協(xié)同信號驅動和區(qū)域健壯性感知的機會可靠傳輸機制*

李　甜， 戴曉霞， 陳觀林

(浙江大學 城市學院,浙江 杭州 310015)

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協(xié)同信號驅動和區(qū)域健壯性感知的機會可靠傳輸機制*

李甜， 戴曉霞， 陳觀林

(浙江大學 城市學院,浙江 杭州 310015)

摘要:針對無線傳感器網(wǎng)絡中區(qū)域通信特性和信號驅動問題，研究了一種能夠提供高效可靠數(shù)據(jù)通信的基于協(xié)同信號驅動和區(qū)域健壯性感知的機會可靠傳輸機制。首先基于信號冗余度、并行通信和信號融合，建立了多路徑傳輸協(xié)同信號驅動模型；基于區(qū)域劃分建立子網(wǎng)序列狀態(tài)矩陣，構建區(qū)域健壯性感知模型；提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的高效可靠的機會可靠傳輸機制。數(shù)學分析與實驗結果表明:所提出的傳輸機制在實時性、穩(wěn)定性、可靠性、信號識別等方面具有優(yōu)秀表現(xiàn)。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡; 協(xié)同信號； 健壯性； 可靠傳輸

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡大規(guī)模部署的節(jié)點信號通信范圍小，一般通過與鄰居節(jié)點合作通信，為網(wǎng)絡整體監(jiān)控覆蓋范圍提供服務[1]，因此,劃分區(qū)域成為一種有效的拓撲格局。無線傳感器網(wǎng)絡劃分區(qū)域后，區(qū)域內(nèi)部管理和區(qū)域間合作主要包括:協(xié)同信號處理[2]，差分協(xié)同信號[3]、分布式協(xié)同信號識別、區(qū)域能效和結構健壯性。因此，為端到端通信提供服務成為首要解決的關鍵問題之一。

協(xié)同信號處理方面，文獻[4]針對多批處理調度問題，基于信號驅動提出了綜合調度算法。Kar S 等人[5]研究了由多個傳感器節(jié)點和融合中心組成的功率受限的無線傳感器網(wǎng)絡，通過更新線性觀測提出一種傳感器節(jié)點分布式架構。Naeem M K等人[6]通過合作資源選擇和傳輸方案，提高維護鏈路可靠性方面的協(xié)作的無線傳感器網(wǎng)絡的性能。

網(wǎng)絡健壯性方面，文獻[7]結合質量特性和設計約束的綜合健壯性, 研究了望小特性模糊健壯設計的分位數(shù)型設計準則。文獻[8]將模板法和區(qū)域分解法相結合提出一種有效保障型模板方案的有效性和健壯性的選擇型模板方案。文獻[9]構建傳感器覆蓋模型，基于傳感器覆蓋與連通標準，研究了傳感器區(qū)域覆蓋算法。

由于上述研究忽略了信號驅動的協(xié)同特點和區(qū)域內(nèi)部及與鄰接區(qū)域的健壯性對系統(tǒng)性能的影響，因此，本文首先針對信號冗余度和多跳傳輸建立了協(xié)同信號驅動模型，接著提出了網(wǎng)絡區(qū)域健壯性感知模型，最后基于健壯性結合單區(qū)域協(xié)同信號驅動和多區(qū)域信號協(xié)同分配提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的高效可靠的機會可靠傳輸機制。

1協(xié)同信號驅動模型

在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，部署的多個傳感器節(jié)點通過自組織方式構建無線傳感器網(wǎng)絡，信號由發(fā)送節(jié)點到達接收節(jié)點需經(jīng)過多跳傳輸，而且存在多條傳輸路徑，面臨以下幾個問題：

1)來自不同節(jié)點的監(jiān)控對象采集信號冗余度；

2)多跳多路徑傳輸?shù)牟煌盘柕男型ㄐ牛?/p>

3)對于接收端，收到來自不同發(fā)送節(jié)點針對同一監(jiān)控對象的信號后的數(shù)據(jù)融合。

針對上述問題，假設發(fā)送信號為Si，其中，i為多個發(fā)送端節(jié)點，φi為信號強度，P(Si|φi)為第i個發(fā)送節(jié)點的發(fā)送功率，則接收端接收功率如式(1)所示

(1)

