林業監測無線傳感器網絡中的高能效信號設計

王鐵濱，王克奇

（東北林業大學機電工程學院，哈爾濱 150040）

針對林業中的森林防火、林業灌溉等實時監測問題，目前所采取的措施包括人力巡邏、瞭望塔人工觀測、衛星探測等。這些監測方法都需要投入較大的人力和物力，且存在人為疏忽的問題。近年來，面向林業監測的無線傳感器網絡技術是森林工程的研究熱點之一［1－2］。林業監測無線傳感器網絡，可以方便快捷的監測林業中的的各類參數，包括森林火災預警、灌溉頻率信息等，具有重大的經濟意義和價值。

在傳統的傳感器網絡的研究中，能量供應是其運行的重要保障。而面向林業監測的無線傳感器網絡，由于其安全性要求，不能依靠太陽能等能源供給方式。因此，林業監測所使用的無線傳感器網絡與傳統網絡相比，對能量效率具有更嚴格的要求［3］。如何在能量一定的前提下，獲得最多的監測信息，是高能效網絡設計的核心問題。

在無線傳感器能效優化的研究領域，學者們已經在網絡層面提出了很多優化算法方法［4］，但是在物理層的信號傳輸層面，目前尚沒有基于能效的優化設計方案。另一方面，林業傳感器網絡的信道環境由森林構成，考慮到樹木對于無線信號的反射和折射，林業傳感器網絡的無線信號將經歷一個多徑分量比較豐富的物理層傳輸信道。此時傳統的數字通信方式無法高效地實現多徑信道的捕獲和分離，需要借助正交頻分復用（Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術［5］來將多徑分量豐富的森林信道轉化為頻率選擇性衰落信道，在頻域實現信號的恢復。例如，目前提出的應用于林業的ZigBee林業無線傳感網絡就是基于OFDM傳輸技術。

但是，從能量效率的角度來看，OFDM的物理層發射信號是多個子載波的疊加，其包絡具有不恒定性［6］，這嚴重影響了發射端放大器的效率和系統的能量效率，不利于無線傳感器網絡的節能。

本文從物理層信號設計的角度考慮了林業監測無線傳感器網絡中的高能效信號優化設計，通過揭示各類信號處理方法的優勢和劣勢，為林業監測無線傳感器網絡提供了高能效設計的借鑒。

1 OFDM信號的峰均比

OFDM信號是一系列子載波信號的疊加，其發射信號的包絡具有不穩定性。一般用OFDM符號內峰值功率和平均功率的比值（簡稱峰均比）來衡量這種不恒定性。OFDM多載波發射信號的波形，如圖1所示，可以看出，OFDM信號的峰均比波動非常大，這對于發射機的放大器的線性動態范圍提出了很高的要求，且嚴重影響了系統的功率效率和能量效率。

圖1 OFDM信號的峰均比仿真圖Fig.1 PAPR simulation of peak to mean ratio for OFDM signal

2 基于能量損耗的優化算法

為了將OFDM信號的峰均比限制到系統的預定范圍內，該類方法的主要思想是，通過引入信號預失真，或者引入冗余來控制OFDM信號的包絡波動。

2.1 加窗法

加窗法的系統框圖如圖2所示。該方法的基本思想在于:通過在時域OFDM信號上疊加一個加權窗函數，來抑制發射信號的峰均比。該類方法又可以分為限幅法［7］、峰值抵消法［8］和壓縮擴展法［9］三類。

圖2 加窗法系統框圖Fig.2 System framework of windowing method

限幅法對于發射信號超過預定門限的部分進行直接削減，相當于在發射信號上疊加了一個矩形窗。該類方法在頻域會產生很大的帶外輻射。為了彌補這個缺點，峰值抵消法采用其他在是頻域都具有良好特性的窗函數來作為峰值抵消函數以獲得良好的帶外性能。壓縮擴展法的基本思想在于，對高峰值的信號進行包絡壓縮，而對于低峰值的信號進行包絡擴展，在抑制峰均比的同時提升有用信號功率，但這為接收端的信號恢復帶來了困難。

加窗類算法可以在低復雜度的前提下高效控制信號的峰均比，提升發射信號的能效。但其不足在于，影響了系統的傳輸性能，為接收端信號恢復造成了障礙。

2.2 編碼法

編碼方法是指在調制信號輸入OFDM調制器之前，對其進行能效編碼以抑制其包絡波動，如圖3所示。例如可以用具有低峰均比特性的序列對于發射信號進行優化映射以達到控制峰均比的目的。例如，在文獻［10］中，作者從理論上分析了 Golay序列與Reed－Muller碼的關系，給出了基于Reed－Muller碼的生成方式構造Golay序列的方案和基于最大似然法（Maximum Likelihood，ML）的譯碼方案。

