基于信號碰撞規避機制的移動無線傳感器網絡鏈路抖動抑制算法研究

吳婷

(陜西工業職業技術學院 信息工程學院, 陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著工業化4.0進程的不斷推進，移動無線傳感器網絡技術(Mobile Wireless Sensor Network，M-WSN)與第五代通信技術也呈現日益融合的部署態勢，在新基建推廣與轉型過程中起到重要推動作用[1]。特別是第五代通信技術具有的超寬帶及高拓撲移動特性，使得無線傳感器網絡也從傳統的固定式部署轉向移動式部署場景，在諸如特斯拉汽車、大疆無人機等產業領域極大地促進了生產力轉型及生產關系更迭[2]。不過，當前移動無線傳感器網絡技術多依托傳統固定式場景加以部署，使得實踐中難以兼顧超寬帶數據傳輸及網絡自恰兩方面特性，使得網絡鏈路抖動發生頻率較高，難以進一步穩定網絡傳輸[3]。因此，采取一定的鏈路抖動抑制方案，逐步提高無線傳感器網絡技術對移動環境的適應能力，成為當前傳感領域內研究熱點之一[4]。

為提高無線傳感器網絡在移動部署環境下的適應能力，提高網絡對鏈路抖動的抑制效果，人們提出了一些具有前瞻性的解決方案，在一定程度上改善了網絡在高拓撲更迭場景下的傳輸能力。如Amit等[5]提出了一種基于聚類鑒權機制的傳感網鏈路抖動抑制方案，方案利用傳感網絡特有的分區現象，采取特征鑒權模式對傳輸節點及簇頭節點匹配數據聚類并進行傳輸融合，可顯著降低網絡能量消耗水平并改善網絡鏈路抖動現象，數據超寬帶傳輸性能較好。但是，該算法在聚類生成過程中需要頻繁進行網絡節點遍歷，特別是出現鏈路抖動時將頻繁啟動鏈路切換流程，使得算法難以適應鏈路質量較差的部署環境。Rashmi等[6]提出了一種基于帶寬-區域分割傳輸機制的傳感網鏈路抖動抑制方案。算法通過周期機制對網絡節點流量進行篩選，將過載狀態節點進行備份，部分降低超寬帶傳輸過程中出現的鏈路抖動現象，在車載網及無人機領域具有一定的應用價值。然而，該算法僅能適應固定或慢運動環境，在網絡噪聲干擾較為強烈時的流量擁塞較為嚴重，將出現嚴重的鏈路抖動現象，使得該算法無法進行大面積部署。Khalid等[7]基于定位機制并嘗試通過引入擁塞控制方案用以緩解鏈路抖動現象，提出了一種新的移動無線傳感器網絡鏈路抑制算法，通過采取預設區域核心控制節點的方式對傳輸帶寬進行分流，可顯著增強網絡擁塞控制能力，規避因流量過載而導致網絡出現抖動現象。但是，該算法對區域核心控制節點性能要求較高，網絡資源占用現象嚴重，使得算法在節點移動速度較高時的性能出現下降現象。

考慮到當前研究中存在的不足，提出了一種基于信號碰撞規避機制的移動無線傳感器網絡鏈路抖動抑制算法。首先，針對無線傳感器網絡信號傳輸易出現抑制現象，采取正交信道模式進行數據傳輸，降低因信道碰撞而出現的鏈路抖動，顯著增強網絡傳輸性能，提高節點數據傳輸強度，減緩信道噪聲引發的信道碰撞。隨后，針對移動節點出現的拓撲更迭等現象，采取離散方案降低抖動系數，并結合周期采樣方式設計了功率閾值，穩定網絡對數據傳輸的穩定控制性能，改善傳輸過程中節點功率受限情形。最后通過MATLAB仿真環境，證明了本文算法的性能。

