電磁納米網節能編碼方法研究進展

黃龍軍,王萬良,姚信威,沈士根,潘小剛

(1.浙江工業大學計算機科學與技術學院,浙江杭州 310023;2.紹興文理學院計算機科學與工程系,浙江紹興 312000;3.嘉興學院數理與信息工程學院,浙江嘉興 314001)

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電磁納米網節能編碼方法研究進展

黃龍軍1,2,王萬良1,姚信威1,沈士根2,3,潘小剛1

(1.浙江工業大學計算機科學與技術學院,浙江杭州 310023;2.紹興文理學院計算機科學與工程系,浙江紹興 312000;3.嘉興學院數理與信息工程學院,浙江嘉興 314001)

電磁納米網是采用納米電磁通信方式的無線納米傳感器網絡,由大量可相互通信的納米傳感器構成.由于納米傳感器可存儲的能量極為有限,能量有效性成為電磁納米網中必須優先考慮的重要問題.在對采用太赫茲通信的無線納米傳感器網絡進行概述的基礎上,綜述電磁納米網通信能量相關的開關鍵控調制方法和節能低碼重信道編碼的研究現狀,探討電磁納米網節能編碼需要進一步研究的方向.目前,尚鮮見無線納米傳感器網絡的中文文獻,期望本文能促進國內對無線納米傳感器網絡的關注和研究.

無線納米傳感器網絡;太赫茲通信;低碼重編碼;能耗;開關鍵控

電子學報URL:http://www.ejournal.org.cn DOI:10.3969/j.issn.0372-2112.2016.08.035

1 引言

納米技術源于諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼在1959年所作的著名演講《在底部還有很大空間》(There’s Plenty of Room at the Bottom)[1,2].隨著納米技術的發展,基于石墨烯、碳納米管、石墨烯納米帶等納米材料,可以制造能夠完成感知、處理、數據存儲、執行等簡單任務的納米元件.納米傳感器[1～3]由若干的納米元件構成,尺寸僅為若干立方微米.納米傳感器可以通過相互之間的協作和信息共享在更大的距離范圍內分布式地完成更復雜的任務[4],從而構成無線納米傳感器網絡(Wireless NanoSensor Networks,WNSN).納米傳感器之間最主要的通信方式[3,4]有兩種,即分子通信和納米電磁通信;文獻[2]廣泛討論了以分子為信息載體的分子通信;文獻[3]詳細綜述的電磁納米網(ElectroMagnetic NanoNetworks,EMNN)是采用納米電磁通信方式的無線納米傳感器網絡.下文中,無線納米傳感器網絡專指電磁納米網,不區分地使用EMNN和WNSN.采用納米電磁通信時,納米傳感器節點發射與接收基于新型納米材料開發的納米器件所輻射的太赫茲(Terahertz,THz)頻段電磁波,其頻率范圍在0.1-10THz[3,5～7];因此,納米電磁通信也可以認為是WNSN中的太赫茲通信.

納米傳感器節點的能量儲存能力極其有限[8],而納米傳感器在通信、傳感、處理等各方面都會產生能耗,因此能量有效性是EMNN中必須優先考慮的問題.納米傳感器節點的能量主要消耗在通信方面,現有的EMNN編碼相關的文獻重點關注通信能耗,例如,文獻[9～11]討論通信能耗中的傳輸能耗的最小化.本文概述WNSN,綜述EMNN節能編碼方法的研究現狀,展望EMNN編碼能量有效性相關的研究方向,期望引起國內對WNSN的進一步關注,促進WNSN的理論研究及其在生物醫學、工業、環境和軍事等諸多領域的先進應用研究,例如先進健康監測系統、納米物聯網、災害防御系統和核生化防御系統等[12].

2 無線納米傳感器網絡概述

無線納米傳感器網絡中部署了大量可相互通信的納米傳感器節點.通過節點之間的通信,納米傳感器能夠以多跳的方式把信息傳輸到匯聚(Sink)節點[13].集成的納米傳感器[3]如圖1所示,包含傳感、處理、執行、存儲、能量、通信等單元,其中,通信單元包括納米天線和電磁納米收發器.納米天線寬度僅有數十納米,長度為幾微米,易于集成到納米傳感器中[13].基于碳納米管、石墨烯等材料的納米天線[14,15]及電磁納米收發器[16,17]等是實現WNSN太赫茲通信的基本要素.

