王晓超 孔祥晔 周亚楠 李国华

摘 要：为了在无线物联网中缓解拥塞、实现传感信息的可靠传输，将分层编码和多描述编码及其组合编码方法引入物联网信源编码。文中设计了面向无线物联网的分层编解码器、多描述编解码器和多描述分层编解码器，结合传统的拥塞控制方法，有效匹配无线物联网多样性的数据特征、易变的网络拓扑和脆弱的无线链路通信质量，以保障信息可靠传输，提升无线物联网的服务质量。

关键词：无线物联网;拥塞控制;可靠传输;信源编码;分层编码;多描述编码

中图分类号：TP391;TN92文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）09-00-03

0 引 言

进入21世纪以来，电子技术、传感器技术、通信技术和网络技术飞速发展，万物互联的理念逐渐被提出，并被普遍认为蕴藏着巨大的商业机遇。物联网是当前研究和产业发展的热点，它是基于具体应用的网络，不同的应用造成了接入设备、网络数据量以及数据时效的多样性需求。

与计算机网络存在拥塞问题一样，在物联网中，由于传感器节点自身资源和通信带宽的局限，当流量突发时也会造成网络拥塞。特别是在无线物联网[1]中，由于无线链路的脆弱性[2]和中间节点的休眠或失效，都会造成网络结构的动态变化，迫使数据流量变更路由，增加新路由拥塞的可能性。

解决网络拥塞问题的基本原则是开源节流和优化调度。对于具体的物联网而言，开源有现实的局限性，但节流和优化仍有潜力可挖掘。本文着重分析研究了无线物联网的信源编码，并配合采用优化措施来改善网络拥塞性能，保障传感信息快速传输至网络中心。

1 无线物联网

物联网是在互联网基础上进行延伸和扩展的网络，它通过信息传感器实时或周期性地采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，并将采集的信息入网，实现物与物、物与人的泛在连接，与对物品和过程的智能化感知、识别和管理。在有线物联网无法部署的场景，通常采用无线物联网传感现场信息，并与互联网互通。

1.1 无线物联网的数据特征

由于应用不同和状态变化，物联网传送的数据多样性特点突出。

传感器节点在现场采集信息数据，主要通过三种基本模式发送，即实时发送、周期性定时发送和基于阈值的触发发送。实时发送即实时连接网络，连续发送传感信息。周期性定时发送即周期性发送传感信息，其周期可以是半小时、1小时、1天、1周和1月等因应用需求不同而不同。基于阈值的触发发送在只有传感信息超过或小于预设的阈值时才会发送信息。被邀发送是基于阈值触发发送的一种特例。在某些应用场合，根据态势需要可选择这些基本发送模式中的两种或三种模式配合切换使用。

物联网节点在现场采集信息数据后会进行不同的处理，网络传送的传感信息数据主要分为两大类，即未做实质处理的原始数据与对原始传感数据做出处理或融合判断后的状态数据或特征数据。相对而言，原始数据的数据量较多，而状态数据的数据量较少。对于原始传感数据，可采用网融合技术进行数据级、特征级或决策级融合，以减少物联网传送的数据。物联网数据传送还具有实时性和非实时性需求。

1.2 无线物联网的拓扑特征

由于无线物联网部署环境的特殊性和无线网络的自组织性，一般说来，无线物联网的网络拓扑并非一种，而是如图1所示的四种网络拓扑元的两种或多种组成的混合拓扑。由于节点资源有限和无线链路的脆弱性，造成无线物联网的拓扑结构是非静态的，具有一定的动态特性。

链形拓扑是将网络节点逐个链式相连，信息数据按这条链逐跳通信，最后传送到信宿节点。这种拓扑由于存在较长的链式通信链路，当中间节点失效或通信链路异常时，网络将分立，信息数据无法按此路由送到信宿节点。此外，较长的链式通信链路也会造成较严重的信息数据传送延迟问题。

星形拓扑将多个网络节点（从节点）连接到同一个充当了主节点的网络节点。由于从节点间存在信道竞争，因此星形拓扑通信时需要采用多址接入技术，以避免通信冲突。主节点承担一定的从节点管理和汇聚数据职能，倘若主节点失效，也将使网络分立。

树形拓扑可以看成链形拓扑和星形拓扑的组合。

网状拓扑是指每个网络节点至少与另外两个网络节点相连，构成网孔形网络。网状拓扑建立了冗余的通信链路，通信可靠性好，但网络管理和资源调度更复杂。网状拓扑是无线物联网的理想选择，但由于网络节点布设位置的局限性、网络节点失效或休眠、无线通信链路的脆弱性和无线信道的竞争关系，网状拓扑会动态地退化到混合拓扑状态。

1.3 无线物联网拥塞

无线物联网拥塞[3]可以分为三种类型。

（1）节点拥塞。这是与传统网络共同具有的拥塞，即节点需要发送的数据流量超过节点的发送能力，导致缓存溢出，造成数据分组丢失和网络排队延迟增加。

（2）无线通信链路拥塞。无线信道是共享信道，在同一时刻相邻节点只能有一个节点使用无线信道，当多个相邻节点同时竞争使用无线信道时，就会产生访问冲突引起链路拥塞，增加数据分组的服务时间，降低通信链路的利用率和网络吞吐量。

