太赫茲波段無線納米傳感網(wǎng)絡上的恒重變長能耗優(yōu)化編碼*

劉海員,賓澤湘,胡 力

(1.南開大學電子信息與光學工程學院通信工程系,天津 300350;2.天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡技術重點實驗室,天津 300350)

隨著無線納米通信網(wǎng)絡和半導體技術與工藝的發(fā)展,無線納米傳感器網(wǎng)絡WNSNs(Wireless Nanosensor Networks)成為近幾年來的熱門研究課題之一。無線納米傳感器網(wǎng)絡,是指一群整體大小基本在幾納米到幾百納米之間的無線傳感器通過特定的通信方式結合起來形成的一種WNSNs網(wǎng)絡。各個納米節(jié)點需要特定的納米材料(碳納米管,石墨烯晶體管等)來完成存儲數(shù)據(jù),感知信息和做出反應等簡單任務,而這種網(wǎng)能夠突破單個傳感器僅能完成這些極簡單任務的能力限制,實現(xiàn)一些更為復雜的通信與工作[1]。無線納米傳感器網(wǎng)絡的這種特性使得其在生物,醫(yī)學,軍事和多媒體等很多領域都有廣泛的應用前景。盡管納米設備的尺寸非常小,但其能完成的數(shù)據(jù)交換是龐大的[2]。現(xiàn)有的應用在納米傳感器網(wǎng)絡上的兩種主要通信方式為:基于載體分子擴散的分子通信[3]和基于太赫茲(0.1 THz～10 THz)波段的納米電磁通信。本文研究的主要通信方式為基于太赫茲波段的納米電磁通信。迄今,基于碳納米管CNTs(Carbon Nanotubes)和石墨烯納米帶(GNRs)可以設計出納米尺寸的納米天線,納米傳感單元和納米電池[4]。其中,納米天線的諧振頻率在太赫茲(0.1 THz～10 THz)波段,發(fā)射功率可達幾μW,是能實現(xiàn)基于太赫茲波段的納米設備通信的關鍵基礎所在[5],單個納米器件組成如圖1所示。

圖1 納米傳感器結構示意圖

降低納米網(wǎng)絡通信能耗的方法大致有網(wǎng)絡能量優(yōu)化算法[6]以及信源編碼方式。2003年,Pakash和Gupta提出 NPG編碼方式[7],在降低碼字重量的同時增加了編碼長度。2014年,Jornet等提出LWC編碼[8],這種編碼保證了碼字之間一定的碼距,同時抑制了碼長的無約束增長,所以能有效抑制碼字間的干擾增強穩(wěn)定性。Kaikai Chi等人于2014年提出一種最小平均碼重的無前綴編碼[9],提出兩種構造編碼的算法BT-WD和BT-LD,目的在于保證吞吐量大于預設值。然而,絕大部分納米網(wǎng)絡能耗優(yōu)化編碼均沒有考慮到平均碼長對能耗的影響。所以,本文提出基于一種變長恒重能耗減少編碼VLCW(Variable Length and Constant Weight),利用TS-OOK(Time Spread On Off Keying)調(diào)制方式[10],基于碼字的平均碼重(AWC Average Weight of Codes)和平均碼長ALC(Average Length of Codes),綜合重傳機制和發(fā)射接收系統(tǒng)總能耗,建立一種新型的無線納米傳感器網(wǎng)絡能耗模型。并與之前已有的LWC碼和NPG碼做出比較,考慮不同信源符號長度和信道誤碼率對能耗的影響,來衡量編碼特性。同時,結合納米通信網(wǎng)絡上的能量收集系統(tǒng)和第1個太赫茲窗口(0.1 THz～0.54 THz)[11]的信道特征,對編碼能達到的吞吐量進行一定的分析。

1 無線納米傳感器的工作頻段及調(diào)制方式

1.1 太赫茲波段信道特點

目前,納米傳感器網(wǎng)絡的通信問題依然沒有得到很好的解決。起初,太赫茲(THz)與兆赫茲(MHz)頻段被認為是納米通信的備用頻段,但是由于納米器件極小的尺寸和極低的能量儲存量,所以必須考慮如何在同樣的傳輸距離下盡量減少通信能耗。盡管兆赫茲頻段能實現(xiàn)更遠距離的通信,但相比于太赫茲通信能量消耗更大,并不適用于在納米網(wǎng)絡上的應用。因此,太赫茲(THz)通信被認為是比較適合納米網(wǎng)絡通信的頻段。Akyildiz I F和Jornet J M等人通過研究,設計出太赫茲信道的模型,給出了太赫茲信道應用于納米通信產(chǎn)生的分子吸收噪聲,路徑損耗,誤比特率,干擾以及能達到的信道容量和數(shù)據(jù)傳輸速率等[12]。由于太赫茲信道特有的分子吸收噪聲損耗和強烈的路徑損耗,納米通信的距離特別有限。本文以第1個太赫茲窗口(0.1 THz～0.54 THz)為例,結合HITRAN2012數(shù)據(jù)庫給出的數(shù)據(jù),研究了太赫茲信道特有的分子吸收噪聲與路徑損耗,粗略估算出信道誤碼率以及信息傳輸速率的值,以備在能耗模型中的應用。在設定標準太赫茲信道(T=296 kHz,水蒸氣比例為1.8%)下,第1個太赫茲窗口在不同通信距離下路徑損耗如圖2所示。

