網(wǎng)絡(luò)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(gè)反映網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量和網(wǎng)絡(luò)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(gè)軍用無(wú)處不在網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，鏈接終端眾多,實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)都使得軍事物聯(lián)網(wǎng)必須有一個(gè)良好的吞吐量，進(jìn)而能夠很好地實(shí)現(xiàn)軍事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的“美好藍(lán)圖”。但是，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捰邢蕹蔀橹萍s軍事物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)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(duì)矛盾體，如何提高網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸吞吐量成為研究分析軍事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的根本。

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

1  網(wǎng)絡(luò)編碼的基本原理

在研究網(wǎng)絡(luò)編碼的過程中，為了能夠給大家一個(gè)直觀的印象,能夠更深入地了解網(wǎng)絡(luò)編碼的概念，下面將通過著名的“蝶形網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行分析。假定有一個(gè)（如圖1所示的）通信網(wǎng)絡(luò)，這是一個(gè)擁有單個(gè)信源和兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)每條鏈路都無(wú)時(shí)延和無(wú)差錯(cuò),且信道容量為1,即單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸一個(gè)單位信息量（例如一個(gè)比特）。S是信源節(jié)點(diǎn)，Y和Z是信宿節(jié)點(diǎn)，T、U、W、X是中間節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)S要同時(shí)向兩個(gè)信宿節(jié)點(diǎn)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(shí)收到信源S發(fā)出的2個(gè)單位的信息，也就是說能同時(shí)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(wú)法同時(shí)傳輸?shù)蚥和&傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)W時(shí)，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(shí)間內(nèi)，信宿Y獲得兩個(gè)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(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的思想,則如圖1（b）所示，令節(jié)點(diǎn)W為編碼節(jié)點(diǎn)，S和b₂傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)W時(shí),W對(duì)接收到的4和缶進(jìn)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(shí)收到了61和4。同理，信宿Z也同時(shí)收到4（通過譯碼操作©$2））和缶，由此，基于網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)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(gè)未探明儲(chǔ)量的金礦”，正在孕育軍事變革深入發(fā)展的新契機(jī)。并一致認(rèn)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(yīng)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(gè)嚴(yán)格的定義。簡(jiǎn)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(yīng)用。筆者理解的軍事物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以現(xiàn)有軍用網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將其末端延伸到具體武器裝備，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及實(shí)時(shí)后勤保障，實(shí)現(xiàn)物物相連的智能化網(wǎng)絡(luò)。它能夠使戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)化程度。

軍事物聯(lián)網(wǎng)為未來信息化戰(zhàn)爭(zhēng)描繪了這樣一幅“美好藍(lán)圖”:通過構(gòu)建無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)，使得任意作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)要素能夠隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)，后勤保障單位能夠及時(shí)有效的掌握各節(jié)點(diǎn)要素的彈藥、物資等儲(chǔ)備情況，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)散兵坑的供給模式來實(shí)施精確保障;作戰(zhàn)指揮單位能夠隨時(shí)獲得當(dāng)前準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),通過分析評(píng)估，進(jìn)而對(duì)所屬部隊(duì)實(shí)施精確的指揮和控制，從而實(shí)現(xiàn)積極有效的進(jìn)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(shí)施有效地打擊，并通過獲得打擊目標(biāo)的損毀信息，決定是否有必要進(jìn)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(diǎn)分布廣，數(shù)量多，移動(dòng)性較強(qiáng)，包括戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、高速移動(dòng)的武器裝備以及帶有生命體征感應(yīng)的單兵系統(tǒng)等等。這些節(jié)點(diǎn)要素的信息傳輸有的需要通過有線網(wǎng)絡(luò),有的則需要通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)而言，有線網(wǎng)絡(luò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸不穩(wěn)定和帶寬較小，容易造成其網(wǎng)絡(luò)信息傳輸阻塞,嚴(yán)重影響軍事物聯(lián)網(wǎng)特性的發(fā)揮?？梢?無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在吞吐量方面的形勢(shì)較有線網(wǎng)絡(luò)更為嚴(yán)峻和緊迫。因此,下面將具體分析無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸情況，試圖通過網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來提高其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝俊?