圖3 編碼法系統框圖Fig.3 System framework of coding method

編碼法的優勢在于，可以無失真的將信號的包絡壓縮到很低的范圍內，但其具有明顯的不足。一方面，編解碼的復雜度非常高，這為系統設計帶來不便，另外一方面，編碼會引入大量的冗余，這也會嚴重影響系統的能量效率。

2.3 子載波預留法

子載波預留法的系統框圖如圖4所示。子載波預留法［11］的主要思想是，在頻域引入部分子載波，該部分子載波不用于數據傳輸，而用于設計峰值抵消信號以抑制發射信號的峰均比。對于OFDM系統接收端而言，所有接收信號經過IDFT處理后對其進行子載波逐一解調，所以預留子載波在接收端可以被直接丟棄，不會對數據子載波帶來任何損失。因此，該類方法是一種發送信號無失真的峰均比降低方法。

圖4 子載波預留系統框圖Fig.4 System diagram of subcarrier reservation method

該類方法的優勢在于，可以無失真的控制發射信號的峰均比，但子載波預留算法引入了多余的峰值優化子載波，本身也會降低能量效率。

3 基于計算復雜度的優化算法

圖5給出了基于計算復雜度的優化算法的系統框圖。通過數學變換映射，生成多個代表原始信號的備選信號，然后從中選擇峰均比較低的備選信號用于傳輸。該類思想可以看作峰均比抑制性能和計算復雜度的折衷，在峰均比抑制領域引起了廣泛研究。

圖5 基于計算復雜度的優化算法系統框圖Fig.5 Optimization algorithm scheme based on the computation complexity

從圖5可知，該類算法的優化設計主旨在于通過變換映射生成多個備選信號。根據備選信號生成方式的不同，可以分為相位因子［12］、擾碼［13］、交織［14］等方式。

基于計算復雜度的優化算法的優勢在于，不會影響傳輸性能，主要是計算復雜度和峰均比性能的折中。但其缺點在于，一方面計算復雜度的升高也會降低傳感器網絡的能耗，另一方面，接收端需要接收副信息以確定發射信號的序號，從而恢復接收信號，這種方式本身也會使能量效率有所降低。

4 具有高能效的改進OFDM系統

通過對傳統的OFDM系統進行改造，從而為林業監測傳感器網絡設置新的物理信號傳輸方式。這些高能效系統都是近年來提出的新思想，雖然尚有不足之處，但是為高能效的信號設計提供了新的發展方向。

4.1 基于DFT預編碼的OFDM系統

如圖6所示，改進系統［15］在傳統的OFDM調制器之前加入DFT預編碼，聯合載波映射以抑制峰均比，提升能量效率。該系統類似于LTE中的DFT－spread－OFDMA系統，但更適合無線傳感器中的點到點傳輸，且不會帶來計算復雜度的明顯增長，代表了高能效信號設計的新方向。但該系統也具有明顯的缺點，例如峰均比抑制性能受限，僅有2dB左右。

圖6 DFT預編碼的OFDM系統框圖Fig.6 OFDM scheme of precoding by DFT

4.2 恒包絡OFDM系統

恒包絡OFDM［16］在傳統的OFDM調制器之后加入相位調制部分，通過數字信號處理的方法來實現輸出信號的包絡恒定。圖7給出了該系統的實現框圖。與傳統的系統相比，該系統的最大優勢在于，輸出信號的包絡是一個恒定值，徹底解決了峰均比的問題，達到能效最優。但該系統同樣存在缺點，例如復雜度偏高，且引入的相位調制會導致傳輸性能的損失。為了使該系統能夠用于林業監測，還需要考慮對該方法進行進一步拓展，在峰均比和傳輸性能之間取得一個動態的平衡。

圖7 恒包絡OFDM系統框圖Fig.7 System scheme of constant envelope OFDM

5 結論

從物理層發射信號設計出發，著力于提升林業監測無線傳感器網絡的發射信號的能量效率，并從信號峰均比抑制的角度總結了各類物理層信號處理算法。這些算法都可以看作能量效率、傳輸性能、計算復雜度等不同因素的平衡，在系統設計的時候，應根據林業監測的具體需求和環境地貌進行優化選取和設計。本文所總結的信號設計方法，可為具有更高能效的綠色林業無線傳感器網絡的設計提供理論依據。

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