基于自適應噪聲抵消的無線傳感網絡信道優化

龍清 胡光波

摘 要：無線傳感器網絡通信技術廣泛應用在物聯網近場通信、水聲通信等領域。無線傳感網絡通信信道受到多途干擾，導致信道失衡，需要進行信道均衡模型設計。提出一種基于自適應噪聲抵消的無線傳感器網絡通信信道優化技術，首先構建了無線傳感網絡通信的信道模型，對無線傳感器網絡信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進行重組，采用自適應噪聲抵消算法進行信道的多途干擾濾波，結合最小二乘（RLS）準則算法進行無線傳感器網絡通信信道均衡設計。仿真結果表明，采用該通信信道均衡技術能有效提高無線傳感器網絡通信的信道質量，降低通信傳輸失真和誤比特率，實現信道自適應均衡，提高通信的抗干擾能力。

關鍵詞：自適應噪聲抵消；無線傳感網絡；通信信道；均衡

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A

Abstract： Wireless sensor network communication technology is widely applied in the field of Internet of things near field communication， underwater acoustic communication， the wireless sensor network communication channel by multi-path interference and lead to an imbalance of channel， channel equalization model design. Proposed a wireless sensor communication channel based on adaptive noise cancellation optimization technique. Firstly， we build the channel model of wireless sensor network communication. The wireless sensor network communication channel in the process of decay signal loss and various paths of the reorganization， the adaptive noise cancellation algorithm for channel multipath interference filter， combined with the least square （RLS） criterion algorithm for wireless sensor communications channel equalization design. Simulation results show that using the communication channel equalization technique can effectively improve the quality of the wireless sensor network communication channel， reduce the communication transmission distortion and bit error rate， the realization of the adaptive channel equalization， the anti-interference ability to improve communication.

Keywords： adaptive noise cancellation； wireless sensor networks； communication channel； equalization

0 引言

隨著通信技術的發展，通信的種類和應用領域不斷擴大，通信就是通過通信介質和通信信道，將需要傳輸的聲音、文字、數據、圖像等電信號調制在無線電波上，實現數據傳輸。通信根據頻率和波長的差異，通信大致可分為長波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信。無線傳感器網絡通信是一種新型的通信方式，無線傳感器網絡通信是利用傳感器技術，通過數據調制濾波和節點，經空間和地面傳至對方的通信方式。無線傳感器網絡通信借助無線電波具有的波動傳遞信息的功能，人們可以省去敷設導線的麻煩，實現更加自由、更加快捷的通信，因此，無線傳感器網絡通信將在軍事、民用等各個領域展現較好的應用價值[1-3]。

而今，無線傳感網絡通信不斷深入發展，無線傳感器網絡通信技術廣泛應用在物聯網近場通信、水聲通信等領域，無線傳感網絡通信信道受到多途干擾，導致信道失衡，需要進行信道均衡模型設計[4]。傳統方法中，對無線傳感網絡通信的信道均衡設計技術主要有基于最小均方誤差的自適應均衡算法、基于直接序列擴頻的信道均衡算法和基于最小二乘（RLS）準則的無線傳感網絡信道自適應算法[5-9]，通過構建無線傳感網絡通信信道的線性和非線性均衡器，包括線性橫向均衡器、線性格型均衡器等，實現無線傳感網絡通信的信道均衡，取得了一定的研究成果。但是，傳統的信道均衡算法在通信信道受到大量的碼間干擾和多途干擾的時，通信傳輸的質量不好，信道均衡性能不高，無線傳感器網絡信道要復雜得多，且在時間、頻率、空間上呈現明顯的多變性，傳統的信道均衡技術不能滿足無線傳感器網絡信道均衡設計的需求，需要進行算法改進設計[10-12]。針對上述問題，本文提出一種基于自適應噪聲抵消的無線傳感器網絡通信信道優化技術，首先構建了無線傳感網絡通信的信道模型，對無線傳感器網絡信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進行重組，采用自適應噪聲抵消算法進行信道的多途干擾濾波，結合最小二乘（RLS）準則算法進行無線傳感器網絡通信信道均衡設計。最后通過仿真實驗進行性能測試，仿真結果表明，采用該通信信道均衡技術能有效提高無線傳感器網絡通信的信道質量，降低通信傳輸失真和誤比特率，實現信道自適應均衡，提高通信的抗干擾能力，得出有效性結論。

1 無線傳感網絡通信的信道模型和信號重組

1.1 無線傳感網絡通信的信道模型

為了實現對無線傳感器網絡通信信道的優化設計，首先給出無線傳感器網絡通信系統的系統模型和信道模型，無線傳感器網絡通信系統的多徑信道模型采用BPSK調制碼元的分布設計。無線傳感器網絡信道是一種時變多徑衰落無線信道，具有多徑干擾強、傳輸時延大、相位偏移嚴重的特性，無線傳感器網絡信道傳播過程中遇到各種非期望反射體，如上、下表面、水中物體、非均勻水團等，引起反射和散射，得到無線傳感網絡通信的信道傳輸的信噪比損失為：

