编码机制（精选6篇）
编码机制 篇1
摘要：随着航空航天技术的发展, 越来越多的应用任务需要利用卫星通信进行信息传输。在卫星网络中, 已有的研究成果大都采用了ARQ机制来降低卫星信道的数据丢失率。然而由于卫星信道具有长时延的特点, 因此ARQ所采用的反馈重传机制会大幅增加卫星信道的传输时延。因此, 针对卫星网络, 提出了一种基于网络编码的ARQ (SatNC-ARQ) 机制来减少卫星信道的丢包数, 并通过减少重传次数来降低卫星信道的传输时延。在Sat-NC-ARQ中, 卫星终端除了发送几个真实业务终端的数据包外, 还会创建一个虚拟业务终端发送网络编码数据包, 从而在接收方, 只要接收到足够多的数据包, 就能对所有的数据包进行解码, 于是可以大幅降低卫星信道的传输时延以及丢包数。还对Sat-NC-ARQ所具有的一些性质进行了理论分析。仿真结果显示, 相对于选择性重传ARQ机制, Sat-NC-ARQ机制能够降低大约11%的传输时延和86%的丢包数。
关键词：卫星网络,网络编码,长时延,ARQ,Sat-NC-ARQ
0 引言
近年来国内外很多学者都在关注卫星通信中的业务传输性能问题。然而, 卫星信道所处的环境非常复杂[1,2], 这些复杂环境会大幅降低卫星信道的通信质量。
由于卫星信道的特殊性, 很多地面协议在应用于卫星网络时往往效率低下[3]。为了克服该问题, 研究者们在借鉴地面ARQ的思想上, 针对卫星环境对ARQ做了深入分析并进行了适应性改进[4,5,6,7]。ARQ主要有停止等待、后退N步和选择性重传3种方式[4]。此外, 网络编码[8,9]在无线通信领域得到了广泛应用。大量研究[10,11,12,13]表明, 无线通信中的网络编码技术能够减少数据包重传次数和丢包率。
为了进一步降低卫星信道的传输时延以及丢包数, 考虑将网络编码应用到卫星网络的ARQ中, 提出了一种适用于卫星网络的基于网络编码的ARQ (Sat-NC-ARQ) 机制。在Sat-NC-ARQ中, 卫星终端除了发送真实业务终端的数据包外, 还会创建一个虚拟业务终端发送网络编码数据包, 从而接收终端只要收到足够多的数据包, 就能对所有的数据包进行解码, 因此可以起到减少重传次数的目的。
1 Sat-NC-ARQ中采用的网络编码思想
Sat-NC-ARQ机制中采用的网络编码思想可以用图1进行简单说明。图1中, 源业务终端s1和s2通过地面链路与源卫星终端连接, 目的业务终端d1和d2通过地面链路与目的卫星终端连接, 而源卫星终端和目的卫星终端之间通过卫星链路连接。
假设源业务终端s1要发送数据包1101给目的业务终端d1, 而源业务终端s2要发送数据包1001给目的业务终端d2。首先, s1和s2要通过地面链路分别发送数据包给源卫星终端, 当源卫星终端收到s1和s2的数据包后, 可以对s1和s2的数据包进行网络编码, 即进行简单的XOR操作, 即11011001=0100;随后将数据包1101、1001和网络编码数据包0100一起发送给目的卫星终端。当目的终端收到3个数据包中的任意2两个时, 都能够利用网络编码技术译码出原数据包, 例如假设目的卫星终端收到s1的数据包1101和网络编码数据包0100, 而s2的数据包1001丢失, 那么目的卫星终端可以通过XOR操作11010100=1001来译码出s2的数据包。随后目的卫星终端就可以将s1和s2的数据包分别发送到d1和d2。
从以上的例子可以看出, 当s2的分组丢失后, Sat-NC-ARQ机制并不需要s2重传分组数据, 因此可以降低卫星网络的传输时延和丢包个数。
2 Sat-NC-ARQ机制
本文将网络编码技术引入到卫星网络的ARQ机制当中, 设计了适用于卫星网络的基于网络编码的Sat-NC-ARQ机制, 最终达到了降低网络延迟与丢包个数的目的。
2.1 系统模型
考虑的卫星网络模型如图2所示, 它包含4种节点, 分别为:①源业务终端集合, S={s1, s2, …, sK}, 其中|S|=K;②目的业务终端集合, D={d1, d2, …, dK}, 其中|D|=K;③一个源卫星终端ST;④一个目的卫星终端DT。因此该卫星网络的节点数量为N=2K+2。
为了简化问题, 只考虑单播情况, 即每个源业务终端si只传输数据包给对应的目的业务终端di。在进行数据传输时, 源业务终端首先要将数据包传输给源卫星终端, 然后源卫星终端通过透明转发的中继卫星将这些数据包发送给目的卫星终端, 最后目的卫星终端再将对应的数据包传输给对应的目的业务终端。只考虑前向链路的情况, 但是由于反向链路在传输方式上和前向链路完全一致, 因此本文的研究成果同样适用于反向链路。
