基于相似性度量的無線網絡數據傳輸信道優化

朱亞東 嚴錫君 高翠芳

1(江蘇聯合職業技術學院信息中心 江蘇 南京 211135)2(河海大學計算機與信息學院 江蘇 南京 210098)3(江南大學理學院 江蘇 無錫 214122)

基于相似性度量的無線網絡數據傳輸信道優化

朱亞東1嚴錫君2高翠芳3

1(江蘇聯合職業技術學院信息中心 江蘇 南京 211135)2(河海大學計算機與信息學院 江蘇 南京 210098)3(江南大學理學院 江蘇 無錫 214122)

在無線網絡數據傳輸和通信過程中，由于網間路由的損傷和通信碼元之間的碼間干擾，導致數據傳輸信道失衡，需要對無線網絡數據傳輸信道進行抗干擾濾波和均衡設計，實現無線網絡數據的高保真性傳輸。傳統方法采用復合鏈路相干均衡算法進行無線網絡數據傳輸信道優化，隨著通信信道載波數量的增長，導致信道均衡穩定性不好。提出一種基于數據通信碼元相似性度量的無線網絡數據傳輸信道優化算法，通過構建無線網絡系統模型和信道模型，對無線網絡的數據信息進行碼元相似性度量和特征提取，以此為基礎采用IIR濾波算法實現對信道干擾碼元的濾波和抗干擾算法改進，實現對無線網絡的數據傳輸信道優化和均衡設計，提高數據通信碼的保真性傳輸能力。仿真結果表明，采用該算法能有效實現無線網絡數據傳輸信道優化構建，信道的均衡性能和抗干擾性能較好，降低了數據傳輸的誤比特率。

無線網絡 通信 信道 數據傳輸

0 引 言

隨著網絡與信息技術的快速發展，網絡通信和數據傳輸的業務量在不斷增加，無線網絡數據傳輸是無線通信的一個重要分支和學科內容。無線網絡通信是通過WiFi、4G或GPRS實現資源和數據信息傳輸和共享的通信模型。在無線網絡數據傳輸過程中，由于網間路由的損傷和通信碼元之間的碼間干擾，導致數據傳輸信道失衡，需要對無線網絡數據傳輸信道進行抗干擾濾波和均衡設計，實現無線網絡數據的高保真性傳輸。因此，研究無線網絡數據傳輸信道優化方法具有重要意義[1]。

傳統方法中，對無線網絡數據傳輸信道優化設計主要有采用IMF分解的無線網絡信道均衡調度算法、基于神經網絡調制的無線網絡信道優化算法和基于支持向量機的無線網絡信道均衡算法等。上述算法在提高無線網絡數據傳輸的信號保真率和數據召回率方面具有較好的效果。但是隨著通信業務量的增大，無法滿足大數據的無線網絡數據傳輸需求，需要進行算法改進設計[2]。其中，文獻[3]采取了一種動態閾值和可信度結合的協作頻譜感知方法，實現對聯合特征識別算法的改進，達到無線網絡數據傳輸信道學習的效果，但算法受到檢測信道的嚴重線性衰落的影響，信道的抗干擾性能不好。文獻[4]將MIMO技術引入CR系統，針對單個SU鏈路提出了基于映射奇異值分解(P-SVD)的預編碼方案。實現對無線網絡的干擾信道學習，該算法事實上PU并沒有義務共享CSI，并且PU的傳輸策略并不考慮SU的存在，導致信道均衡性能不好?？梢?，傳統方法采用復合鏈路相干均衡算法進行無線網絡數據傳輸信道優化，隨著通信信道載波數量的增長，導致信道均衡穩定性不好[5-8]。為了克服傳統方法的弊端，針對上述問題，本文提出一種基于數據通信碼元相似性度量的無線網絡數據傳輸信道優化算法。首先構建無線網絡系統模型和信道模型，對無線網絡的數據信息進行碼元相似性度量和特征提取。以此為基礎采用IIR濾波算法實現對信道干擾碼元的濾波和抗干擾設計，由此實現對無線網絡的數據傳輸信道優化和均衡設計，提高數據通信碼的傳輸性能，有效降低數據通信的誤比特率，展示了較好的應用價值。

1 無線網絡系統模型設計及信道模型構建

1.1 無線網絡數據傳輸信號與系統模型

無線網絡是采用無線路由鏈路模型，用一個或一定數量的物理信道進行數據通信。首先構建無線網絡數據傳輸信號與系統模型，網絡通信圖G(V,r)中，假設用三元組(V,D,p)表示一個無線網絡數據傳輸結構模型，其中V={v1,v2,…,vn-1,vn}表示n個無線網絡路由分發結點。且這些結點均勻分布。支配集S生成的子圖D:V×V→R+表示為無線網絡的路由結點之間的距離函數，p:V→R+表示網絡中任意兩個結點的數據分配函數。本文采用的無線網絡通信干擾模型為高斯白噪聲干擾模型，在該模型下，假設W={u,w1,w2,…,wk}表示信道分配樹，無線網絡通信圖G(V,r)，(r≤δ·rmax，δ∈(0,1)，rmax=(P(N0β)-1)1/α)?？紤]q(n-k)≥k的情況，網絡的路由探測動態規劃方程可以寫為：

