基于網絡編碼的無線傳輸技術研究

摘 要：基于網絡編碼的無線傳輸技術是一個新興的、高度集成的領域，目前涉及多個學科的綜合知識。它包含大量節點，甚至將數千個節點集中在控制無線傳輸網絡系統的監視器上。分布廣泛的節點由于環境的多樣性和能量的消耗而存在故障發生的可能。本文中筆者針對無線傳輸技術網絡能量和通信容量的限制，提出了一種將多徑傳輸與網絡編碼相結合的技術，將其引入到無線傳感器網絡中，以平衡網絡負載，整體降低能耗，延長網絡生命周期。并且就基于網絡編碼的無線傳輸技術進行分析。

關鍵詞：網絡編碼；無線傳輸技術；研究

中圖分類號：TN919.72 文獻標識碼：A 文章編號：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

基于網絡編碼的無線傳輸技術包括多個方面，可指通過無線電波自由空間的無線信號傳輸、所有類型的非有線通信以及無線電功率無人造導體的電能傳輸。編碼是一種數學技術，可用于提高網絡的吞吐量、效率可量測性以及抵御攻擊和竊聽等而不是簡單地將收到的信息節點網絡分成幾個分組并將其組合在一起進行傳輸。這可用于獲得最大值信息。

1 網絡編碼系統的分析

1.1 網絡編碼示例體系

網絡編碼示例體系通常用于說明其如何優選擇途徑。兩個源節點具有必須傳輸到兩個目的地節點的信息，這兩個目的地節點各自邊緣只能攜帶單個值。如果只允許使用路由，則中心鏈路只能承載單個系統，而不能同時承載兩者。假設我們使網絡編碼體系經過中心；那么其中一個目的地將接收兩次。對于正確的目的地，發送時也會產生類似的問題。網絡編碼使用簡單的代碼，可以通過中心發送符號的總和同時發送到兩個目的地，換句話說，我們是使用公式進行編碼。它由目的地接收信號并且可以通過減去這兩個值來計算。類似地，正確的目的地將接收另一信號，并且還能夠確定二者的區別。由于網絡編碼是一個相對較新的課題，其在工業中的應用尚有待于進一步研究。與其他編碼不同，網絡編碼由于其狹窄的特定使用場景而不完全適用于所有系統。學者們正試圖將網絡編碼連接到現實世界的應用程序，替代前向糾錯和年度報告，使其在具有分組的傳統和無線網絡中使用，如編碼傳輸控制協議、多用戶自動重傳請求等。網絡編碼對窺探、竊聽、重放或數據損壞等網絡攻擊具有強大的抵御能力。實現數字文件分發和文件共享，對信息進行分布式存儲。無線網狀網絡中吞吐量增加，編碼感知路由，均可以借助網絡編碼。空間傳感器網絡中的緩沖和延遲減小；空間緩沖多路復用，網絡編碼可減少單跳無線多播傳輸的分組重傳次數，從而提高網絡帶寬，并實現到移動設備的低復雜度視頻流。

1.2 隨機線性網絡編碼

隨機線性網絡編碼是一種簡單而強大的編碼方案，在網絡編碼的無線傳輸技術方案基礎之上，它允許使用分散算法來接近最佳吞吐量。節點發送它們接收分組的隨機線性組合，其中系數選自伽羅瓦域。如果場大小足夠大，則接收器將獲得線性無關組合，并因此獲得創新信息的概率接近1。然而，應當注意的是，盡管隨機線性網絡編碼具有優異的吞吐量性能，但是無線傳輸技術如果接收機獲得的分組數量不足，則它們極可能不會恢復任何原始分組。這可以通過發送附加的隨機線性組合來解決，直到無線傳輸技術接收機獲得適當數量的分組。基于網絡編碼的無線傳輸技術仍然是一個比較新的課題。在前人研究的基礎上，已發現線性網絡編碼的部分關鍵內容。首先，它的解碼計算復雜程度較高，其次，大系數矢量附著到編碼塊而導致的高傳輸開銷，以及系數向量之間的線性相關性，可以減少無線傳輸技術創新編碼塊的數量。

1.3 無線網絡編碼系統

無線與網絡拓撲耦合的網絡編碼性質決定了它存在干擾。無線網絡中的同時傳輸通常會導致所有分組丟失，即沖突，由于無線具有沖突避免的多址接入。因此，無線傳輸技術網絡需要調度器以最小化這種干擾。來自無線網絡編碼的任何增益均會受到底層調度器的強烈影響，并且將偏離有線網絡中可以看到的增益。此外，由于硬件限制，無線鏈路通常是半雙工的；即，由于兩個路徑之間缺乏足夠的隔離，節點不能同時發送和接收。盡管最初有學者提出在網絡層使用網絡編碼，但在無線傳輸技術網絡中，網絡編碼已經被廣泛地應用于物理層。有研究結果表明，無線網絡編碼在無線傳輸技術網絡中的應用需要精心設計和思考，才能充分發揮分組混合的優勢，否則無法實現其優勢。此外，該系統還存在影響吞吐量性能的各種因素，例如媒體接入層協議、擁塞控制算法等。目前尚不清楚無線網絡編碼之間是如何共存的，但可以確定的是，它可以應用于無線傳輸技術體系。

