協同信號驅動和區域健壯性感知的機會可靠傳輸機制*

李　甜， 戴曉霞， 陳觀林

(浙江大學 城市學院,浙江 杭州 310015)

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協同信號驅動和區域健壯性感知的機會可靠傳輸機制*

李甜， 戴曉霞， 陳觀林

(浙江大學 城市學院,浙江 杭州 310015)

摘要:針對無線傳感器網絡中區域通信特性和信號驅動問題，研究了一種能夠提供高效可靠數據通信的基于協同信號驅動和區域健壯性感知的機會可靠傳輸機制。首先基于信號冗余度、并行通信和信號融合，建立了多路徑傳輸協同信號驅動模型；基于區域劃分建立子網序列狀態矩陣，構建區域健壯性感知模型；提出了一種適用于無線傳感器網絡的高效可靠的機會可靠傳輸機制。數學分析與實驗結果表明:所提出的傳輸機制在實時性、穩定性、可靠性、信號識別等方面具有優秀表現。

關鍵詞：無線傳感器網絡; 協同信號； 健壯性； 可靠傳輸

0引言

無線傳感器網絡大規模部署的節點信號通信范圍小，一般通過與鄰居節點合作通信，為網絡整體監控覆蓋范圍提供服務[1]，因此,劃分區域成為一種有效的拓撲格局。無線傳感器網絡劃分區域后，區域內部管理和區域間合作主要包括:協同信號處理[2]，差分協同信號[3]、分布式協同信號識別、區域能效和結構健壯性。因此，為端到端通信提供服務成為首要解決的關鍵問題之一。

協同信號處理方面，文獻[4]針對多批處理調度問題，基于信號驅動提出了綜合調度算法。Kar S 等人[5]研究了由多個傳感器節點和融合中心組成的功率受限的無線傳感器網絡，通過更新線性觀測提出一種傳感器節點分布式架構。Naeem M K等人[6]通過合作資源選擇和傳輸方案，提高維護鏈路可靠性方面的協作的無線傳感器網絡的性能。

網絡健壯性方面，文獻[7]結合質量特性和設計約束的綜合健壯性, 研究了望小特性模糊健壯設計的分位數型設計準則。文獻[8]將模板法和區域分解法相結合提出一種有效保障型模板方案的有效性和健壯性的選擇型模板方案。文獻[9]構建傳感器覆蓋模型，基于傳感器覆蓋與連通標準，研究了傳感器區域覆蓋算法。

由于上述研究忽略了信號驅動的協同特點和區域內部及與鄰接區域的健壯性對系統性能的影響，因此，本文首先針對信號冗余度和多跳傳輸建立了協同信號驅動模型，接著提出了網絡區域健壯性感知模型，最后基于健壯性結合單區域協同信號驅動和多區域信號協同分配提出了一種適用于無線傳感器網絡的高效可靠的機會可靠傳輸機制。

1協同信號驅動模型

在監控區域內，部署的多個傳感器節點通過自組織方式構建無線傳感器網絡，信號由發送節點到達接收節點需經過多跳傳輸，而且存在多條傳輸路徑，面臨以下幾個問題：

1)來自不同節點的監控對象采集信號冗余度；

2)多跳多路徑傳輸的不同信號的行通信；

3)對于接收端，收到來自不同發送節點針對同一監控對象的信號后的數據融合。

針對上述問題，假設發送信號為Si，其中，i為多個發送端節點，φi為信號強度，P(Si|φi)為第i個發送節點的發送功率，則接收端接收功率如式(1)所示

(1)

式中φ為接收信號冗余度，通過每兩個發送節點的信號進行迭代分析后統計得到。TS為接收信號總和，R為去除冗余數據融合后信號，M為同時向接收端發送同一監控對象采集數據信號的發送端節點個數。

基于式(1)的多路徑傳輸的信號融合，給出多路信號經多跳傳輸到達接收端后路徑損耗η如式(2)所示

(2)

式中d為發送端與接收端距離，dH為每跳傳輸兩點間距離，Hop為一次信號傳輸所需跳數，c為損耗常量，γ為路徑損耗平衡因子，表征信號強度隨點到點距離的變化而衰減進行基于端到端傳輸路徑的能量平衡。

