基于正交冗余擬態(tài)調(diào)度機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法

李長春

基于正交冗余擬態(tài)調(diào)度機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法

李長春

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中鏈路抖動頻繁、抗噪性能較差、頻譜漂移等問題，提出了一種基于正交冗余擬態(tài)調(diào)度機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法。利用信道間信號沖激頻譜與信號瞬時能量的正交特性，設(shè)計了正交冗余傳輸方案，實現(xiàn)了對萊斯噪聲全頻譜擦除及冗余信號頻譜的超寬帶傳輸?；诠?jié)點信號發(fā)射的擬態(tài)特性和LTE-5G信號的頻率漂移特性構(gòu)建了跳頻調(diào)控閾值，顯著增強算法的抗抖動性能。該算法具有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬與抗噪性能，較低的數(shù)據(jù)丟包率和信道誤碼率。

數(shù)據(jù)傳輸算法；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；正交冗余傳輸；擬態(tài)調(diào)度機(jī)制；頻譜漂移

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量分布于檢測區(qū)域內(nèi)靜止或移動的傳感器節(jié)點，通過無線通信和自組織的方式連接構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要依賴傳感節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行感知、采集、傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，以便于做進(jìn)一步深入分析。由于無線傳感網(wǎng)中鏈路一般處于開放的環(huán)境中，惡劣的監(jiān)測環(huán)境、災(zāi)難性的事件或能量耗盡都會導(dǎo)致傳感器節(jié)點的失效，周圍環(huán)境也會影響無線鏈路的通信質(zhì)量。另外，無線通信鏈路本身也存在不可靠因素[1]，這些不可靠因素導(dǎo)致節(jié)點數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在鏈路抖動頻繁、抗噪性能較差、頻譜漂移等問題，使得感知數(shù)據(jù)在傳輸中出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失、誤碼及延遲現(xiàn)象[2]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要利用有限的能量傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)絡(luò)具有很好的魯棒性，解決數(shù)據(jù)傳輸效率以及穩(wěn)定性、可靠性等傳輸優(yōu)化和節(jié)能問題。

近年來，許多學(xué)者對這些問題進(jìn)行了研究并取得一些成果，提出了一些新的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法[3-5]，但這些算法在網(wǎng)絡(luò)背景噪聲、網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)匯聚、實現(xiàn)機(jī)制等方面尚需改進(jìn)?；诖耍疚奶岢鲆环N基于正交冗余擬態(tài)調(diào)度機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸算法（以下簡稱“新算法”）。新算法針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用的LTE-5G信號存在的冗余問題，利用信道間信號沖擊頻譜與信號瞬時能量具有的正交特性，構(gòu)建基于正交冗余的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，能夠顯著強化信號抗噪性能，提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的抗信道抖動效果，便捷進(jìn)行噪聲擦除，增加網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。此外，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點信號發(fā)射具有的擬態(tài)特性，設(shè)計一種全新的擬態(tài)調(diào)度方法，通過跳頻方式構(gòu)建調(diào)度閾值，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可控、穩(wěn)定調(diào)度傳輸，進(jìn)一步提高了算法的穩(wěn)定性能。

1 數(shù)據(jù)傳輸算法設(shè)計

現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用場景逐步呈現(xiàn)移動化及分散化，特別是當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)高度融合的態(tài)勢。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，具備動態(tài)拓?fù)浣M織功能，流動性也呈現(xiàn)增加的趨勢。并且，LTE與5G雙連接是未來5G部署的主要選擇，因此LTE-5G制式節(jié)點將逐步取代傳統(tǒng)固定式部署節(jié)點[6]。新算法的節(jié)點信號調(diào)制方式均采用標(biāo)準(zhǔn)LTE-5G信號調(diào)制方式，節(jié)點使用LTE-5G協(xié)議棧進(jìn)行通信，信號傳輸模式采用并發(fā)方式。整個算法分為正交冗余傳輸和擬態(tài)調(diào)度兩部分[7]。

1.1 正交冗余傳輸方法

式（1）為信號特征頻譜進(jìn)行預(yù)發(fā)射時的沖激，當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)完成次沖激時接收到的信號頻譜為

