基于信号碰撞规避机制的移动无线传感器网络链路抖动抑制算法研究

吴婷

(陕西工业职业技术学院 信息工程学院, 陕西 咸阳 712000)

0 引言

随着工业化4.0进程的不断推进，移动无线传感器网络技术(Mobile Wireless Sensor Network，M-WSN)与第五代通信技术也呈现日益融合的部署态势，在新基建推广与转型过程中起到重要推动作用[1]。特别是第五代通信技术具有的超宽带及高拓扑移动特性，使得无线传感器网络也从传统的固定式部署转向移动式部署场景，在诸如特斯拉汽车、大疆无人机等产业领域极大地促进了生产力转型及生产关系更迭[2]。不过，当前移动无线传感器网络技术多依托传统固定式场景加以部署，使得实践中难以兼顾超宽带数据传输及网络自恰两方面特性，使得网络链路抖动发生频率较高，难以进一步稳定网络传输[3]。因此，采取一定的链路抖动抑制方案，逐步提高无线传感器网络技术对移动环境的适应能力，成为当前传感领域内研究热点之一[4]。

为提高无线传感器网络在移动部署环境下的适应能力，提高网络对链路抖动的抑制效果，人们提出了一些具有前瞻性的解决方案，在一定程度上改善了网络在高拓扑更迭场景下的传输能力。如Amit等[5]提出了一种基于聚类鉴权机制的传感网链路抖动抑制方案，方案利用传感网络特有的分区现象，采取特征鉴权模式对传输节点及簇头节点匹配数据聚类并进行传输融合，可显著降低网络能量消耗水平并改善网络链路抖动现象，数据超宽带传输性能较好。但是，该算法在聚类生成过程中需要频繁进行网络节点遍历，特别是出现链路抖动时将频繁启动链路切换流程，使得算法难以适应链路质量较差的部署环境。Rashmi等[6]提出了一种基于带宽-区域分割传输机制的传感网链路抖动抑制方案。算法通过周期机制对网络节点流量进行筛选，将过载状态节点进行备份，部分降低超宽带传输过程中出现的链路抖动现象，在车载网及无人机领域具有一定的应用价值。然而，该算法仅能适应固定或慢运动环境，在网络噪声干扰较为强烈时的流量拥塞较为严重，将出现严重的链路抖动现象，使得该算法无法进行大面积部署。Khalid等[7]基于定位机制并尝试通过引入拥塞控制方案用以缓解链路抖动现象，提出了一种新的移动无线传感器网络链路抑制算法，通过采取预设区域核心控制节点的方式对传输带宽进行分流，可显著增强网络拥塞控制能力，规避因流量过载而导致网络出现抖动现象。但是，该算法对区域核心控制节点性能要求较高，网络资源占用现象严重，使得算法在节点移动速度较高时的性能出现下降现象。

考虑到当前研究中存在的不足，提出了一种基于信号碰撞规避机制的移动无线传感器网络链路抖动抑制算法。首先，针对无线传感器网络信号传输易出现抑制现象，采取正交信道模式进行数据传输，降低因信道碰撞而出现的链路抖动，显著增强网络传输性能，提高节点数据传输强度，减缓信道噪声引发的信道碰撞。随后，针对移动节点出现的拓扑更迭等现象，采取离散方案降低抖动系数，并结合周期采样方式设计了功率阈值，稳定网络对数据传输的稳定控制性能，改善传输过程中节点功率受限情形。最后通过MATLAB仿真环境，证明了本文算法的性能。

1 本文算法设计

鉴于当前研究中的难点、热点，本文提出了一种基于信号碰撞规避机制的移动无线传感器网络链路抖动抑制算法。基于移动无线传感器网络具有节点运动速度较高、拓扑更迭及节点受限等情况，设计了信号碰撞规避机制及链路抖动规避机制：通过信号碰撞规避机制，显著提高节点超宽带传输，改善算法对高抖动信道的适应能力，降低节点受限概率；通过链路抖动规避机制，动态更迭传输链路中的关键节点，妥善改进链路切换及数据拥塞质量，提升算法的数据传输性能。

1.1 基于时序正交抑制的信道碰撞规避

由于无线传感器网络信号传输过程均采用无线信道进行数据通信，新一代无线通信技术信号制式同时存在超高频特性，使得传输信道往往具有高抖动特点[8]。为提高传输信道的抗噪性能，本文采取正交信道模型进行数据传输，以便能够实现对信道抖动现象的有效抑制[9]。

首先，不妨令网络中同时进行数据传输的信道条数为n，则信号频谱J(ω)满足式(1)。

(1)

式中，ε(ω-ωk)表示第k条信道对应的频谱初始化功率;μ(n)表示节点在进行第n次信号发射过程中与信道噪声相对的增益系数;ωk表示第k条信道对应的正交频率，不同信道的正交频率具有唯一性，若任意两条信道对应的正交频率相同或相似，则将发生严重的信道碰撞现象，导致网络传输性能受到严重的影响。

针对式(1)进行傅里叶逆变换可得信号发射的时间表达式如式(2)。

(2)

式中,μi表示当前节点的发射功率;G(t)表示傅里叶变化系数，则有式(3)。

(3)

联立式(1)、式(3)可得式(4)。

(4)

式(4)中参数同式(3)。

通过式(4)可得中继节点按照时移顺序获取的信号表达式，对式(4)进一步进行离散化处理可得式(5)。

(5)