2 基于網絡編碼的無線傳輸技術研究

2.1 無線傳輸近場非輻射技術

在較大的相對距離處，無線傳輸技術電場和磁場的近場分量近似為準靜態振蕩偶極字段。這些字段隨距離的減小而呈立方減小，因功率與場強的平方成正比，所以傳送的功率減小為立方減小。無線傳輸技術如果相隔很遠，將兩個天線之間的距離加倍會導致接收到的功率減小。結果，電感耦合和電容耦合只能用于天線裝置直徑的幾倍內的短程功率傳輸。在輻射系統中，無線傳輸技術最大輻射發生在偶極天線橫向于傳播方向定向時，在偶極場中，最大耦合發生在偶極縱向定向時。無線傳輸電感耦合功率在線圈通過磁場，其發射器線圈和接收器線圈一起形成變壓器。無線傳輸技術交流電通過變送器線圈產生振蕩磁場，誘導交替電動勢在接收器中產生交流電。無線傳輸感應交流電可以直接驅動負載，或者矯正到直流，由整流器在驅動負載的接收器中。無線傳輸技術系統工作在交流電干線處，電流直接應用于發射器線圈，但是在大多數系統中電子振蕩器會產生更高頻率的交流電流來驅動線圈，因為傳輸效率隨著頻率而變化。無線傳輸近場非輻射技術用于感應充電代表無線使用的器具，傳輸的功率隨頻率增加，還有互感非輻射技術在線圈之間，這取決于它們的幾何形狀和距離大小。為了實現無線傳輸非輻射近場技術的高效率，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內，線圈的軸線要對準。通常使用寬的扁平線圈形狀，以增加耦合。無線傳輸“磁通限制”磁芯可以限制磁場，改善耦合和減少對附近電子設備的干擾，但是它們又重又大，所以小型無線設備通常使用空芯線圈。無線傳輸近場非輻射技術對于普通的電感耦合只能在線圈非常靠近時實現高效率。在大多數現代感應系統中諧振電感耦合使用，比如通過使用近場非輻射提高了效率諧振電路。而無線傳輸技術還可以在比非共振電感耦合更大的距離處實現高效率。

2.2 無線傳輸遠場輻射技術

采用無線傳輸遠場方法可獲得更長的距離，通常是多公里的距離，其中距離遠大于裝置的直徑。無線電波和光學裝置具有較長距離的主要原因是遠場可以使接收區域的形狀匹配，使用高方向性天線或準直良好的激光器梁。無線傳輸遠場天線的最大方向性受到物理限制衍射。總的來說，可見光和微波是最適合能量傳輸的電磁輻射形式。無線傳輸遠場技術部件的尺寸可以是距離發射機到接收器的波長；此外，還有判據衍射限值，用于標準無線電頻率天線設計，這也適用于激光器。遠場輻射技術極限也經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較高頻率下經歷較少衍射，無線傳輸遠場輻射指示任何無線電波、微波或激光束將傳播變弱傳播遠距離；發射器天線或激光孔徑與波長對于輻射，光束越緊，其作為距離的函數的擴展越小，反之亦然。它比波長大得多的激光孔徑更易引起多模式輻射準直器，在發射的輻射耦合到光纖或空間之前使用。無線傳輸遠場輻射技術最終波束寬度通過衍射物理確定，這是由于盤的尺寸相對于用于產生光束的電磁輻射波更長。微波功率束比激光更有效，并且不易受到大氣的影響。無線傳輸遠場輻射技術通過將上述參數組合在一起，并增加和損耗由于天線特性和透明度散布輻射所通過的介質，減少計算鏈路預算。

2.3 無線傳輸離子體通道技術

在無線傳輸離子體通道耦合中，能量通過電離空氣的導電在兩個電極之間傳遞。無線傳輸離子通道技術在海平面大氣壓下，兩個電極之間存在電場梯度時，發生電弧。離子體通道介質擊穿導致電流沿著隨機軌跡，流過電離的等離子體通道的兩個電極之間。關于無線傳輸技術激光誘導等離子體通道，有研究目前正在使用超快激光來人工促進等離子體通道通過空氣的發展、引導電弧以及以可控方式引導電流通過特定路徑。激光能量降低了電介質擊穿的電壓，并且通過過熱使空氣絕緣程度降低。無線傳輸離子體通道技術作為常規無線電天線的替代，從高壓電容器放電轉移功率，可以用于定向能武器，采用通過接地返回路徑的導電的應用和電子干擾等方式。

3 結 論

基于網絡編碼的無線傳輸技術，理論上已經從數學上證明線性編碼足以在具有一個源的多播問題中達到上界。然而，一般而言，只有無線傳輸技術是不夠的，例如對于多源、具有任意需求的多鏈路，甚至對于諸如卷積編碼和濾波器組。基于網絡編碼的無線傳輸技術對于具有任意需求的一般網絡問題，能夠尋找最優編碼方案，是一個優化措施。

參考文獻：

[1] 肖瀟.基于網絡編碼的無線傳輸技術研究 [D].長沙：中南大學，2009.

[2] 曹婷婷.基于網絡編碼的無線傳輸技術研究 [J].知識文庫，2015（3）：6.

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