为了简化系统处理, 可以调整数据包的长度大小, 以达到每1 ms发送一个数据包。同时可以假设每个源业务终端依次轮询在每个时刻发送数据包。
为了引入网络编码技术, 在源卫星终端收到K个源业务终端的数据包后, 会对这K个数据包进行网络编码 (XOR操作) , 然后将K个数据包和网络编码包依次发送给目的卫星终端。为了形式化描述该问题, 创建一个虚拟源业务终端sK+1和一个虚拟目的业务终端dK+1。虚拟源业务终端负责在K个源业务终端各发送完毕一个数据包时, 执行网络编码任务并发送K个数据包的网络编码包。
称每个源业务终端 (包含虚拟源业务终端) 都发送一次的时间为一轮, 即每轮持续的时间为K+1 ms。假设每个数据包最大的传输次数为Mmax。用符号gi, j表示源发送业务终端si在第j轮发送的数据包, 用符号M (gi, j) 表示该分组数据包的传输次数, 则有M (gi, j) ≤Mmax。用符号gi, j表示源业务终端si的第j轮发送的数据包的单次发送丢包率。
由于Sat-NC-ARQ机制创建了一个虚拟源业务终端发送网络编码数据包, 于是各源业务终端都每隔N+1 ms发送一次数据包, 如图3所示。因此目标就是确定每一个发送业务终端在被调度发送数据包时, 是传输下一个数据包还是重传已发送过的某个数据包。
2.2 Sat-NC-ARQ详述
为了适应卫星信道的长时延特性, 每个源业务终端都采用选择性重传ARQ机制。
对于每个源业务终端si (虚拟源业务终端除外) , 都维护一个发送队列SQi和一个缓存队列CQi, 在自己的发送时间内依次发送队列中的数据, 其中1≤i≤K。若收到接收正确反馈信息ACK (si, gi, j) , 则将包gi, j从缓存队列中删除。而若接收到接收失败反馈信息NACK (si, gi, j) 时, 若数据包gi, j的发送次数小于Mmax, 则将gij从缓冲队列中移除, 放入发送队列头部, 以准备在下次发送时间重发该数据包;否则, 将gi, j从CQi中删除, 数据包gi, j发送失败。
对于虚拟源业务终端sK+1, 在自己的发送时间内, 都发送前K个时间单位内各源业务终端发送的数据包的网络编码包, 即:
对于源卫星终端ST, 当接收到源业务终端发送的数据包时, 都转发接收到的数据包给目的卫星终端。而当收到源业务终端sN的数据包gN, j时, 则控制虚拟源业务终端在下一时刻发送网络编码包。
对于目的卫星终端DT, 每接收到一个数据包gi, j, 就将该数据包放入缓存区RC。若该数据包接收成功, 则调用算法Ncdecode (RC, gi, j) 以利用该数据包对缓冲区RC中丢失的数据包进行网络译码, 并将该数据和译码后的数据发送给对应目的业务终端。
用符号Fi, j表示源业务终端si的数据包gi, j的接收结果, 若Fi, j=true, 则表示数据包gi, j接收成功, 否则, 则表示接收失败。算法Ncdecode (RC, g) 对缓冲区中包含数据包g的每轮数据包, 都查看是否能够利用网络编码技术译码出丢失的数据包。假设第j轮收到的数据包中包含g, 若该轮接收成功的数据包的个数suc (j) 为K并且FK+1, j=true, 可以用gi, j表示该轮数据中丢失的数据包, 则可以利用网络编码技术译码出丢失的数据包, 即:
随后, 将译码出的数据包发送给对应的目的业务终端。随后再递归调用算法Ncdecode以利用该译码出的数据包对缓冲区RC中丢失的数据包进行网络译码。
目的卫星终端每经过一轮后, 就查看是否可以对该轮中接收到的数据包进行网络译码, 若可以则将本轮数据包的发送结果发送给对应的目的业务终端。而对于经网络编码技术译码后还丢失的数据包, 将发送丢包信息LOSS (si, gi, j) 给对应的目的业务终端。
对于目的业务终端di, 当正确收到数据包gi, 时, 则反馈ACK (si, gi, j) 给源业务终端;否则反馈NACK (si, gi, j) 给源业务终端。
(1) 发送业务终端si (sK+1除外) 算法
(2) 发送卫星终端ST算法
(3) 目的卫星终端DT算法
(4) 目的业务终端di算法
3 Sat-NC-ARQ性能分析
Sat-NC-ARQ具有下列性质。
定理1:在Sat-NC-ARQ机制中, 一个数据包若丢失, 必然达到最大传输次数。
证明:从表1-4的Sat-NC-ARQ机制中可以很容易看出该结论成立。证毕。