式中φ為接收信號冗余度，通過每兩個發(fā)送節(jié)點的信號進行迭代分析后統(tǒng)計得到。TS為接收信號總和，R為去除冗余數(shù)據(jù)融合后信號，M為同時向接收端發(fā)送同一監(jiān)控對象采集數(shù)據(jù)信號的發(fā)送端節(jié)點個數(shù)。

基于式(1)的多路徑傳輸?shù)男盘柸诤?，給出多路信號經(jīng)多跳傳輸?shù)竭_接收端后路徑損耗η如式(2)所示

(2)

式中d為發(fā)送端與接收端距離，dH為每跳傳輸兩點間距離，Hop為一次信號傳輸所需跳數(shù)，c為損耗常量，γ為路徑損耗平衡因子，表征信號強度隨點到點距離的變化而衰減進行基于端到端傳輸路徑的能量平衡。

在接收端的信號接收功率和多跳傳輸路徑損耗的基礎上，得出接收信號y(t)如式(3)所示

(3)

式中h(t)為t時刻多路徑信號間冗余度。多路徑傳輸信號存在式(4)所示沖激映射關系

(4)

進一步，圖1給出了多路徑信號傳輸過程中信號冗余、干涉與融合狀態(tài)轉移。發(fā)現(xiàn)轉發(fā)節(jié)點會接收來自不同發(fā)送端節(jié)點的信號，通過并行通信方式轉發(fā)冗余信號，建立信號協(xié)同機制，具體步驟如下：

1)多路信號分解得出冗余部分，參照式(5)實現(xiàn)

圖1　多跳傳輸信號沖擊Fig 1　Multi-hop transmission signal impulse

(5)

2)轉發(fā)節(jié)點對多路信號冗余部分進行融合，參照式(6)實現(xiàn)

(6)

3)融合后信號建立協(xié)同關系，參照式(7)實現(xiàn)

(7)

4)接收端與轉發(fā)節(jié)點依據(jù)協(xié)同關系，驅動發(fā)送端節(jié)點進行監(jiān)控對象信號采集與發(fā)送，參照式(8)實現(xiàn)

(8)

式中δ為驅動平衡因子。協(xié)同信號驅動發(fā)送端節(jié)點采集和發(fā)送信號時綜合考慮了路徑損耗和多路傳輸能耗平衡問題。由于每條傳輸路徑特性、信號強度、信道衰減和轉發(fā)節(jié)點冗余度具有隨機性，因此，協(xié)同信號驅動必須具有自適應調節(jié)能力，調節(jié)控制決策可依據(jù)式(9)進行分析得到

(9)

式中D為調節(jié)出發(fā)開關因子，在自適應調節(jié)過程中作為開關變量決定是否激發(fā)調節(jié)。

2網(wǎng)絡區(qū)域健壯性感知模型

無線傳感器網(wǎng)絡根據(jù)監(jiān)控對象和數(shù)據(jù)轉發(fā)需求，一般劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部傳感器節(jié)點自組織一個子網(wǎng)，需要與其它區(qū)域建立通信時可由匯聚節(jié)點擔任網(wǎng)關。每個區(qū)域建立獨立的子網(wǎng)狀態(tài)矩陣，基于監(jiān)控對象、傳輸路徑和路徑損耗等因素與接收端建立感知，利用區(qū)域性狀態(tài)信息,既可以減少因大規(guī)模部署的無線傳感器網(wǎng)絡通過自組織方式構建網(wǎng)絡所需的大量廣播信息和確認信息包,又可以避免因部分節(jié)點失效而導致整個系統(tǒng)崩潰，區(qū)域劃分后無線傳感器網(wǎng)絡部署架構如圖2所示。

圖2　區(qū)域劃分網(wǎng)絡拓撲Fig 2　Wetwork topology sfter regional division

圖2中，將網(wǎng)絡監(jiān)控區(qū)域劃分為多個矩形區(qū)域。假設區(qū)域i采集到數(shù)據(jù)后向接收端發(fā)送信號，既可以直接到達接收端，又可以經(jīng)區(qū)域j轉發(fā)后達到接收端。

假設X(i,j)為劃分后第i行j列個區(qū)域。Y為經(jīng)多個區(qū)域發(fā)送轉發(fā)到達接收端后經(jīng)融合產(chǎn)生的信號

(10)