圖2 不同通信距離下第1個THz窗口的路徑損耗

1.2 TS-OOK調(diào)制方式

由于多方面的限制,傳統(tǒng)的調(diào)制方式無法在納米網(wǎng)絡中實現(xiàn)可靠通信,現(xiàn)今能運用在納米電磁通信中的調(diào)制方式之一為基于脈沖的調(diào)制。Jornet等人提出一種時域擴展開閉調(diào)制技術,TS-OOK(Time Spread On-Off Keying)。這種調(diào)制方式以飛秒量級(fs)的脈沖Tp來傳輸比特“1”,當待傳輸比特為“0”時,則保持安靜。連續(xù)比特之間的時間間隔Ts是固定的,且遠遠大于脈沖長度Tp,Ts/Tp?1,(原理如圖3所示)。

圖3 TS-OOK調(diào)制方式示意圖

基于這種調(diào)制方式,納米器件間通信的主要能量消耗來源于傳輸脈沖Tp的過程,包括脈沖的產(chǎn)生,功率放大器,濾波器等的消耗。同時,電磁波的傳輸會激發(fā)太赫茲信道中的組成分子,使他們處于活躍狀態(tài),從而產(chǎn)生額外的分子吸收損耗。總體來說,TS-OOK 調(diào)制方式適用于無線納米傳感器網(wǎng)絡通信。

2 VLCW、LWC、NPG碼與通信能效分析

2.1 變長恒重能耗減少編碼

上述3種編碼方式在信源長度m=3,P(1)=0.8時的編碼形式示例如表1所示。

表1 各種編碼方式示例

2.2 WNSNs能耗新模型

我們將每個納米傳感器設置為既有接收器又有發(fā)送器的設備,同時具備能量收集裝置(后文描述)。在一對一通信過程中,信源統(tǒng)計獨立同分布,即P(hwb)=P(lwb)=1/2,則每個信源符號的分布概率為1/2m。發(fā)送結點將待發(fā)送信息中每個比特提取出來,編碼為nbit信息,利用TS-OOK調(diào)制,選擇第1個太赫茲窗口波段(0.1 THz～0.54 THz)進行通信,由于通信信道特性的影響,數(shù)據(jù)傳輸存在一定的錯誤率,而由錯誤率導致的碼字重傳影響不可忽略。本文模型中,若數(shù)據(jù)信息中有一個或多個比特錯誤,則發(fā)送端必須在下一次重新發(fā)送整個數(shù)據(jù)信息,直到接收到正確接收信息的ACK信號為止。

由此可知,一對一納米節(jié)點通信總能耗由以下幾部分組成。發(fā)送信號所消耗的能量Et,接收信號所消耗的能量Er,發(fā)送端重傳所消耗的能量Ert以及發(fā)送接收端編解碼所消耗的能量Ecode,Edecode,接收端發(fā)送ACK信息所消耗的能量Eack以及發(fā)送端保持接收ACK信息所需要的能量Ewait。

我們考慮正確且完整地發(fā)送完整個信源符號所表示信息所消耗的總能量為:

Etotal=Et+Er+Ecode+Edecode+Eack+Ewait

(1)

一般來說,編解碼部分的能量值取決于硬件設施與移位寄存器等的性能。但迄今還沒有研究出適合于納米傳感器及其網(wǎng)絡極低的運算復雜度的編解碼器,為了簡化能耗模型便于分析,本文暫不考慮這部分能耗。同時,由于ACK信息比特與待傳輸信息比特相比尺寸很小(一般取1 bit～2 bit),在通信距離(一般為10-3m～10-1m)和信道特性給定的情況下,信息傳輸速率可達幾Gbyte/s,誤比特率也可控制在0.01以下。故可將Eack看作一個定值。發(fā)送端用于維持接收ACK信號所需要的能量Ewait極少,遠遠小于通信系統(tǒng)接收發(fā)送整體消耗的能量,也可忽略不計。所以,經(jīng)過簡化后的模型總能耗又可以寫成:

Etotal=Et+Er+Eack

(2)

