基于多節(jié)點(diǎn)協(xié)作的認(rèn)知WSN能耗優(yōu)化算法

許曉榮，章堅(jiān)武，黃愛(ài)蘋(píng)

(1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018;2.浙江大學(xué)信息與通信工程研究所，浙江杭州310027)

0 引言

認(rèn)知無(wú)線電可在不影響主用戶(Primary Users，PUs)通信的前提下，允許認(rèn)知用戶(Secondary Users，SUs)機(jī)會(huì)地接入PUs未使用的授權(quán)頻段進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，智能地利用PU空閑頻譜進(jìn)行機(jī)會(huì)通信［1］。在此過(guò)程中，SU通過(guò)感知信道進(jìn)行本地頻譜感知，并將本地感知信息通過(guò)反饋信道發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，Sink節(jié)點(diǎn)采用一定的數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)則［2-4］，對(duì)PU頻譜使用情況做出判決獲得全局感知信息，實(shí)現(xiàn)SU動(dòng)態(tài)頻譜接入與自適應(yīng)資源分配［4，5］。然而，在認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Cognitive Wireless Sensor Network，C-WSN)中，SU以對(duì)等方式組網(wǎng)，其感知數(shù)據(jù)通過(guò)分布式協(xié)議(如分布式空時(shí)編碼)進(jìn)行傳輸，在Sink端進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與解碼重構(gòu)［2，3，6］。此外，由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，節(jié)點(diǎn)的能量受限［7］。但是，節(jié)點(diǎn)又需要以較大的發(fā)射功率傳輸數(shù)據(jù)，以對(duì)抗無(wú)線信道衰落與路徑衰耗。因此，能量有效性在C-WSN中至關(guān)重要［7，8］。

1 認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

C-WSN系統(tǒng)模型如圖1所示。各傳感器節(jié)點(diǎn)可以相互協(xié)作構(gòu)成虛擬多天線實(shí)現(xiàn)空間分集。系統(tǒng)需要選擇最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合進(jìn)行機(jī)會(huì)協(xié)作傳輸，以降低傳輸能耗［9，10］。Sink節(jié)點(diǎn)采用硬判決將各SU節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并獲得判決結(jié)果。

2 系統(tǒng)能耗分析與優(yōu)化

2.1 能耗分析

在C-WSN中，節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗包括電路能耗和功放能耗［9］。根據(jù)文獻(xiàn)9，平均每傳輸1bit所耗費(fèi)的總能耗為:

式中，Pc為電路功率，PPA為功放功率，Rb為比特速率。本文假設(shè)C-WSN節(jié)點(diǎn)符號(hào)速率Rs=10k symbol/s，比特速率Rb=Rslog2Mbit/s，M為調(diào)制階數(shù)。

圖1 認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

考慮到電路功率由發(fā)送電路功率Pct和接收電路功率Pcr組成［9，11］。假設(shè)機(jī)會(huì)協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)為K，在節(jié)點(diǎn)協(xié)作傳輸過(guò)程中，發(fā)送過(guò)程包括K個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸PUT頻譜占用信息以及SU利用PUT頻譜空穴的傳輸數(shù)據(jù)，接收過(guò)程包括K個(gè)節(jié)點(diǎn)反饋本地感知結(jié)果以及分布式傳輸感知數(shù)據(jù)，Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最終接收與數(shù)據(jù)融合［11］。因此:

根據(jù)文獻(xiàn)9、11，Pct約為98.2mW，Pcr約為112.5mW。

若綜合考慮感知信道與反饋信道的路徑衰落，節(jié)點(diǎn)發(fā)送1bit的功放能耗修正值［11］為:

因此，在一定Prb要求和給定信道條件下，Etotal與協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)K和傳輸距離d有關(guān)，隨著協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，將帶來(lái)較大的協(xié)作分集增益。但是，在功放能耗下降的同時(shí)，電路能耗將隨之增大。因此，對(duì)于一定的傳輸距離d，存在著兩種能耗的最佳折衷，即存在最優(yōu)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)，使得C-WSN系統(tǒng)的總能耗最小。

2.2 誤碼性能分析

考慮個(gè)協(xié)作WSN節(jié)點(diǎn)采用分布式空時(shí)分組編碼實(shí)現(xiàn)協(xié)作分集。假設(shè)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量相同，Sink節(jié)點(diǎn)通過(guò)最大比合并(Maximum Ratio Combination，MRC)將各路接收信號(hào)進(jìn)行合并，在已知信道狀態(tài)信息的情況下，可以實(shí)現(xiàn)接收SNR最大化。Sink節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)SNR為:

式中，N0為加性高斯白噪聲單邊功率譜密度，通常為－174dBm/Hz［9］?！琀‖F(xiàn)為信道矩陣的Frobenius范數(shù)，感知信道為{hsri}，i=1，2，…，K，反饋信道為{hrid}，i=1，2，…，K?？紤]到信道衰落系數(shù)為均值為零、方差σ2的循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯變量，因此感知與反饋信道均為Rayleigh不相關(guān)衰落信道，‖H‖從自由度為2(K+1)、分布參數(shù)為零的中心chi-square分布X(K+1)(0)，其概率密度函數(shù)為:

當(dāng)采用BPSK調(diào)制時(shí)，Sink節(jié)點(diǎn)采用MRC的平均誤碼率為:

2 .3能耗優(yōu)化算法

在給定C-WSN系統(tǒng)誤碼率Prrep和傳輸距離d的條件下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以尋找最佳機(jī)會(huì)協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合，從而使系統(tǒng)能耗最小化。該優(yōu)化問(wèn)題為:

式中，Prrep為認(rèn)知WSN系統(tǒng)的誤碼率要求，Etotal和Prb(K，Eb/N0)分別由式4、8給出。在理論上，可以通過(guò)拉格朗日乘子法求解該問(wèn)題，但是，約束條件中Prb是協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)和平均比特SNR Eb/N0的函數(shù)，傳統(tǒng)方法求解過(guò)程比較復(fù)雜，可以利用數(shù)值計(jì)算求解該問(wèn)題。

3 仿真與性能分析

當(dāng)C-WSN系統(tǒng)誤碼率為10－3時(shí)，傳輸距離與系統(tǒng)能耗之間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，隨著傳輸距離的增大，達(dá)到較低能耗所需的協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)也相應(yīng)增大。例如，當(dāng)d＞20m時(shí)，兩協(xié)作節(jié)點(diǎn)傳輸能耗低于非協(xié)作模式;當(dāng)d＞25m時(shí)，三協(xié)作節(jié)點(diǎn)傳輸能耗亦低于非協(xié)作模式，且當(dāng)d＞55m時(shí)，其能量有效性要優(yōu)于兩協(xié)作節(jié)點(diǎn)模式。因此，在傳輸距離較短的范圍內(nèi)(d＜30m)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加將使傳輸能耗增大。但是，隨著傳輸距離d的增加，能耗將隨協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而減小。因此，根據(jù)傳輸距離改變協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)是有效的節(jié)能方式。

在不同誤碼率要求下，當(dāng)傳輸距離d=100m時(shí)，協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)與系統(tǒng)能耗之間的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)誤碼率要求從10－2上升到10－5時(shí)，達(dá)到最小系統(tǒng)能耗的最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為2－5，即最優(yōu)協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)將隨著誤碼率的降低而增大。此外，對(duì)于協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，隨著誤碼率的下降，系統(tǒng)總能耗將明顯升高。當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)為4、誤碼率要求10－5時(shí)所需的每比特能耗為，當(dāng)誤碼率要求為10－2時(shí)所需能耗則為其一半，這說(shuō)明在協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)一定的情況下，為了達(dá)到較好的誤碼性能，系統(tǒng)需要增加能耗以保證傳輸質(zhì)量。

圖2 認(rèn)知WSN傳輸距離與能耗關(guān)系

圖3 認(rèn)知WSN協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)與能耗關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以認(rèn)知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為背景，研究了一種基于多節(jié)點(diǎn)機(jī)會(huì)協(xié)作的能耗優(yōu)化算法。該算法在給定C-WSN系統(tǒng)誤碼率Prreq和傳輸距離d的條件下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算尋找最佳機(jī)會(huì)協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合，從而使系統(tǒng)能耗達(dá)到最小。論文分別進(jìn)行了系統(tǒng)能耗分析與誤碼性能分析，在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)值求解最優(yōu)化問(wèn)題，分別給出了傳輸距離、協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)與系統(tǒng)能耗之間的關(guān)系，并進(jìn)行了仿真與性能分析。此外，針對(duì)認(rèn)知WSN節(jié)點(diǎn)采用多進(jìn)制調(diào)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在提高傳輸有效性的同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)能耗與有效性之間的最佳折衷，需要進(jìn)一步研究。

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