
圖2 LT碼的數據包結構圖
由于LT碼的碼率無關性，發送端產生的編碼序列可以是無限的，接收端只要收到足夠的編碼分組就可以恢復全部原始數據，不需要關心中間節點之間的鏈路關系。一般為了減少能量消耗，縮短傳輸延遲，接收端只要成功譯碼，發送端將停止編碼。圖3是LT碼數據分發協議編解碼的具體過程:
Notations:
rec_pkt:receive queueε:decoding inefficiency factor
Information Dissemination Protocol Based LT Erasure Codes
Upon entering Encode Phase
if (TOS_NODE_ID == Sender) then
call Encode() and Send()
end if
Upon entering Forward Phase
if(TOS_NODE_ID != Sender
&& TOS_NODE_ID != Receiver) then
call Forward()
end if
Upon entering Decode Phase
if(TOS_NODE_ID ==Receiver) then
if( len(receive_packet) >=(1 +ε)*k) then
call Decode()and flush rec_pkt
else
Store the message in rec_pkt
end if
end if
/*The following is for Encode*/
Encode()
See encoding process of LT codes in section 2
Decode()
See decoding process of LT codes in section 2
圖3 LT碼數據分發協議
其中Forward()的設計是關鍵，最容易實現的方法就是泛洪法，發送方不斷重復發送數據包，滿足不同的網絡丟包率，接收方也以同樣的方式轉發數據包。但該方法會增加網絡負載，因此設計盡量減少數據包的發送次數。但是對路由協議的效果不是很明顯。
4 性能仿真與分析
仿真實驗環境采用TOSSIM［9］，數據分發協議是在TinyOS［10］平臺上實現的。在TOSSIM中可以設置無線傳感器網絡中每條鏈路的信噪比，用來模擬真實的無線傳感器網絡鏈路通信，TOSSIM提供的噪聲源來自真實噪聲，使仿真更接近現實。本文用來模擬的無線傳感網絡圖（如圖4）是隨機生成的，其中0節點用于分發數據，其余63個是轉發數據節點，接收端在收到編碼數據包后，首先檢查是否收到該包，若沒有收到則以相同的方式轉發，否則直接丟棄。接收端在收到數據包后，由于沒有相應的應答方式，故是否停止發送數據包完全由接收方控制。
圖4 模擬無線傳感器網絡圖
圖5所示，LT編碼數據包數對譯碼性能的影響。從圖中可以看到數據包數k為10000譯碼成功率比k為100時要高，所以只有數據包數量達到一定程度時，LT譯碼才能達到良好的性能，滿足一定的統計規律。
圖5 數據包數對LT譯碼性能的影響
圖6所示發送數據包數為100的單跳網絡中，LT碼與RS糾刪碼的時間比較曲線。從圖中可見LT編解碼所需時間略長于RS碼，但RS碼是有比率碼，編解碼基于矩陣的有限域運算，數據量大時需將數據分塊編碼發送，運算復雜度較高，突發事件時不能實時的改變碼率，LT碼則能適應信道多變的情況，不受信道刪除率的影響。
圖7中給出了發送數據包數為100，網絡丟包率為25%，LT碼與RS糾刪碼的收包率比較曲線。從圖可見RS碼實際發送數據包數大于接收到的編碼包數時，由于編碼數據矩陣的不可逆性，因此解碼出的包數為0，收包率為0。只有發送數據包數小于接收到的包數時，RS碼才能解碼成功。LT碼中隨著發送數據報數的增收包率也會隨之增加，只要接收端收到足夠多的編碼分分組就能成功譯碼，且不受網絡好壞的影響。
圖6 LT碼的編解碼時間比較曲線
圖7 LT碼和RS碼的收包率比較曲線
5 結 論
本文研究了LT碼編譯碼原理，在TinyOS網絡操作平臺上設計并實現了在無線傳感網絡基于LT碼的數據分發協議。在單跳網絡中通過TOSSIM仿真實驗，比較了LT碼與RS碼的編解碼時間和包接受率。仿真結果表明，RS碼運算復雜度高，需要將數據分塊編碼發送，突發事件不能實時改變碼率。而基于LT碼的數據分發協議，更好的展示了LT碼的無比率特性，提高了網絡數據傳輸的可靠性。
參考文獻
［1］ SONG W,WANG B,ZHOU Y B. Technology and application of wireless sensor network ［M］. Bei jing:Electronics Industrial Publisher, 2007:2-6.
［2］ HO T,KOETTER R，EDARD M M,D.Karger,and .Effros.The benefits of coding over routing in a randomized setting［C］// PaeifieoYokoharna.In Proc.IEEE ISIT.JaPan:2003: 227-234.
