網(wǎng)絡編碼技術(shù)在軍事物聯(lián)網(wǎng)中的吞吐量分析

吞吐量是一個反映網(wǎng)絡規(guī)模、網(wǎng)絡業(yè)務量和網(wǎng)絡性能的重要參數(shù)。軍事物聯(lián)網(wǎng)的目的是為了構(gòu)建一個軍用無處不在網(wǎng)，其網(wǎng)絡規(guī)模龐大，鏈接終端眾多,實時性要求高等特點都使得軍事物聯(lián)網(wǎng)必須有一個良好的吞吐量，進而能夠很好地實現(xiàn)軍事物聯(lián)網(wǎng)應用的“美好藍圖”。但是，當前網(wǎng)絡傳輸?shù)膸捰邢蕹蔀橹萍s軍事物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個瓶頸因素。因此,為了緩解吞吐量要求大和傳輸帶寬有限這一對矛盾體，如何提高網(wǎng)絡的信息傳輸吞吐量成為研究分析軍事物聯(lián)網(wǎng)應用的根本。

2000年，R.Ahiswede、蔡寧等人提出了一種新的網(wǎng)絡傳輸技術(shù)一網(wǎng)絡編碼,通過蝴蝶網(wǎng)絡的例子說明了傳統(tǒng)路由無法實現(xiàn)最高的傳輸效率，并證明了在單信源組播網(wǎng)絡中，使用網(wǎng)絡編碼可以達到信息傳輸?shù)淖畲罅鹘纭?

1  網(wǎng)絡編碼的基本原理

在研究網(wǎng)絡編碼的過程中，為了能夠給大家一個直觀的印象,能夠更深入地了解網(wǎng)絡編碼的概念，下面將通過著名的“蝶形網(wǎng)絡”進行分析。假定有一個（如圖1所示的）通信網(wǎng)絡，這是一個擁有單個信源和兩個接收節(jié)點的網(wǎng)絡，假設每條鏈路都無時延和無差錯,且信道容量為1,即單位時間內(nèi)可以傳輸一個單位信息量（例如一個比特）。S是信源節(jié)點，Y和Z是信宿節(jié)點，T、U、W、X是中間節(jié)點。源節(jié)點S要同時向兩個信宿節(jié)點Y和Z發(fā)送組播信息。根據(jù)圖論的“最大流最小割”定理，該多播的最大理論傳輸容量為2,即理論上信宿Y和Z能夠同時收到信源S發(fā)出的2個單位的信息，也就是說能同時收到b₁和b₂。

如果是傳統(tǒng)的信息傳輸方式，如圖1（a）所示，鏈路ST—TY和ST—TW—WX—XZ傳送4,鏈路SU—UZ和SU—UW—WX—XY傳送4,信道容量為1的要求約束了鏈路WX,使得鏈路WX無法同時傳輸?shù)蚥和&傳輸?shù)焦?jié)點W時，若WX傳

輸缶，則&₂需要等待bl傳輸完畢才能傳輸,所以在單位時間內(nèi)，信宿Y獲得兩個島，信宿Z獲得缶和4,則該方式不能夠?qū)崿F(xiàn)最大傳輸容量。

如果應用網(wǎng)絡編碼的思想,則如圖1（b）所示，令節(jié)點W為編碼節(jié)點，S和b₂傳輸?shù)焦?jié)點W時,W對接收到的4和缶進行編碼，壓縮傳輸信息流，從而使得鏈路ST—TY和SU—UZ分別給信宿Y和Z傳輸S和缶，鏈路WX—XY和WX—XZ給信宿Y和Z傳輸S十缶。Y收到但和b.©b₂后，通過譯碼操作4（4十么）就能解出缶，因此，信宿Y同時收到了61和4。同理，信宿Z也同時收到4（通過譯碼操作©$2））和缶，由此，基于網(wǎng)絡編碼思想的傳輸方式能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的最大傳輸容量。