結合區(qū)域路徑損耗后，區(qū)域信號狀態(tài)如式(11)所示

(11)

網(wǎng)絡區(qū)域與信號狀態(tài)映射關系如圖2所示，其中,信號狀態(tài)通過結合式(10)和式(11)得到優(yōu)化，進一步強化區(qū)域信號沖激響應關系。由此可以統(tǒng)計得到各個區(qū)域的實時子網(wǎng)狀態(tài)，包括發(fā)射信號強度、信號間干擾、冗余度和路徑損耗，為了感知區(qū)域健壯性，分別進一步從區(qū)域平均能量、瞬時信噪比、互信息量和中斷概率等方面建立區(qū)域健壯性感知模型。

通過區(qū)域信號空間和監(jiān)控對象檢測弧度，以最小化區(qū)域負載為目標，傳感器節(jié)點將區(qū)域狀態(tài)X與狀態(tài)參數(shù)建立映射關系。因此，區(qū)域拓撲因子ATP和狀態(tài)因子AS如式(12)所示

(12)

其中，狀態(tài)因子AS計算結果后進一步優(yōu)化定義為1,2,3,4,5，數(shù)字越大表明區(qū)域狀態(tài)越穩(wěn)定且性能優(yōu)。

基于上述分析，給出無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)域健壯性判定參數(shù)：

1)區(qū)域匯聚發(fā)送信號強度:可由式(3)將M設置為1且t為該區(qū)域傳輸信號時長。

2)區(qū)域損耗比重:可由式(2)將M設置為1且跳數(shù)Hop設置為區(qū)域長度。

3)接收端收到來自該區(qū)域信號強度:可由式(1)和式(8)結合計算得到。

4)區(qū)域拓撲強度:可由式(12)將m和n根據(jù)區(qū)域劃分矩陣獲得列數(shù)和行數(shù)，計算得到。

5)區(qū)域狀態(tài)評價:可由與式(4)獲得方式同理。

在區(qū)域健壯性定義基礎上，給出感知策略，滿足以下條件之一，即表明該區(qū)域健壯性減弱需要通過重組進行重構：

1)該區(qū)域的匯聚發(fā)送信號強度與歷史數(shù)據(jù)相比減弱50 %。

2)該區(qū)域損耗比重，縱向比較增大30 %或者剩余能量占總能量比例低于30 %。

3)接收端收到來自該區(qū)域信號強度在所有同類監(jiān)控對象數(shù)據(jù)來源中位于末尾。

4)該區(qū)域拓撲強度與鄰居區(qū)域相比低于20 %。

5)該區(qū)域狀態(tài)評價指數(shù)小于3。

3機會可靠傳輸機制

協(xié)同信號驅動以區(qū)域內(nèi)節(jié)點間協(xié)同合作為核心，基于節(jié)點發(fā)送信號強度和路徑損耗，結合節(jié)點間信號沖激權重因子，以信號所示監(jiān)控對象信息為驅動對象，實現(xiàn)在區(qū)域健壯性保障前提下的最大化資源利用和可靠信號傳輸。

隨著區(qū)域拓撲因子ATP和狀態(tài)因子AS的變化，區(qū)域內(nèi)節(jié)點進行區(qū)域健壯性感知、協(xié)同信號驅動和區(qū)域重構等操作。區(qū)域拓撲因子ATP和狀態(tài)因子AS的取值會因信號發(fā)送功率、信號強度、信號間干擾和區(qū)域規(guī)模等因素發(fā)生變化，如式(12)所示，因此，它們的取值會發(fā)生抖動性改變，對區(qū)域健壯性和節(jié)點間信號協(xié)同產(chǎn)生重要影響。

如果轉發(fā)節(jié)點發(fā)送的信號強度增大，則信號驅動下一跳節(jié)點協(xié)同。對比發(fā)送端節(jié)點信號強度，如果為正，則下一跳節(jié)點可不增大發(fā)送功率；否則，在接收信號強度基礎上增大功率，然后將信號轉發(fā)給下一跳節(jié)點，因此，信號轉發(fā)成功概率如式(13)所示

(13)

