网络编码技术在军事物联网中的吞吐量分析

吞吐量是一个反映网络规模、网络业务量和网络性能的重要参数。军事物联网的目的是为了构建一个军用无处不在网，其网络规模庞大，链接终端众多,实时性要求高等特点都使得军事物联网必须有一个良好的吞吐量，进而能够很好地实现军事物联网应用的“美好蓝图”。但是，当前网络传输的带宽有限成为制约军事物联网发展的一个瓶颈因素。因此,为了缓解吞吐量要求大和传输带宽有限这一对矛盾体，如何提高网络的信息传输吞吐量成为研究分析军事物联网应用的根本。

2000年，R.Ahiswede、蔡宁等人提出了一种新的网络传输技术一网络编码,通过蝴蝶网络的例子说明了传统路由无法实现最高的传输效率，并证明了在单信源组播网络中，使用网络编码可以达到信息传输的最大流界。

1  网络编码的基本原理

在研究网络编码的过程中，为了能够给大家一个直观的印象,能够更深入地了解网络编码的概念，下面将通过著名的“蝶形网络”进行分析。假定有一个（如图1所示的）通信网络，这是一个拥有单个信源和两个接收节点的网络，假设每条链路都无时延和无差错,且信道容量为1,即单位时间内可以传输一个单位信息量（例如一个比特）。S是信源节点，Y和Z是信宿节点，T、U、W、X是中间节点。源节点S要同时向两个信宿节点Y和Z发送组播信息。根据图论的“最大流最小割”定理，该多播的最大理论传输容量为2,即理论上信宿Y和Z能够同时收到信源S发出的2个单位的信息，也就是说能同时收到b₁和b₂。

如果是传统的信息传输方式，如图1（a）所示，链路ST—TY和ST—TW—WX—XZ传送4,链路SU—UZ和SU—UW—WX—XY传送4,信道容量为1的要求约束了链路WX,使得链路WX无法同时传输但和b和&传输到节点W时，若WX传

输缶，则&₂需要等待bl传输完毕才能传输,所以在单位时间内，信宿Y获得两个岛，信宿Z获得缶和4,则该方式不能够实现最大传输容量。

如果应用网络编码的思想,则如图1（b）所示，令节点W为编码节点，S和b₂传输到节点W时,W对接收到的4和缶进行编码，压缩传输信息流，从而使得链路ST—TY和SU—UZ分别给信宿Y和Z传输S和缶，链路WX—XY和WX—XZ给信宿Y和Z传输S㊉缶。Y收到但和b.©b₂后，通过译码操作4（4㊉么）就能解出缶，因此，信宿Y同时收到了61和4。同理，信宿Z也同时收到4（通过译码操作©$2））和缶，由此，基于网络编码思想的传输方式能够实现理论上的最大传输容量。

2  军事物联网简介

随着物联网概念的不断升温，许多军事专家称物联网是“一个未探明储量的金矿”，正在孕育军事变革深入发展的新契机。并一致认为，在单系统武器装备物理性能发展接近极限的今天,物联网在军事上的应用必将能够在信息化条件下作战大放异彩。

目前，军事物联网还没有一个严格的定义。简单来说，军事物联网就是物联网技术在军事上的应用。笔者理解的军事物联网是一个以现有军用网络为基础，将其末端延伸到具体武器装备，实现战场环境以及实时后勤保障，实现物物相连的智能化网络。它能够使战场感知精确化、武器装备智能化、综合保障灵敏化，提升信息化条件下作战打击的精确度和自动化程度。

军事物联网为未来信息化战争描绘了这样一幅“美好蓝图”:通过构建无处不在的网络，使得任意作战节点要素能够随时随地接入网络，后勤保障单位能够及时有效的掌握各节点要素的弹药、物资等储备情况，通过点对点、点对散兵坑的供给模式来实施精确保障;作战指挥单位能够随时获得当前准确的战场态势,通过分析评估，进而对所属部队实施精确的指挥和控制，从而实现积极有效的进攻和防御；一些智能化武器装备能够通过指挥部传输的指令参数,实施有效地打击，并通过获得打击目标的损毁信息，决定是否有必要进行二次打击……

由军事物联网的“互连”特性可知,其信息获取终端节点分布广，数量多，移动性较强，包括战场环境监测传感器、高速移动的武器装备以及带有生命体征感应的单兵系统等等。这些节点要素的信息传输有的需要通过有线网络,有的则需要通过无线网络。相对无线网络而言，有线网络拥有良好的传输介质（光纤、电缆等），能够较好地满足其信息传输要求。而无线网络的传输不稳定和带宽较小，容易造成其网络信息传输阻塞,严重影响军事物联网特性的发挥。可见,无线网络在吞吐量方面的形势较有线网络更为严峻和紧迫。因此,下面将具体分析无线网络的信息传输情况，试图通过网络编码技术来提高其网络传输的吞吐量。

3  两节点信息传输模型

为了便于分析理解,首先考虑一个简单的军事网络模型，图2所示是两辆无线节点车通过AP进行信息交换的原理示意图。

图2两辆无线节点车通过AP进行信息交换假设无线网络中的两个节点车A和B要通过中心AP（访问接入点）交换信息,其无线信道能够提供的传输速率为1b/单位时间。若A要将1b信息们传给节点B且节点B要将1b信息缶传给A,需经过（见图3（a））：①节点A将3发送给AP；②节点B将缶发送给AP；③AP将"发送给节点B；④AP将b₂发送给节点A。这四个过程一共需要四个单位时间。而假如引入网络编码,AP可以将3和缶的异或结果直接同时发给节点A和B,A、B通过这个结果和自己刚发出去的比特信息可以解得对方想传给自己的比特信息，从而使整个信息交换过程在三个单位时间就完成了。图3所示是无线网络中的两个节点进行信息交换的过程图