顯然，式（5）中任意兩個非周期時刻信號必定正交，即滿足：

且滿足：

正交冗余傳輸方法算法流程如圖1所示。

新算法詳細(xì)步驟如下：

（1）按式（1）逐個節(jié)點進(jìn)行信號發(fā)射預(yù)成型；

（2）對信號按頻譜進(jìn)行信道響應(yīng)，提取特征頻譜并按按式（2）進(jìn)行信號預(yù)成型；

（3）按式（5）進(jìn)行正交取樣，并對下一個周期內(nèi)傳輸信號的相位旋轉(zhuǎn)90o，形成信號分量；

（4）接收端進(jìn)行濾波處理，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

1.2 擬態(tài)調(diào)度方法

由無線傳感的信號傳輸理論（式（1））可知，信號發(fā)射均采用沖激方式形成特征頻譜，因此各信號分量與信道噪聲在發(fā)射頻譜上擬態(tài)特性，即相鄰子信號傳輸中的發(fā)射頻譜具有疊加性與漂移特性，需要在數(shù)據(jù)傳輸中考慮這個因素，以便降低信道中萊斯噪聲與漂移態(tài)信號之間的疊加，進(jìn)一步提高算法的傳輸性能。

式中，send表示節(jié)點能量最大值，rev表示下一跳節(jié)點的冗余傳輸帶寬；表示節(jié)點覆蓋區(qū)域的半徑。為保證調(diào)度質(zhì)量，將send進(jìn)行跳頻處理：

單純使用調(diào)度閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度可能產(chǎn)生沖突問題，即上一傳輸周期的數(shù)據(jù)與下一傳輸周期的 數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定的冗余沖突[9]，因此構(gòu)建裁決閾值d如下：

式中表示信道噪聲的功率譜密度函數(shù)，一般可通過對式（1）抽樣獲取。

擬態(tài)調(diào)度方法算法流程如圖2所示。

圖2 擬態(tài)調(diào)度方法算法流程

算法步驟如下：

（1）待發(fā)射節(jié)點進(jìn)入預(yù)調(diào)度狀態(tài)，以便進(jìn)行信號發(fā)射前的準(zhǔn)備工作，按式（8）所示確定當(dāng)前時刻網(wǎng)絡(luò)的擬態(tài)調(diào)度閾值；

（2）待發(fā)射節(jié)點搜尋網(wǎng)絡(luò)中下一跳傳輸節(jié)點，并根據(jù)式（9）、式（10）匹配下一跳節(jié)點的裁決閾值，若該節(jié)點處于發(fā)射狀態(tài)的頻譜能夠支持信道發(fā)射，則當(dāng)且僅當(dāng)下一跳節(jié)點的能量高于式（10）所示的裁決閾值時，數(shù)據(jù)通過信號發(fā)射的方式進(jìn)行傳輸，本次調(diào)度方法結(jié)束。

2 仿真環(huán)境分析

對本文提出的基于正交冗余擬態(tài)調(diào)度機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法進(jìn)行仿真分析，并與采用超混沌信道抖動穩(wěn)定傳輸算法[11]（CCJST）及節(jié)點數(shù)據(jù)周期穩(wěn)定傳輸算法[12]（NDPST）進(jìn)行對比。仿真對比指標(biāo)為信道抖動頻譜偏差、傳輸帶寬、數(shù)據(jù)丟包率、信道誤碼率等。

實驗采用NS-2仿真平臺對新算法進(jìn)行仿真實驗，節(jié)點分布為矩形區(qū)域，長、寬均為2000 m；節(jié)點分布模型采用隨機(jī)散布模型，個數(shù)不超過100個；節(jié)點移動速度不超過10 m/s；信號調(diào)制方式均采用標(biāo)準(zhǔn)LTE-5G信號調(diào)制方式：512QPSK調(diào)制；信道噪聲使用標(biāo)準(zhǔn)萊斯噪聲分布。仿真參數(shù)設(shè)置為：

（1）采樣范圍：1000 m×1000 m

（2）節(jié)點移動速度：≤10 m/s

（3）節(jié)點分布模型：隨機(jī)抖動

（4）傳輸頻率：4.096 GHz

（5）信道帶寬：≥1.024 Mbit/s

（6）噪聲功率：≥1 mW

3 實驗結(jié)果分析

3.1 信道抖動頻譜偏差測試

在信道抖動頻譜偏差仿真實驗中，節(jié)點移動速度分別為2 m/s和8 m/s，信道噪聲為標(biāo)準(zhǔn)萊斯噪聲。信道抖動頻譜偏差測試結(jié)果如圖3所示。新算法的信道抖動頻譜偏差與基準(zhǔn)偏差相比，始終較低且波動幅度較小，在節(jié)點高移動條件下的信道抖動頻譜偏差最大僅為1 107 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對照組，顯示了優(yōu)良的抗噪性能，說明本文提出的新算法能夠針對信道噪聲造成的鏈路抖動現(xiàn)象進(jìn)行有效消除，可在傳輸層提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。CCJST算法主要采用直接消除機(jī)制，即針對萊斯噪聲的主要功率譜密度進(jìn)行定點清除，不具備新算法所具有的全頻譜消除能力。因此，信道抖動消除能力要低于新算法。NDPST算法主要采用周期重傳方法，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸受阻時反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，容易造成嚴(yán)重的頻譜堆積效應(yīng)，造成更大范圍的信道抖動，故其信道抖動頻譜偏差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新算法。

