林業(yè)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高能效信號設(shè)計

王鐵濱，王克奇

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

針對林業(yè)中的森林防火、林業(yè)灌溉等實時監(jiān)測問題，目前所采取的措施包括人力巡邏、瞭望塔人工觀測、衛(wèi)星探測等。這些監(jiān)測方法都需要投入較大的人力和物力，且存在人為疏忽的問題。近年來，面向林業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是森林工程的研究熱點之一［1－2］。林業(yè)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以方便快捷的監(jiān)測林業(yè)中的的各類參數(shù)，包括森林火災(zāi)預(yù)警、灌溉頻率信息等，具有重大的經(jīng)濟意義和價值。

在傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，能量供應(yīng)是其運行的重要保障。而面向林業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于其安全性要求，不能依靠太陽能等能源供給方式。因此，林業(yè)監(jiān)測所使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，對能量效率具有更嚴格的要求［3］。如何在能量一定的前提下，獲得最多的監(jiān)測信息，是高能效網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的核心問題。

在無線傳感器能效優(yōu)化的研究領(lǐng)域，學(xué)者們已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)層面提出了很多優(yōu)化算法方法［4］，但是在物理層的信號傳輸層面，目前尚沒有基于能效的優(yōu)化設(shè)計方案。另一方面，林業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道環(huán)境由森林構(gòu)成，考慮到樹木對于無線信號的反射和折射，林業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線信號將經(jīng)歷一個多徑分量比較豐富的物理層傳輸信道。此時傳統(tǒng)的數(shù)字通信方式無法高效地實現(xiàn)多徑信道的捕獲和分離，需要借助正交頻分復(fù)用（Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術(shù)［5］來將多徑分量豐富的森林信道轉(zhuǎn)化為頻率選擇性衰落信道，在頻域?qū)崿F(xiàn)信號的恢復(fù)。例如，目前提出的應(yīng)用于林業(yè)的ZigBee林業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)就是基于OFDM傳輸技術(shù)。

但是，從能量效率的角度來看，OFDM的物理層發(fā)射信號是多個子載波的疊加，其包絡(luò)具有不恒定性［6］，這嚴重影響了發(fā)射端放大器的效率和系統(tǒng)的能量效率，不利于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能。

本文從物理層信號設(shè)計的角度考慮了林業(yè)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高能效信號優(yōu)化設(shè)計，通過揭示各類信號處理方法的優(yōu)勢和劣勢，為林業(yè)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了高能效設(shè)計的借鑒。

1 OFDM信號的峰均比

OFDM信號是一系列子載波信號的疊加，其發(fā)射信號的包絡(luò)具有不穩(wěn)定性。一般用OFDM符號內(nèi)峰值功率和平均功率的比值（簡稱峰均比）來衡量這種不恒定性。OFDM多載波發(fā)射信號的波形，如圖1所示，可以看出，OFDM信號的峰均比波動非常大，這對于發(fā)射機的放大器的線性動態(tài)范圍提出了很高的要求，且嚴重影響了系統(tǒng)的功率效率和能量效率。

圖1 OFDM信號的峰均比仿真圖Fig.1 PAPR simulation of peak to mean ratio for OFDM signal

2 基于能量損耗的優(yōu)化算法

為了將OFDM信號的峰均比限制到系統(tǒng)的預(yù)定范圍內(nèi)，該類方法的主要思想是，通過引入信號預(yù)失真，或者引入冗余來控制OFDM信號的包絡(luò)波動。

2.1 加窗法

加窗法的系統(tǒng)框圖如圖2所示。該方法的基本思想在于:通過在時域OFDM信號上疊加一個加權(quán)窗函數(shù)，來抑制發(fā)射信號的峰均比。該類方法又可以分為限幅法［7］、峰值抵消法［8］和壓縮擴展法［9］三類。

圖2 加窗法系統(tǒng)框圖Fig.2 System framework of windowing method

限幅法對于發(fā)射信號超過預(yù)定門限的部分進行直接削減，相當于在發(fā)射信號上疊加了一個矩形窗。該類方法在頻域會產(chǎn)生很大的帶外輻射。為了彌補這個缺點，峰值抵消法采用其他在是頻域都具有良好特性的窗函數(shù)來作為峰值抵消函數(shù)以獲得良好的帶外性能。壓縮擴展法的基本思想在于，對高峰值的信號進行包絡(luò)壓縮，而對于低峰值的信號進行包絡(luò)擴展，在抑制峰均比的同時提升有用信號功率，但這為接收端的信號恢復(fù)帶來了困難。

加窗類算法可以在低復(fù)雜度的前提下高效控制信號的峰均比，提升發(fā)射信號的能效。但其不足在于，影響了系統(tǒng)的傳輸性能，為接收端信號恢復(fù)造成了障礙。

2.2 編碼法

編碼方法是指在調(diào)制信號輸入OFDM調(diào)制器之前，對其進行能效編碼以抑制其包絡(luò)波動，如圖3所示。例如可以用具有低峰均比特性的序列對于發(fā)射信號進行優(yōu)化映射以達到控制峰均比的目的。例如，在文獻［10］中，作者從理論上分析了 Golay序列與Reed－Muller碼的關(guān)系，給出了基于Reed－Muller碼的生成方式構(gòu)造Golay序列的方案和基于最大似然法（Maximum Likelihood，ML）的譯碼方案。

