無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自調(diào)節(jié)信道均衡方法研究

曹瑋潤，王羿博，袁 昊，李 興

（國網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司，蘭州 730050）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、地質(zhì)勘探、環(huán)境檢測等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，隨著其發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)?？焖偻卣梗瑢?dǎo)致多途徑噪聲帶來嚴(yán)重的信道失衡，而現(xiàn)有均衡方法難以有效解決龐大網(wǎng)絡(luò)中的多途徑問題，因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，信道均衡[1-2]的研究成為重點(diǎn)。

文獻(xiàn)[3]采用網(wǎng)絡(luò)信道UWB能量補(bǔ)償方法，結(jié)合改進(jìn)的硬件平臺，實(shí)現(xiàn)信道優(yōu)化，但是該方法的同步性不好，致使優(yōu)化效果不穩(wěn)定；文獻(xiàn)[4]根據(jù)帶寬頻譜模型，結(jié)合信道能量，獲得了較好的先驗(yàn)?zāi)芰款A(yù)測，但是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)分布不均的原因，導(dǎo)致難以合理應(yīng)用于多途徑能量檢測。為有效提高網(wǎng)絡(luò)信道均衡的性能，本文提出并設(shè)計了自調(diào)節(jié)消噪信道均衡方法。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道信號分析

通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對其傳輸信號進(jìn)行比特流調(diào)制解調(diào)，在多途徑信道情況下，根據(jù)時域擴(kuò)展模型，利用自調(diào)節(jié)迭代處理，可以完成信號的重組，其中的迭代處理描述如下

為增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信道中信號波形的指向，設(shè)定信號輸出包絡(luò)計算模型如下

根據(jù)上述對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信號模型的建立與分析，以及關(guān)聯(lián)信道的調(diào)制解調(diào)機(jī)制計算頻率與相位數(shù)據(jù)，即可完成網(wǎng)絡(luò)通信信道的優(yōu)化。

3 自調(diào)節(jié)消噪信道優(yōu)化

通過上述對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道信號的建模與分析，可知網(wǎng)絡(luò)信道具有顯著的多途徑噪聲特性，并且數(shù)據(jù)傳輸過程中的時間延遲與相位差明顯，這說明在信號傳輸途中有非預(yù)期的反射存在，將導(dǎo)致信號發(fā)生非預(yù)期的反射與散射，影響網(wǎng)絡(luò)能量均衡能力。

由于接收端的高頻信號相互疊加，產(chǎn)生字節(jié)碼之間的串?dāng)_，引起信道帶寬的變化，并且該變化受多途徑和時間因素影響，根據(jù)功率譜，判斷出信道是否均衡的濾波器所處的節(jié)點(diǎn)，調(diào)整前饋途徑的輸出信號，完成信道優(yōu)化，調(diào)整反饋信號后得到的新信道模型為

根據(jù)公式（3）對新模型進(jìn)行信號分解，于是可以解出信道的輸出信號特征公式

根據(jù)公式（4）得到噪聲的信號特征，在此基礎(chǔ)上，利用最小二乘法計算實(shí)現(xiàn)信道的均衡優(yōu)化。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提方法對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量均衡優(yōu)化的有效性，通過Matlab搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺，原始數(shù)據(jù)信號為BPSK，載波信號設(shè)置為5kHz，采樣頻率設(shè)置為50kHz，判斷信道是否處于均衡的反饋器采用20次前反饋濾波處理，為了充分驗(yàn)證所提方法的有效性，在實(shí)驗(yàn)過程中將文獻(xiàn)[4]提到的方法作為對比，并采用誤碼率指標(biāo)衡量信道的均衡性能。

如圖1所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線可明顯得到，隨著迭代次數(shù)的增加，誤碼率均呈現(xiàn)下降的趨勢，但是本文提出的方法誤碼率始終低于對比方法，且隨著迭代次數(shù)的增長，呈現(xiàn)出更加快速的下降趨勢。表明本文方法的學(xué)習(xí)能力和收斂性都更加優(yōu)秀，能夠更快速跟準(zhǔn)確的完成信道均衡優(yōu)化。

圖1 傳輸誤碼率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

隨著無線傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，為了有效滿足大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信道均衡要求，提出了自調(diào)節(jié)消噪信道均衡方法。針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的多途徑噪聲特點(diǎn)，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)信號模型，并根據(jù)模型將信號衰減與分路信號進(jìn)行重新組合，利用自調(diào)節(jié)消噪方法與最小二乘法完成信道均衡優(yōu)化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析，本文提出的方法顯著提高了信號傳輸過程中的誤碼率，有效提高了信道的抗噪聲能力，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自調(diào)節(jié)信道均衡性。