定理2:Sat-NC-ARQ的丢包个数小于选择性重传ARQ机制。
证明:假设si的某数据包在第m次发送时的轮数为第jm轮, 则该数据包在第jm轮单次发送成功的概率为:
用符号PSat-NC-ARQ表示在Sat-NC-ARQ中每个数据包发送成功的概率, 则有:
而ARQ机制在第jm轮单次发送成功, 以及每个数据包发送成功的概率为:
由式 (3) 和式 (5) 可知, Sat-NC-ARQ机制单次发送数据包的成功率大于选择性重传ARQ, 于是Sat-NC-ARQ对于每个包的发送成功率大于ARQ, 故丢包率也小于ARQ。因此Sat-NC-ARQ机制的丢包个数小于选择性重传ARQ机制。证毕。
当终端个数远小于RTT时, 由于Sat-NC-ARQ的单次发包成功率大于ARQ, 从而其重传次数也小于ARQ, 故其每个包的期望传输时延也小于ARQ。
但是Sat-NC-ARQ的缺点是在正向链路上会减少系统的吞吐量。
4 仿真分析
为了验证Sat-NC-ARQ机制的性能, 针对卫星网络进行了相应的仿真设计。仿真场景如下, 持续1 000 000 ms时间内, 由K个源业务终端依次轮询发送数据包, 即总共发送1 000 000次数据包 (包含重传) 。每个时刻的单次发送丢包率设置为 (0.1, 0.2]内的随机数。此外, 借鉴地面ARQ技术, 设置每个包的最大传输次数为4次, 即最大重传次数为3次。在仿真中, 将Sat-NC-ARQ与SRARQ的性能进行了比较。
仿真结果如图4所示。图4表明, Sat-NC-ARQ机制的平均延迟、丢包数和吞吐量都会随终端数的增大而增大, 这是因为随着终端数的增大, 能够进行网络译码的概率会变小。而选择性重传ARQ (SRARQ) 的平均延迟、丢包数和吞吐量并没有随终端数的变化而发生明显变化。在实际中, 虽然考虑到终端数越多, Sat-NC-ARQ的吞吐量会越大, 但同时平均延迟和丢包数也会增加, 因此需要对终端数进行平衡考虑, 已选择一个合适的终端数来进行网络编码。例如当终端数为6时, 相对于SRARQ, SatNC-ARQ可以降低约11%的传输时延和86%的丢包次数。而当终端数大于6时, 可以考虑将终端分组, 每6个一组, 然后在每组的基础上再应用SatNC-ARQ机制。
5 结束语
提出了一种适用于卫星网络的基于网络编码的ARQ (Sat-NC-ARQ) 机制, 该机制通过减少数据包的重传次数, 达到了降低卫星信道的传输时延以及丢包数的目的。仿真结果表明, Sat-NC-ARQ机制相对于选择性重传ARQ机制, 可以降低大约11%的传输时延和86%的丢包数。
编码机制 篇2
一种网络编码和信道编码的联合设计
作者：仇巧云 卢选民 赵明峰
来源：《现代电子技术》2010年第23期
摘要：网络编码技术可以大幅度提高网络的吞吐量和鲁棒性，因此已成为近年来的研究热点。在研究无线网络中物理层网络编码技术的基础上，提出了多址信道中一种联合网络编码和信道编码的设计方案。该设计利用LDPC码和网络编码的线性特性以及软输入软输出模块设计，不仅减少了编译码的复杂度，而且在高的信噪比情况下可以获得良好的性能。仿真结果表明，该设计方案不仅容易实现，而且性能接近网络信道容量的上限，相比传统的设计技术至少能够提高1.6倍的增益。
编码机制 篇3
1.1 置信传播算法
如下图一所示为无线中继网络模型, 采用软信息合并是动态网络编码应用于无线中继网络一种形式, 在协作通信过程中, 信源节点S1、S2到中继节点R的信道存在噪声和信号衰落。同时, 中继节点R采用置信传播算法计算网络编码信息) 的对数似然比, 并发送到目的节点, 如图二所示。对于信源S1和S2和是两个独立的二进制随机信源, 其信道为高斯信道, 并且具有相同的0、1分布, 从信源到目的节点两个信道状态也相同, 同时从信源到中继节点的两个信道状态相同。因此, 如下为对中继节点R采用卷积编码对信息进行编码:1) 根据相关中继节点要求对信源信息进行译码, 此过程中采用BCJR算法, 然后得到其LLR;2) 为了达到减少节点D接收到的3个不同信息之间的依赖性的目的, 可以采用对信源S2码字的LLR信息进行交织操作, 最后得出信息的LLR值。
1.2 异或运算
在采用异或运算时, 通过中继节点与所收集到的数据进行对接, 再通过异或运算完成信息合并, 从而实现中继节点的数据压缩与增容效果, 在目前的网络编码技术应用中, 这种算法比较常见, 也是无线通信网络的最直接的一种形式。
2 系统模型