圖3 編碼法系統(tǒng)框圖Fig.3 System framework of coding method

編碼法的優(yōu)勢在于，可以無失真的將信號的包絡(luò)壓縮到很低的范圍內(nèi)，但其具有明顯的不足。一方面，編解碼的復(fù)雜度非常高，這為系統(tǒng)設(shè)計帶來不便，另外一方面，編碼會引入大量的冗余，這也會嚴重影響系統(tǒng)的能量效率。

2.3 子載波預(yù)留法

子載波預(yù)留法的系統(tǒng)框圖如圖4所示。子載波預(yù)留法［11］的主要思想是，在頻域引入部分子載波，該部分子載波不用于數(shù)據(jù)傳輸，而用于設(shè)計峰值抵消信號以抑制發(fā)射信號的峰均比。對于OFDM系統(tǒng)接收端而言，所有接收信號經(jīng)過IDFT處理后對其進行子載波逐一解調(diào)，所以預(yù)留子載波在接收端可以被直接丟棄，不會對數(shù)據(jù)子載波帶來任何損失。因此，該類方法是一種發(fā)送信號無失真的峰均比降低方法。

圖4 子載波預(yù)留系統(tǒng)框圖Fig.4 System diagram of subcarrier reservation method

該類方法的優(yōu)勢在于，可以無失真的控制發(fā)射信號的峰均比，但子載波預(yù)留算法引入了多余的峰值優(yōu)化子載波，本身也會降低能量效率。

3 基于計算復(fù)雜度的優(yōu)化算法

圖5給出了基于計算復(fù)雜度的優(yōu)化算法的系統(tǒng)框圖。通過數(shù)學(xué)變換映射，生成多個代表原始信號的備選信號，然后從中選擇峰均比較低的備選信號用于傳輸。該類思想可以看作峰均比抑制性能和計算復(fù)雜度的折衷，在峰均比抑制領(lǐng)域引起了廣泛研究。

圖5 基于計算復(fù)雜度的優(yōu)化算法系統(tǒng)框圖Fig.5 Optimization algorithm scheme based on the computation complexity

從圖5可知，該類算法的優(yōu)化設(shè)計主旨在于通過變換映射生成多個備選信號。根據(jù)備選信號生成方式的不同，可以分為相位因子［12］、擾碼［13］、交織［14］等方式。

基于計算復(fù)雜度的優(yōu)化算法的優(yōu)勢在于，不會影響傳輸性能，主要是計算復(fù)雜度和峰均比性能的折中。但其缺點在于，一方面計算復(fù)雜度的升高也會降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗，另一方面，接收端需要接收副信息以確定發(fā)射信號的序號，從而恢復(fù)接收信號，這種方式本身也會使能量效率有所降低。

4 具有高能效的改進OFDM系統(tǒng)

通過對傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)進行改造，從而為林業(yè)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置新的物理信號傳輸方式。這些高能效系統(tǒng)都是近年來提出的新思想，雖然尚有不足之處，但是為高能效的信號設(shè)計提供了新的發(fā)展方向。

4.1 基于DFT預(yù)編碼的OFDM系統(tǒng)

如圖6所示，改進系統(tǒng)［15］在傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制器之前加入DFT預(yù)編碼，聯(lián)合載波映射以抑制峰均比，提升能量效率。該系統(tǒng)類似于LTE中的DFT－spread－OFDMA系統(tǒng)，但更適合無線傳感器中的點到點傳輸，且不會帶來計算復(fù)雜度的明顯增長，代表了高能效信號設(shè)計的新方向。但該系統(tǒng)也具有明顯的缺點，例如峰均比抑制性能受限，僅有2dB左右。

圖6 DFT預(yù)編碼的OFDM系統(tǒng)框圖Fig.6 OFDM scheme of precoding by DFT

4.2 恒包絡(luò)OFDM系統(tǒng)

恒包絡(luò)OFDM［16］在傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制器之后加入相位調(diào)制部分，通過數(shù)字信號處理的方法來實現(xiàn)輸出信號的包絡(luò)恒定。圖7給出了該系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于，輸出信號的包絡(luò)是一個恒定值，徹底解決了峰均比的問題，達到能效最優(yōu)。但該系統(tǒng)同樣存在缺點，例如復(fù)雜度偏高，且引入的相位調(diào)制會導(dǎo)致傳輸性能的損失。為了使該系統(tǒng)能夠用于林業(yè)監(jiān)測，還需要考慮對該方法進行進一步拓展，在峰均比和傳輸性能之間取得一個動態(tài)的平衡。

圖7 恒包絡(luò)OFDM系統(tǒng)框圖Fig.7 System scheme of constant envelope OFDM

5 結(jié)論

從物理層發(fā)射信號設(shè)計出發(fā)，著力于提升林業(yè)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射信號的能量效率，并從信號峰均比抑制的角度總結(jié)了各類物理層信號處理算法。這些算法都可以看作能量效率、傳輸性能、計算復(fù)雜度等不同因素的平衡，在系統(tǒng)設(shè)計的時候，應(yīng)根據(jù)林業(yè)監(jiān)測的具體需求和環(huán)境地貌進行優(yōu)化選取和設(shè)計。本文所總結(jié)的信號設(shè)計方法，可為具有更高能效的綠色林業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

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