(1)

A(θ)=[a0(θ),a1(θ),…,ap(θ)]

(2)

S(t)=[s0(t),s1(t),…，sp(t)]T

(3)

當無線網絡路由節點的下一跳節點作出行動，分層迭代系數初始化為u(n)=0，即w(k)∈L2(0,∞)，選擇A、B、C、D、F1、F2作為適當維數的分層擴頻矩陣，其中變量n為正整數，ΔA1、ΔB1為未知的建模誤差，進而構建出網絡流路由分層擴頻模型。由此實現了無線網絡數據傳輸信號與系統模型，為進行信道優化設計提供數據和模型基礎。

1.2 無線網絡信道模型

在無線網絡數據傳輸信號與系統模型構建的基礎上，進行無線網絡信道模型構建，假設無線網絡在數據傳輸過程中路由節點第一個時隙收到的信號分別表示為：

yPR=HPR,PWPxP+nPRyST=HST,PWPxP+nST

(4)

(5)

由此，形成一個信道分配子集Z，得到無線網絡的干擾信道模型如圖1所示。

圖1 無線網絡的干擾信道模型

在信道模型設計的基礎上，進行信道均衡和抗干擾設計。

2 無線網絡數據傳輸信道優化設計與算法實現

2.1 數據通信碼元相似性度量特征提取

在上述構建無線網絡系統模型和信道模型的基礎上，進行傳統方法采用復合鏈路相干均衡算法進行無線網絡數據傳輸信道優化。隨著通信信道載波數量的增長，導致信道均衡穩定性不好。為了克服傳統方法的缺陷，本文提出一種基于數據通信碼元相似性度量的無線網絡數據傳輸信道優化算法。對無線網絡的數據信息進行碼元相似性度量和特征提取，以此為基礎采用IIR濾波算法實現對信道干擾碼元的濾波和抗干擾算法改進。碼元相似性度量和特征提取算法描述如下：無線網絡每個節點bi，將PU、SU預編碼矩陣設計問題分解，得到無線網絡數據傳輸的信號模型為：

(6)

其中，P為無線網絡數據傳輸的特征解，x(t)為輸入信號，y(t)為干擾特征，x(t)與y(t)形成復共軛自相關，采用干擾信道學習算法，得到正交通信信道載波均衡控制方程為：

(7)

其中，x0和y0為無線網絡數據傳輸信道的中心原點矩，r為通信半徑，設無線網絡信道中的沖擊響應為：

z(t)=x(t)+iy(t)=a(t)eiθ(t)

(8)

式中：

(9)

(10)

其中，a(t)和θ(t)分別是同一帶寬的跨層碼元相似性度量值，由此得到相干均衡算法，復合鏈路問題可視為MIMO多址接入問題，基于預編碼矩陣WP，VPR,S聯合優化，得到提取的相似度度量特征可表示為：

(11)

通過通信傳輸信號瞬時頻率測量，實現無線網絡數據的相似度特征提取，以此為基礎進行信道均衡和抗干擾設計。

2.2 無線網絡數據傳輸信道優化實現

在相似度度量特征提取的基礎上，采用IIR濾波算法實現對信道干擾碼元的濾波和抗干擾設計，由此實現對無線網絡的數據傳輸信道優化和均衡設計，IIR濾波函數為：

(12)

其中，bj為向量加權，Tf、Tc通過正交通信信道載波均衡，使濾波器輸出的信號的能量最小，即使y(k)y*(k)最小，得到濾波器結構如圖2所示。

圖2 無線網絡信道抗干擾濾波器結構

為增強通信信號在信道里的波束方向性，這里設定信號包絡特征如下：

(13)

通過抗干擾濾波，實現對無線網信道干擾均衡，得到的信道網格模型中的位置四元組表達為：

(14)

(15)

θ=atan(flg-y/flg-x)

(16)

p(d|c^)=p(w1|c^)p(w2|c^)…p(wN|c^)

(17)

此時，可以得到反饋輸出信號，并根據前面得到的反饋濾波器位置計算得到前饋均衡信號，得到無線網絡信道中輸出的反饋與前饋均衡信號分別可以表示為：

Signal=Certx‖CertREQ‖ResCert-x‖ResCert-REQ

(18)

至此得到關于信道的優化解析模型為：

z(t)=x(t)+iy(t)=a(t)eiθ(t)

(19)

對上述信道優化模型進行分解，于是信道輸出信號特征表達式如下：

(20)