根據文獻[3,4],WNSN的網絡架構包含納米節點、納米路由器、微納米接口設備和網關;例如,健康監測系統的WNSN網絡架構如圖2所示.其中,納米傳感器和納米執行器等納米節點能夠完成簡單的計算、存儲等任務.納米路由器比納米節點擁有更多的計算資源,既能對來自納米傳感器的信息進行匯總,又能通過交換簡單的命令控制納米節點的行為.微納米接口設備是一種混合設備[3],既可以使用納米通信技術實現納米規模的通信,如匯總來自納米路由器的信息,并在各設備之間進行信息傳輸,又可以使用常用的通信技術實現傳統的網絡通信.網關(如智能手機)連接WNSN和Internet,既可以轉發來自微納米接口設備的信息到Internet上,又使得用戶(如醫療服務提供者)能夠通過Internet對WNSN進行遠程控制[3,4].

當前,納米傳感器之間的通信問題依然尚未得到解決[13].其中,太赫茲頻率產生極高的路徑損耗[7]是實現太赫茲通信的主要挑戰之一,因此通信距離是太赫茲通信的一個主要約束因素[7].在納米傳感器之間實現通信的首個研究挑戰[3]是太赫茲頻段信道建模.文獻[1,18]詳細討論了WNSN的信道建模并給出了太赫茲信道路徑損耗的計算方法.文獻[3]綜述了納米規模太赫茲信道的路徑損耗(包括傳播損耗和分子吸收損耗)、分子噪聲、帶寬和信道容量、多徑傳播和納米粒子散射等特性.關于EMNN的信道容量,文獻[1]首次進行評估,文獻[19]給出了單用戶的可用信息率計算方法,文獻[13]進一步研究了多用戶的信息率.但實現有效、實用的EMNN仍然存在諸多挑戰;物理層研究方面的挑戰[7]包括調制方法、編碼方法、發送器/接收器復雜性均衡、物理層安全等;鏈路層研究方面的挑戰[7]包括介質訪問控制(Medium Access Control,MAC)機制、錯誤控制策略、數據包大小的設計等.

研究EMNN的物理層、鏈路層等各層解決方案可以使用基于NS-3(Network Simulator 3)平臺的Nano-Sim[20,21]、COMSOL[12]等仿真工具及HITRAN[22]分子吸收數據庫.

對于大量納米傳感器節點密集部署的EMNN,需要有新的MAC協議來控制信道的訪問及協調納米節點之間的并行傳輸.物理層感知MAC協議[23]是EMNN的首個MAC協議,該協議建立在基于脈沖的通信方案以及低碼重信道編碼方法的基礎之上.文獻[24]進一步討論EMNN中能量和頻譜感知的MAC協議.文獻[25]討論在Ad Hoc納米網絡中不需要采用任何MAC協議,而是通過控制最大節點密度來保證通信可靠性.

3 電磁納米網的調制與低碼重編碼方法

由于納米傳感器節點的尺寸及能量約束[19],傳統的基于傳輸連續信號的通信模式不適用于WNSN.在納米規模,通過石墨烯延時線和納米電容器的簡單組合[3]易于產生亞皮秒脈沖并有效輻射.傳輸超短脈沖(亞皮秒脈沖[3]、飛秒脈沖[13])是使用太赫茲頻段信道的有效方法[13,26].目前,EMNN一般采用基于開關鍵控調制(On-Off Keying,OOK)的調制方法[9～11,19,23].在無線通信中使用基于OOK的優化編碼方法是Erin等[27]最早提出的.使用基于OOK的調制及低碼重編碼[9～12,19]方法,可以降低傳輸能耗,從而節省通信能耗.

3.1 基于OOK的調制方法

考慮在EMNN中傳輸二進制信息序列,采用OOK調制方法時,納米傳感器節點通過發送一個超短脈沖表示傳輸高位“1”,而以靜默表示傳輸低位“0”.

