基于自適應(yīng)噪聲抵消的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道優(yōu)化

龍清 胡光波

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)近場通信、水聲通信等領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道受到多途干擾，導(dǎo)致信道失衡，需要進(jìn)行信道均衡模型設(shè)計。提出一種基于自適應(yīng)噪聲抵消的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道優(yōu)化技術(shù)，首先構(gòu)建了無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進(jìn)行重組，采用自適應(yīng)噪聲抵消算法進(jìn)行信道的多途干擾濾波，結(jié)合最小二乘（RLS）準(zhǔn)則算法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡設(shè)計。仿真結(jié)果表明，采用該通信信道均衡技術(shù)能有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的信道質(zhì)量，降低通信傳輸失真和誤比特率，實(shí)現(xiàn)信道自適應(yīng)均衡，提高通信的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)噪聲抵消；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；通信信道；均衡

中圖分類號：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Wireless sensor network communication technology is widely applied in the field of Internet of things near field communication， underwater acoustic communication， the wireless sensor network communication channel by multi-path interference and lead to an imbalance of channel， channel equalization model design. Proposed a wireless sensor communication channel based on adaptive noise cancellation optimization technique. Firstly， we build the channel model of wireless sensor network communication. The wireless sensor network communication channel in the process of decay signal loss and various paths of the reorganization， the adaptive noise cancellation algorithm for channel multipath interference filter， combined with the least square （RLS） criterion algorithm for wireless sensor communications channel equalization design. Simulation results show that using the communication channel equalization technique can effectively improve the quality of the wireless sensor network communication channel， reduce the communication transmission distortion and bit error rate， the realization of the adaptive channel equalization， the anti-interference ability to improve communication.

Keywords： adaptive noise cancellation； wireless sensor networks； communication channel； equalization

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信的種類和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，通信就是通過通信介質(zhì)和通信信道，將需要傳輸?shù)穆曇?、文字、?shù)據(jù)、圖像等電信號調(diào)制在無線電波上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通信根據(jù)頻率和波長的差異，通信大致可分為長波通信、中波通信、短波通信、超短波通信和微波通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信是一種新型的通信方式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信是利用傳感器技術(shù)，通過數(shù)據(jù)調(diào)制濾波和節(jié)點(diǎn)，經(jīng)空間和地面?zhèn)髦翆Ψ降耐ㄐ欧绞?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信借助無線電波具有的波動傳遞信息的功能，人們可以省去敷設(shè)導(dǎo)線的麻煩，實(shí)現(xiàn)更加自由、更加快捷的通信，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信將在軍事、民用等各個領(lǐng)域展現(xiàn)較好的應(yīng)用價值[1-3]。

而今，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信不斷深入發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)近場通信、水聲通信等領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道受到多途干擾，導(dǎo)致信道失衡，需要進(jìn)行信道均衡模型設(shè)計[4]。傳統(tǒng)方法中，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道均衡設(shè)計技術(shù)主要有基于最小均方誤差的自適應(yīng)均衡算法、基于直接序列擴(kuò)頻的信道均衡算法和基于最小二乘（RLS）準(zhǔn)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道自適應(yīng)算法[5-9]，通過構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道的線性和非線性均衡器，包括線性橫向均衡器、線性格型均衡器等，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道均衡，取得了一定的研究成果。但是，傳統(tǒng)的信道均衡算法在通信信道受到大量的碼間干擾和多途干擾的時，通信傳輸?shù)馁|(zhì)量不好，信道均衡性能不高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道要復(fù)雜得多，且在時間、頻率、空間上呈現(xiàn)明顯的多變性，傳統(tǒng)的信道均衡技術(shù)不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道均衡設(shè)計的需求，需要進(jìn)行算法改進(jìn)設(shè)計[10-12]。針對上述問題，本文提出一種基于自適應(yīng)噪聲抵消的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道優(yōu)化技術(shù)，首先構(gòu)建了無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進(jìn)行重組，采用自適應(yīng)噪聲抵消算法進(jìn)行信道的多途干擾濾波，結(jié)合最小二乘（RLS）準(zhǔn)則算法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡設(shè)計。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測試，仿真結(jié)果表明，采用該通信信道均衡技術(shù)能有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的信道質(zhì)量，降低通信傳輸失真和誤比特率，實(shí)現(xiàn)信道自適應(yīng)均衡，提高通信的抗干擾能力，得出有效性結(jié)論。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型和信號重組

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型

為了實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道的優(yōu)化設(shè)計，首先給出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型和信道模型，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的多徑信道模型采用BPSK調(diào)制碼元的分布設(shè)計。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道是一種時變多徑衰落無線信道，具有多徑干擾強(qiáng)、傳輸時延大、相位偏移嚴(yán)重的特性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播過程中遇到各種非期望反射體，如上、下表面、水中物體、非均勻水團(tuán)等，引起反射和散射，得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道傳輸?shù)男旁氡葥p失為：