［3］ 王新梅,肖國鎮.糾錯碼-原理與方法［M］.西安:西安電子科技大學出版社,2001.
［4］ LUBY M.LTcodes［C］// in Proceedings of the ACM Symposium on Foundations of Computer Science . 2002:271-282.
［5］ JANSHID ABOUEI ，DAVID BROWN J,KONSTANTIONS N. Plataniotis. On the Energy Efficiency of LT Codes in Proactive Wireless Sensor Networks ［J］．IEEE Transactions On Signal Processing, 2011, 59(3):：1116-1127 ．
［6］ 朱宏杰.噴泉碼編譯碼技術與應用研究［D］．北京：清華大學,2008．
［7］ 慕建君,焦曉鵬,曹訓志.數字噴泉碼及其應用的研究進展和發展［J］.電子學報2009,37(7):1571-1577.
［8］ BYERS J W,LUBY M,MITZENMACHERM.Adigital folultain approach to asynchronous reliable multicast［J］.IEEE Journal on Seleeted Areas in Conlnlunieations,2002,20(8):1528-1540.
［9］ LEVIS P,MADDENS，GAYD,POLASTRE J,SZEWCZYK R,WOOA,BREWER E,CULLERD. The emergence of networking abstractions and techniques in tinyos ［C］//Proceedings of the First USENIX/ACM Networked System Design and Implementation 2004:1-14.
［10］LEVIS P,LEEN,WELSHM,CULLERD.TOSSIM: Accurate and scalable simulation of entire tinyos applications ［C］// Proceedings of the 1st international conference on Embedded networked sensor system2003: 126-137.
3 LT碼數據分發協議的設計
在分析了LT碼編譯原理后，可知LT碼數據包的數量一般不受限制，但為了進行LT編碼數據包數量、數據包號、每個包對應的度需要知道。數據包結構一般包括四部分：Head、Data、Footer、Dataelement。其中Data是主要部分，最大長度為29個字節，如果接收方不知道發包數量和碼率,Data還要設置原始數據包數(Sour-num)和編碼后的數據包數(Codenum)。其余三部分與硬件相關。LT傳輸數據包結構如圖2所示：
圖2 LT碼的數據包結構圖
由于LT碼的碼率無關性，發送端產生的編碼序列可以是無限的，接收端只要收到足夠的編碼分組就可以恢復全部原始數據，不需要關心中間節點之間的鏈路關系。一般為了減少能量消耗，縮短傳輸延遲，接收端只要成功譯碼，發送端將停止編碼。圖3是LT碼數據分發協議編解碼的具體過程:
Notations:
rec_pkt:receive queueε:decoding inefficiency factor
Information Dissemination Protocol Based LT Erasure Codes
Upon entering Encode Phase
if (TOS_NODE_ID == Sender) then
call Encode() and Send()
end if
Upon entering Forward Phase
if(TOS_NODE_ID != Sender
&& TOS_NODE_ID != Receiver) then
call Forward()
end if
Upon entering Decode Phase
if(TOS_NODE_ID ==Receiver) then
if( len(receive_packet) >=(1 +ε)*k) then
call Decode()and flush rec_pkt
else
Store the message in rec_pkt
end if
end if
/*The following is for Encode*/
Encode()
See encoding process of LT codes in section 2
Decode()
See decoding process of LT codes in section 2
圖3 LT碼數據分發協議
其中Forward()的設計是關鍵，最容易實現的方法就是泛洪法，發送方不斷重復發送數據包，滿足不同的網絡丟包率，接收方也以同樣的方式轉發數據包。但該方法會增加網絡負載，因此設計盡量減少數據包的發送次數。但是對路由協議的效果不是很明顯。
4 性能仿真與分析
仿真實驗環境采用TOSSIM［9］，數據分發協議是在TinyOS［10］平臺上實現的。在TOSSIM中可以設置無線傳感器網絡中每條鏈路的信噪比，用來模擬真實的無線傳感器網絡鏈路通信，TOSSIM提供的噪聲源來自真實噪聲，使仿真更接近現實。本文用來模擬的無線傳感網絡圖（如圖4）是隨機生成的，其中0節點用于分發數據，其余63個是轉發數據節點，接收端在收到編碼數據包后，首先檢查是否收到該包，若沒有收到則以相同的方式轉發，否則直接丟棄。接收端在收到數據包后，由于沒有相應的應答方式，故是否停止發送數據包完全由接收方控制。
