李長(zhǎng)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(zhǎng)春

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中鏈路抖動(dòng)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(hào)沖激頻譜與信號(hào)瞬時(shí)能量的正交特性，設(shè)計(jì)了正交冗余傳輸方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)萊斯噪聲全頻譜擦除及冗余信號(hào)頻譜的超寬帶傳輸?；诠?jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)射的擬態(tài)特性和LTE-5G信號(hào)的頻率漂移特性構(gòu)建了跳頻調(diào)控閾值，顯著增強(qiáng)算法的抗抖動(dòng)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(cè)區(qū)域內(nèi)靜止或移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)對(duì)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(diǎn)，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(cè)環(huán)境、災(zāi)難性的事件或能量耗盡都會(huì)導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)的失效，周圍環(huán)境也會(huì)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(diǎn)數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在鏈路抖動(dòng)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(diǎn)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(duì)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(shí)現(xiàn)機(jī)制等方面尚需改進(jìn)?；诖?，本文提出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)傳輸算法（以下簡(jiǎn)稱“新算法”）。新算法針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用的LTE-5G信號(hào)存在的冗余問題，利用信道間信號(hào)沖擊頻譜與信號(hào)瞬時(shí)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(qiáng)化信號(hào)抗噪性能，提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的抗信道抖動(dòng)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(diǎn)信號(hào)發(fā)射具有的擬態(tài)特性，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)

現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用場(chǎng)景逐步呈現(xiàn)移動(dòng)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(shì)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，具備動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能，流動(dòng)性也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。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(diǎn)將逐步取代傳統(tǒng)固定式部署節(jié)點(diǎn)[6]。新算法的節(jié)點(diǎn)信號(hào)調(diào)制方式均采用標(biāo)準(zhǔn)LTE-5G信號(hào)調(diào)制方式，節(jié)點(diǎn)使用LTE-5G協(xié)議棧進(jìn)行通信，信號(hào)傳輸模式采用并發(fā)方式。整個(gè)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(hào)特征頻譜進(jìn)行預(yù)發(fā)射時(shí)的沖激，當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)完成次沖激時(shí)接收到的信號(hào)頻譜為

顯然，式（5）中任意兩個(gè)非周期時(shí)刻信號(hào)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(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射預(yù)成型；

（2）對(duì)信號(hào)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(hào)預(yù)成型；

（3）按式（5）進(jìn)行正交取樣，并對(duì)下一個(gè)周期內(nèi)傳輸信號(hào)的相位旋轉(zhuǎn)90o，形成信號(hào)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(hào)傳輸理論（式（1））可知，信號(hào)發(fā)射均采用沖激方式形成特征頻譜，因此各信號(hào)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(hào)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(gè)因素，以便降低信道中萊斯噪聲與漂移態(tài)信號(hào)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(diǎn)能量最大值，rev表示下一跳節(jié)點(diǎn)的冗余傳輸帶寬；表示節(jié)點(diǎn)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(huì)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(duì)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(diǎn)進(jìn)入預(yù)調(diào)度狀態(tài)，以便進(jìn)行信號(hào)發(fā)射前的準(zhǔn)備工作，按式（8）所示確定當(dāng)前時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的擬態(tài)調(diào)度閾值；

（2）待發(fā)射節(jié)點(diǎn)搜尋網(wǎng)絡(luò)中下一跳傳輸節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)式（9）、式（10）匹配下一跳節(jié)點(diǎn)的裁決閾值，若該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的能量高于式（10）所示的裁決閾值時(shí)，數(shù)據(jù)通過信號(hào)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(duì)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(dòng)穩(wěn)定傳輸算法[11]（CCJST）及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)周期穩(wěn)定傳輸算法[12]（NDPST）進(jìn)行對(duì)比。仿真對(duì)比指標(biāo)為信道抖動(dòng)頻譜偏差、傳輸帶寬、數(shù)據(jù)丟包率、信道誤碼率等。

實(shí)驗(yàn)采用NS-2仿真平臺(tái)對(duì)新算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)分布為矩形區(qū)域，長(zhǎng)、寬均為2000 m；節(jié)點(diǎn)分布模型采用隨機(jī)散布模型，個(gè)數(shù)不超過100個(gè)；節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不超過10 m/s；信號(hào)調(diào)制方式均采用標(biāo)準(zhǔn)LTE-5G信號(hào)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(diǎn)移動(dòng)速度：≤10 m/s

（3）節(jié)點(diǎn)分布模型：隨機(jī)抖動(dòng)

（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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 信道抖動(dòng)頻譜偏差測(cè)試

在信道抖動(dòng)頻譜偏差仿真實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)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(dòng)頻譜偏差測(cè)試結(jié)果如圖3所示。新算法的信道抖動(dòng)頻譜偏差與基準(zhǔn)偏差相比，始終較低且波動(dòng)幅度較小，在節(jié)點(diǎn)高移動(dòng)條件下的信道抖動(dòng)頻譜偏差最大僅為1 107 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)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(duì)信道噪聲造成的鏈路抖動(dòng)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(duì)萊斯噪聲的主要功率譜密度進(jìn)行定點(diǎn)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(dòng)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(shí)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(dòng)，故其信道抖動(dòng)頻譜偏差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新算法。

3.2 傳輸帶寬測(cè)試

新算法與CCJST算法及NDPST算法的傳輸帶寬對(duì)比測(cè)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(shì)，顯示了較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，說明新算法較好地對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)抖動(dòng)及信道抖動(dòng)進(jìn)行了抗噪處理，顯著提升了傳輸帶寬。新算法在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較低時(shí)（2 m/s）的傳輸帶寬最高能達(dá)到7 000 bit/s，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較高時(shí)（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(shì)。

圖3 信道抖動(dòng)頻譜偏差測(cè)試

圖4 傳輸帶寬測(cè)試

3.3 優(yōu)化傳輸性能測(cè)試

傳輸性能測(cè)試主要是對(duì)數(shù)據(jù)丟包率、信道誤碼率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行仿真測(cè)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(dòng)，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(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

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(hào)沖擊頻譜與信號(hào)瞬時(shí)能量的正交特性，大大強(qiáng)化了網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸性能?？紤]到無線傳感節(jié)點(diǎn)的擬態(tài)特性，創(chuàng)造性地使用跳頻方式對(duì)調(diào)度閾值進(jìn)行進(jìn)一步匹配，實(shí)現(xiàn)了傳輸過程的穩(wěn)定調(diào)度，傳輸性能卓越，仿真對(duì)比效果明顯。對(duì)該新算法的進(jìn)一步研究，將解決拓?fù)涠秳?dòng)頻繁的問題，擬引入傳輸拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制，強(qiáng)化新算法的拓?fù)淇刂菩阅埽嵘滤惴ǖ倪m用場(chǎng)景，促進(jìn)新算法在無線傳感部署中的實(shí)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(xiàng)目（KJ2019A1136）；2017年安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程資助項(xiàng)目（2017mooc293）；2018年滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)科研立項(xiàng)課題（YJZ-2018-13）；2018年度滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)教學(xué)質(zhì)量立項(xiàng)課題（jxtd004）

李長(zhǎng)春（1976—），男，安徽滁州，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及安全、物聯(lián)網(wǎng)。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.031