王鐵濱，王克奇

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

針對(duì)林業(yè)中的森林防火、林業(yè)灌溉等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，目前所采取的措施包括人力巡邏、瞭望塔人工觀測(cè)、衛(wèi)星探測(cè)等。這些監(jiān)測(cè)方法都需要投入較大的人力和物力，且存在人為疏忽的問(wèn)題。近年來(lái)，面向林業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是森林工程的研究熱點(diǎn)之一［1－2］。林業(yè)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以方便快捷的監(jiān)測(cè)林業(yè)中的的各類參數(shù)，包括森林火災(zāi)預(yù)警、灌溉頻率信息等，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和價(jià)值。

在傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，能量供應(yīng)是其運(yùn)行的重要保障。而面向林業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于其安全性要求，不能依靠太陽(yáng)能等能源供給方式。因此，林業(yè)監(jiān)測(cè)所使用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，對(duì)能量效率具有更嚴(yán)格的要求［3］。如何在能量一定的前提下，獲得最多的監(jiān)測(cè)信息，是高能效網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。

在無(wú)線傳感器能效優(yōu)化的研究領(lǐng)域，學(xué)者們已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)層面提出了很多優(yōu)化算法方法［4］，但是在物理層的信號(hào)傳輸層面，目前尚沒(méi)有基于能效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。另一方面，林業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道環(huán)境由森林構(gòu)成，考慮到樹(shù)木對(duì)于無(wú)線信號(hào)的反射和折射，林業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線信號(hào)將經(jīng)歷一個(gè)多徑分量比較豐富的物理層傳輸信道。此時(shí)傳統(tǒng)的數(shù)字通信方式無(wú)法高效地實(shí)現(xiàn)多徑信道的捕獲和分離，需要借助正交頻分復(fù)用（Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術(shù)［5］來(lái)將多徑分量豐富的森林信道轉(zhuǎn)化為頻率選擇性衰落信道，在頻域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的恢復(fù)。例如，目前提出的應(yīng)用于林業(yè)的ZigBee林業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)就是基于OFDM傳輸技術(shù)。

但是，從能量效率的角度來(lái)看，OFDM的物理層發(fā)射信號(hào)是多個(gè)子載波的疊加，其包絡(luò)具有不恒定性［6］，這嚴(yán)重影響了發(fā)射端放大器的效率和系統(tǒng)的能量效率，不利于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能。

本文從物理層信號(hào)設(shè)計(jì)的角度考慮了林業(yè)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高能效信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)揭示各類信號(hào)處理方法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，為林業(yè)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了高能效設(shè)計(jì)的借鑒。

1 OFDM信號(hào)的峰均比

OFDM信號(hào)是一系列子載波信號(hào)的疊加，其發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)具有不穩(wěn)定性。一般用OFDM符號(hào)內(nèi)峰值功率和平均功率的比值（簡(jiǎn)稱峰均比）來(lái)衡量這種不恒定性。OFDM多載波發(fā)射信號(hào)的波形，如圖1所示，可以看出，OFDM信號(hào)的峰均比波動(dòng)非常大，這對(duì)于發(fā)射機(jī)的放大器的線性動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求，且嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的功率效率和能量效率。

圖1 OFDM信號(hào)的峰均比仿真圖Fig.1 PAPR simulation of peak to mean ratio for OFDM signal

2 基于能量損耗的優(yōu)化算法

為了將OFDM信號(hào)的峰均比限制到系統(tǒng)的預(yù)定范圍內(nèi)，該類方法的主要思想是，通過(guò)引入信號(hào)預(yù)失真，或者引入冗余來(lái)控制OFDM信號(hào)的包絡(luò)波動(dòng)。

2.1 加窗法

加窗法的系統(tǒng)框圖如圖2所示。該方法的基本思想在于:通過(guò)在時(shí)域OFDM信號(hào)上疊加一個(gè)加權(quán)窗函數(shù)，來(lái)抑制發(fā)射信號(hào)的峰均比。該類方法又可以分為限幅法［7］、峰值抵消法［8］和壓縮擴(kuò)展法［9］三類。

圖2 加窗法系統(tǒng)框圖Fig.2 System framework of windowing method

限幅法對(duì)于發(fā)射信號(hào)超過(guò)預(yù)定門(mén)限的部分進(jìn)行直接削減，相當(dāng)于在發(fā)射信號(hào)上疊加了一個(gè)矩形窗。該類方法在頻域會(huì)產(chǎn)生很大的帶外輻射。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，峰值抵消法采用其他在是頻域都具有良好特性的窗函數(shù)來(lái)作為峰值抵消函數(shù)以獲得良好的帶外性能。壓縮擴(kuò)展法的基本思想在于，對(duì)高峰值的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)壓縮，而對(duì)于低峰值的信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)擴(kuò)展，在抑制峰均比的同時(shí)提升有用信號(hào)功率，但這為接收端的信號(hào)恢復(fù)帶來(lái)了困難。

加窗類算法可以在低復(fù)雜度的前提下高效控制信號(hào)的峰均比，提升發(fā)射信號(hào)的能效。但其不足在于，影響了系統(tǒng)的傳輸性能，為接收端信號(hào)恢復(fù)造成了障礙。

2.2 編碼法

編碼方法是指在調(diào)制信號(hào)輸入OFDM調(diào)制器之前，對(duì)其進(jìn)行能效編碼以抑制其包絡(luò)波動(dòng)，如圖3所示。例如可以用具有低峰均比特性的序列對(duì)于發(fā)射信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化映射以達(dá)到控制峰均比的目的。例如，在文獻(xiàn)［10］中，作者從理論上分析了 Golay序列與Reed－Muller碼的關(guān)系，給出了基于Reed－Muller碼的生成方式構(gòu)造Golay序列的方案和基于最大似然法（Maximum Likelihood，ML）的譯碼方案。