(21)

式中θ(t)為模型分解后的分集相位，a(t)為模型分解后的分集幅值。

本文提出的信道優化方法，利用IIR濾波器實現對無線網信道干擾均衡。同時在實現無線網絡信道均衡過程中，綜合考慮簇頭的剩余能量及其與Sink的距離對它的生命周期的影響，對信道均衡局部極大值進行插值擬合，實現無線網絡數據傳輸信道優化。

3 仿真實驗與結果分析

為了測試本文算法在實現無線網絡數據傳輸信道優化中的性能，進行仿真實驗。實驗平臺為通用PC機，CPU為Intel? CoreTMi7-2600@3.40 GHz，采用Matlab數學編程進行仿真實驗，首先進行無線網絡拓撲結果設計和路由多路徑探測模型構建。路由探測中進行數據收發，其中無線高速網絡流數據傳輸量從1 024 MB到100 GB，以100 MB為單位線性增長，路由分層擴頻信加權控制因子n=1.2。設定網絡中有1～100個節點，定節點接收能耗68.6 mW，節點初始能量89 mW，數據包大小為0.241 2 pJ/(bit·m4)。根據上述仿真環境設計和參數設定，進行無線網絡通信，得到無線網絡數據傳輸的功率譜密度幅值如圖3所示。

圖3 無線網絡數據傳輸的功率譜

從圖3中可見，在進行無線網絡數據傳輸過程中，數據基本上符合高斯分布，但是受到信道干擾的影響，導致數據傳輸失真。采用本文方法進行相似度量特征提取，以此為基礎進行信道干擾濾波和均衡處理，得到信道優化處理后的輸出數據的功率譜幅值如圖4所示。

圖4 信道優化處理后的輸出數據的功率譜幅值

從圖4中可見，采用本文算法進行信道優化處理，實現信道干擾濾波和均衡后輸出數據的功率譜幅值的信號保真性較好，噪聲得到有效的濾除，提高了數據傳輸的可靠性，減少失真。為了定量對比算法性能，采用本文算法，以無線網絡數據傳輸的誤比特率為測試指標，得到仿真結果如圖5所示，從圖5中可見，采用本文算法，降低了數據傳輸的誤比特率，經過多次迭代和相似度度量，誤比特率為0，實現數據無損傳輸。

圖5 數據傳輸誤比特率分析

4 結 語

本文提出了一種基于數據通信碼元相似性度量的無線網絡數據傳輸信道優化算法。構建無線網絡系統模型和信道模型，對無線網絡的數據信息進行碼元相似性度量和特征提取。以此為基礎采用IIR濾波算法實現對信道干擾碼元的濾波和抗干擾算法改進，實現對無線網絡的數據傳輸信道優化和均衡設計，提高數據通信碼的保真性傳輸能力。通過算法設計和實驗分析，研究結果表明，采用該算法能有效實現無線網絡數據傳輸信道優化構建，信道的均衡性能和抗干擾性能較好，降低了數據傳輸的誤比特率，實現數據無損傳輸。

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OPTIMIZATION OF WIRELESS NETWORK DATA TRANSMISSION CHANNEL BASED ON SIMILARITY MEASURE

Zhu Yadong1Yan Xijun2Gao Cuifang3

1(InformationCenter,JiangsuUnionTechnicalInstitute,Nanjing211135,Jiangsu,China)2(InstituteofComputerandInformationTechnology,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China)3(SchoolofScience,JiangnanUniversity,Wuxi214122,Jiangsu,China)

In the process of wireless network data transmission and communication, the routing network damage and communication between symbols inter-symbol interference leads to data transmission channel imbalance. In this case, anti-jamming filtering and equalization design is needed for the data transmission channel of the wireless network to realize the high-fidelity transmission of the wireless network data. The traditional method uses the composite link coherent equalization algorithm to optimize the wireless network data transmission channel. With the increase number of carriers in the communication channel, the channel equilibrium stability is not good. In this paper, we propose a data transmission channel optimization algorithm for wireless network based on the similarity metric of data communication. By constructing wireless network system model and channel model, the similarity measure and feature extraction of data information in wireless network are implemented. In this case, we use IIR filtering algorithm to realize the implementation of channel interference symbol filtering and improved anti jamming algorithm. To achieve the data transmission channel optimization and balanced design of the wireless network, and improve the fidelity transmission capability of the data communication code. Simulation results show that the algorithm can effectively realize the optimization of data transmission channel construction of wireless network, and the channel equalization performance and anti-jamming performance is better, reducing the bit error rate of data transmission.

Wireless network Communication Channel Data transmission

2016-06-06。國家自然科學基金青年基金項目(61402202)。朱亞東，副教授，主研領域：計算機網絡，信息安全。嚴錫君，副教授。高翠芳，副教授。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.06.024