2  軍事物聯(lián)網(wǎng)簡介

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的不斷升溫，許多軍事專家稱物聯(lián)網(wǎng)是“一個未探明儲量的金礦”，正在孕育軍事變革深入發(fā)展的新契機。并一致認為，在單系統(tǒng)武器裝備物理性能發(fā)展接近極限的今天,物聯(lián)網(wǎng)在軍事上的應用必將能夠在信息化條件下作戰(zhàn)大放異彩。

目前，軍事物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個嚴格的定義。簡單來說，軍事物聯(lián)網(wǎng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在軍事上的應用。筆者理解的軍事物聯(lián)網(wǎng)是一個以現(xiàn)有軍用網(wǎng)絡為基礎，將其末端延伸到具體武器裝備，實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境以及實時后勤保障，實現(xiàn)物物相連的智能化網(wǎng)絡。它能夠使戰(zhàn)場感知精確化、武器裝備智能化、綜合保障靈敏化，提升信息化條件下作戰(zhàn)打擊的精確度和自動化程度。

軍事物聯(lián)網(wǎng)為未來信息化戰(zhàn)爭描繪了這樣一幅“美好藍圖”:通過構(gòu)建無處不在的網(wǎng)絡，使得任意作戰(zhàn)節(jié)點要素能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡，后勤保障單位能夠及時有效的掌握各節(jié)點要素的彈藥、物資等儲備情況，通過點對點、點對散兵坑的供給模式來實施精確保障;作戰(zhàn)指揮單位能夠隨時獲得當前準確的戰(zhàn)場態(tài)勢,通過分析評估，進而對所屬部隊實施精確的指揮和控制，從而實現(xiàn)積極有效的進攻和防御；一些智能化武器裝備能夠通過指揮部傳輸?shù)闹噶顓?shù),實施有效地打擊，并通過獲得打擊目標的損毀信息，決定是否有必要進行二次打擊……

由軍事物聯(lián)網(wǎng)的“互連”特性可知,其信息獲取終端節(jié)點分布廣，數(shù)量多，移動性較強，包括戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測傳感器、高速移動的武器裝備以及帶有生命體征感應的單兵系統(tǒng)等等。這些節(jié)點要素的信息傳輸有的需要通過有線網(wǎng)絡,有的則需要通過無線網(wǎng)絡。相對無線網(wǎng)絡而言，有線網(wǎng)絡擁有良好的傳輸介質(zhì)（光纖、電纜等），能夠較好地滿足其信息傳輸要求。而無線網(wǎng)絡的傳輸不穩(wěn)定和帶寬較小，容易造成其網(wǎng)絡信息傳輸阻塞,嚴重影響軍事物聯(lián)網(wǎng)特性的發(fā)揮?？梢?無線網(wǎng)絡在吞吐量方面的形勢較有線網(wǎng)絡更為嚴峻和緊迫。因此,下面將具體分析無線網(wǎng)絡的信息傳輸情況，試圖通過網(wǎng)絡編碼技術(shù)來提高其網(wǎng)絡傳輸?shù)耐掏铝俊?

3  兩節(jié)點信息傳輸模型

為了便于分析理解,首先考慮一個簡單的軍事網(wǎng)絡模型，圖2所示是兩輛無線節(jié)點車通過AP進行信息交換的原理示意圖。

圖2兩輛無線節(jié)點車通過AP進行信息交換假設無線網(wǎng)絡中的兩個節(jié)點車A和B要通過中心AP（訪問接入點）交換信息,其無線信道能夠提供的傳輸速率為1b/單位時間。若A要將1b信息們傳給節(jié)點B且節(jié)點B要將1b信息缶傳給A,需經(jīng)過（見圖3（a））：①節(jié)點A將3發(fā)送給AP；②節(jié)點B將缶發(fā)送給AP；③AP將"發(fā)送給節(jié)點B；④AP將b₂發(fā)送給節(jié)點A。這四個過程一共需要四個單位時間。而假如引入網(wǎng)絡編碼,AP可以將3和缶的異或結(jié)果直接同時發(fā)給節(jié)點A和B,A、B通過這個結(jié)果和自己剛發(fā)出去的比特信息可以解得對方想傳給自己的比特信息，從而使整個信息交換過程在三個單位時間就完成了。圖3所示是無線網(wǎng)絡中的兩個節(jié)點進行信息交換的過程圖