圖3 編碼法系統(tǒng)框圖Fig.3 System framework of coding method

編碼法的優(yōu)勢(shì)在于，可以無(wú)失真的將信號(hào)的包絡(luò)壓縮到很低的范圍內(nèi)，但其具有明顯的不足。一方面，編解碼的復(fù)雜度非常高，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)不便，另外一方面，編碼會(huì)引入大量的冗余，這也會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的能量效率。

2.3 子載波預(yù)留法

子載波預(yù)留法的系統(tǒng)框圖如圖4所示。子載波預(yù)留法［11］的主要思想是，在頻域引入部分子載波，該部分子載波不用于數(shù)據(jù)傳輸，而用于設(shè)計(jì)峰值抵消信號(hào)以抑制發(fā)射信號(hào)的峰均比。對(duì)于OFDM系統(tǒng)接收端而言，所有接收信號(hào)經(jīng)過(guò)IDFT處理后對(duì)其進(jìn)行子載波逐一解調(diào)，所以預(yù)留子載波在接收端可以被直接丟棄，不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)子載波帶來(lái)任何損失。因此，該類方法是一種發(fā)送信號(hào)無(wú)失真的峰均比降低方法。

圖4 子載波預(yù)留系統(tǒng)框圖Fig.4 System diagram of subcarrier reservation method

該類方法的優(yōu)勢(shì)在于，可以無(wú)失真的控制發(fā)射信號(hào)的峰均比，但子載波預(yù)留算法引入了多余的峰值優(yōu)化子載波，本身也會(huì)降低能量效率。

3 基于計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)化算法

圖5給出了基于計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)化算法的系統(tǒng)框圖。通過(guò)數(shù)學(xué)變換映射，生成多個(gè)代表原始信號(hào)的備選信號(hào)，然后從中選擇峰均比較低的備選信號(hào)用于傳輸。該類思想可以看作峰均比抑制性能和計(jì)算復(fù)雜度的折衷，在峰均比抑制領(lǐng)域引起了廣泛研究。

圖5 基于計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)化算法系統(tǒng)框圖Fig.5 Optimization algorithm scheme based on the computation complexity

從圖5可知，該類算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)主旨在于通過(guò)變換映射生成多個(gè)備選信號(hào)。根據(jù)備選信號(hào)生成方式的不同，可以分為相位因子［12］、擾碼［13］、交織［14］等方式。

基于計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)化算法的優(yōu)勢(shì)在于，不會(huì)影響傳輸性能，主要是計(jì)算復(fù)雜度和峰均比性能的折中。但其缺點(diǎn)在于，一方面計(jì)算復(fù)雜度的升高也會(huì)降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗，另一方面，接收端需要接收副信息以確定發(fā)射信號(hào)的序號(hào)，從而恢復(fù)接收信號(hào)，這種方式本身也會(huì)使能量效率有所降低。

4 具有高能效的改進(jìn)OFDM系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)進(jìn)行改造，從而為林業(yè)監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置新的物理信號(hào)傳輸方式。這些高能效系統(tǒng)都是近年來(lái)提出的新思想，雖然尚有不足之處，但是為高能效的信號(hào)設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展方向。

4.1 基于DFT預(yù)編碼的OFDM系統(tǒng)

如圖6所示，改進(jìn)系統(tǒng)［15］在傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制器之前加入DFT預(yù)編碼，聯(lián)合載波映射以抑制峰均比，提升能量效率。該系統(tǒng)類似于LTE中的DFT－spread－OFDMA系統(tǒng)，但更適合無(wú)線傳感器中的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，且不會(huì)帶來(lái)計(jì)算復(fù)雜度的明顯增長(zhǎng)，代表了高能效信號(hào)設(shè)計(jì)的新方向。但該系統(tǒng)也具有明顯的缺點(diǎn)，例如峰均比抑制性能受限，僅有2dB左右。

圖6 DFT預(yù)編碼的OFDM系統(tǒng)框圖Fig.6 OFDM scheme of precoding by DFT

4.2 恒包絡(luò)OFDM系統(tǒng)

恒包絡(luò)OFDM［16］在傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制器之后加入相位調(diào)制部分，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的包絡(luò)恒定。圖7給出了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于，輸出信號(hào)的包絡(luò)是一個(gè)恒定值，徹底解決了峰均比的問(wèn)題，達(dá)到能效最優(yōu)。但該系統(tǒng)同樣存在缺點(diǎn)，例如復(fù)雜度偏高，且引入的相位調(diào)制會(huì)導(dǎo)致傳輸性能的損失。為了使該系統(tǒng)能夠用于林業(yè)監(jiān)測(cè)，還需要考慮對(duì)該方法進(jìn)行進(jìn)一步拓展，在峰均比和傳輸性能之間取得一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

圖7 恒包絡(luò)OFDM系統(tǒng)框圖Fig.7 System scheme of constant envelope OFDM

5 結(jié)論

從物理層發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)出發(fā)，著力于提升林業(yè)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射信號(hào)的能量效率，并從信號(hào)峰均比抑制的角度總結(jié)了各類物理層信號(hào)處理算法。這些算法都可以看作能量效率、傳輸性能、計(jì)算復(fù)雜度等不同因素的平衡，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)林業(yè)監(jiān)測(cè)的具體需求和環(huán)境地貌進(jìn)行優(yōu)化選取和設(shè)計(jì)。本文所總結(jié)的信號(hào)設(shè)計(jì)方法，可為具有更高能效的綠色林業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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