TS-OOK(Time Spread On-Off Keying)是基于分時隙傳輸飛秒脈沖的開關鍵控調制,其實現方法[28]是:納米節點在傳輸高位“1”時發送一個飛秒脈沖,而在傳輸低位“0”時保持靜默;固定每個位(比特)的傳輸時間間隔Ts,并使其值遠遠大于發送一個脈沖的持續時間(脈沖寬度)Tp,即Ts?Tp,例如,Tp=100(fs),Ts/Tp=1000.圖3是TS-OOK示意圖,兩個納米發送器分別傳輸“1100”、“1001”,圖中每個小矩形表示一個飛秒脈沖,每個小圓點表示一次靜默.使用TS-OOK,若干納米節點可以共用同一個信道;在傳輸時間間隔內,接收節點可以保持空閑狀態,或者接收來自其他發送節點的信息,或者發送其本身的數據[19],從而實現簡單的多址訪問控制.但是,WNSN中納米節點附近有大量的鄰居節點,如果它們采取非合作行為,在任意時刻開始傳輸信號,則產生碰撞是不可避免的[19].文獻[19]建立了接收端的干擾統計模型用于定量評估碰撞對WNSN的影響.采用TS-OOK,收發端之間必須進行嚴格的時間同步[8,17],文獻[17]討論了包含時間同步模塊的接收器架構.

區分傳輸符號率的分時隙開關鍵控RD TS-OOK(Rate Division Time Spread On-Off Keying)[23]是改進的TS-OOK調制方法.RD TS-OOK在TS-OOK的基礎上要求對于不同的納米節點、不同類型的數據包傳輸時間間隔Ts和傳輸符號率β=Ts/Tp都不同.RD TS-OOK能夠避免災難性碰撞,使鄰居納米節點達到使用正交信道的效果.使用RD TS-OOK,減少了傳輸錯誤,在大多數情況下,低碼重信道編碼結合簡單重復碼就足以保證接收端正確地解碼所接收的信息[23].

3.2 節省傳輸能耗的低碼重編碼方法

一般而言,信源編碼通過減小編碼的冗余信息來提高符號的平均信息量;而信道編碼通過增加編碼的冗余信息來保證通信的可靠性.針對二進制信息序列,電磁納米網常用的編碼方法將較短的/源字(Sourceword)匹配為較長的碼字(Codeword),從而減少需要傳輸的高位“1”的數量.這種編碼方法增加了冗余比特,通常被稱為一種信道編碼.表1是長度為2的源字和長度為3的碼字匹配表,其中,碼字的碼重指的是碼字中“1”的數量.

表1 源字-碼字匹配表

納米傳感器節點的能量非常有限,節省能耗是EMNN編碼方法必須考慮的一個重要因素.目前,基于石墨烯的納米電子學能耗依然是未知數[23],已有文獻一般暫不考慮發送端電路等能耗[9],重點討論的是通信能耗中的傳輸能耗.目前,EMNN低碼重編碼方法通過減小碼字集合(碼本)的平均碼重(Average Codeword Weight,ACW),減少所要傳輸的高位數量,從而節省傳輸能耗.如表1所示,編碼前后的ACW分別為1和0.75.使用低碼重編碼時,通過合理選擇碼重[19]或者滿足碼距[10]約束條件等措施,可以保障通信的可靠性.

在考慮源字等概率出現的情況下,ACW用Wmin表示,按式(1)計算:

(1)

考慮源字非等概率出現的情況,最小化ACW需要把出現概率大的源字匹配為碼重小的碼字,若用pi表示匹配給第i個碼字的源字的出現概率,則最小化的ACW按式(2)計算:

(2)

s.t.w1≤w2≤…≤wi≤…≤wM,

p1≥p2≥…≥pi≥…≥pM

Jornet等[19]采用TS-OOK調制方法,在電磁納米網絡中采用低碼重信道編碼(Low-Weight channel Coding,LWC)來降低共同使用信道的納米節點之間的干擾.文獻[12]表明,通過控制LWC的碼重,可以降低EMNN的分子吸收噪聲和多用戶干擾,從而降低誤碼率,保障通信的可靠性,而且不會降低可用信息率.其實,LWC通過使用低碼重,也能達到節省傳輸能耗的效果;通過降低誤碼率,可以減少碼字重傳所產生的能耗.文獻[12]、[19]所采用的碼字具有相同的碼重,即碼重為某個常量u,在源字等概率出現的情況下,ACW即為u.設碼長n=42,碼字的高位傳輸概率p1=u/n=0.3,則可以得到常量碼重u=?n·p1」=12.根據文獻[12]、[19],在碼長為n的碼字集合中選擇碼重為u的不同碼字來匹配長度為m的2m個源字,共有式(3)所示的種數,并且滿足式(4):

(3)

W(n,u)≥2m

(4)

Kocaoglu等[10]所提的最小能耗編碼(Minimum Energy Coding,MEC),通過最小化平均碼重以最小化平均傳輸能耗,同時使編碼滿足漢明碼距約束來保證通信的可靠性.若編碼的碼距為d,則能夠糾錯?(d-1)/2」位,隨著碼距增大,可靠性增高[10].設M(≤2m)個源字的出現概率為pi(1≤i≤M),其中最大出現概率為pmax.根據文獻[10],對于給定的碼距d,最小化的ACW按式(5)計算:

(5)

對于給定的碼距d和最大碼重k,若滿足「d/2?k

(6)

MEC通過滿足漢明碼距來保障通信可靠性,通過保持較大的碼距,在滿足源字個數小于誤符號率(symbol error probability)的倒數時,MEC能完全無誤地解碼[10].文獻[10]的仿真結果表明,MEC優于Hamming碼、Reed-Solomon碼、Golay碼等分組碼.

(7)

構建優化碼本時,在碼重取值范圍為[0,wmax]的碼字集合中按碼重從小到大選擇前M個碼字.源字長度為m,在源字等概率出現的情況下,設傳輸每個高位的能耗為Ep,根據文獻[9],優化碼本的最小化ACW按式(8)計算,而EPB按式(9)計算:

(8)

(9)

根據文獻[9],MTE編碼在中低誤比特率(≤0.01)的場景下EPB低于MEC,而在高誤比特率場景下MTE編碼的EPB高于MEC,因為MEC中需要相對較大的ACW來保證通信的可靠性;而MTE的平均碼字重傳次數會隨著誤比特率增大而增大,從而導致EPB增大.因此,MTE編碼適用于在中低誤碼率的場景下節省傳輸能耗.

2.1.2 手術禁忌證 TURBT并無絕對禁忌證，但在遇到以下情況時，應在患者一般情況調整好或病情基本穩定后手術：①系統疾病。如嚴重的高血壓、急性心肌梗死、未能控制的心力衰竭、嚴重的心律失常、近期發生腦血管意外者；嚴重的支氣管哮喘、肺氣腫合并肺部感染、肺功能顯著減退者；嚴重的肝、腎功能異常；全身出血性疾??；嚴重糖尿病，血糖未能有效控制者；精神障礙、不能配合手術者。②局部或?？萍膊?。如急性泌尿生殖系統感染；嚴重的尿道狹窄或尿道閉鎖，經尿道擴張或尿道內切開術仍不能置入電切鏡鞘者；髖關節強直，不能采取截石位者。

根據文獻[11],PFC編碼在中低誤比特率(≤0.01)的場景下傳輸能耗低于MEC,這是因為MEC為了保證糾錯能力而導致相對更大的ACW;在中低誤碼率的場景中,PFC編碼方法較之定長的低碼重編碼方法,傳輸能耗更小且吞吐率更易于控制;在ACL閾值Γ滿足m<Γ<2m-1的條件下,PFC編碼較之定長編碼,每碼字平均能耗更小.

表2所示是LWC、MEC、MTE、PFC等編碼方法的比較情況.