在接收端的信號接收功率和多跳傳輸路徑損耗的基礎上，得出接收信號y(t)如式(3)所示

(3)

式中h(t)為t時刻多路徑信號間冗余度。多路徑傳輸信號存在式(4)所示沖激映射關系

(4)

進一步，圖1給出了多路徑信號傳輸過程中信號冗余、干涉與融合狀態轉移。發現轉發節點會接收來自不同發送端節點的信號，通過并行通信方式轉發冗余信號，建立信號協同機制，具體步驟如下：

1)多路信號分解得出冗余部分，參照式(5)實現

圖1　多跳傳輸信號沖擊Fig 1　Multi-hop transmission signal impulse

(5)

2)轉發節點對多路信號冗余部分進行融合，參照式(6)實現

(6)

3)融合后信號建立協同關系，參照式(7)實現

(7)

4)接收端與轉發節點依據協同關系，驅動發送端節點進行監控對象信號采集與發送，參照式(8)實現

(8)

式中δ為驅動平衡因子。協同信號驅動發送端節點采集和發送信號時綜合考慮了路徑損耗和多路傳輸能耗平衡問題。由于每條傳輸路徑特性、信號強度、信道衰減和轉發節點冗余度具有隨機性，因此，協同信號驅動必須具有自適應調節能力，調節控制決策可依據式(9)進行分析得到

(9)

式中D為調節出發開關因子，在自適應調節過程中作為開關變量決定是否激發調節。

2網絡區域健壯性感知模型

無線傳感器網絡根據監控對象和數據轉發需求，一般劃分為多個區域，每個區域內部傳感器節點自組織一個子網，需要與其它區域建立通信時可由匯聚節點擔任網關。每個區域建立獨立的子網狀態矩陣，基于監控對象、傳輸路徑和路徑損耗等因素與接收端建立感知，利用區域性狀態信息,既可以減少因大規模部署的無線傳感器網絡通過自組織方式構建網絡所需的大量廣播信息和確認信息包,又可以避免因部分節點失效而導致整個系統崩潰，區域劃分后無線傳感器網絡部署架構如圖2所示。

圖2　區域劃分網絡拓撲Fig 2　Wetwork topology sfter regional division

圖2中，將網絡監控區域劃分為多個矩形區域。假設區域i采集到數據后向接收端發送信號，既可以直接到達接收端，又可以經區域j轉發后達到接收端。

假設X(i,j)為劃分后第i行j列個區域。Y為經多個區域發送轉發到達接收端后經融合產生的信號

(10)

結合區域路徑損耗后，區域信號狀態如式(11)所示

(11)

網絡區域與信號狀態映射關系如圖2所示，其中,信號狀態通過結合式(10)和式(11)得到優化，進一步強化區域信號沖激響應關系。由此可以統計得到各個區域的實時子網狀態，包括發射信號強度、信號間干擾、冗余度和路徑損耗，為了感知區域健壯性，分別進一步從區域平均能量、瞬時信噪比、互信息量和中斷概率等方面建立區域健壯性感知模型。

通過區域信號空間和監控對象檢測弧度，以最小化區域負載為目標，傳感器節點將區域狀態X與狀態參數建立映射關系。因此，區域拓撲因子ATP和狀態因子AS如式(12)所示

(12)