关于无线网络的动态网络编码协作通信机制系统模型的探讨, 必须充分考虑到一个由中继节点r和N个传输对s1-d1, …, s N-d N所组成的小单元无线网络, 其中, 在协作通信中必须依靠源节点si将数据Di传输给di。若果sj将Dj直接传输给dj时, di (i≠j) , 其通信效果良好, 整个通信网络终端能够可靠的听到Dj (i, j=1, …, N) 。对于相应的信道增益, si和r、si和di、以及r和di之间的无线信道参数, 都必须为频率非选择性衰落信道, αsir、αsidi和αrdi, 为零均值, 方差分别为1/βsir、1/βsidi和1/βrdi, 且互相独立的循环对称复高斯随机变量, 则αsidi2、αsir 2和αrdi 2分别服从参数为βsir、βsidi和βrdi的指数分布。对于各发送终端的发送功率同处在一个相工范围的, 加性信道噪声Z是方差为N0的复Gauss随机变量, 其中每个传输对之间尝试以R进行传输而不必考虑衰落的信噪比设为ρ, 也就是ρ=P/N0。
3 实现策略描述
在实现无线网络的动态网络编码协作通信过程中, 为了提高通信效率, 应该使用异域操作作为网络编码操作。多源节点同多目的节点相通信的动态网络编码协作通信机制在其运作中分为2个阶段, 共需N+1个时隙, 阶段包括动态网络编码暨转发阶段和直接传输阶段。其中, 在动态网络编码暨转发阶段, 也就是第N+1个时隙, 通过使中继节点r把从和r之间无线信道, 再将异或后数据同时转发给相关目的节点信息异;而对于直接传输阶段, 各源节点si按次序直接传输Di到di, 也就是前N个时隙。通过节点si至r之间瞬时信道进行分析, 从而在增益αsir确定si至r的无线信道状况是否良好, 该值如果低于某阈值, 则数据编码器不会将si发送译码到r, 否则会将从si收到的数据编码。此外, 对于拥有良好源节点至中继节点信道的传输对si-di, 因为r总是根据瞬时信道状态状况动态确定的, 通过根据所接收到的哪些数据进行网络编码然后再实现转发, 该机制也称为动态网络编码协作通信机制。
4 中断性能分析暨数值结果
如果设置I1, …, IQ, 为集合{1, …, N}的Q个子, 从而Q=2N, 假设, 若N=2, 则集合{1, 2}的4个子集分别为空集、{1}、{2}和{1, 2}。εq (q=1, …, Q) 代表事件——si (i∈Iq) 到r之间的无线信道足以支持无错数据传输而si (i Iq) 到r之间的无线信道不能支持无错传输。则传输对si-di的中断概率pi可写为:
上式中Ii (X;Y) εq为事件εq发生时si和di之间的条件互信息。
在这里由于N+1个时隙被分配给了N个传输对, 其互信息被N+1/N除。通过分析上面的式子可以得到如下结果:
其中:
布函数和随机变量的概率密度函数;如下图四为单传输对中断概率比较。从图中可以看出, 虽然中继节点对来自两个源节点的数据进行了相应的协作网络编码, 而其中的两个传输对却不互相影响中断性能, 能够正常工作。由此可见, 对其中断性能进行了理论分析, 该传输机制的传输对s1-d1保持了更低的中断概率, 有效避免了不必要的错误传播, 并拥有更好的源节点-中继节点信道, 在有效对抗衰落的同时, 还能够在频谱效率上引入更少性能损失, 从而动态网络编码协作通信机制要比固定网络编码协作通信机制的中断性能要好。分别是随机变量的累积分
摘要：随着通信技术的改革与发展, 人们对网线网络通信提出了更高的要求, 使之面临着新的挑战与机遇。从而使得动态网络编码协作通信机制逐步受到人们的关注, 该机制能够将节点转发和网络编码有机结合, 在较高频谱利用效率下对无线媒质的衰落实现有利对抗, 并继节点对从多个源节点接收到的信息做动态网络编码。本文主要是对用于无线网络的动态网络编码协作通信机制进行探讨分析, 并提出自己的相应观点。
关键词：无线网络,动态网络编码,协作通信机制,探讨
参考文献
[1]彭聪, 赵明, 姚彦.适用于无线网络的动态网络编码协作通信机制[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2008, (07) .[1]彭聪, 赵明, 姚彦.适用于无线网络的动态网络编码协作通信机制[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2008, (07) .
[2]李颖, 王静.网络编码在无线通信网络中的应用[J].中兴通讯技术, 2009, (01) .[2]李颖, 王静.网络编码在无线通信网络中的应用[J].中兴通讯技术, 2009, (01) .
