协同信号驱动和区域健壮性感知的机会可靠传输机制*

李　甜， 戴晓霞， 陈观林

(浙江大学 城市学院,浙江 杭州 310015)



协同信号驱动和区域健壮性感知的机会可靠传输机制*

李甜， 戴晓霞， 陈观林

(浙江大学 城市学院,浙江 杭州 310015)

摘要:针对无线传感器网络中区域通信特性和信号驱动问题，研究了一种能够提供高效可靠数据通信的基于协同信号驱动和区域健壮性感知的机会可靠传输机制。首先基于信号冗余度、并行通信和信号融合，建立了多路径传输协同信号驱动模型；基于区域划分建立子网序列状态矩阵，构建区域健壮性感知模型；提出了一种适用于无线传感器网络的高效可靠的机会可靠传输机制。数学分析与实验结果表明:所提出的传输机制在实时性、稳定性、可靠性、信号识别等方面具有优秀表现。

关键词：无线传感器网络; 协同信号； 健壮性； 可靠传输

0引言

无线传感器网络大规模部署的节点信号通信范围小，一般通过与邻居节点合作通信，为网络整体监控覆盖范围提供服务[1]，因此,划分区域成为一种有效的拓扑格局。无线传感器网络划分区域后，区域内部管理和区域间合作主要包括:协同信号处理[2]，差分协同信号[3]、分布式协同信号识别、区域能效和结构健壮性。因此，为端到端通信提供服务成为首要解决的关键问题之一。

协同信号处理方面，文献[4]针对多批处理调度问题，基于信号驱动提出了综合调度算法。Kar S 等人[5]研究了由多个传感器节点和融合中心组成的功率受限的无线传感器网络，通过更新线性观测提出一种传感器节点分布式架构。Naeem M K等人[6]通过合作资源选择和传输方案，提高维护链路可靠性方面的协作的无线传感器网络的性能。

网络健壮性方面，文献[7]结合质量特性和设计约束的综合健壮性, 研究了望小特性模糊健壮设计的分位数型设计准则。文献[8]将模板法和区域分解法相结合提出一种有效保障型模板方案的有效性和健壮性的选择型模板方案。文献[9]构建传感器覆盖模型，基于传感器覆盖与连通标准，研究了传感器区域覆盖算法。

由于上述研究忽略了信号驱动的协同特点和区域内部及与邻接区域的健壮性对系统性能的影响，因此，本文首先针对信号冗余度和多跳传输建立了协同信号驱动模型，接着提出了网络区域健壮性感知模型，最后基于健壮性结合单区域协同信号驱动和多区域信号协同分配提出了一种适用于无线传感器网络的高效可靠的机会可靠传输机制。

1协同信号驱动模型

在监控区域内，部署的多个传感器节点通过自组织方式构建无线传感器网络，信号由发送节点到达接收节点需经过多跳传输，而且存在多条传输路径，面临以下几个问题：

1)来自不同节点的监控对象采集信号冗余度；

2)多跳多路径传输的不同信号的行通信；

3)对于接收端，收到来自不同发送节点针对同一监控对象的信号后的数据融合。

针对上述问题，假设发送信号为Si，其中，i为多个发送端节点，φi为信号强度，P(Si|φi)为第i个发送节点的发送功率，则接收端接收功率如式(1)所示

(1)

式中φ为接收信号冗余度，通过每两个发送节点的信号进行迭代分析后统计得到。TS为接收信号总和，R为去除冗余数据融合后信号，M为同时向接收端发送同一监控对象采集数据信号的发送端节点个数。

基于式(1)的多路径传输的信号融合，给出多路信号经多跳传输到达接收端后路径损耗η如式(2)所示

(2)

式中d为发送端与接收端距离，dH为每跳传输两点间距离，Hop为一次信号传输所需跳数，c为损耗常量，γ为路径损耗平衡因子，表征信号强度随点到点距离的变化而衰减进行基于端到端传输路径的能量平衡。

在接收端的信号接收功率和多跳传输路径损耗的基础上，得出接收信号y(t)如式(3)所示

(3)

式中h(t)为t时刻多路径信号间冗余度。多路径传输信号存在式(4)所示冲激映射关系

(4)

进一步，图1给出了多路径信号传输过程中信号冗余、干涉与融合状态转移。发现转发节点会接收来自不同发送端节点的信号，通过并行通信方式转发冗余信号，建立信号协同机制，具体步骤如下：

1)多路信号分解得出冗余部分，参照式(5)实现

图1　多跳传输信号冲击Fig 1　Multi-hop transmission signal impulse

(5)

2)转发节点对多路信号冗余部分进行融合，参照式(6)实现

(6)

3)融合后信号建立协同关系，参照式(7)实现

(7)

4)接收端与转发节点依据协同关系，驱动发送端节点进行监控对象信号采集与发送，参照式(8)实现

(8)

