无线传感器网络中网络编码压缩与解码算法研究

摘要

网络编码(NC)自问世以来便受到广大学者的青睐。通过改变传统网络中路由的存储—转发模式，把编码的观念加入到中继节点中。采用这种策略，我们能够实现网络容量最大的目的。由于无线网络链路具有广播特性，尤其适应网络编码的安插，经过网络节点缓存广播的数据包，从而发现最好的数据包编码机会。通过对数据包中数据信息的编码，能有效减少信息传输量，降低了传输过程中的复杂性。倘若将网络编码的理论应用到无线网络，则能够提升无线网络吞吐量、降低网络能耗，数据传输的可靠性也得以提高。
　　集无线Ad Hoc网络等无线网的优点于一身，无线传感器网络(WSN)是无线网络领域今后重点发展的方向。本论文的研究以节省网络能耗为目的，从削减数据量的传递出发，融合网络编码和压缩感知理念，深入研究了无线传感器网络中节点的节能方式。本文主要研究内容如下：
　　(1)提出一种无线传感器网络多径传输自适应节能算法，该算法的实现基于随机网络编码(RNC-ESMP)。该算法首先根据网络节点能量，优先选择路径节点能量最多和通信能耗最少的路径进行数据传输；其次，以目的节点解码成功率为反馈因子，构建目的节点到源节点的反馈机制，信源节点自动调节传输所需路径数，实现自适应；再次，为了准确反应数据传输的实时性，该算法摒弃原有一直等待编码机会的方式，根据中继节点缓存队列长度和同一时刻节点所接收存储不同数据包数，提出中继节点编码选择方案和节点编码概率，有效减少了编码冗余。实验结果表明，与传统多路径算法和采用网络编码的多路径算法相比，该算法在提升系统可靠性的同时降低了网络能耗，延长了网络生命周期，减少了数据传输端到端的时延，从而提高了网络性能。
　　(2)提出一种基于网络编码和压缩感知的无线传感器网络节能算法(CS-NCES)。该算法首先运用无线传感器网络数据的时间和空间相关性以及随机网络编码矩阵和压缩感知测量矩阵的相似性，在信源节点对数据进行编码，并应用有限域压缩感知对数据进行压缩，把编码和压缩融为一体，以实现数据的编码—压缩—再编码，从而使得中继节点传输数据少于原数据量，随之降低网络能耗，而信宿节点则通过译码—重构——再译码的方式来提升数据传递率。并且，本文通过对压缩感知和网络编码分别作用于实数域和有限域进行研究分析，构造了改进型多项式确定性矩阵，并对其可行性进行了验证。实验结果表明，与其他网络编码算法相比，CS-NCES算法能有效降低网络能耗，提高数据重构效率，从而提升了网络编码在无线传感器网络中的实用性和网络性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容、路线和方法

1.4 研究创新点及难点

1.5 本章小结

第2章 相关理论研究

2.1 无线传感器网络

2.2 网络编码概念

2.3 线性网络编码

2.4 一种改进的网络编码多项式时间算法

2.5 随机网络编码

2.6 本章小结

第3章 基于随机网络编码的WSN多径传输自适应节能算法

3.1 网络编码优势

3.2 无线传感器网络能耗模型

3.3 路径选择概率

3.4 解码反馈

3.5 编码策略

3.6 性能仿真与分析

3.7 本章小结

第4章 融合网络编码和压缩感知的无线传感器网络节能算法

4.1 压缩感知原理

4.2 基于压缩感知的网络编码节能算法

4.3 性能仿真及分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