根據(jù)TS-OOK調(diào)制方式的特點可知,傳輸比特“0”時,不消耗能量,假設傳輸一個比特“1”數(shù)據(jù)所消耗的能量為Ebt。而接收端處理每一個接收到的比特都會產(chǎn)生能耗,設接收端接收每個比特所消耗的能量為Ebr。碼字的平均碼長和平均碼重分別用ALC與AWC來表示,以傳輸整個信源包含的數(shù)據(jù)信息作整體考慮,有:

Et=nrEbtAWC

(3)

Er=nrEbrALC

(4)

(5)

(6)

式中:P(i),w(i)與l(i)分別表示第i個碼字出現(xiàn)的概率,碼重和碼長。顯然,不同的編碼方式具有不同的ALC與AWC值,故能耗值也互不相同,nr表示重傳次數(shù)。

nr=(PdPa)-1

(7)

Pd指信息傳輸正確率,Pa指ACK信息傳輸正確率,本文中設定Pa=1,所以nr又可以寫成:

(8)

Pe表示誤比特率,取決于信道特性和信源統(tǒng)計分布和編碼情況。

2.3 不同編碼方式的能耗分析

對于輸入信息比特,編碼能效用于衡量碼字在減少輸入碼重和碼長方面的能力。碼字重量和碼字長度減少的越多,編碼能效越大。我們給出上述3種不同編碼方式即NPG,LWC和VLCW編碼的碼長與碼重和能效運算的表達式,并用MATLAB仿真工具進行數(shù)據(jù)仿真。

①NPG編碼中,只有0和1兩種碼字重量,碼字長度由信源符號長度m決定。如下所示:

(9)

l(i)=2m-1,2≤i≤2m

(10)

②LWC編碼具有不變碼長與碼重,且取決于信源符號長度m。

W(i)=w,2≤i≤2m

(11)

l(i)=1,2≤i≤2m

(12)

③VLCW編碼中,我們選擇碼重恒為1,碼字長度與信源符號長度m相關:

W(i)=1,2≤i≤2m

(13)

l(i)=i,2≤i≤2m

(14)

單考慮發(fā)送接收總能耗的情況下,不同編碼方式的編碼能效可由式(15)表示:

(15)

式中:Wa與La分別表示編碼前的碼重與碼長,Wb和Lb分別表示編碼后碼重與碼長。于此,我們需要先確定Etb與Erb的合理理論值。基于Jornet[13]的文章給出的數(shù)據(jù)研究,在通信距離控制在10 mm左右時,我們選定Ebt為1 pJ。同時,接收端處理信息數(shù)據(jù)所消耗的能量約為發(fā)送端的十分之一,即為0.1 pJ。所以根據(jù)式(15),不同編碼方式在信源統(tǒng)計分布P(1)約束下的能效圖如圖4所示。

圖4 不同編碼的能效圖

由圖4可以看出,所有碼字的能效均隨P(1)的升高而升高,這是因為P(1)值越大,編碼對碼重和碼長的降低與信源符號相比越明顯,能效越高。在P(1)較小時,能效會出現(xiàn)負值的情況,編碼能效值將會差于未編碼,這種現(xiàn)象尤以LWC碼為甚,這是由于此時編碼的碼重相比于未編碼狀態(tài)并無降低,再加上碼字長度的增加,能效值為負。隨著P(1)的增加,碼字會回到節(jié)能狀態(tài)。所以,LWC碼適合于P(1)較大的情況下的通信。VLCW與NPG相比,在P(1)位于0.5附近時,能效更優(yōu)可達33.6%,更實用。

接下來,我們將信源統(tǒng)計情況給定,設定為均勻分布。考慮碼字重傳情況,利用上述公式,給出VLCW與LWC碼在不同誤比特率Pb與信源符號長度m下所消耗能量的具體值。圖5分別給出了 VLCW 碼和LWC碼在不同源符號長度m和信道誤比特率Pb下所消耗能量的具體值,從這兩幅圖中我們可以得出結論,當誤比特率Pb上升時,由于符號重傳次數(shù)nr增加所以總的能量消耗增加。同時,當誤比特率Pb一定時,隨著源符號長度m的增加,碼字的平均長度變長,導致耗能的增長。而由圖5(a)與圖5(b)比較結果圖5(c)得知,在相同的誤比特率和源符號長度情況下,我們提出的VLCW碼總能耗要優(yōu)于LWC,相比之下節(jié)能率可達25.3%,節(jié)省值隨誤碼率和信源符號長度值而改變,大致在-400 dB左右。

