基于正交冗余擬態調度機制的無線傳感網絡數據傳輸算法

李長春

基于正交冗余擬態調度機制的無線傳感網絡數據傳輸算法

李長春

（滁州職業技術學院，安徽 滁州 239000）

針對無線傳感網絡數據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調度機制的無線傳感網絡數據傳輸算法。利用信道間信號沖激頻譜與信號瞬時能量的正交特性，設計了正交冗余傳輸方案，實現了對萊斯噪聲全頻譜擦除及冗余信號頻譜的超寬帶傳輸。基于節點信號發射的擬態特性和LTE-5G信號的頻率漂移特性構建了跳頻調控閾值，顯著增強算法的抗抖動性能。該算法具有較高的數據傳輸帶寬與抗噪性能，較低的數據丟包率和信道誤碼率。

數據傳輸算法；無線傳感網絡；正交冗余傳輸；擬態調度機制；頻譜漂移

無線傳感網絡是由大量分布于檢測區域內靜止或移動的傳感器節點，通過無線通信和自組織的方式連接構建的網絡系統，主要依賴傳感節點對網絡覆蓋區域內的數據進行感知、采集、傳輸到匯聚節點，以便于做進一步深入分析。由于無線傳感網中鏈路一般處于開放的環境中，惡劣的監測環境、災難性的事件或能量耗盡都會導致傳感器節點的失效，周圍環境也會影響無線鏈路的通信質量。另外，無線通信鏈路本身也存在不可靠因素[1]，這些不可靠因素導致節點數據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，使得感知數據在傳輸中出現數據缺失、誤碼及延遲現象[2]。無線傳感網絡節點需要利用有限的能量傳輸盡可能多的數據，使得網絡具有很好的魯棒性，解決數據傳輸效率以及穩定性、可靠性等傳輸優化和節能問題。

近年來，許多學者對這些問題進行了研究并取得一些成果，提出了一些新的網絡數據傳輸算法[3-5]，但這些算法在網絡背景噪聲、網絡擁塞、數據匯聚、實現機制等方面尚需改進。基于此，本文提出一種基于正交冗余擬態調度機制的無線傳感網絡傳輸算法（以下簡稱“新算法”）。新算法針對無線傳感網絡使用的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，構建基于正交冗余的無線傳感網絡傳輸方案，能夠顯著強化信號抗噪性能，提升無線傳感網絡節點的抗信道抖動效果，便捷進行噪聲擦除，增加網絡傳輸帶寬。此外，利用無線傳感網絡的節點信號發射具有的擬態特性，設計一種全新的擬態調度方法，通過跳頻方式構建調度閾值，實現數據可控、穩定調度傳輸，進一步提高了算法的穩定性能。

1 數據傳輸算法設計

現有的無線傳感網絡使用場景逐步呈現移動化及分散化，特別是當前無線傳感網絡與物聯網呈現高度融合的態勢。無線傳感網絡是動態的網絡，具備動態拓撲組織功能，流動性也呈現增加的趨勢。并且，LTE與5G雙連接是未來5G部署的主要選擇，因此LTE-5G制式節點將逐步取代傳統固定式部署節點[6]。新算法的節點信號調制方式均采用標準LTE-5G信號調制方式，節點使用LTE-5G協議棧進行通信，信號傳輸模式采用并發方式。整個算法分為正交冗余傳輸和擬態調度兩部分[7]。

1.1 正交冗余傳輸方法

式（1）為信號特征頻譜進行預發射時的沖激，當無線傳感網絡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。

新算法詳細步驟如下：

（1）按式（1）逐個節點進行信號發射預成型；

（2）對信號按頻譜進行信道響應，提取特征頻譜并按按式（2）進行信號預成型；

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

（4）接收端進行濾波處理，數據傳輸結束。

1.2 擬態調度方法

由無線傳感的信號傳輸理論（式（1））可知，信號發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射頻譜上擬態特性，即相鄰子信號傳輸中的發射頻譜具有疊加性與漂移特性，需要在數據傳輸中考慮這個因素，以便降低信道中萊斯噪聲與漂移態信號之間的疊加，進一步提高算法的傳輸性能。