3.2 傳輸帶寬測試

新算法與CCJST算法及NDPST算法的傳輸帶寬對比測試結(jié)果如圖4所示。結(jié)果很清晰地表明：新算法傳輸帶寬一直處于優(yōu)勢，顯示了較強的數(shù)據(jù)傳輸能力，說明新算法較好地對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中信號抖動及信道抖動進(jìn)行了抗噪處理，顯著提升了傳輸帶寬。新算法在節(jié)點移動速度較低時（2 m/s）的傳輸帶寬最高能達(dá)到7 000 bit/s，在節(jié)點移動速度較高時（8 m/s）最高能達(dá)1 500 bit/s，較CCJST采用的直接消除機(jī)制及NDPST采用的周期重傳方法相比有明顯的優(yōu)勢。

圖3 信道抖動頻譜偏差測試

圖4 傳輸帶寬測試

3.3 優(yōu)化傳輸性能測試

傳輸性能測試主要是對數(shù)據(jù)丟包率、信道誤碼率兩個指標(biāo)進(jìn)行仿真測試。仿真結(jié)果如圖5所示。新算法的數(shù)據(jù)丟包率及信道誤碼率均處于較低的水平，均比CCJST算法和NDPST算法要低。這是由于新算法大大改善了傳輸性能，降低了信道波動，因此數(shù)據(jù)丟包率與信道誤碼率均較低。因此，CCJST算法采用的直接消除機(jī)制及NDPST算法采用的周期重傳方法，在傳輸性能方面不如本文提出的新算法。

圖5 優(yōu)化傳輸性能測試

4 結(jié)語

提出的基于正交冗余擬態(tài)調(diào)度機(jī)制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸算法，充分利用信道間信號沖擊頻譜與信號瞬時能量的正交特性，大大強化了網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸性能?？紤]到無線傳感節(jié)點的擬態(tài)特性，創(chuàng)造性地使用跳頻方式對調(diào)度閾值進(jìn)行進(jìn)一步匹配，實現(xiàn)了傳輸過程的穩(wěn)定調(diào)度，傳輸性能卓越，仿真對比效果明顯。對該新算法的進(jìn)一步研究，將解決拓?fù)涠秳宇l繁的問題，擬引入傳輸拓?fù)鋭討B(tài)調(diào)度機(jī)制，強化新算法的拓?fù)淇刂菩阅埽嵘滤惴ǖ倪m用場景，促進(jìn)新算法在無線傳感部署中的實際應(yīng)用。

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Data transmission algorithm for wireless sensor network based on orthogonal redundancy pseudo-scheduling mechanism

LI Changchun

(Chuzhou Vocational Technology College, Chuzhou 239000, China)

In view of the problems of frequent link jitter, poor anti-noise performance and spectrum drift in wireless sensor network data transmission, a data transmission algorithm for such network based on quasi-state scheduling mechanism of orthogonal redundancy is proposed. By using the orthogonal characteristics of impulse spectrum and instantaneous energy of signals between channels, an orthogonal redundancy transmission scheme is designed to erase the full spectrum of Rice noise and transmit the spectrum of redundant signals in ultra-wideband. The frequency hopping threshold is constructed based on the pseudo-state characteristics of node signal transmission and the frequency drift characteristics of LTE-5G signal, and the anti-jitter performance of the algorithm is significantly enhanced. This algorithm has high data transmission bandwidth and anti-noise performance, low data packet loss rate and channel error rate.

data transmission algorithms; wireless sensor network; orthogonal redundant transmission; mimetic scheduling mechanism; spectrum drift

TP393

A

1002-4956(2019)09-0124-04

2019-03-25

2019年度安徽高效自然科學(xué)研究項目（KJ2019A1136）；2017年安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程資助項目（2017mooc293）；2018年滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級重點科研立項課題（YJZ-2018-13）；2018年度滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級教學(xué)質(zhì)量立項課題（jxtd004）

李長春（1976—），男，安徽滁州，碩士，副教授，主要研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及安全、物聯(lián)網(wǎng)。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.031