由以上兩種信息傳輸過程可以知道，傳統(tǒng)的方法可在四個單位時間內(nèi)傳輸2b信息，即0.5b信息/單位時間;而利用網(wǎng)絡編碼的方法則可在三個單位時間內(nèi)傳輸2b信息，即0.67b信息/單位時間。由此可見，利用網(wǎng)絡編碼的思想能夠使信息傳輸吞吐量提高33.3%。

2006年，香港中文大學的S.Zhang等人提出了物理層網(wǎng)絡編碼(PNC)*。PNC是一種處理電磁波信號接收和調(diào)制的物理層網(wǎng)絡編碼。通過中繼節(jié)點處一種恰當?shù)恼{(diào)制解調(diào)技術(shù)，電磁波的疊加能夠映射到數(shù)據(jù)流疊加的高斯域中，使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡中會引起的信號干擾變成了網(wǎng)絡編碼中算法操作的一部分。

圖4所示是中繼節(jié)點物理層網(wǎng)絡編碼和復數(shù)域網(wǎng)絡編碼原理示意圖。本系統(tǒng)若采用簡單的AM調(diào)制,那么：

(1) A和B同時向AP發(fā)送信號分別為(t)=aicos(cdt)和x₂(t)=%cos(ajt);

(2) AP收到電磁波在“空中”經(jīng)過疊加得到的混合基帶信號為夕(I)=Xi(t)+x₂(t)=(ai+a₂)cos(ait)，并同時向A和B發(fā)送信號y(i)。

節(jié)點A和B即可通過收到的信號與自身發(fā)送的信號解得對方想發(fā)送的信號，表1所列是PNC映射列表。由表1可以知道，該信息傳輸只花費了兩個單位時間，即1b信息/單位時間，其信息傳輸吞吐量較傳統(tǒng)的方法提高了100%。

另外，文獻提出了一種更為通用的復數(shù)域網(wǎng)絡編碼(CFNC),同樣是在物理層進行符號級的運算。CFNC比GFNCC實數(shù)域網(wǎng)絡編碼)和現(xiàn)有中繼方案能達到更高容量，更適合在無線通信中應用。

系統(tǒng)若采用CFNC,則方式如下：

(1) A和B同時向AP發(fā)送信號分別為&們和ft&2(ft,ft屬于復數(shù)域C)；

(2) AP收到U=0,6, 再同時將U轉(zhuǎn)發(fā)給

A和B。

在恰當?shù)娜≈迪履軌驅(qū)崿F(xiàn)(缶，4)和。=SS+但饑的一一映射,AP可以僅僅通過U而完全確定(4,4)。也是兩個單位時間完成了該信息傳輸，即1b信息/單位時間，其信息傳輸吞吐量較傳統(tǒng)的方法提高了100%。

CFNC與GFNC主要的區(qū)別在于,CFNC能實現(xiàn)復數(shù)符號序列和其他復合符號的一一映射。例如當biNbe時，仇+化質(zhì)夭伍但+&S,而在GFNC中bi®b，=b₂©。因此GFNC無法達到CFNC這樣高的吞吐量。

為了便于直觀地理解分析,下面對以上四種傳輸方法進行仿真。通過傳輸信息量隨傳輸時間的變化曲線可以看出，CFNC方法和PNC方法的吞吐量差不多，且都好于GFNC方法的吞吐量,GFNC方法的吞吐量又好于傳統(tǒng)方法的吞吐量。圖5所示是兩節(jié)點信息進行交換時四種方法的吞吐量分析與比較曲線。