其中，函數(shù)ρ用于感知當前區(qū)域健壯性綜合評價結果。為了評價更為準確和實時，評價前考慮了調節(jié)出發(fā)開關因子取值和融合后信號強度。

在區(qū)域內(nèi)協(xié)同信號驅動時發(fā)送端節(jié)點和轉發(fā)節(jié)點感知區(qū)域健壯性過程可能因信息不對稱或延遲而發(fā)生沖突，因此，針對以下4種情況進行協(xié)同信號驅動優(yōu)化：

1)區(qū)域內(nèi)轉發(fā)節(jié)點間轉發(fā)信號強度差大于0.5 %時，信號強度較強的節(jié)點需要等待一個周期，消除抖動。

2)區(qū)域內(nèi)轉發(fā)節(jié)點間轉發(fā)信號強度一致，只需要感知區(qū)域健壯性的AS，確定區(qū)域拓撲是否覆蓋接收端。

3)區(qū)域內(nèi)某一節(jié)點的路徑損耗較為嚴重，該節(jié)點不再參與協(xié)同驅動。

4)當區(qū)域內(nèi)30 %的節(jié)點滿足第2節(jié)中所述區(qū)域健壯性減弱條件，則該區(qū)域需要與其鄰接區(qū)域通過合并實現(xiàn)重構，使重構的區(qū)域健壯性達到協(xié)同信號驅動條件。

因此，區(qū)域內(nèi)感知健壯性的互信息量如式(14)所示

(14)

其中，根據(jù)區(qū)域健壯性感知參數(shù)評價結論判定該區(qū)域是否需要重構，從而計算互信息量。

區(qū)域內(nèi)節(jié)點機會可靠傳輸流程如圖3所示。其中，發(fā)送端與接收端之間建立端到端通信。通信過程基于區(qū)域健壯性感知進行內(nèi)節(jié)點協(xié)同信號驅動，從而通過機會傳輸方式提供可靠性保障。根據(jù)式(7)分析信號融合度，為區(qū)域內(nèi)節(jié)點建立協(xié)同關系，從而驅動信號轉發(fā)。

圖3　區(qū)域內(nèi)節(jié)點機會可靠傳輸Fig 3　Opportunity reliable transmission of node in regional

如果無法在發(fā)送端與接收端之間建立單區(qū)域端到端通信，則需要鄰接區(qū)域加入機會傳輸過程。區(qū)域間通過感知區(qū)域健壯性，對協(xié)同信號進行分配，驅動端到端機會通信。從發(fā)送端到接收端經(jīng)區(qū)域矩陣X如式(11)所示，驅動協(xié)同信號向量B(m,n)∈{區(qū)域i:ATP,AS,Yi}，其中,計算Yi時需要考慮區(qū)域i的匯聚轉發(fā)節(jié)點正確譯碼概率Ped。

綜上所述，基于協(xié)同信號驅動和感知區(qū)域健壯性的無線傳感器網(wǎng)絡機會可靠傳輸機制，描述如下：

1)部署后的網(wǎng)絡進行區(qū)域劃分，得到矩陣X和網(wǎng)絡規(guī)模參數(shù)m,n。

2)每個區(qū)域內(nèi)根據(jù)信號狀態(tài)建立協(xié)同驅動，并獲得接收端信號y(t)，協(xié)同關系β和映射矩陣A。

3)根據(jù)端到端通信需求判定單區(qū)域或多區(qū)域通信，若單區(qū)域可到達接收端,則執(zhí)行第4步;否則,轉第5步。

4)根據(jù)區(qū)域拓撲因子ATP和狀態(tài)因子AS的取值結合該區(qū)域信號發(fā)送功率、信號強度等因素,在消除時延抖動的同時根據(jù)協(xié)同信號驅動節(jié)點信號轉發(fā)。

5)根據(jù)矩陣X得到鄰接區(qū)域，感知鄰接區(qū)域健壯性，對協(xié)同信號進行分配，接著驅動端到端機會通信。

4性能分析

針對本文所提出的機會可靠傳輸機制，分別采用數(shù)學分析和實驗對比的方法，從協(xié)同信號驅動實時性和能效，區(qū)域健壯性變化對該機制的影響以及信號識別率等方面進行性能分析與驗證。

第一組實驗采用數(shù)學分析的方法驗證協(xié)同信號驅動下與非協(xié)同信號下無線信號傳輸性能，包括傳輸時延，結果如圖4所示。分析中考慮傳播路徑損耗η和信道質量參數(shù)信噪比，20個傳感器節(jié)點均勻部署在矩形區(qū)域內(nèi)，自組織劃分為4個區(qū)域，區(qū)域內(nèi)誤符號率PSER可由式(15)得到