由以上两种信息传输过程可以知道，传统的方法可在四个单位时间内传输2b信息，即0.5b信息/单位时间;而利用网络编码的方法则可在三个单位时间内传输2b信息，即0.67b信息/单位时间。由此可见，利用网络编码的思想能够使信息传输吞吐量提高33.3%。

2006年，香港中文大学的S.Zhang等人提出了物理层网络编码(PNC)*。PNC是一种处理电磁波信号接收和调制的物理层网络编码。通过中继节点处一种恰当的调制解调技术，电磁波的叠加能够映射到数据流叠加的高斯域中，使得传统网络中会引起的信号干扰变成了网络编码中算法操作的一部分。

图4所示是中继节点物理层网络编码和复数域网络编码原理示意图。本系统若采用简单的AM调制,那么：

(1) A和B同时向AP发送信号分别为(t)=aicos(cdt)和x₂(t)=%cos(ajt);

(2) AP收到电磁波在“空中”经过叠加得到的混合基带信号为夕(I)=Xi(t)+x₂(t)=(ai+a₂)cos(ait)，并同时向A和B发送信号y(i)。

节点A和B即可通过收到的信号与自身发送的信号解得对方想发送的信号，表1所列是PNC映射列表。由表1可以知道，该信息传输只花费了两个单位时间，即1b信息/单位时间，其信息传输吞吐量较传统的方法提高了100%。

另外，文献提出了一种更为通用的复数域网络编码(CFNC),同样是在物理层进行符号级的运算。CFNC比GFNCC实数域网络编码)和现有中继方案能达到更高容量，更适合在无线通信中应用。

系统若采用CFNC,则方式如下：

(1) A和B同时向AP发送信号分别为&们和ft&2(ft,ft属于复数域C)；

(2) AP收到U=0,6, 再同时将U转发给

A和B。

在恰当的取值下能够实现(缶，4)和。=SS+但饥的一一映射,AP可以仅仅通过U而完全确定(4,4)。也是两个单位时间完成了该信息传输，即1b信息/单位时间，其信息传输吞吐量较传统的方法提高了100%。

CFNC与GFNC主要的区别在于,CFNC能实现复数符号序列和其他复合符号的一一映射。例如当biNbe时，仇+化质夭伍但+&S,而在GFNC中bi®b，=b₂©。因此GFNC无法达到CFNC这样高的吞吐量。

为了便于直观地理解分析,下面对以上四种传输方法进行仿真。通过传输信息量随传输时间的变化曲线可以看出，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传统方法的吞吐量。图5所示是两节点信息进行交换时四种方法的吞吐量分析与比较曲线。

通过对前面两节点信息传输模型的详细分析，可以发现节点A和节点B并不一定必须是产生4和3的真实端节点。因此，可以将前面的两节点信息传输模型扩展到军事物联网中PRNET网络拓扑的各簇中去,簇中每个节点都可以起到路由设备作用，只要存在6：需要从节点A被路由到节点B,且b₂需要从节点B被路由到节点A的情况，节点A和节点B之间便存在一个信息交换过程(见图6)。在图6所示的网络中，A和B是两个无线路由设备，它们都需要把一些分组路由到对方去。在这种情况下，可以把A和B看作是两点之间信息交换过程中的两个逻辑端点，然后按照图6所示方法进行处理。

4  多节点信息传输模型

在分析两节点信息传输模型的基础上，下面接着讨论多节点信息传输的情况，并将其扩展到更为一般的多对多系统模型。

图7中的(2,1,1)无线中继网络简单地描述了传统中继、GFNC中继、CFNC中继方案。网络中每个节点单天线，两个信源Si和S₂通过中继R向目的节点D发送信息。

在图7(a)中，传统中继方案为了避免Sj、S的相互干扰常采用时分多址。它用4个时隙完成了每信源一个符号的发送，吞吐量是l/4Sym/S/TS_o图7(b)是GFNC中继方案。通过R检测到b,和么，在第三个时隙时,R在实数域上将6,㊉&₂传给D。它的吞吐量可以达到l/3Sym/S/TS,D可以通过加©(61©&2)和b₂©(bi©62)分别得到62和S的副本。图7(c)中的CFNC中继方案能够进一步提高吞吐量。在第一个时隙中，体、佛同时分别发送信号和QQ,Q属于复数域C),R、D接收到U=SS+以。第二个时隙中，R发射U=&₁b_l+d₂b₂给D实现满分集增益。CFNC进一步将吞吐量提高到1/2Sym/S/TS_o

为了便于直观地理解和分析，下面对图7中的三种中继方法进行仿真。通过图8所示的传输信息量随传输时间的变化曲线可以看出，CFNC中继方法好于GFNC中继方法的吞吐量,GFNC中继方法的吞吐量又好于传统中继方法的吞吐量。

另外,还可以将网络编码扩展到更为一般的多对一和多对多系统模型，其模型图如图9所示。

5  结语

本文简要介绍了网络编码的基本原理，诠释了军事物联网的定义，描绘了军事物联网的“美好蓝图”,并对军事物联网中的两节点信息传输模型和多节点信息传输模型中的吞吐量进行了详细的分析与仿真。仿真结果表明，网络编码可以较大提高军事物联网的传输吞吐量。

网络编码技术和物联网技术是近年来飞速发展的一个研究课题。虽然其具体应用还比较少,但是通过大量的理论研究分析，网络编码和物联网的各方面优势都得到了人们的认同。相信在不久的将来，网络编码技术与物联网技术的结合应用会越来越多，最终给人们的生活带来便利。