式中δ为驱动平衡因子。协同信号驱动发送端节点采集和发送信号时综合考虑了路径损耗和多路传输能耗平衡问题。由于每条传输路径特性、信号强度、信道衰减和转发节点冗余度具有随机性，因此，协同信号驱动必须具有自适应调节能力，调节控制决策可依据式(9)进行分析得到

(9)

式中D为调节出发开关因子，在自适应调节过程中作为开关变量决定是否激发调节。

2网络区域健壮性感知模型

无线传感器网络根据监控对象和数据转发需求，一般划分为多个区域，每个区域内部传感器节点自组织一个子网，需要与其它区域建立通信时可由汇聚节点担任网关。每个区域建立独立的子网状态矩阵，基于监控对象、传输路径和路径损耗等因素与接收端建立感知，利用区域性状态信息,既可以减少因大规模部署的无线传感器网络通过自组织方式构建网络所需的大量广播信息和确认信息包,又可以避免因部分节点失效而导致整个系统崩溃，区域划分后无线传感器网络部署架构如图2所示。

图2　区域划分网络拓扑Fig 2　Wetwork topology sfter regional division

图2中，将网络监控区域划分为多个矩形区域。假设区域i采集到数据后向接收端发送信号，既可以直接到达接收端，又可以经区域j转发后达到接收端。

假设X(i,j)为划分后第i行j列个区域。Y为经多个区域发送转发到达接收端后经融合产生的信号

(10)

结合区域路径损耗后，区域信号状态如式(11)所示

(11)

网络区域与信号状态映射关系如图2所示，其中,信号状态通过结合式(10)和式(11)得到优化，进一步强化区域信号冲激响应关系。由此可以统计得到各个区域的实时子网状态，包括发射信号强度、信号间干扰、冗余度和路径损耗，为了感知区域健壮性，分别进一步从区域平均能量、瞬时信噪比、互信息量和中断概率等方面建立区域健壮性感知模型。

通过区域信号空间和监控对象检测弧度，以最小化区域负载为目标，传感器节点将区域状态X与状态参数建立映射关系。因此，区域拓扑因子ATP和状态因子AS如式(12)所示

(12)

其中，状态因子AS计算结果后进一步优化定义为1,2,3,4,5，数字越大表明区域状态越稳定且性能优。

基于上述分析，给出无线传感器网络区域健壮性判定参数：

1)区域汇聚发送信号强度:可由式(3)将M设置为1且t为该区域传输信号时长。

2)区域损耗比重:可由式(2)将M设置为1且跳数Hop设置为区域长度。

3)接收端收到来自该区域信号强度:可由式(1)和式(8)结合计算得到。

4)区域拓扑强度:可由式(12)将m和n根据区域划分矩阵获得列数和行数，计算得到。

5)区域状态评价:可由与式(4)获得方式同理。

在区域健壮性定义基础上，给出感知策略，满足以下条件之一，即表明该区域健壮性减弱需要通过重组进行重构：

1)该区域的汇聚发送信号强度与历史数据相比减弱50 %。

2)该区域损耗比重，纵向比较增大30 %或者剩余能量占总能量比例低于30 %。

3)接收端收到来自该区域信号强度在所有同类监控对象数据来源中位于末尾。

4)该区域拓扑强度与邻居区域相比低于20 %。

5)该区域状态评价指数小于3。

3机会可靠传输机制

协同信号驱动以区域内节点间协同合作为核心，基于节点发送信号强度和路径损耗，结合节点间信号冲激权重因子，以信号所示监控对象信息为驱动对象，实现在区域健壮性保障前提下的最大化资源利用和可靠信号传输。

随着区域拓扑因子ATP和状态因子AS的变化，区域内节点进行区域健壮性感知、协同信号驱动和区域重构等操作。区域拓扑因子ATP和状态因子AS的取值会因信号发送功率、信号强度、信号间干扰和区域规模等因素发生变化，如式(12)所示，因此，它们的取值会发生抖动性改变，对区域健壮性和节点间信号协同产生重要影响。

如果转发节点发送的信号强度增大，则信号驱动下一跳节点协同。对比发送端节点信号强度，如果为正，则下一跳节点可不增大发送功率；否则，在接收信号强度基础上增大功率，然后将信号转发给下一跳节点，因此，信号转发成功概率如式(13)所示

(13)

其中，函数ρ用于感知当前区域健壮性综合评价结果。为了评价更为准确和实时，评价前考虑了调节出发开关因子取值和融合后信号强度。

在区域内协同信号驱动时发送端节点和转发节点感知区域健壮性过程可能因信息不对称或延迟而发生冲突，因此，针对以下4种情况进行协同信号驱动优化：

1)区域内转发节点间转发信号强度差大于0.5 %时，信号强度较强的节点需要等待一个周期，消除抖动。

2)区域内转发节点间转发信号强度一致，只需要感知区域健壮性的AS，确定区域拓扑是否覆盖接收端。

3)区域内某一节点的路径损耗较为严重，该节点不再参与协同驱动。

4)当区域内30 %的节点满足第2节中所述区域健壮性减弱条件，则该区域需要与其邻接区域通过合并实现重构，使重构的区域健壮性达到协同信号驱动条件。

因此，区域内感知健壮性的互信息量如式(14)所示

(14)