其中，狀態因子AS計算結果后進一步優化定義為1,2,3,4,5，數字越大表明區域狀態越穩定且性能優。

基于上述分析，給出無線傳感器網絡區域健壯性判定參數：

1)區域匯聚發送信號強度:可由式(3)將M設置為1且t為該區域傳輸信號時長。

2)區域損耗比重:可由式(2)將M設置為1且跳數Hop設置為區域長度。

3)接收端收到來自該區域信號強度:可由式(1)和式(8)結合計算得到。

4)區域拓撲強度:可由式(12)將m和n根據區域劃分矩陣獲得列數和行數，計算得到。

5)區域狀態評價:可由與式(4)獲得方式同理。

在區域健壯性定義基礎上，給出感知策略，滿足以下條件之一，即表明該區域健壯性減弱需要通過重組進行重構：

1)該區域的匯聚發送信號強度與歷史數據相比減弱50 %。

2)該區域損耗比重，縱向比較增大30 %或者剩余能量占總能量比例低于30 %。

3)接收端收到來自該區域信號強度在所有同類監控對象數據來源中位于末尾。

4)該區域拓撲強度與鄰居區域相比低于20 %。

5)該區域狀態評價指數小于3。

3機會可靠傳輸機制

協同信號驅動以區域內節點間協同合作為核心，基于節點發送信號強度和路徑損耗，結合節點間信號沖激權重因子，以信號所示監控對象信息為驅動對象，實現在區域健壯性保障前提下的最大化資源利用和可靠信號傳輸。

隨著區域拓撲因子ATP和狀態因子AS的變化，區域內節點進行區域健壯性感知、協同信號驅動和區域重構等操作。區域拓撲因子ATP和狀態因子AS的取值會因信號發送功率、信號強度、信號間干擾和區域規模等因素發生變化，如式(12)所示，因此，它們的取值會發生抖動性改變，對區域健壯性和節點間信號協同產生重要影響。

如果轉發節點發送的信號強度增大，則信號驅動下一跳節點協同。對比發送端節點信號強度，如果為正，則下一跳節點可不增大發送功率；否則，在接收信號強度基礎上增大功率，然后將信號轉發給下一跳節點，因此，信號轉發成功概率如式(13)所示

(13)

其中，函數ρ用于感知當前區域健壯性綜合評價結果。為了評價更為準確和實時，評價前考慮了調節出發開關因子取值和融合后信號強度。

在區域內協同信號驅動時發送端節點和轉發節點感知區域健壯性過程可能因信息不對稱或延遲而發生沖突，因此，針對以下4種情況進行協同信號驅動優化：

1)區域內轉發節點間轉發信號強度差大于0.5 %時，信號強度較強的節點需要等待一個周期，消除抖動。

2)區域內轉發節點間轉發信號強度一致，只需要感知區域健壯性的AS，確定區域拓撲是否覆蓋接收端。

3)區域內某一節點的路徑損耗較為嚴重，該節點不再參與協同驅動。

4)當區域內30 %的節點滿足第2節中所述區域健壯性減弱條件，則該區域需要與其鄰接區域通過合并實現重構，使重構的區域健壯性達到協同信號驅動條件。

因此，區域內感知健壯性的互信息量如式(14)所示

(14)

其中，根據區域健壯性感知參數評價結論判定該區域是否需要重構，從而計算互信息量。

區域內節點機會可靠傳輸流程如圖3所示。其中，發送端與接收端之間建立端到端通信。通信過程基于區域健壯性感知進行內節點協同信號驅動，從而通過機會傳輸方式提供可靠性保障。根據式(7)分析信號融合度，為區域內節點建立協同關系，從而驅動信號轉發。

圖3　區域內節點機會可靠傳輸Fig 3　Opportunity reliable transmission of node in regional

如果無法在發送端與接收端之間建立單區域端到端通信，則需要鄰接區域加入機會傳輸過程。區域間通過感知區域健壯性，對協同信號進行分配，驅動端到端機會通信。從發送端到接收端經區域矩陣X如式(11)所示，驅動協同信號向量B(m,n)∈{區域i:ATP,AS,Yi}，其中,計算Yi時需要考慮區域i的匯聚轉發節點正確譯碼概率Ped。

綜上所述，基于協同信號驅動和感知區域健壯性的無線傳感器網絡機會可靠傳輸機制，描述如下：

1)部署后的網絡進行區域劃分，得到矩陣X和網絡規模參數m,n。

2)每個區域內根據信號狀態建立協同驅動，并獲得接收端信號y(t)，協同關系β和映射矩陣A。

3)根據端到端通信需求判定單區域或多區域通信，若單區域可到達接收端,則執行第4步;否則,轉第5步。

4)根據區域拓撲因子ATP和狀態因子AS的取值結合該區域信號發送功率、信號強度等因素,在消除時延抖動的同時根據協同信號驅動節點信號轉發。

5)根據矩陣X得到鄰接區域，感知鄰接區域健壯性，對協同信號進行分配，接著驅動端到端機會通信。

4性能分析

針對本文所提出的機會可靠傳輸機制，分別采用數學分析和實驗對比的方法，從協同信號驅動實時性和能效，區域健壯性變化對該機制的影響以及信號識別率等方面進行性能分析與驗證。