(15)

從圖4中可以看出:區(qū)域內(nèi)通過協(xié)同信號驅動無線信號傳輸，可以實時感知信道質量，對其更為敏感。當新到質量明顯改善后可顯著縮短傳輸時延，整體與非協(xié)同信號傳輸方案相比縮短了15s左右。在傳輸過程中，當新到質量大于30dB后，增加發(fā)送的信號長度，發(fā)現(xiàn)非協(xié)同信號傳輸方案時延不再減小趨于平穩(wěn)，表明信號長度對其影響較大，而所提出傳輸機制中協(xié)同信號驅動策略依然保持降低趨勢。

圖4　實時性Fig 4　Real time performance

第二組實驗中，部署20個傳感器節(jié)點，采用IEEE802.15.4協(xié)議組網(wǎng)，設定3個發(fā)送端節(jié)點，分別位于3個不同區(qū)域，傳輸速率為100個分組每秒，每個分組大小為512字節(jié)。3個發(fā)送端節(jié)點相距大于30cm，接收端距離其中最近的發(fā)送端節(jié)點為10m，在室內(nèi)環(huán)境下進行實驗。為了測試傳輸機制的抗干擾性和信號識別能力，端到端通信過程中，設定2個節(jié)點隨機發(fā)送干擾信號。靜態(tài)傳輸機制與機會可靠傳輸機制的系統(tǒng)生命周期對比結果如圖5所示。

從圖5結果發(fā)現(xiàn)，隨著區(qū)域健壯性的提高，靜態(tài)傳輸機制表現(xiàn)較弱，系統(tǒng)生命周期依然小于150s，表明區(qū)域的穩(wěn)定性并未以系統(tǒng)整體表現(xiàn)出來，資源利用率依然很低。而所提出的機會可靠傳輸機制，可以實時感知區(qū)域健壯性，并通過協(xié)同信號驅動模式和信號區(qū)域間分配。

5結束語

為了充分利用無線傳感器網(wǎng)絡信號協(xié)同轉發(fā)和解決區(qū)域信號沖突問題，本文首先從傳感器節(jié)點發(fā)送或轉發(fā)信號冗余度、節(jié)點間并行通信和接收端信息融合出發(fā)，構建了協(xié)同信號驅動模型，接著通過區(qū)域劃分，依據(jù)區(qū)域拓撲和狀態(tài)平衡權重建立了區(qū)域健壯性感知模型；最后，提出了一種無

圖5　系統(tǒng)生命周期Fig 5　System life cycle

線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信提供高效可靠性保障的機會可靠傳輸機制。從數(shù)學分析與實驗結果可以看出：所提出的傳輸機制與非協(xié)同信號驅動相比具有較強的實時性和高能效；與靜態(tài)傳輸機制相比在系統(tǒng)生命周期和信號識別率等方面表現(xiàn)更優(yōu)。

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Opportunistic reliable transmission mechanism based on collaborative signal drive and regional robust perception*

LI Tian, DAI Xiao-xia, CHEN Guan-lin

(City College，Zhejiang University,Hangzhou 310015,China)

Abstract:Aiming at regional communication characteristics and signals driving problem in wireless sensor networks(WSNs),high efficient opportunity reliable transmission mechanism based on collaborative signal driving and regional robust perception is proposed.Based on signal redundancy,parallel communication and signal fusion,establish a multi-path transmission model based on collaborative signal drive;establish subnet sequence state matrix based on region division,construct regional robust perception model;propose a high efficient and reliable transmission mechanism with opportunity for WSNs.Mathematical analysis and experimental results show that the proposed transmission mechanism has excellent performance in real-time,stability,reliability,and signal recognition,etc.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); collaborative signal; robust; reliable transmission

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0008—04

收稿日期：2015—06—24

*基金項目：浙江省中青年學科帶頭人學術攀登項目(PD2013457)；杭州市科技發(fā)展計劃資助項目(20140533B13)；浙江省自然科學基金青年基金資助項目(LQ12A01012)

中圖分類號：TP 319

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)03—0008—04

作者簡介:

李甜(1981-)，女，浙江麗水人，碩士，講師,研究方向為數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)挖掘。