编码机制 篇4
近年来, 网络编码逐渐成为研究热点。网络编码［1 －4］不仅能够提高网络的吞吐量, 而且还能降低协议设计的复杂性。与有线网络相比, 因其具有的广播特性和不依赖性, 无线网络更适合使用网络编码。
机会路由的概念首先是在文献[5]中提出的, 它与传统的主动路由完全不同。主动路由在数据包达到之前建立起相应的路由表, 而机会路由则是在收到数据包之后选择转发节点时建立相应的路由表。文献[6]中综合运用了网络编码和机会路由。 尽管无线网络发送的冗余数据得到了降低, 但相应的算法变得更为复杂, 同时也只适用于网络节点数目较少且节点位置几乎不变的情况。
文献[7]中提出了一种机会路由选择的转发策略———Expected Transmission Count ( ETX) 。ETX数值越小, 则传输数据包所需的转发时间就越少, 所消耗的能量就越少, 传输成功的概率也就越高。但ETX不适用于拓扑结构不断变化的网络。此外, ETX值并没有考虑链路负担、数据传输速率和节点能量的消耗。
提出了一种机会路由协议 ( ORoPNC) , 这一协议将部分网络编码引入到机会路由。同时, 设计了一种新的ETXoEC转发策略。在该协议下, 前向节点的选择基于当前链路状态以及节点的剩余能量。
1 部分网络编码
1. 1 部分网络编码思想
部分网络编码 ( PNC) 的思想是由Wang等提出的［8］。源节点仅仅广播原始数据, 不对这些数据进行编码。中间节点采用任意长度的编码方式, 目的是为了解决由数据等待而造成的网络延迟。目的节点对获得的数据进行高斯消元, 然后判断是否能够解码。如果能够进行解码, 则将解码后的数据发送至上一层; 如果不能进行解码, 则将数据压入等待队列。全网络编码的结构如图1 所示, 图1 解释了部分编码的基本思想, 以及全网络编码和部分网络编码对网络延迟的影响。
源节点S有4 个数据包要传输到目的节点D。 S对原始数据进行编码, 然后进行传输。中间节点收到数据后再进行编码, 最终将数据传递到目的节点D。假设数据包达到的时间间隔是t, 即数据包p'1、p'2、p'3和p'4达到节点D的时间分别为t、2t、3t和4t, 原始数据p1、p2、p3和p4只有在D收到全部数据包之后才能进行解码, 网络的平均延迟为 ( 4t* 4) /4 = 4t。
部分网络编码如图2 所示。源节点S向外广播数据包, 中间节点对收到的数据包进行任意长度的部分网络编码, 然后将数据传输出去。假设节点2 首先发送数据包3r1p1+ 3r2p2+ 3r3p3, 节点D在t时刻收到数据包, 但无法解码; 假设节点D在2t时刻从节点4 收到数据包r1p1+ r2p2+ r3p3+ r4p4, 这个数据包与上个数据包线性相关, 故可以解码出数据p4; 假设在3t时刻, 节点D从节点3 收到r5p3+ r6p4, 由于p4已知, 所以可以解出p3; 在最后时刻4t, 节点D从节点1 处收到r7p1+ r8p2+ r9p4, 这样可以解出p1和p2。这时平均网络延迟为 ( 2t +3t +2* 4t) /4 =3. 25t。
1. 2 节点转发
部分网络编码策略可以加快节点编码开始时间, 同时降低节点编码操作的消耗。原始数据被分成几块, 每个块包含k的数据包。部分采用网络编码的中间节点使用随机选择策略, 即节点从缓存中随机地选择若干个属于同一个块的数据包进行编码操作, 而不是选择全部或一定数量的数据包进行编码。在获得信道之后, 节点随机地产生一个整数M ( 1≤M≤存储的数据包个数) , 然后从缓存对列中随机地选取M个数据包进行编码和转发［9］。
由于中间节点采用了随机部分网络编码方式, 未被选取的数据块的系数可以认为是0, 而编码系数矩阵可以看作一个稀疏矩阵。稀疏矩阵的取逆相对较为简单, 解码率较高。如果接收节点的稀疏编码系数矩阵是满秩矩阵, 就可以完成解码过程。文献[10]给出了稀疏矩阵的详细描述。
2 基于部分网络编码的机会路由
网络编码与机会路由的结合能够有效地解决重复发送冗余数据的问题, 但是这方面的研究目前主要集中在全网络编码之上。假设需要编码的数据包的数目是N, 源节点对原始数据进行等长度的编码, 则目的节点只有在收到全部N个线性无关的数据包之后才能解码出原始数据。全网络编码增加了数据包的等待延迟, 而且有时数据包的到达是不平衡的, 这不利于数据的解码。将部分网络编码引入机会路由当中, 在考虑了成功转发传输数据的时间和节点的能量消耗后, 提出了一种新的转发协议ETXoEC ( Expected Transmission Count Based on En- ergy Consumption) 和基于部分网络编码的机会路由 ( ORoPNC) 。
2. 1 节点前向时间的计算
为了避免广播冗余, 离目的节点最近的接收节点应当用于转发传输数据包, 这样总的传输时间将会最少。中间节点不需要传输其收到的所有数据包, 只需要传输下游节点未收到的数据。转发时间应当足够长, 以保证至少一个下游节点收到数据包。
假设i和j是网络的2 个节点, i < j意味着i比j更靠近目的节点, 或者说i的ETX值小于j的ETX值。Ti是节点i所需的机会传输时间。节点j从上游节点处收到的总的数据包的数目为∑i ＞ jTi ( 1 - pij) , 如果j的所有下游节点没有收到这一数据包, 则节点j将此数据包前向传输。其他节点未收到此数据包的概率为∏k ＜ jpjk, 因此, 节点j的总传输机会为:
传输时间为:
Ci和Ti的计算基于实时的链路损失率, 因此, 为了使用当前链路状态保证数据的可靠性, pij需要进行周期性更新。
2. 2 ETXoEC转发候选集的选择策略
在设计转发候选集时, ETXoEC转发策略根据当前链路状态和节点剩余能量来选择转发节点。对于网络节点, 转发机会值 ( OP) 可以通过下面的公式计算得到:
式中, 是数据从源节点经过每个中间节点达到目的节点的平均时间; ER是每个节点的剩余能量; α 和 β 是链路状态和ER间的等效因子。可以看出: ETX越小, 剩余能量越大, 则OP值越大, 即当前节点转发数据包的优先级越高。在ExOR中, 若存在节点, 其距目的节点的距离比当前转发节点更近, 则由这些距离较近的节点参与数据转发。如果网络节点密集, 就会存在很多上述距离目的节点较近的节点, 但这些节点的有效能量很低。即使参与数据转发, 它们的贡献也很小。但是ETXoEC方式在考虑了当前链路状态后选择的网络节点有足够的能量对数据进行转发, 同时将没有足够能量进行数据转发的节点最小化。
3 性能分析
使用NS2 软件对ORoPNC协议进行仿真和性能分析。仿真分析了ETXoEC和ETX这2 种协议下的效果值K。仿真模型范围1 000 m* 1 000 m, 其中随机分布100 个节点。每个节点的初始能量、 传输能量和接收能量分别为10 J、3 × 10－ 4J和1. 5 × 10－ 4J。源节点数据比特率保持不变, 传输带宽250 KB/s。数据包大小为256 B, MAC层协议使用802. 11。
3. 1 不同k值下的延迟情况
实验分别比较了ORoPNC和基于全网络编码的机会路由 ( NCOR) 在使用ETXoEC作为转发策略时的K值, 其中 α 和 β 均为0. 5。平均网络延迟的比较结果如图3 所示。
当k < 10 时, ORoPNC的平均网络延迟小于NCOR。当k为5、6 或者7 时, 平均网络延迟下降约25% 。随着k的增大, 网络延迟的提升效果开始变得不明显, 甚至在k > 10 时, ORoPNC的延迟大于NCOR。这主要是因为NCOR采用了全网络编码, 所以只有当接收到k个线性独立的数据包后才能进行解码。部分网络编码在转发过程中随机选择数据包用于解码, 而且编码过程可能会重复进行。因此, 数据包之间的线性独立关系会被降低, 从而导致加大网络延迟。
3. 2 转发策略分析
ETXoEC转发策略综合考虑了链路状态和节点能量消耗。仿真分析了ETX和ETXoEC这2 种采用了网络编码的转发策略, 比较了2 种策略节点剩余能量的均方差和损失率。
3. 2. 1 节点剩余能量均方差
在仿真开始阶段, ETX和ETXoEC这2 种策略的节点剩余能量均方差几乎相同, 如图4 所示。仿真开始大约38 s以后, ExOR的节点剩余能量均方差大于ETXoEC转发策略, 几秒钟后, ExOR的节点剩余能量迅速下降到0。但是对于ETXoEC, 网络节点的生命周期得到增加, 因为节点能量消耗被考虑在内, 而且在传输可靠性得到确认后, 能量较低的节点被排除在外, 不用于数据转发。仿真结果表明, ETXoEC转发策略应用于ORoPNC之后, 可以较好地平衡网络节点能量消耗, 从而提升网络可靠性。
3. 2. 2 下降速率
由于充分考虑了链路可靠性, 同时ETX值的计算式基于路径测量的累积, 所以ETX和ETXoEC的下降速率都相对较低。但是, 从图5 中可以看出, ETXoEC的损失率要高于ETX, 这主要是因为ETX- oEC中加入了能量控制机制。在链路选择的过程中考虑了能量的消耗, 这也对传输的可靠性产生了一定的作用。
4 结束语
机会路由利用无线信道的广播特性, 可以极大地提升网络的吞吐量。在综合运用了网络编码和机会路由之后, 网络的整体性能能够得到很大改善。 但是, 传统的基于网络边编码的机会路由均采用了全网络编码的方式, 只有在收到k个数据包之后才能进行解码操作, 这无疑增加了数据包的等待延迟。 因此提出了部分网络编码算法ORoPNC, 来降低由于网络编码造成的延迟。
ORoPNC协议采用了部分网络编码的思想。源节点只广播数据包而不进行编码, 中间节点在收到若干个数据包后, 随机选择数据包进行编码, 再将数据包进行转发, 从而减少了等待延迟。ORoPNC协议使用的ETXoEC转发策略不仅考虑了当前链路的状态, 还有节点的能量消耗。在保证传输可靠性的前提下, 拥有更多剩余能量的节点被用来参与数据转发, 因此网络的整体可靠性得到提升。
摘要：网络编码能够提升无线网络传输性能, 网络中的节点若采用传统的全网络编码, 必须等待所有的数据包到达后才能进行解码, 而这将造成网络的延迟。通过将部分网络编码和机会路由相结合, 提出了一种新的路由协议 (ORoPNC) , 该协议可以降低网络编码延迟, 提高网络的稳定性。同时, 设计了一种新的转发策略——ETXoEC。在这一策略下, 转发节点的选取决定于当前链路状态和节点的剩余能量。仿真结果表明, 网络的延迟降低了25%左右, 能量消耗也得到了较好的平衡, 整个网络的稳定性得到进一步提高。