第一組實驗采用數學分析的方法驗證協同信號驅動下與非協同信號下無線信號傳輸性能，包括傳輸時延，結果如圖4所示。分析中考慮傳播路徑損耗η和信道質量參數信噪比，20個傳感器節點均勻部署在矩形區域內，自組織劃分為4個區域，區域內誤符號率PSER可由式(15)得到

(15)

從圖4中可以看出:區域內通過協同信號驅動無線信號傳輸，可以實時感知信道質量，對其更為敏感。當新到質量明顯改善后可顯著縮短傳輸時延，整體與非協同信號傳輸方案相比縮短了15s左右。在傳輸過程中，當新到質量大于30dB后，增加發送的信號長度，發現非協同信號傳輸方案時延不再減小趨于平穩，表明信號長度對其影響較大，而所提出傳輸機制中協同信號驅動策略依然保持降低趨勢。

圖4　實時性Fig 4　Real time performance

第二組實驗中，部署20個傳感器節點，采用IEEE802.15.4協議組網，設定3個發送端節點，分別位于3個不同區域，傳輸速率為100個分組每秒，每個分組大小為512字節。3個發送端節點相距大于30cm，接收端距離其中最近的發送端節點為10m，在室內環境下進行實驗。為了測試傳輸機制的抗干擾性和信號識別能力，端到端通信過程中，設定2個節點隨機發送干擾信號。靜態傳輸機制與機會可靠傳輸機制的系統生命周期對比結果如圖5所示。

從圖5結果發現，隨著區域健壯性的提高，靜態傳輸機制表現較弱，系統生命周期依然小于150s，表明區域的穩定性并未以系統整體表現出來，資源利用率依然很低。而所提出的機會可靠傳輸機制，可以實時感知區域健壯性，并通過協同信號驅動模式和信號區域間分配。

5結束語

為了充分利用無線傳感器網絡信號協同轉發和解決區域信號沖突問題，本文首先從傳感器節點發送或轉發信號冗余度、節點間并行通信和接收端信息融合出發，構建了協同信號驅動模型，接著通過區域劃分，依據區域拓撲和狀態平衡權重建立了區域健壯性感知模型；最后，提出了一種無

圖5　系統生命周期Fig 5　System life cycle

線傳感器網絡的數據通信提供高效可靠性保障的機會可靠傳輸機制。從數學分析與實驗結果可以看出：所提出的傳輸機制與非協同信號驅動相比具有較強的實時性和高能效；與靜態傳輸機制相比在系統生命周期和信號識別率等方面表現更優。

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Opportunistic reliable transmission mechanism based on collaborative signal drive and regional robust perception*

LI Tian, DAI Xiao-xia, CHEN Guan-lin

(City College，Zhejiang University,Hangzhou 310015,China)

Abstract:Aiming at regional communication characteristics and signals driving problem in wireless sensor networks(WSNs),high efficient opportunity reliable transmission mechanism based on collaborative signal driving and regional robust perception is proposed.Based on signal redundancy,parallel communication and signal fusion,establish a multi-path transmission model based on collaborative signal drive;establish subnet sequence state matrix based on region division,construct regional robust perception model;propose a high efficient and reliable transmission mechanism with opportunity for WSNs.Mathematical analysis and experimental results show that the proposed transmission mechanism has excellent performance in real-time,stability,reliability,and signal recognition,etc.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); collaborative signal; robust; reliable transmission

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0008—04

收稿日期：2015—06—24

*基金項目：浙江省中青年學科帶頭人學術攀登項目(PD2013457)；杭州市科技發展計劃資助項目(20140533B13)；浙江省自然科學基金青年基金資助項目(LQ12A01012)

中圖分類號：TP 319

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0008—04

作者簡介:

李甜(1981-)，女，浙江麗水人，碩士，講師,研究方向為數據安全和數據挖掘。