從圖可見，無線傳感器網絡通信系統由發射換能器和接收換能器組成，發射換能器和接收換能器之間的傳播路徑主要由界面反射和直達路徑組成，由此構建無線傳感網絡通信的信道模型如圖2所示。

在上述構建的無線傳感網絡通信的信道模型基礎上，進行通信信號分析，實現信道均衡和優化設計。

1.2 無線傳感網絡通信信號分析

在上述構建了無線傳感網絡通信的信道模型的基礎上，進行信號分析，在無線傳感器網絡通信系統中，當傳輸信號為窄帶信號，采用QAM調制，對輸入的比特流進行串并轉換和調制，在QAM調制信道模型中，無線傳感網絡通信陣列單元接收到的無線傳感器網絡通信數據信號模型為：

通過上述無線傳感網絡通信信號分析，結合相干通信接收機或已知或估計出發射機的載頻頻率進行調制解調，發射機載頻和相位信息，進行信道優化設計。

2 自適應噪聲抵消及無線傳感器網絡通信信道優化實現

2.1 問題的提出和自適應噪聲抵消器設計

在上述進行了無線傳感網絡通信的信道模型和信號分析的基礎上，進行無線傳感器網絡通信信道優化，本文提出一種基于自適應噪聲抵消的無線傳感器網絡通信信道優化技術，結合上述構建的無線傳感網絡通信的信道模型，對無線傳感器網絡信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進行重組，采用自適應噪聲抵消算法進行信道的多途干擾濾波，自適應噪聲抵消器如圖3所示。

3 仿真實驗與性能分析

為了測試本文設計的基于自適應噪聲抵消的無線傳感網絡信道均衡算法的應用性能，進行仿真實驗。仿真條件為：信號采用BPSK信號，碼元速率為1kBaud，載波頻率為3kHz，采樣頻率是信號載波頻率的10倍，，信噪比為0dB。判決反饋均衡器中前饋濾波器階數為24，反饋均衡器的階數為3，前饋濾波器階數為24，反饋均衡器的階數也為3，迭代步長均為0.01。根據上述仿真環境和參數設定，進行無線傳感器網絡通信信道均衡仿真分析，首先給出經過多徑信道和噪聲污染后的無線傳感器網絡通信系統輸入端的信號波形如圖5所示。

圖5可見，原始的通信信號波形受到多徑信道和噪聲污染，通信質量不好，采用自適應噪聲抵消算法進行信道的多途干擾濾波，結合最小二乘（RLS）準則算法進行無線傳感器網絡通信信道均衡，為了對比性能，采用均衡輸出信號和標準信號進行比較，得到自適應噪聲抵消和信道均衡處理后均衡無線傳感網絡輸出信號和標準信號如圖6所示。

從圖可見，經過自適應噪聲抵消和信道均衡處理后輸出信號具有較好的信號跟蹤和降噪性能，提高了輸出信噪比，對于解調信號用自適應噪聲抵消算法進行信道均衡處理后，分別在碼元1/3和2/3處進行抽樣，前饋濾波器階數為24，得到學習曲線如圖7所示。

從圖可見，采用本文算法進行無線傳感網絡通信信道均衡設計，具有較好的學習性能，收斂性較好。為了定量對比算法對無線傳感網絡通信傳輸的改善能力，以均衡器處理后的誤比特性能為測試指標，如圖8所示，從圖可見，采用本文方法進行通信的誤碼元為5碼元，誤碼率為0.92%，比傳統方法降低了較大的幅度，展示了其優越性。

4 結束語

本文研究了無線傳感器網絡信道優化問題，無線傳感器網絡通信技術廣泛應用在物聯網近場通信、水聲通信等領域，無線傳感網絡通信信道受到多途干擾，導致信道失衡，需要進行信道均衡模型設計。本文提出一種基于自適應噪聲抵消的無線傳感器網絡通信信道優化技術，首先構建了無線傳感網絡通信的信道模型，對無線傳感器網絡信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進行重組，采用自適應噪聲抵消算法進行信道的多途干擾濾波，結合最小二乘準則算法進行無線傳感器網絡通信信道均衡設計。研究表明，采用該通信信道均衡技術能有效提高無線傳感器網絡通信的信道質量，降低通信傳輸失真和誤比特率，實現信道自適應均衡，提高通信的抗干擾能力，展示了較高的應用價值。

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作者簡介：

龍 清（1980-），女，碩士，工程師，主要研究方向：計算機應用，計算機網絡通信技術。

胡光波（1983-），男，西北工業大學碩士，工程師，主要研究方向：信號與信息處理。