3  兩節(jié)點(diǎn)信息傳輸模型

為了便于分析理解,首先考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的軍事網(wǎng)絡(luò)模型，圖2所示是兩輛無(wú)線節(jié)點(diǎn)車通過AP進(jìn)行信息交換的原理示意圖。

圖2兩輛無(wú)線節(jié)點(diǎn)車通過AP進(jìn)行信息交換假設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)車A和B要通過中心AP（訪問接入點(diǎn)）交換信息,其無(wú)線信道能夠提供的傳輸速率為1b/單位時(shí)間。若A要將1b信息們傳給節(jié)點(diǎn)B且節(jié)點(diǎn)B要將1b信息缶傳給A,需經(jīng)過（見圖3（a））：①節(jié)點(diǎn)A將3發(fā)送給AP；②節(jié)點(diǎn)B將缶發(fā)送給AP；③AP將"發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B；④AP將b₂發(fā)送給節(jié)點(diǎn)A。這四個(gè)過程一共需要四個(gè)單位時(shí)間。而假如引入網(wǎng)絡(luò)編碼,AP可以將3和缶的異或結(jié)果直接同時(shí)發(fā)給節(jié)點(diǎn)A和B,A、B通過這個(gè)結(jié)果和自己剛發(fā)出去的比特信息可以解得對(duì)方想傳給自己的比特信息，從而使整個(gè)信息交換過程在三個(gè)單位時(shí)間就完成了。圖3所示是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(gè)單位時(shí)間內(nèi)傳輸2b信息，即0.5b信息/單位時(shí)間;而利用網(wǎng)絡(luò)編碼的方法則可在三個(gè)單位時(shí)間內(nèi)傳輸2b信息，即0.67b信息/單位時(shí)間。由此可見，利用網(wǎng)絡(luò)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(xué)的S.Zhang等人提出了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(PNC)*。PNC是一種處理電磁波信號(hào)接收和調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。通過中繼節(jié)點(diǎn)處一種恰當(dāng)?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(luò)中會(huì)引起的信號(hào)干擾變成了網(wǎng)絡(luò)編碼中算法操作的一部分。

圖4所示是中繼節(jié)點(diǎn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼和復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼原理示意圖。本系統(tǒng)若采用簡(jiǎn)單的AM調(diào)制,那么：

(1) A和B同時(shí)向AP發(fā)送信號(hào)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(hào)為夕(I)=Xi(t)+x₂(t)=(ai+a₂)cos(ait)，并同時(shí)向A和B發(fā)送信號(hào)y(i)。

節(jié)點(diǎn)A和B即可通過收到的信號(hào)與自身發(fā)送的信號(hào)解得對(duì)方想發(fā)送的信號(hào)，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(fèi)了兩個(gè)單位時(shí)間，即1b信息/單位時(shí)間，其信息傳輸吞吐量較傳統(tǒng)的方法提高了100%。

另外，文獻(xiàn)提出了一種更為通用的復(fù)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼(CFNC),同樣是在物理層進(jìn)行符號(hào)級(jí)的運(yùn)算。CFNC比GFNCC實(shí)數(shù)域網(wǎng)絡(luò)編碼)和現(xiàn)有中繼方案能達(dá)到更高容量，更適合在無(wú)線通信中應(yīng)用。