1 本文算法設計

鑒于當前研究中的難點、熱點，本文提出了一種基于信號碰撞規避機制的移動無線傳感器網絡鏈路抖動抑制算法?；谝苿訜o線傳感器網絡具有節點運動速度較高、拓撲更迭及節點受限等情況，設計了信號碰撞規避機制及鏈路抖動規避機制：通過信號碰撞規避機制，顯著提高節點超寬帶傳輸，改善算法對高抖動信道的適應能力，降低節點受限概率；通過鏈路抖動規避機制，動態更迭傳輸鏈路中的關鍵節點，妥善改進鏈路切換及數據擁塞質量，提升算法的數據傳輸性能。

1.1 基于時序正交抑制的信道碰撞規避

由于無線傳感器網絡信號傳輸過程均采用無線信道進行數據通信，新一代無線通信技術信號制式同時存在超高頻特性，使得傳輸信道往往具有高抖動特點[8]。為提高傳輸信道的抗噪性能，本文采取正交信道模型進行數據傳輸，以便能夠實現對信道抖動現象的有效抑制[9]。

首先，不妨令網絡中同時進行數據傳輸的信道條數為n，則信號頻譜J(ω)滿足式(1)。

(1)

式中，ε(ω-ωk)表示第k條信道對應的頻譜初始化功率;μ(n)表示節點在進行第n次信號發射過程中與信道噪聲相對的增益系數;ωk表示第k條信道對應的正交頻率，不同信道的正交頻率具有唯一性，若任意兩條信道對應的正交頻率相同或相似，則將發生嚴重的信道碰撞現象，導致網絡傳輸性能受到嚴重的影響。

針對式(1)進行傅里葉逆變換可得信號發射的時間表達式如式(2)。

(2)

式中,μi表示當前節點的發射功率;G(t)表示傅里葉變化系數，則有式(3)。

(3)

聯立式(1)、式(3)可得式(4)。

(4)

式(4)中參數同式(3)。

通過式(4)可得中繼節點按照時移順序獲取的信號表達式，對式(4)進一步進行離散化處理可得式(5)。

(5)

由于本文采取正交信道模式，即式(6)。

∮J(ω)J(ω-T)dωdT=0

(6)

數據傳輸時，按式(4)所示進行信號發射，中繼節點接收信號后按式(5)進行離散化處理后再將數據傳輸至下一跳節點，即可有效消除信道碰撞，如圖1所示。

圖1 信道碰撞規避機制

1.2 基于能量離散控制機制的鏈路抖動規避

由于無線傳感器網絡進行數據傳輸時均需要通過簇頭節點進行中繼傳輸[10]，傳輸過程中需要進一步考慮鏈路抖動問題，因此本文在完成信道碰撞規避機制后，為進一步提高鏈路切換質量，采取能量控制方式并按時序進行數據優化，以便對鏈路抖動進行抑制，詳細設計如下。

Step 1 ：按式(7)進行數據傳輸能量初始化。

E=λrHsendErev

(7)

式中，E表示節點初始賦能；Erev表示上一時刻節點的剩余能量；r表示節點最大通信半徑；Hsend表示當前冗余能量；λ表示能量補充系數。

Step 2 ：完成式(7)后，按式(1)獲取信號頻域表達式，并按式(8)進行離散化處理。

(8)

式中，δ表示離散系數，其余參數同式(2)。

Step 3 ：簇頭節點傳輸完畢后，對區域內節點逐個進行遍歷，如圖2所示。

圖2 鏈路抖動規避機制

確定下一時刻發射能量ψ，如式(9)。

ψ=δλrHsendErev

(9)