圖5 編碼能量消耗圖

3 吞吐量性能分析

如前所述,由于納米傳感器極低的能量儲存率,要維持納米網(wǎng)絡的運轉(zhuǎn),需要一種運用在納米傳感器上的能量收集系統(tǒng)(Energy harvest system)來為納米電池充電,構成具有能量收集能力的納米傳感器網(wǎng)絡,保證納米傳感器工作所需要的能量,為實現(xiàn)永久通信打下基礎[13]。Jornet等人基于壓電式納米發(fā)電機設計出了能運作在納米通信網(wǎng)絡上的能量收集電路,這種發(fā)電機以氧化鋅制成的納米電線為基本單位,每一次納米電線的壓縮與釋放均能產(chǎn)生微小電流,從而用于納米電池的充電與儲能,基本結構如圖6所示。我們考慮這種能量收集裝置對于整個數(shù)據(jù)通信過程中耗時的影響,從而研究在保證納米器件永久工作的情況下,VLCW與LWC碼分別能達到的吞吐量的大致值。

圖6 壓電式納米發(fā)電機示意圖

衡量能量收集裝置最直觀的參數(shù)即為能量收集速率,由文獻[13]的研究結果可知,這種充電電路能達到的能量收集速率由下式?jīng)Q定:

(16)

(17)

式中:Vg表示發(fā)電機電壓,Ccap代表電池容量,ΔQ代表每個周期能捕獲的電荷數(shù),Rcycle知ZnO納米線的振動頻率或壓縮釋放速率。納米器件間若想實現(xiàn)永久通信,在指定時間內(nèi)的能量收集量必須不小于能量消耗的值,即有:

Etotal≤RharvTto

(18)

式中:Rharv代表能量收集速率,Tto代表數(shù)據(jù)傳輸暫停時間,這段時間用于能量收集裝置的運作與儲能,以備于下一次的數(shù)據(jù)傳輸與接收。我們定義WNSN上的吞吐量為:

(19)

Ttr=Tdata+nrTto+Tack

(20)

(21)

Psuccessful=1-[(1-Pe)ACL(1-Pt)(1-Pr)(1-Pa)]nr+1

(22)

式中:Rbit為信息傳輸速率,Ttr表示傳輸接收過程所消耗總時間,Tdata表示成功傳輸數(shù)據(jù)信息所需要的時間,Pt與Pr為發(fā)送與接收到數(shù)據(jù)的錯誤率,Tack代表接收確認信息所耗時間,其余各參數(shù)已定義。由于納米網(wǎng)絡上各種能耗減少編碼的使用,使得基于以上系統(tǒng)的納米網(wǎng)絡吞吐量與編碼所帶來的能耗降低之間存在一個權衡。在VLCW中,由于對于碼重降低的追求,碼長的增加不可避免,從而增加包的到達時間,對總的吞吐量造成影響。為此,我們在實驗上給出基于VLCW和LWC能耗減少編碼下的納米網(wǎng)絡通信總吞吐量的值,將通信距離設置在10-3m附近時,隨著數(shù)據(jù)傳輸速率Rbit和源符號長度m的變化,VLCW與LWC碼能達到的吞吐量比較圖如下。

由圖7可以看出,給定Pe=0.01,隨著數(shù)據(jù)傳輸速率R的增加,吞吐量呈上升趨勢,且VLCW的引進對于網(wǎng)絡吞吐量并沒有造成大的惡化,不至于因降低能耗而無法保證吞吐量。在傳輸速率R給定時,隨著m的增加,兩種碼字的編碼長度均會呈顯著上升,VLCW碼的吞吐量性能會顯著下降甚至差于LWC碼,但在同樣條件下其能耗性能要優(yōu)于LWC碼約3 dB。所以沒有一種碼字是萬能的,衡量編碼的標準不同,編碼表現(xiàn)出的性能自然有所差別。

圖7 不同m值時VLCW與LWC吞吐量比較

4 結論

本文針對納米傳感器和太赫茲信道自身特點,基于TS-OOK調(diào)制提出一種變長恒重能耗減少編碼VLCW,其在保證一定的低碼重情況下,盡量減少碼字平均長度。同時,綜合系統(tǒng)發(fā)送接收總能耗和信道誤碼導致的信息重傳,以及納米傳感器特有的能量收集系統(tǒng),建立一種新型納米傳感器一對一通信能耗模型,并和已有的納米傳感器網(wǎng)絡低能耗編碼進行比較。實驗表明,VLCW碼在信源呈均勻分布的情況下,能有效節(jié)省通信能量消耗,其具體能耗值基本在-400 dB以下的水平。同時,VLCW碼與現(xiàn)有的LWC碼相比并沒有對網(wǎng)絡總的吞吐量造成太大的降低。因此,如何在同時考慮能量消耗,干擾,帶寬擴展等方面時,權衡選擇合適的編碼進行通信,是我們今后研究要努力的方向。

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