（3）无线物联网中节点较易失效和通信链路较易突然断开，当采用迂回路由时，便打破了原有平衡，造成迂回路由的拥塞或出现不可接受的延迟。

2 信源编码

分层编码[4]和多描述编码[5-6]及其组合编码[7-8]方法在互聯网传送音频、视频和图像信息[7-10]上得到了广泛应用，较好地匹配了互联网业务突发和传输带宽不保证、接收终端多样和处理能力差异大、“尽力而为”的服务原则和拥塞丢包等特性，具有良好的容错性能，可在保证编码效率的同时提高数据传输的鲁棒性。

相对于互联网，无线物联网网络拓扑更动态、无线通信带宽无法保证、节点能力差异更大、传输误码率更高，同时还需要更好的服务质量，即需要保证传感信息被及时、正确地传送到信宿节点。为此将分层编码、多描述编码及其组合等信源编码方法引入无线物联网十分必要，以缓解无线物联网拥塞，实现可靠传输。

2.1 分层编码

分层编码是将信息编码成一个基本层和一个或多个扩展层。基本层包含最基本的信息质量，每一个扩展层都是对基本层的补充。每个层的数据量要小于原传感信息数据量，而各层的总和数据量要大于原传感信息数据量。每层在无线物联网中传送时路由相互独立，且基本层被赋予最高优先级，其他各扩展层也被赋予与其层级相应的优先级。当网络出现拥塞时，首先丢弃扩展层数据。信宿节点只要收到基本层数据，就能解码出传感信息的基本内容;当收到一个或多个扩展层时将能解码出更加细化、更加精确的传感信息。

分层编码在无线物联网的应用方式如图2所示。信源节点采用分层编码器将传感信息编码为1个基本层和1个或2个扩展层。在传感信息的各层经由网络传送时，基本层被赋予最高优先级，其他各扩展层也被赋予与其层级相应的优先级;拥塞发生时扩展层优先丢弃，以保证基本层可靠传送。最后信宿节点利用接收到的1个基本层和0～2个扩展层，解码恢复出不同精确度的传感信息，以满足应用需要。

2.2 多描述编码

多描述编码不同于分层编码，分层编码的基本层至关重要，如果失去基本层，剩下的其他扩展层将毫无用处;多描述编码是将传感信息编码成多个码流，每个码流就是传感信息的一个描述，每个描述之间具有互补关联性。每个描述的数据量要小于原传感信息数据量，而各描述的总和数据量要大于原传感信息数据量。每个描述分别通过独立的路由传送到接收端，接收端接收到任何一个描述都可以解码出一定质量的传感信息。当多个描述都能正确传送时，接收端可解码出高质量的传感信息;当每个描述都有分组丢失时，接收端利用两个或多个描述间的关联互补性也能解码出一定质量的传感信息。

多描述编码最早由美国贝尔实验室提出，用于解决电话网络中的语音编码问题。科研人员先将语音分离成具有冗余的奇偶两组样本，并分别进行编码压缩，然后通过两个独立的路由分别传送。如果接收端无差错地收到两组样本数据，解码合并后就可以获得正常的通话声音质量;如果接收端只能收到一组样本数据，通过处理也可以获得较低的通话声音质量。

多描述编码在无线物联网的应用方式如图3所示。信源节点采用多描述编码器将传感信息编码为2～3个描述，各描述层在本质上无优先级。传感信息的各描述经网络传送时，可将任意某个描述设置为最高优先级，以便拥塞发生时其他描述被优先丢弃，保证被设置为最高优先级的描述进行可靠传送。最后信宿节点利用接收到的一个或多个描述，解码恢复出不同精确度的传感信息，以满足应用需要。

2.3 多描述分层编码

分层编码和多描述编码在不同的网络环境中具有各自的优势。分层编码产生的数据流能在很宽的码率范围内自适应调整，可适应由于信道带宽波动引起的传输问题;在拥塞发生时，可主动丢弃扩展层数据，以保障基本层数据及时可靠地到达信宿节点。多描述编码可提高系统的鲁棒性，适合高误码率和包丢网络环境下的数据传输。为兼顾分层编码和多描述编码的优点，可以将两种编码技术结合，形成多描述分层编码技术。

充分考虑无线物联网的特殊性和编码效率，设计了如图4所示的多描述分层编码器。

信源节点先采用分层编码器将传感信息编码为1个基本层和1个扩展层，然后对基本层进行多描述编码，产生2个基本层描述，即基本层描述1和基本层描述2。在传感信息经由网络传送时，基本层描述1被赋予最高优先级，基本层描述2被赋予中等优先级，扩展层被赋予最低优先级。拥塞发生时，依据优先级程序，率先丢弃低优先级和中优先级的数据，以保证基本层描述1可靠传送。信宿节点利用接收到的基本层描述1和基本层描述2做多描述解码，多描述解码器的输出与接收到的扩展层信息进行分层解码，恢复出不同精确度的传感信息，以满足应用需要。

3 结 语

分层编码和多描述编码及其组合编码具有容错、网络抗拥塞、传输鲁棒性、兼顾编码效率的特点，目前主要应用在音频/视频/图像信号上，在一般信号上的应用还比较少。随着物联网技术的深入应用，必然会涌现出越来越多的抗拥塞和可靠传输的要求。编解码算法的不断创新和人工智能技术的飞速发展为分层编码和多描述编码及其组合编码在一般信号上的应用提供了广阔的空间。

参考文献

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[10]肖尚武，胡瑞敏，陈宇，等.物联网环境下基于场景要素的多码流变分辨率压缩传输技术研究[J].物联网学报，2018，2（4）：31-39.