关键词：网络编码,机会路由,转发策略,稳定性
参考文献
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编码机制 篇5
1 Xist与X染色体的计数
二倍体卵细胞中存在一种计数机制用于感知X染色体的数量,当它的数量超过1条时,只有一条X染色体上的Xic区诱导Xist的转录表达进而使其失活;同时,另一条X染色体被保护起来。对Xic区遗传缺失研究表明,Xist的转录受Xic区的正调控和负调控,并且Xist RNA的稳定性也影响其量的积累[3]。
利用小鼠ES细胞基因敲除实验进一步研究Xic区中不同元件的功能,部分Xist的序列缺失不影响X染色体的计数,这表明对X染色体沉默有重要作用的Xist序列对染色体计数是非必需的;此外,Xist序列启动子区的缺失也不影响细胞的计数功能,表明Xist转录本身对计数是非必需的[4]。寻找卵细胞中的感受因子,以及如何介导Xist的转录表达,可能是X染色体计数机制研究的方向之一。
2 Xist与X染色体失活的选择
X染色体的数量确定以后,卵细胞即启动选择机制来决定哪条染色体失活。近年用高分辨率的FISH研究证实在X染色体失活的关键时刻,2条染色体紧密接触[5]。Nicodemi等用热力学原理发现X染色体紧密接触不久,蛋白栓的组成物质开始聚集在2条X染色体的Xic区周围,两团蛋白之间开始竞争;其中一个初具模型的蛋白栓勉强获胜并达到一个能级———能够将形成2个栓的所有物质聚集为一个蛋白栓;最终的蛋白栓关闭了其所在X染色体上的Xist基因,维持了这条染色体的活性,另一条X染色体失活[6]。
3 Xist与X染色体失活的起始
基于对X染色体的遗传学研究,鉴定出位于人Xq13上的一段区域对引发X失活是必要的,它因此被称为X失活中心(X inactivation center,Xic)。通过图位克隆发现人的Xist(X i-specific transcript)基因位于Xq13区带,并且只在失活的X染色体(Xi)上表达[7]。Xist基因的产物使非编码RNA,从Xic处转录并双向扩散至整个X染色体,导致异染色质化[8]。小鼠基因敲除实验证明Xist是X染色体失活必须的,从而确定了Xist作为关键调控基因的地位[9]。
对实验小鼠进行的研究揭示了Xist基因表达以发育调控的方式进行。在胞内细胞群(ICM)2条X染色体均能以低水平表达Xist,但它们仅能在转录位点积累。X失活的起始早于囊胚期,约在胚胎发育的第5天左右,这时,2个Xis等位基因的表达也出现了差别,1个位点的Xist RNA出现了高表达并且与失活X染色体顺式相连,另一个位点的Xis基因表达量仍保持低水平,带有这个位点的X染色体就成为活性X染色体[3]。即在胚胎细胞分化过程中,雌性卵细胞经历了一个低水平双等位Xist基因表达→分化双等位Xis基因表达→高水平单等位Xist基因表达的过程。
4 Xist与X染色体失活的维持
卵细胞中覆盖于失活X染色体上的Xist RNA外观呈簇集颗粒状,其功能不受DNase与RNase H的影响,这表明Xist RNA并未与DNA接触。Xist RNA可能是通过使失活X染色体在S相复制起作用的,这同时导致在较晚复制的染色体上异染色质的形成[10]。Xist RNA也可能在失活X染色体的组蛋白乙酰化调节中起作用,它可以阻碍组蛋白乙酰化转移酶的作用或召集组蛋白去乙酰化酶[11]。XIST并不足以维持体细胞杂交体中X染色体的失活,同时,XIST也不是X失活的维持所必需的,在X失活的维持中起主要作用的是DNA的甲基化[12]。
对X染色体失活机制的研究将有助于增加我们对基因表达调控机理的理解,Xist介导的X染色体失活作为表观遗传研究的一个典范,Xist发挥功能的基本过程已经阐明,进一步揭示相关分子参与Xist作用的细节是接下来研究的主要方向。
摘要：非编码RNA Xist介导的X染色体失活是表观遗传研究的一个典范,该系统能使一整条染色体变为异染状态。从Xist与X染色体计数、失活的选择、失活的起始和失活的维持等方面综述了其分子机制。
关键词：表观遗传,非编码RNA Xist,X染色体,失活,分子机制
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刍议信源编码、信道编码 篇6
实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统, 一个通信系统最基本的部分是信源、信道、新宿, 信息在传递的过程中必然会遇到外界或自身的干扰, 怎样把这些干扰去除掉或者减小, 这就需要我们对信号进行处理。在输入端我们对信源进行处理, 即信源编码, 在传输的过程中, 对信道中的信息进行处理, 即信道编码。可靠性和有效性是衡量通信系统的有效的性能指标, 而这两种性能往往是相互矛盾和相互制约的, 因此必须尽量选择合理的信源编解码和信道编解码方法, 以同时满足系统这两方面的要求。下面我们对信源编码和信道编码进行分析。
2 信源编码
信源编码是指将信号源中的多余部分也即冗余部分的信息去除掉, 从而形成一个适合传输的信号的过程, 信源编码主要包括压缩编码和模拟信号的数字化, 其目的是提高系统传输的有效性。
2.1 压缩编码