表2 編碼方法對比

4 電磁納米網節能編碼研究展望

電磁納米網是一種新的網絡架構,許多理論與技術問題亟待研究.在電磁納米網節能編碼方面,需要進一步研究的主要方向如下:

(1)電磁納米網編碼理論與方法的完善

在完善太赫茲信道建模理論的基礎上,進一步完善EMNN編碼理論,建立認可度高的、低復雜性的信道編碼方案,將為編碼方法和算法的進一步研究與實際應用奠定理論基礎.在文獻[9，10，12，19]等定長編碼和文獻[11]的變長編碼的研究基礎之上,進一步深入研究各種不同的編碼方法,將促進電磁納米網編碼方法的不斷趨于完善.研究EMNN編碼理論與方法,既要考慮源字等概率出現的場景,又要考慮隨機概率分布等非等概率的場景.另外,在EMNN中如何借鑒基于分子通信方式的納米網絡、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)、網絡編碼(Network Coding,NC)等相關的編碼研究成果,也是亟待研究的.

(2)更全面的能耗模型

已有的EMNN低碼重編碼方法相關文獻中一般僅考慮通信能耗中的傳輸能耗.其實,對于太赫茲短距通信,接收能耗也是不可忽視的[7].在EMNN中,節省通信能耗的編碼方法需要結合納米節點密集部署導致的多用戶干擾影響和太赫茲通信的特性,例如路徑損耗、分子吸收噪聲等,綜合考慮傳輸能耗與接收能耗.設傳輸能耗表示為Etx,接收能耗表示為Erx,則通信能耗Ecom可用式(10)表示:

Ecom=Etx+Erx

(10)

傳輸能耗主要由碼重決定,而接收能耗與碼長密切相關,通信能耗模型需要綜合考慮碼重與碼長對通信能耗的影響.在更全面的通信能耗模型中,編碼和解碼產生的能耗及納米收發器的電路能耗等其他能耗也應該加以考慮.更全面的能耗模型還需要考慮傳感、處理等其他方面的能耗.另外,由于路徑損耗、分子吸收噪聲、多用戶干擾等影響,太赫茲信道的誤比特率(Bit Error Rate,BER)較高,從而誤碼率(Codeword Error Rate,CER)也較高,能耗模型中應考慮為了保證正確接收碼字而進行碼字重傳所產生的能耗.

(3)節能高效的編碼算法

EMNN中的納米傳感器節點由于尺寸及當前技術所限,所能存儲的能量極其有限,所用的編碼算法必須是節能高效的.如何設計并實現算法高效地產生低碼重編碼是亟待研究的問題.對于源字長度為m,源字個數為M=2m的情況,文獻[11]所提的啟發式編碼算法中,BT-WD算法的時間復雜度為O(M3log2M),BT-LD算法的時間復雜度為O(M4),較適用于源字長度很小的場景,對于較大的碼字長度,一般需要離線使用.在EMNN中,對于計算、存儲能力都極低的納米節點而言,時間復雜度較低(例如O(M)、O(Mlog2M)、O(M2))的編碼算法既可以減少運行時間,節約納米傳感器節點的計算資源,又可以高效地產生低碼重編碼,節省納米傳感器節點的處理、通信等能耗;空間復雜度較低(例如O(M))的編碼算法可以節約納米節點有限的存儲資源.另外,與編碼算法對應的解碼算法也應該具有較低的時間復雜度和空間復雜度.

(4)權衡網絡性能的節能編碼優化

EMNN編碼方法與算法既要具有能量有效性,又要兼顧通信可靠性、時延、吞吐率等網絡性能.采用減小碼重的方法[12],能降低EMNN中的分子吸收噪聲和多用戶干擾,從而降低誤碼率,使通信可靠性得到保證,因此需要優化確定碼重.MEC通過保證漢明碼距[10]約束來保障通信可靠性,但導致碼長過大.大的碼長可以減小ACW,從而減小傳輸能耗,但將導致大的接收能耗和時延,使得吞吐率降低,也可能產生較大的誤碼率,因此需要優化碼長.編碼優化可以從點到點通信、端到端通信和整個EMNN等不同角度進行研究.

(5)電磁納米網編碼的實際應用

當前,EMNN編碼尚處于理論研究階段,編碼與實際應用之間還存在很大的距離.由于納米傳感器的尺寸和能量限制,實用的EMNN編碼和解碼方法應該具有低復雜性;實用的編碼和解碼算法應該具有易于集成到納米收發器、納米編/解碼器等納米器件中.針對不同的應用領域,根據不同的網絡條件和性能需求,對于源字長度、碼長、碼重、數據包大小等參數,既要在編碼設計階段合理地優化,又要考慮在編碼算法運行時能自適應動態調整.