從圖可見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由發(fā)射換能器和接收換能器組成，發(fā)射換能器和接收換能器之間的傳播路徑主要由界面反射和直達(dá)路徑組成，由此構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型如圖2所示。

在上述構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行通信信號分析，實(shí)現(xiàn)信道均衡和優(yōu)化設(shè)計。

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信號分析

在上述構(gòu)建了無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信號分析，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸信號為窄帶信號，采用QAM調(diào)制，對輸入的比特流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和調(diào)制，在QAM調(diào)制信道模型中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信陣列單元接收到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)信號模型為：

通過上述無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信號分析，結(jié)合相干通信接收機(jī)或已知或估計出發(fā)射機(jī)的載頻頻率進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，發(fā)射機(jī)載頻和相位信息，進(jìn)行信道優(yōu)化設(shè)計。

2 自適應(yīng)噪聲抵消及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

2.1 問題的提出和自適應(yīng)噪聲抵消器設(shè)計

在上述進(jìn)行了無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型和信號分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道優(yōu)化，本文提出一種基于自適應(yīng)噪聲抵消的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合上述構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進(jìn)行重組，采用自適應(yīng)噪聲抵消算法進(jìn)行信道的多途干擾濾波，自適應(yīng)噪聲抵消器如圖3所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

為了測試本文設(shè)計的基于自適應(yīng)噪聲抵消的無線傳感網(wǎng)絡(luò)信道均衡算法的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真條件為：信號采用BPSK信號，碼元速率為1kBaud，載波頻率為3kHz，采樣頻率是信號載波頻率的10倍，，信噪比為0dB。判決反饋均衡器中前饋濾波器階數(shù)為24，反饋均衡器的階數(shù)為3，前饋濾波器階數(shù)為24，反饋均衡器的階數(shù)也為3，迭代步長均為0.01。根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡仿真分析，首先給出經(jīng)過多徑信道和噪聲污染后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)輸入端的信號波形如圖5所示。

圖5可見，原始的通信信號波形受到多徑信道和噪聲污染，通信質(zhì)量不好，采用自適應(yīng)噪聲抵消算法進(jìn)行信道的多途干擾濾波，結(jié)合最小二乘（RLS）準(zhǔn)則算法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡，為了對比性能，采用均衡輸出信號和標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，得到自適應(yīng)噪聲抵消和信道均衡處理后均衡無線傳感網(wǎng)絡(luò)輸出信號和標(biāo)準(zhǔn)信號如圖6所示。

從圖可見，經(jīng)過自適應(yīng)噪聲抵消和信道均衡處理后輸出信號具有較好的信號跟蹤和降噪性能，提高了輸出信噪比，對于解調(diào)信號用自適應(yīng)噪聲抵消算法進(jìn)行信道均衡處理后，分別在碼元1/3和2/3處進(jìn)行抽樣，前饋濾波器階數(shù)為24，得到學(xué)習(xí)曲線如圖7所示。

從圖可見，采用本文算法進(jìn)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡設(shè)計，具有較好的學(xué)習(xí)性能，收斂性較好。為了定量對比算法對無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)母纳颇芰Γ跃馄魈幚砗蟮恼`比特性能為測試指標(biāo)，如圖8所示，從圖可見，采用本文方法進(jìn)行通信的誤碼元為5碼元，誤碼率為0.92%，比傳統(tǒng)方法降低了較大的幅度，展示了其優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

本文研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道優(yōu)化問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)近場通信、水聲通信等領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信信道受到多途干擾，導(dǎo)致信道失衡，需要進(jìn)行信道均衡模型設(shè)計。本文提出一種基于自適應(yīng)噪聲抵消的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道優(yōu)化技術(shù)，首先構(gòu)建了無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信的信道模型，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道傳播過程中衰減損失和各條路徑的信號進(jìn)行重組，采用自適應(yīng)噪聲抵消算法進(jìn)行信道的多途干擾濾波，結(jié)合最小二乘準(zhǔn)則算法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信信道均衡設(shè)計。研究表明，采用該通信信道均衡技術(shù)能有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的信道質(zhì)量，降低通信傳輸失真和誤比特率，實(shí)現(xiàn)信道自適應(yīng)均衡，提高通信的抗干擾能力，展示了較高的應(yīng)用價值。

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作者簡介：

龍 清（1980-），女，碩士，工程師，主要研究方向：計算機(jī)應(yīng)用，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

胡光波（1983-），男，西北工業(yè)大學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：信號與信息處理。