圖4 模擬無線傳感器網絡圖
圖5所示，LT編碼數據包數對譯碼性能的影響。從圖中可以看到數據包數k為10000譯碼成功率比k為100時要高，所以只有數據包數量達到一定程度時，LT譯碼才能達到良好的性能，滿足一定的統計規律。
圖5 數據包數對LT譯碼性能的影響
圖6所示發送數據包數為100的單跳網絡中，LT碼與RS糾刪碼的時間比較曲線。從圖中可見LT編解碼所需時間略長于RS碼，但RS碼是有比率碼，編解碼基于矩陣的有限域運算，數據量大時需將數據分塊編碼發送，運算復雜度較高，突發事件時不能實時的改變碼率，LT碼則能適應信道多變的情況，不受信道刪除率的影響。
圖7中給出了發送數據包數為100，網絡丟包率為25%，LT碼與RS糾刪碼的收包率比較曲線。從圖可見RS碼實際發送數據包數大于接收到的編碼包數時，由于編碼數據矩陣的不可逆性，因此解碼出的包數為0，收包率為0。只有發送數據包數小于接收到的包數時，RS碼才能解碼成功。LT碼中隨著發送數據報數的增收包率也會隨之增加，只要接收端收到足夠多的編碼分分組就能成功譯碼，且不受網絡好壞的影響。
圖6 LT碼的編解碼時間比較曲線
圖7 LT碼和RS碼的收包率比較曲線
5 結 論
本文研究了LT碼編譯碼原理，在TinyOS網絡操作平臺上設計并實現了在無線傳感網絡基于LT碼的數據分發協議。在單跳網絡中通過TOSSIM仿真實驗，比較了LT碼與RS碼的編解碼時間和包接受率。仿真結果表明，RS碼運算復雜度高，需要將數據分塊編碼發送，突發事件不能實時改變碼率。而基于LT碼的數據分發協議，更好的展示了LT碼的無比率特性，提高了網絡數據傳輸的可靠性。
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［7］ 慕建君,焦曉鵬,曹訓志.數字噴泉碼及其應用的研究進展和發展［J］.電子學報2009,37(7):1571-1577.
［8］ BYERS J W,LUBY M,MITZENMACHERM.Adigital folultain approach to asynchronous reliable multicast［J］.IEEE Journal on Seleeted Areas in Conlnlunieations,2002,20(8):1528-1540.
［9］ LEVIS P,MADDENS，GAYD,POLASTRE J,SZEWCZYK R,WOOA,BREWER E,CULLERD. The emergence of networking abstractions and techniques in tinyos ［C］//Proceedings of the First USENIX/ACM Networked System Design and Implementation 2004:1-14.
［10］LEVIS P,LEEN,WELSHM,CULLERD.TOSSIM: Accurate and scalable simulation of entire tinyos applications ［C］// Proceedings of the 1st international conference on Embedded networked sensor system2003: 126-137.
3 LT碼數據分發協議的設計
在分析了LT碼編譯原理后，可知LT碼數據包的數量一般不受限制，但為了進行LT編碼數據包數量、數據包號、每個包對應的度需要知道。數據包結構一般包括四部分：Head、Data、Footer、Dataelement。其中Data是主要部分，最大長度為29個字節，如果接收方不知道發包數量和碼率,Data還要設置原始數據包數(Sour-num)和編碼后的數據包數(Codenum)。其余三部分與硬件相關。LT傳輸數據包結構如圖2所示：
圖2 LT碼的數據包結構圖
由于LT碼的碼率無關性，發送端產生的編碼序列可以是無限的，接收端只要收到足夠的編碼分組就可以恢復全部原始數據，不需要關心中間節點之間的鏈路關系。一般為了減少能量消耗，縮短傳輸延遲，接收端只要成功譯碼，發送端將停止編碼。圖3是LT碼數據分發協議編解碼的具體過程:
Notations:
rec_pkt:receive queueε:decoding inefficiency factor
Information Dissemination Protocol Based LT Erasure Codes
Upon entering Encode Phase
if (TOS_NODE_ID == Sender) then
call Encode() and Send()
end if
Upon entering Forward Phase
if(TOS_NODE_ID != Sender
&& TOS_NODE_ID != Receiver) then
call Forward()
end if
Upon entering Decode Phase
if(TOS_NODE_ID ==Receiver) then
if( len(receive_packet) >=(1 +ε)*k) then
call Decode()and flush rec_pkt