由于本文采取正交信道模式，即式(6)。

∮J(ω)J(ω-T)dωdT=0

(6)

数据传输时，按式(4)所示进行信号发射，中继节点接收信号后按式(5)进行离散化处理后再将数据传输至下一跳节点，即可有效消除信道碰撞，如图1所示。

图1 信道碰撞规避机制

1.2 基于能量离散控制机制的链路抖动规避

由于无线传感器网络进行数据传输时均需要通过簇头节点进行中继传输[10]，传输过程中需要进一步考虑链路抖动问题，因此本文在完成信道碰撞规避机制后，为进一步提高链路切换质量，采取能量控制方式并按时序进行数据优化，以便对链路抖动进行抑制，详细设计如下。

Step 1 ：按式(7)进行数据传输能量初始化。

E=λrHsendErev

(7)

式中，E表示节点初始赋能；Erev表示上一时刻节点的剩余能量；r表示节点最大通信半径；Hsend表示当前冗余能量；λ表示能量补充系数。

Step 2 ：完成式(7)后，按式(1)获取信号频域表达式，并按式(8)进行离散化处理。

(8)

式中，δ表示离散系数，其余参数同式(2)。

Step 3 ：簇头节点传输完毕后，对区域内节点逐个进行遍历，如图2所示。

图2 链路抖动规避机制

确定下一时刻发射能量ψ，如式(9)。

ψ=δλrHsendErev

(9)

式(9)中参数同式(7)、式(8)。

Step 4 ：当仅当ψ高于式(7)继续进行数据传输，否则算法结束。

2 仿真与分析

为便于对比本文算法性能，采取MATLAB实验平台进行仿真实验[11]。不失一般性，网络节点分布为矩形区域(20 560 m×20 560 m)；节点采取5G信号，其中信号发射按128ASK模型进行数据调试[12]；节点采取移动模型，移动速度可调节。仿真对照组为移动无线传感器网络常用的基于能量-映射力稳定传输算法[13](A New Transmission Strategy To Achieve Energy Balance And Efficiency In Wireless Sensor Networks，E-BE算法)和基于多元距离机制的传输稳定算法[14](A Node Deployment Model With Variable Transmission Distance for Wireless Sensor Networks，VTD算法)。仿真指标为链路抖动率和链路抖动累计次数，详细仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数表

2.1 链路抖动率

本文算法、E-BE算法和VTD算法在不同节点速度下的链路抖动率测试结果，如图3所示。

(a) 高斯信道

(b) 莱斯信道

(c) Rayleigh信道图3 不同算法的链路抖动率测试结果

由图可知，本文算法具有链路抖动率较低的特性，特别是在节点处于移动状态时链路抖动率始终处于较低水平，体现了较好的链路抖动抑制效果。这是由于本文算法针对移动无线传感器网络信号易出现信道碰撞现象，设计了信道碰撞规避机制，机制采取正交信道模式进行数据传输，可显著降低频率受限而导致的信道抖动现象，因此具有较好的信道噪声抑制效果。此外，本文算法鉴于无线移动传感网易出现能量受限现象，设计了链路抖动规避机制，该机制主要从离散方面对信道抖动进行抑制，具备较高的链路抖动抑制能力，因此链路抖动率较低。E-BE算法主要采取能量均衡方式优化数据传输，未从信道抑制及信号优化方面对传输过程进行优化处理，特别是该算法对信道没有进行正交处理，因此传输链路易出现抖动。VTD算法基于鉴权机制，主要采取距离控制方式对传输拓扑进行优化，虽然能在一定程度上降低链路抖动现象，然而该算法未对信道可能出现的碰撞现象进行规避，因此链路抖动率亦要高于本文方案。

2.2 链路抖动累计次数

本文算法、E-BE算法和VTD算法在不同运行时间下的链路抖动累计次数测试结果，如图4所示。

由图可知，本文算法链路抖动累计次数始终处于较低水平，说明本文算法在网络运行时具有较好的链路稳定能力。

(a) 高斯信道

(b) 莱斯信道

(c) Rayleigh信道图4 不同算法的链路抖动累计次数测试结果

这是由于本文算法从信道正交化和信道抑制两个层次，通过信号离散化及抽样方式降低环境噪声对传输过程的影响，因此具有较低的链路抖动率，使得链路抖动累计次数较低。E-BE算法仅从能量方面对传输过程进行均衡化处理，对传输信道及信号正交方面未做考虑，因此具有较高的链路抖动率，使得链路抖动累计次数较高。VTD算法仅从拓扑控制角度对传输链路进行距离优化，未从信号即信道优化层面进行抖动抑制，因此链路抖动率亦要高于本文算法，使得该算法链路抖动累计次数较高。

3 总结

针对当前移动无线传感器网络部署过程中存在的传输性能较差、链路抖动难以抑制等不足，提出了一种基于信号碰撞规避机制的移动无线传感器网络链路抖动抑制算法。算法由信号碰撞规避机制及链路抖动规避机制两部分构成。通过信号碰撞规避机制，采取正交传输模式，有效抑制链路抖动，提高宽带传输性能。采取链路抖动规避机制，依托离散化、周期采样等模式，稳定链路传输性能，降低节点受限概率。仿真实验证明了本文算法的性能。

下一步，将针对本文算法对立体拓扑更迭适应能力较差的问题，拟引入球面映射机制，增强拓扑稳定性并降低链路切换频次，以便适应更为复杂的部署环境。