式(9)中參數同式(7)、式(8)。

Step 4 ：當僅當ψ高于式(7)繼續進行數據傳輸，否則算法結束。

2 仿真與分析

為便于對比本文算法性能，采取MATLAB實驗平臺進行仿真實驗[11]。不失一般性，網絡節點分布為矩形區域(20 560 m×20 560 m)；節點采取5G信號，其中信號發射按128ASK模型進行數據調試[12]；節點采取移動模型，移動速度可調節。仿真對照組為移動無線傳感器網絡常用的基于能量-映射力穩定傳輸算法[13](A New Transmission Strategy To Achieve Energy Balance And Efficiency In Wireless Sensor Networks，E-BE算法)和基于多元距離機制的傳輸穩定算法[14](A Node Deployment Model With Variable Transmission Distance for Wireless Sensor Networks，VTD算法)。仿真指標為鏈路抖動率和鏈路抖動累計次數，詳細仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數表

2.1 鏈路抖動率

本文算法、E-BE算法和VTD算法在不同節點速度下的鏈路抖動率測試結果，如圖3所示。

(a) 高斯信道

(b) 萊斯信道

(c) Rayleigh信道圖3 不同算法的鏈路抖動率測試結果

由圖可知，本文算法具有鏈路抖動率較低的特性，特別是在節點處于移動狀態時鏈路抖動率始終處于較低水平，體現了較好的鏈路抖動抑制效果。這是由于本文算法針對移動無線傳感器網絡信號易出現信道碰撞現象，設計了信道碰撞規避機制，機制采取正交信道模式進行數據傳輸，可顯著降低頻率受限而導致的信道抖動現象，因此具有較好的信道噪聲抑制效果。此外，本文算法鑒于無線移動傳感網易出現能量受限現象，設計了鏈路抖動規避機制，該機制主要從離散方面對信道抖動進行抑制，具備較高的鏈路抖動抑制能力，因此鏈路抖動率較低。E-BE算法主要采取能量均衡方式優化數據傳輸，未從信道抑制及信號優化方面對傳輸過程進行優化處理，特別是該算法對信道沒有進行正交處理，因此傳輸鏈路易出現抖動。VTD算法基于鑒權機制，主要采取距離控制方式對傳輸拓撲進行優化，雖然能在一定程度上降低鏈路抖動現象，然而該算法未對信道可能出現的碰撞現象進行規避，因此鏈路抖動率亦要高于本文方案。

2.2 鏈路抖動累計次數

本文算法、E-BE算法和VTD算法在不同運行時間下的鏈路抖動累計次數測試結果，如圖4所示。

由圖可知，本文算法鏈路抖動累計次數始終處于較低水平，說明本文算法在網絡運行時具有較好的鏈路穩定能力。

(a) 高斯信道

(b) 萊斯信道

(c) Rayleigh信道圖4 不同算法的鏈路抖動累計次數測試結果

這是由于本文算法從信道正交化和信道抑制兩個層次，通過信號離散化及抽樣方式降低環境噪聲對傳輸過程的影響，因此具有較低的鏈路抖動率，使得鏈路抖動累計次數較低。E-BE算法僅從能量方面對傳輸過程進行均衡化處理，對傳輸信道及信號正交方面未做考慮，因此具有較高的鏈路抖動率，使得鏈路抖動累計次數較高。VTD算法僅從拓撲控制角度對傳輸鏈路進行距離優化，未從信號即信道優化層面進行抖動抑制，因此鏈路抖動率亦要高于本文算法，使得該算法鏈路抖動累計次數較高。

3 總結

針對當前移動無線傳感器網絡部署過程中存在的傳輸性能較差、鏈路抖動難以抑制等不足，提出了一種基于信號碰撞規避機制的移動無線傳感器網絡鏈路抖動抑制算法。算法由信號碰撞規避機制及鏈路抖動規避機制兩部分構成。通過信號碰撞規避機制，采取正交傳輸模式，有效抑制鏈路抖動，提高寬帶傳輸性能。采取鏈路抖動規避機制，依托離散化、周期采樣等模式，穩定鏈路傳輸性能，降低節點受限概率。仿真實驗證明了本文算法的性能。

下一步，將針對本文算法對立體拓撲更迭適應能力較差的問題，擬引入球面映射機制，增強拓撲穩定性并降低鏈路切換頻次，以便適應更為復雜的部署環境。