基于正交冗余拟态调度机制的无线传感网络数据传输算法

李长春

基于正交冗余拟态调度机制的无线传感网络数据传输算法

李长春

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

针对无线传感网络数据传输中链路抖动频繁、抗噪性能较差、频谱漂移等问题，提出了一种基于正交冗余拟态调度机制的无线传感网络数据传输算法。利用信道间信号冲激频谱与信号瞬时能量的正交特性，设计了正交冗余传输方案，实现了对莱斯噪声全频谱擦除及冗余信号频谱的超宽带传输。基于节点信号发射的拟态特性和LTE-5G信号的频率漂移特性构建了跳频调控阈值，显著增强算法的抗抖动性能。该算法具有较高的数据传输带宽与抗噪性能，较低的数据丢包率和信道误码率。

数据传输算法；无线传感网络；正交冗余传输；拟态调度机制；频谱漂移

无线传感网络是由大量分布于检测区域内静止或移动的传感器节点，通过无线通信和自组织的方式连接构建的网络系统，主要依赖传感节点对网络覆盖区域内的数据进行感知、采集、传输到汇聚节点，以便于做进一步深入分析。由于无线传感网中链路一般处于开放的环境中，恶劣的监测环境、灾难性的事件或能量耗尽都会导致传感器节点的失效，周围环境也会影响无线链路的通信质量。另外，无线通信链路本身也存在不可靠因素[1]，这些不可靠因素导致节点数据在传输过程中存在链路抖动频繁、抗噪性能较差、频谱漂移等问题，使得感知数据在传输中出现数据缺失、误码及延迟现象[2]。无线传感网络节点需要利用有限的能量传输尽可能多的数据，使得网络具有很好的鲁棒性，解决数据传输效率以及稳定性、可靠性等传输优化和节能问题。

近年来，许多学者对这些问题进行了研究并取得一些成果，提出了一些新的网络数据传输算法[3-5]，但这些算法在网络背景噪声、网络拥塞、数据汇聚、实现机制等方面尚需改进。基于此，本文提出一种基于正交冗余拟态调度机制的无线传感网络传输算法（以下简称“新算法”）。新算法针对无线传感网络使用的LTE-5G信号存在的冗余问题，利用信道间信号冲击频谱与信号瞬时能量具有的正交特性，构建基于正交冗余的无线传感网络传输方案，能够显著强化信号抗噪性能，提升无线传感网络节点的抗信道抖动效果，便捷进行噪声擦除，增加网络传输带宽。此外，利用无线传感网络的节点信号发射具有的拟态特性，设计一种全新的拟态调度方法，通过跳频方式构建调度阈值，实现数据可控、稳定调度传输，进一步提高了算法的稳定性能。

1 数据传输算法设计

现有的无线传感网络使用场景逐步呈现移动化及分散化，特别是当前无线传感网络与物联网呈现高度融合的态势。无线传感网络是动态的网络，具备动态拓扑组织功能，流动性也呈现增加的趋势。并且，LTE与5G双连接是未来5G部署的主要选择，因此LTE-5G制式节点将逐步取代传统固定式部署节点[6]。新算法的节点信号调制方式均采用标准LTE-5G信号调制方式，节点使用LTE-5G协议栈进行通信，信号传输模式采用并发方式。整个算法分为正交冗余传输和拟态调度两部分[7]。

1.1 正交冗余传输方法

式（1）为信号特征频谱进行预发射时的冲激，当无线传感网络完成次冲激时接收到的信号频谱为

显然，式（5）中任意两个非周期时刻信号必定正交，即满足：

且满足：

正交冗余传输方法算法流程如图1所示。

新算法详细步骤如下：

（1）按式（1）逐个节点进行信号发射预成型；

（2）对信号按频谱进行信道响应，提取特征频谱并按按式（2）进行信号预成型；

（3）按式（5）进行正交取样，并对下一个周期内传输信号的相位旋转90o，形成信号分量；

（4）接收端进行滤波处理，数据传输结束。

1.2 拟态调度方法

由无线传感的信号传输理论（式（1））可知，信号发射均采用冲激方式形成特征频谱，因此各信号分量与信道噪声在发射频谱上拟态特性，即相邻子信号传输中的发射频谱具有叠加性与漂移特性，需要在数据传输中考虑这个因素，以便降低信道中莱斯噪声与漂移态信号之间的叠加，进一步提高算法的传输性能。

