18、网络编码的节能硬件实现

网络编码的节能硬件实现

1. 引言

网络编码（NC）自2000年被提出以来，在信息理论和网络领域受到了广泛关注。它允许网络中的中间节点对收到或本地生成的数据包进行混合编码，最终由目的节点解码。NC具有提高吞吐量、增强数据鲁棒性、保障安全性和更好利用网络资源等优点。

然而，在低功耗应用场景，如体域网（BANs）中，编码复杂度和能源成本需要仔细考量。以往大多数NC实现基于高端CPU和GPU，主要关注最大吞吐量，而未充分分析将NC集成到系统架构中的能源权衡。

例如，使用3.6 GHz Xeon双核处理器进行NC编码，吞吐量约为5MB/s；800MHz Celeron CPU实现的吞吐量为44MB/s；在手机和笔记本上实现特殊类型的系统NC，最大吞吐量分别为40MB/s和1.5GB/s，但这些实现均未考虑编码过程的能源分析以及算法参数对系统总能耗的影响。使用多核CPU和GPU加速NC编码和解码，功耗在100 - 500W，对于低功耗系统来说过高。在iPhone上实现NC，最大吞吐量为420 KB/s，且NC导致电池总寿命减少约33%。

随着移动设备、传感器和其他电池供电系统的广泛使用，迫切需要高效优化的NC实现。本文详细分析了将NC集成到低功耗系统架构中的能源问题，提出了一种定制加速器架构，能够在极低功耗下执行NC，适用于低功耗无线传感器和移动网络。

2. 网络编码概述

假设一个节点要传输n个长度为L位的数据包P = [P1, …, Pn]，若使用随机线性网络编码（RLNC），节点会先创建这些数据包的n个线性组合，然后传输编码结果。具体来说，将每个数据包中的q个连续位视为一个GF(2q)域上的符号，每个数据包有L/q个符号。