通過對前面兩節(jié)點信息傳輸模型的詳細分析，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點A和節(jié)點B并不一定必須是產(chǎn)生4和3的真實端節(jié)點。因此，可以將前面的兩節(jié)點信息傳輸模型擴展到軍事物聯(lián)網(wǎng)中PRNET網(wǎng)絡拓撲的各簇中去,簇中每個節(jié)點都可以起到路由設備作用，只要存在6：需要從節(jié)點A被路由到節(jié)點B,且b₂需要從節(jié)點B被路由到節(jié)點A的情況，節(jié)點A和節(jié)點B之間便存在一個信息交換過程(見圖6)。在圖6所示的網(wǎng)絡中，A和B是兩個無線路由設備，它們都需要把一些分組路由到對方去。在這種情況下，可以把A和B看作是兩點之間信息交換過程中的兩個邏輯端點，然后按照圖6所示方法進行處理。

4  多節(jié)點信息傳輸模型

在分析兩節(jié)點信息傳輸模型的基礎上，下面接著討論多節(jié)點信息傳輸?shù)那闆r，并將其擴展到更為一般的多對多系統(tǒng)模型。

圖7中的(2,1,1)無線中繼網(wǎng)絡簡單地描述了傳統(tǒng)中繼、GFNC中繼、CFNC中繼方案。網(wǎng)絡中每個節(jié)點單天線，兩個信源Si和S₂通過中繼R向目的節(jié)點D發(fā)送信息。

在圖7(a)中，傳統(tǒng)中繼方案為了避免Sj、S的相互干擾常采用時分多址。它用4個時隙完成了每信源一個符號的發(fā)送，吞吐量是l/4Sym/S/TS_o圖7(b)是GFNC中繼方案。通過R檢測到b,和么，在第三個時隙時,R在實數(shù)域上將6,十&₂傳給D。它的吞吐量可以達到l/3Sym/S/TS,D可以通過加©(61©&2)和b₂©(bi©62)分別得到62和S的副本。圖7(c)中的CFNC中繼方案能夠進一步提高吞吐量。在第一個時隙中，體、佛同時分別發(fā)送信號和QQ,Q屬于復數(shù)域C),R、D接收到U=SS+以。第二個時隙中，R發(fā)射U=&₁b_l+d₂b₂給D實現(xiàn)滿分集增益。CFNC進一步將吞吐量提高到1/2Sym/S/TS_o

為了便于直觀地理解和分析，下面對圖7中的三種中繼方法進行仿真。通過圖8所示的傳輸信息量隨傳輸時間的變化曲線可以看出，CFNC中繼方法好于GFNC中繼方法的吞吐量,GFNC中繼方法的吞吐量又好于傳統(tǒng)中繼方法的吞吐量。

另外,還可以將網(wǎng)絡編碼擴展到更為一般的多對一和多對多系統(tǒng)模型，其模型圖如圖9所示。

5  結(jié)語

本文簡要介紹了網(wǎng)絡編碼的基本原理，詮釋了軍事物聯(lián)網(wǎng)的定義，描繪了軍事物聯(lián)網(wǎng)的“美好藍圖”,并對軍事物聯(lián)網(wǎng)中的兩節(jié)點信息傳輸模型和多節(jié)點信息傳輸模型中的吞吐量進行了詳細的分析與仿真。仿真結(jié)果表明，網(wǎng)絡編碼可以較大提高軍事物聯(lián)網(wǎng)的傳輸吞吐量。

網(wǎng)絡編碼技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年來飛速發(fā)展的一個研究課題。雖然其具體應用還比較少,但是通過大量的理論研究分析，網(wǎng)絡編碼和物聯(lián)網(wǎng)的各方面優(yōu)勢都得到了人們的認同。相信在不久的將來，網(wǎng)絡編碼技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合應用會越來越多，最終給人們的生活帶來便利。