式中，send表示节点能量最大值，rev表示下一跳节点的冗余传输带宽；表示节点覆盖区域的半径。为保证调度质量，将send进行跳频处理：

单纯使用调度阈值进行数据传输调度可能产生冲突问题，即上一传输周期的数据与下一传输周期的 数据会产生一定的冗余冲突[9]，因此构建裁决阈值d如下：

式中表示信道噪声的功率谱密度函数，一般可通过对式（1）抽样获取。

拟态调度方法算法流程如图2所示。

图2 拟态调度方法算法流程

算法步骤如下：

（1）待发射节点进入预调度状态，以便进行信号发射前的准备工作，按式（8）所示确定当前时刻网络的拟态调度阈值；

（2）待发射节点搜寻网络中下一跳传输节点，并根据式（9）、式（10）匹配下一跳节点的裁决阈值，若该节点处于发射状态的频谱能够支持信道发射，则当且仅当下一跳节点的能量高于式（10）所示的裁决阈值时，数据通过信号发射的方式进行传输，本次调度方法结束。

2 仿真环境分析

对本文提出的基于正交冗余拟态调度机制的无线传感网络数据传输算法进行仿真分析，并与采用超混沌信道抖动稳定传输算法[11]（CCJST）及节点数据周期稳定传输算法[12]（NDPST）进行对比。仿真对比指标为信道抖动频谱偏差、传输带宽、数据丢包率、信道误码率等。

实验采用NS-2仿真平台对新算法进行仿真实验，节点分布为矩形区域，长、宽均为2000 m；节点分布模型采用随机散布模型，个数不超过100个；节点移动速度不超过10 m/s；信号调制方式均采用标准LTE-5G信号调制方式：512QPSK调制；信道噪声使用标准莱斯噪声分布。仿真参数设置为：

（1）采样范围：1000 m×1000 m

（2）节点移动速度：≤10 m/s

（3）节点分布模型：随机抖动

（4）传输频率：4.096 GHz

（5）信道带宽：≥1.024 Mbit/s

（6）噪声功率：≥1 mW

3 实验结果分析

3.1 信道抖动频谱偏差测试

在信道抖动频谱偏差仿真实验中，节点移动速度分别为2 m/s和8 m/s，信道噪声为标准莱斯噪声。信道抖动频谱偏差测试结果如图3所示。新算法的信道抖动频谱偏差与基准偏差相比，始终较低且波动幅度较小，在节点高移动条件下的信道抖动频谱偏差最大仅为1 107 Hz，远远低于对照组，显示了优良的抗噪性能，说明本文提出的新算法能够针对信道噪声造成的链路抖动现象进行有效消除，可在传输层提高无线传感网络的传输能力。CCJST算法主要采用直接消除机制，即针对莱斯噪声的主要功率谱密度进行定点清除，不具备新算法所具有的全频谱消除能力。因此，信道抖动消除能力要低于新算法。NDPST算法主要采用周期重传方法，当数据传输受阻时反复进行数据传输，容易造成严重的频谱堆积效应，造成更大范围的信道抖动，故其信道抖动频谱偏差要远远高于新算法。

3.2 传输带宽测试

新算法与CCJST算法及NDPST算法的传输带宽对比测试结果如图4所示。结果很清晰地表明：新算法传输带宽一直处于优势，显示了较强的数据传输能力，说明新算法较好地对无线传感网络中信号抖动及信道抖动进行了抗噪处理，显著提升了传输带宽。新算法在节点移动速度较低时（2 m/s）的传输带宽最高能达到7 000 bit/s，在节点移动速度较高时（8 m/s）最高能达1 500 bit/s，较CCJST采用的直接消除机制及NDPST采用的周期重传方法相比有明显的优势。

图3 信道抖动频谱偏差测试

图4 传输带宽测试

3.3 优化传输性能测试

传输性能测试主要是对数据丢包率、信道误码率两个指标进行仿真测试。仿真结果如图5所示。新算法的数据丢包率及信道误码率均处于较低的水平，均比CCJST算法和NDPST算法要低。这是由于新算法大大改善了传输性能，降低了信道波动，因此数据丢包率与信道误码率均较低。因此，CCJST算法采用的直接消除机制及NDPST算法采用的周期重传方法，在传输性能方面不如本文提出的新算法。

图5 优化传输性能测试

4 结语

提出的基于正交冗余拟态调度机制的无线传感网络传输算法，充分利用信道间信号冲击频谱与信号瞬时能量的正交特性，大大强化了网络的安全传输性能。考虑到无线传感节点的拟态特性，创造性地使用跳频方式对调度阈值进行进一步匹配，实现了传输过程的稳定调度，传输性能卓越，仿真对比效果明显。对该新算法的进一步研究，将解决拓扑抖动频繁的问题，拟引入传输拓扑动态调度机制，强化新算法的拓扑控制性能，提升新算法的适用场景，促进新算法在无线传感部署中的实际应用。

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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学研究项目（KJ2019A1136）；2017年安徽省高等学校省级质量工程资助项目（2017mooc293）；2018年滁州职业技术学院校级重点科研立项课题（YJZ-2018-13）；2018年度滁州职业技术学院校级教学质量立项课题（jxtd004）

李长春（1976—），男，安徽滁州，硕士，副教授，主要研究方向为计算机网络及安全、物联网。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.031