压缩编码可以用硬件也可以用软件的方法实现, 软件实现方法就是将压缩算法用软件的形式实现, 软件方法成本低, 使用灵活, 可以随时修改, 但处理速度较慢, 不易保证处理的实时性;采用硬件实现就是将压缩算法固化到专门的芯片上, 这种方法处理速度慢, 不易修改调整, 便于实时处理。
2.2 模拟信号数字化
将模拟信号转化成数字信号的方法有多种:脉冲编码调制PCM、增量调制△M、线性预测编码LPC、自适应脉码增量调制编码ADPCM等。这几种方法的主要依据便是抽样定理:抽样、量化、编码。
3 信道编码
信道编码是指为了减小衰落和抑制信道噪声对信号的干扰, 给信号编码增加冗余的纠、检错码, 或者是把信号编码进行重新排列的过程。信道编码主要包括差错控制编码和交织技术, 其目的是保证系统传输的可靠性。
3.1 差错控制编码
在实际信道传输数字信号的过程中, 引起传输差错的根本原因在于信道内存在的噪声以及信道传输特性不理想所造成的码间串扰。为了提高传输系统的可靠性, 就需要采用差错控制编码, 对已经出现的差错进行控制修正。差错控制编码是在信息序列上附加一些监督码元, 利用这些冗余的监督码元, 使原来不规律的或规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信号, 差错控制译码利用这些规律性来鉴别传输过程中发生的错误, 以便纠正错误。
3.2 差错控制编码的分类
按照信道编码的功能, 差错控制编码分为纠错码和检错码;按照信息码元和监督码元的检验关系, 将差错控制编码分为线性码和非线性码;按照信息码元和监督码元的监督关系, 将差错控制编码分为分组码和卷积码等。
3.3 差错控制方式
差错控制方式常用到的有三种:前向纠错FEC、检错重发ARQ、混合纠错HEC。下面将对这三种差错控制方式进行介绍。
3.3.1 前向纠错
采用前向纠错时, 在发射端经过信源编码的信息在进入信道后经信道编码, 使其发出的码字具有一定的检纠错能力, 到达接收端进行译码时, 不仅会发现传输中的错误, 还可以将这些错误进行纠正。纠错能力是通过增加冗余码元来实现的, 因此它降低了系统传输的效率;还有在接收端是对接收的码元进行了检错和纠错, 但纠正的码字是否正确就不好把握了。但是, 这种差错控制方式不用反馈, 其实时性较好, 因此这种方式用在单工信道中, 比如以前我们使用的无线电寻呼系统中。
3.3.2 检错重发
检查重发时, 在发射端经过信源编码的信息在进入信道后经信道编码, 使其具有一定的检错能力, 但无纠错能力, 接收端在收到这些码字后进行译码, 在译码的过程中它发现错误但不能对错误进行纠正, 它会通过反馈信息把这一判断结果反馈给发送端, 发送端收到反馈信息, 就会对刚才发射的信息进行重发, 直至接收端认为接收的码字已经正确。这种差错控制方式不能工作于单工通道, 而且控制系统比较复杂, 不适合大干扰的信道, 因为在大干扰信道, 有可能整个系统处于反馈和重发循环当中, 这就降低了系统的效率, 但这种编码需要的冗余码少, 有一定的自适应能力, 且复杂性比前向纠错要低很多。
3.3.3 混合纠错
混合纠错方式是对前向纠错和检错重发方式的结合, 在这种方式中, 在发射端经过信源编码的信息进入信道中, 经过一系列的信道编码, 这些码字具有一定的检错和纠错能力, 到达接收端译码时, 系统先检查错误, 如果有错误便对错误进行纠正, 如果检查出的错误超出了系统的纠错能力, 系统可以通过反馈信息要求发送端进行重发。这种控制方式实时性和译码复杂性是前线纠错和检错重发的折中。
4 交织技术
差错控制编码只能检查和纠正随机比特的错误或连续有限个比特的错误, 当产生的错误为非随机性或者发生连串的错误时, 就必须在差错控制编码的基础上加上交织技术。
交织技术的基本原理是将已经编码的信号比特按一定规律进行重排, 这样, 即使在传输过程中发生了连串的错误, 经过重排将这些错误分散化, 再利用信道解码的纠错功能纠正错误, 最终恢复出原始信号。
下面我们结合实例, 来分析交织技术:
假设我们要传递这样的一则消息:we will hold a meeting this evening.如果不进行交织技术, 在强干扰信道中发生连串的错误, 到达接收端我们便没有办法对信息进行恢复, 但如果我们将这段包括空格在内的36个字符进行重排, 分成六组, 取出六组中的第一个字符, 共六个字符, 将这六个字符结合在一起形成一个新的组合, 编号为1, 用同样的方法依次取出六组中的第二个、第三个、第四个、第五个、第六个字符, 并编号为2、3、4、5、6, 最后, 我们把新组合按顺序重新排列起来, 进行发送, 这样就把连串的错误分散到不同的分组, 在接收端进行去交织, 便可恢复原始信息。将传输错误率降低。
5 结束语
信源编码主要利用信源的统计特性, 解决信源的相关性, 去掉信源冗余信息, 从而达到压缩信源输出的信息率, 提高系统的有效性;信道编码为了保证通信系统的传输可靠性, 克服信道中的噪声和干扰的, 信道编码的目的是试图以最少的监督码元为代价, 以换取最大程度的可靠性的提高。要想有良好的通信质量必须兼顾有效性和可靠性。
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