式中，send表示節點能量最大值，rev表示下一跳節點的冗余傳輸帶寬；表示節點覆蓋區域的半徑。為保證調度質量，將send進行跳頻處理：

單純使用調度閾值進行數據傳輸調度可能產生沖突問題，即上一傳輸周期的數據與下一傳輸周期的 數據會產生一定的冗余沖突[9]，因此構建裁決閾值d如下：

式中表示信道噪聲的功率譜密度函數，一般可通過對式（1）抽樣獲取。

擬態調度方法算法流程如圖2所示。

圖2 擬態調度方法算法流程

算法步驟如下：

（1）待發射節點進入預調度狀態，以便進行信號發射前的準備工作，按式（8）所示確定當前時刻網絡的擬態調度閾值；

（2）待發射節點搜尋網絡中下一跳傳輸節點，并根據式（9）、式（10）匹配下一跳節點的裁決閾值，若該節點處于發射狀態的頻譜能夠支持信道發射，則當且僅當下一跳節點的能量高于式（10）所示的裁決閾值時，數據通過信號發射的方式進行傳輸，本次調度方法結束。

2 仿真環境分析

對本文提出的基于正交冗余擬態調度機制的無線傳感網絡數據傳輸算法進行仿真分析，并與采用超混沌信道抖動穩定傳輸算法[11]（CCJST）及節點數據周期穩定傳輸算法[12]（NDPST）進行對比。仿真對比指標為信道抖動頻譜偏差、傳輸帶寬、數據丟包率、信道誤碼率等。

實驗采用NS-2仿真平臺對新算法進行仿真實驗，節點分布為矩形區域，長、寬均為2000 m；節點分布模型采用隨機散布模型，個數不超過100個；節點移動速度不超過10 m/s；信號調制方式均采用標準LTE-5G信號調制方式：512QPSK調制；信道噪聲使用標準萊斯噪聲分布。仿真參數設置為：

（1）采樣范圍：1000 m×1000 m

（2）節點移動速度：≤10 m/s

（3）節點分布模型：隨機抖動

（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，節點移動速度分別為2 m/s和8 m/s，信道噪聲為標準萊斯噪聲。信道抖動頻譜偏差測試結果如圖3所示。新算法的信道抖動頻譜偏差與基準偏差相比，始終較低且波動幅度較小，在節點高移動條件下的信道抖動頻譜偏差最大僅為1 107 Hz，遠遠低于對照組，顯示了優良的抗噪性能，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象進行有效消除，可在傳輸層提高無線傳感網絡的傳輸能力。CCJST算法主要采用直接消除機制，即針對萊斯噪聲的主要功率譜密度進行定點清除，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，當數據傳輸受阻時反復進行數據傳輸，容易造成嚴重的頻譜堆積效應，造成更大范圍的信道抖動，故其信道抖動頻譜偏差要遠遠高于新算法。

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果如圖4所示。結果很清晰地表明：新算法傳輸帶寬一直處于優勢，顯示了較強的數據傳輸能力，說明新算法較好地對無線傳感網絡中信號抖動及信道抖動進行了抗噪處理，顯著提升了傳輸帶寬。新算法在節點移動速度較低時（2 m/s）的傳輸帶寬最高能達到7 000 bit/s，在節點移動速度較高時（8 m/s）最高能達1 500 bit/s，較CCJST采用的直接消除機制及NDPST采用的周期重傳方法相比有明顯的優勢。

圖3 信道抖動頻譜偏差測試

圖4 傳輸帶寬測試

3.3 優化傳輸性能測試

傳輸性能測試主要是對數據丟包率、信道誤碼率兩個指標進行仿真測試。仿真結果如圖5所示。新算法的數據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，因此數據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 優化傳輸性能測試

4 結語

提出的基于正交冗余擬態調度機制的無線傳感網絡傳輸算法，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，大大強化了網絡的安全傳輸性能。考慮到無線傳感節點的擬態特性，創造性地使用跳頻方式對調度閾值進行進一步匹配，實現了傳輸過程的穩定調度，傳輸性能卓越，仿真對比效果明顯。對該新算法的進一步研究，將解決拓撲抖動頻繁的問題，擬引入傳輸拓撲動態調度機制，強化新算法的拓撲控制性能，提升新算法的適用場景，促進新算法在無線傳感部署中的實際應用。

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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研究項目（KJ2019A1136）；2017年安徽省高等學校省級質量工程資助項目（2017mooc293）；2018年滁州職業技術學院校級重點科研立項課題（YJZ-2018-13）；2018年度滁州職業技術學院校級教學質量立項課題（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網絡及安全、物聯網。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.031