系統(tǒng)若采用CFNC,則方式如下：

(1) A和B同時(shí)向AP發(fā)送信號(hào)分別為&們和ft&2(ft,ft屬于復(fù)數(shù)域C)；

(2) AP收到U=0,6, 再同時(shí)將U轉(zhuǎn)發(fā)給

A和B。

在恰當(dāng)?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(gè)單位時(shí)間完成了該信息傳輸，即1b信息/單位時(shí)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(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)符號(hào)序列和其他復(fù)合符號(hào)的一一映射。例如當(dāng)biNbe時(shí)，仇+化質(zhì)夭伍但+&S,而在GFNC中bi®b，=b₂©。因此GFNC無(wú)法達(dá)到CFNC這樣高的吞吐量。

為了便于直觀地理解分析,下面對(duì)以上四種傳輸方法進(jìn)行仿真。通過傳輸信息量隨傳輸時(shí)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(diǎn)信息進(jìn)行交換時(shí)四種方法的吞吐量分析與比較曲線。

通過對(duì)前面兩節(jié)點(diǎn)信息傳輸模型的詳細(xì)分析，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B并不一定必須是產(chǎn)生4和3的真實(shí)端節(jié)點(diǎn)。因此，可以將前面的兩節(jié)點(diǎn)信息傳輸模型擴(kuò)展到軍事物聯(lián)網(wǎng)中PRNET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母鞔刂腥?/span>,簇中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以起到路由設(shè)備作用，只要存在6：需要從節(jié)點(diǎn)A被路由到節(jié)點(diǎn)B,且b₂需要從節(jié)點(diǎn)B被路由到節(jié)點(diǎn)A的情況，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間便存在一個(gè)信息交換過程(見圖6)。在圖6所示的網(wǎng)絡(luò)中，A和B是兩個(gè)無(wú)線路由設(shè)備，它們都需要把一些分組路由到對(duì)方去。在這種情況下，可以把A和B看作是兩點(diǎn)之間信息交換過程中的兩個(gè)邏輯端點(diǎn)，然后按照?qǐng)D6所示方法進(jìn)行處理。

4  多節(jié)點(diǎn)信息傳輸模型

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

圖7中的(2,1,1)無(wú)線中繼網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單地描述了傳統(tǒng)中繼、GFNC中繼、CFNC中繼方案。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)單天線，兩個(gè)信源Si和S₂通過中繼R向目的節(jié)點(diǎn)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(shí)分多址。它用4個(gè)時(shí)隙完成了每信源一個(gè)符號(hào)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(cè)到b,和么，在第三個(gè)時(shí)隙時(shí),R在實(shí)數(shù)域上將6,十&₂傳給D。它的吞吐量可以達(dá)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(jìn)一步提高吞吐量。在第一個(gè)時(shí)隙中，體、佛同時(shí)分別發(fā)送信號(hào)和QQ,Q屬于復(fù)數(shù)域C),R、D接收到U=SS+以。第二個(gè)時(shí)隙中，R發(fā)射U=&₁b_l+d₂b₂給D實(shí)現(xiàn)滿分集增益。CFNC進(jìn)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(duì)圖7中的三種中繼方法進(jìn)行仿真。通過圖8所示的傳輸信息量隨傳輸時(shí)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(luò)編碼擴(kuò)展到更為一般的多對(duì)一和多對(duì)多系統(tǒng)模型，其模型圖如圖9所示。

5  結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了網(wǎng)絡(luò)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(lán)圖”,并對(duì)軍事物聯(lián)網(wǎng)中的兩節(jié)點(diǎn)信息傳輸模型和多節(jié)點(diǎn)信息傳輸模型中的吞吐量進(jìn)行了詳細(xì)的分析與仿真。仿真結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)編碼可以較大提高軍事物聯(lián)網(wǎng)的傳輸吞吐量。

網(wǎng)絡(luò)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(gè)研究課題。雖然其具體應(yīng)用還比較少,但是通過大量的理論研究分析，網(wǎng)絡(luò)編碼和物聯(lián)網(wǎng)的各方面優(yōu)勢(shì)都得到了人們的認(rèn)同。相信在不久的將來，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用會(huì)越來越多，最終給人們的生活帶來便利。