5 總結

本文在概述無線納米傳感器網絡的基礎上,從基于OOK的調制技術和節省傳輸能耗的低碼重編碼方法這兩方面綜述電磁納米網(EMNN)中節能編碼方法的研究進展,展望EMNN的研究方向.目前,電磁納米網的編碼方法主要包括低碼重信道編碼(LWC)、最小能耗編碼(MEC)、最小傳輸能耗(MTE)編碼及前綴編碼(PFC)等,其中,LWC、MEC、MTE編碼屬于定長編碼,碼長是定值,而PFC編碼是碼長可變的變長編碼,這些編碼通過最小化平均碼重(ACW)以最小化傳輸能耗.EMNN節能編碼方法的進一步研究,需要完善編碼理論和方法,需要緊密結合太赫茲通信特性,綜合考慮傳輸能耗與接收能耗等各方面能耗建立全面的能耗模型,需要設計低復雜性的編碼方法和節能高效的編碼算法,需要在編碼節能優化的同時兼顧通信可靠性等其他網絡性能,需要考慮編碼方法和算法的實用性.電磁納米網編碼從理論到實際應用都亟待研究,這些研究的深入將極大地推動和促進EMNN節能編碼方法不斷趨向成熟與完善.無線納米傳感器網絡是當前國際研究前沿課題之一,國內已有一些高校、研究機構及研究人員在進行相關研究,但當前尚鮮見無線納米傳感器網絡的中文文獻,希望本文能夠促進國內對無線納米傳感器網絡的進一步關注和研究.

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黃龍軍 男,1976年生于福建連城.博士生,講師,研究方向為無線納米傳感器網絡、無線傳感器網絡和博弈論.

E-mail:hlj-jlh@163.com

王萬良(通信作者) 男,1957年生于江蘇高郵.博士生導師,教授,研究方向為計算機智能、自動化和無線網絡.

E-mail:wwl@zjut.edu.cn

姚信威 男,1986年生于浙江諸暨.博士,副教授,研究方向為無線傳感器網絡和無線納米傳感器網絡.

E-mail:xwyao@zjut.edu.cn

沈士根 男,1974年生于浙江桐鄉.博士,教授,研究方向為無線傳感器網絡和博弈論.

E-mail:shigens@126.com

潘小剛 男,1990年生于河南濮陽.碩士生,研究方向為無線傳感器網絡.

E-mail:pxg-zjut@hotmail.com

A Survey on Energy-Efficient Coding for Electromagnetic Nanonetworks

HUANG Long-jun1,2,WANG Wan-liang1,YAO Xin-wei1,SHEN Shi-gen2,3,PAN Xiao-gang1

(1.CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou,Zhejiang310023,China;2.DepartmentofComputerScienceandEngineering,ShaoxingUniversity,Shaoxing,Zhejiang312000,China;3.CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,JiaxingUniversity,Jiaxing,Zhejiang314001,China)

Wireless nanosensor networks (WNSNs) employing nano-electromagnetic communications,known as electromagnetic nanonetworks,are composed of many nanosensors communicating with each other.Because the nanosensors' energy is extremely limited,the energy efficiency become an important issue in electromagnetic nanonetworks.Firstly,WNSNs using terahertz communication are outlined.Then the state of the art in communication energy of electromagnetic nanonetworks is reviewed,in terms of on-off keying modulation and energy-efficient low-weight channel coding.Finally,the next research focuses of energy-efficient coding for electromagnetic nanonetworks are discussed.So far,Chinese literatures on WNSNs are rare.This work is hoped to forward the internal focuses and research on WNSNs.

wireless nanosensor networks;terahertz communication;low-weight coding;energy consumption;on-off keying

2015-02-06;

2015-03-31;責任編輯:馬蘭英

國家自然科學基金(No.61379123,No.61402414,No.61272034);浙江省教育廳科研項目(No.Y201533837,No.Y201431815)

TP393

A

0372-2112 (2016)08-2018-07