else
Store the message in rec_pkt
end if
end if
/*The following is for Encode*/
Encode()
See encoding process of LT codes in section 2
Decode()
See decoding process of LT codes in section 2
圖3 LT碼數據分發協議
其中Forward()的設計是關鍵，最容易實現的方法就是泛洪法，發送方不斷重復發送數據包，滿足不同的網絡丟包率，接收方也以同樣的方式轉發數據包。但該方法會增加網絡負載，因此設計盡量減少數據包的發送次數。但是對路由協議的效果不是很明顯。
4 性能仿真與分析
仿真實驗環境采用TOSSIM［9］，數據分發協議是在TinyOS［10］平臺上實現的。在TOSSIM中可以設置無線傳感器網絡中每條鏈路的信噪比，用來模擬真實的無線傳感器網絡鏈路通信，TOSSIM提供的噪聲源來自真實噪聲，使仿真更接近現實。本文用來模擬的無線傳感網絡圖（如圖4）是隨機生成的，其中0節點用于分發數據，其余63個是轉發數據節點，接收端在收到編碼數據包后，首先檢查是否收到該包，若沒有收到則以相同的方式轉發，否則直接丟棄。接收端在收到數據包后，由于沒有相應的應答方式，故是否停止發送數據包完全由接收方控制。
圖4 模擬無線傳感器網絡圖
圖5所示，LT編碼數據包數對譯碼性能的影響。從圖中可以看到數據包數k為10000譯碼成功率比k為100時要高，所以只有數據包數量達到一定程度時，LT譯碼才能達到良好的性能，滿足一定的統計規律。
圖5 數據包數對LT譯碼性能的影響
圖6所示發送數據包數為100的單跳網絡中，LT碼與RS糾刪碼的時間比較曲線。從圖中可見LT編解碼所需時間略長于RS碼，但RS碼是有比率碼，編解碼基于矩陣的有限域運算，數據量大時需將數據分塊編碼發送，運算復雜度較高，突發事件時不能實時的改變碼率，LT碼則能適應信道多變的情況，不受信道刪除率的影響。
圖7中給出了發送數據包數為100，網絡丟包率為25%，LT碼與RS糾刪碼的收包率比較曲線。從圖可見RS碼實際發送數據包數大于接收到的編碼包數時，由于編碼數據矩陣的不可逆性，因此解碼出的包數為0，收包率為0。只有發送數據包數小于接收到的包數時，RS碼才能解碼成功。LT碼中隨著發送數據報數的增收包率也會隨之增加，只要接收端收到足夠多的編碼分分組就能成功譯碼，且不受網絡好壞的影響。
圖6 LT碼的編解碼時間比較曲線
圖7 LT碼和RS碼的收包率比較曲線
5 結 論
本文研究了LT碼編譯碼原理，在TinyOS網絡操作平臺上設計并實現了在無線傳感網絡基于LT碼的數據分發協議。在單跳網絡中通過TOSSIM仿真實驗，比較了LT碼與RS碼的編解碼時間和包接受率。仿真結果表明，RS碼運算復雜度高，需要將數據分塊編碼發送，突發事件不能實時改變碼率。而基于LT碼的數據分發協議，更好的展示了LT碼的無比率特性，提高了網絡數據傳輸的可靠性。
參考文獻
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［4］ LUBY M.LTcodes［C］// in Proceedings of the ACM Symposium on Foundations of Computer Science . 2002:271-282.
［5］ JANSHID ABOUEI ，DAVID BROWN J,KONSTANTIONS N. Plataniotis. On the Energy Efficiency of LT Codes in Proactive Wireless Sensor Networks ［J］．IEEE Transactions On Signal Processing, 2011, 59(3):：1116-1127 ．
［6］ 朱宏杰.噴泉碼編譯碼技術與應用研究［D］．北京：清華大學,2008．
［7］ 慕建君,焦曉鵬,曹訓志.數字噴泉碼及其應用的研究進展和發展［J］.電子學報2009,37(7):1571-1577.
［8］ BYERS J W,LUBY M,MITZENMACHERM.Adigital folultain approach to asynchronous reliable multicast［J］.IEEE Journal on Seleeted Areas in Conlnlunieations,2002,20(8):1528-1540.
［9］ LEVIS P,MADDENS，GAYD,POLASTRE J,SZEWCZYK R,WOOA,BREWER E,CULLERD. The emergence of networking abstractions and techniques in tinyos ［C］//Proceedings of the First USENIX/ACM Networked System Design and Implementation 2004:1-14.
［10］LEVIS P,LEEN,WELSHM,CULLERD.TOSSIM: Accurate and scalable simulation of entire tinyos applications ［C］// Proceedings of the 1st international conference on Embedded networked sensor system2003: 126-137.