其中，根据区域健壮性感知参数评价结论判定该区域是否需要重构，从而计算互信息量。

区域内节点机会可靠传输流程如图3所示。其中，发送端与接收端之间建立端到端通信。通信过程基于区域健壮性感知进行内节点协同信号驱动，从而通过机会传输方式提供可靠性保障。根据式(7)分析信号融合度，为区域内节点建立协同关系，从而驱动信号转发。

图3　区域内节点机会可靠传输Fig 3　Opportunity reliable transmission of node in regional

如果无法在发送端与接收端之间建立单区域端到端通信，则需要邻接区域加入机会传输过程。区域间通过感知区域健壮性，对协同信号进行分配，驱动端到端机会通信。从发送端到接收端经区域矩阵X如式(11)所示，驱动协同信号向量B(m,n)∈{区域i:ATP,AS,Yi}，其中,计算Yi时需要考虑区域i的汇聚转发节点正确译码概率Ped。

综上所述，基于协同信号驱动和感知区域健壮性的无线传感器网络机会可靠传输机制，描述如下：

1)部署后的网络进行区域划分，得到矩阵X和网络规模参数m,n。

2)每个区域内根据信号状态建立协同驱动，并获得接收端信号y(t)，协同关系β和映射矩阵A。

3)根据端到端通信需求判定单区域或多区域通信，若单区域可到达接收端,则执行第4步;否则,转第5步。

4)根据区域拓扑因子ATP和状态因子AS的取值结合该区域信号发送功率、信号强度等因素,在消除时延抖动的同时根据协同信号驱动节点信号转发。

5)根据矩阵X得到邻接区域，感知邻接区域健壮性，对协同信号进行分配，接着驱动端到端机会通信。

4性能分析

针对本文所提出的机会可靠传输机制，分别采用数学分析和实验对比的方法，从协同信号驱动实时性和能效，区域健壮性变化对该机制的影响以及信号识别率等方面进行性能分析与验证。

第一组实验采用数学分析的方法验证协同信号驱动下与非协同信号下无线信号传输性能，包括传输时延，结果如图4所示。分析中考虑传播路径损耗η和信道质量参数信噪比，20个传感器节点均匀部署在矩形区域内，自组织划分为4个区域，区域内误符号率PSER可由式(15)得到

(15)

从图4中可以看出:区域内通过协同信号驱动无线信号传输，可以实时感知信道质量，对其更为敏感。当新到质量明显改善后可显著缩短传输时延，整体与非协同信号传输方案相比缩短了15s左右。在传输过程中，当新到质量大于30dB后，增加发送的信号长度，发现非协同信号传输方案时延不再减小趋于平稳，表明信号长度对其影响较大，而所提出传输机制中协同信号驱动策略依然保持降低趋势。

图4　实时性Fig 4　Real time performance

第二组实验中，部署20个传感器节点，采用IEEE802.15.4协议组网，设定3个发送端节点，分别位于3个不同区域，传输速率为100个分组每秒，每个分组大小为512字节。3个发送端节点相距大于30cm，接收端距离其中最近的发送端节点为10m，在室内环境下进行实验。为了测试传输机制的抗干扰性和信号识别能力，端到端通信过程中，设定2个节点随机发送干扰信号。静态传输机制与机会可靠传输机制的系统生命周期对比结果如图5所示。

从图5结果发现，随着区域健壮性的提高，静态传输机制表现较弱，系统生命周期依然小于150s，表明区域的稳定性并未以系统整体表现出来，资源利用率依然很低。而所提出的机会可靠传输机制，可以实时感知区域健壮性，并通过协同信号驱动模式和信号区域间分配。

5结束语

为了充分利用无线传感器网络信号协同转发和解决区域信号冲突问题，本文首先从传感器节点发送或转发信号冗余度、节点间并行通信和接收端信息融合出发，构建了协同信号驱动模型，接着通过区域划分，依据区域拓扑和状态平衡权重建立了区域健壮性感知模型；最后，提出了一种无

图5　系统生命周期Fig 5　System life cycle

线传感器网络的数据通信提供高效可靠性保障的机会可靠传输机制。从数学分析与实验结果可以看出：所提出的传输机制与非协同信号驱动相比具有较强的实时性和高能效；与静态传输机制相比在系统生命周期和信号识别率等方面表现更优。

参考文献:

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[9]郎为民,杨德鹏,李虎生.基于区域支配集的无线传感器与执行器网络区域覆盖算法[J].数据通信,2012：27-31.

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

*基金项目：浙江省中青年学科带头人学术攀登项目(PD2013457)；杭州市科技发展计划资助项目(20140533B13)；浙江省自然科学基金青年基金资助项目(LQ12A01012)

中图分类号：TP 319

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0008—04

作者简介:

李甜(1981-)，女，浙江丽水人，硕士，讲师,研究方向为数据安全和数据挖掘。