高翔霄，俞 達(dá)，任月慧，高玲玲，徐 麗

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

0 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，利用無線傳感器進(jìn)行物理信息測量已被廣泛地應(yīng)用在物理探測、數(shù)據(jù)采集以及特征檢測提取等方面。如在火箭箭載發(fā)動機等應(yīng)用中，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能有效實現(xiàn)對火箭溫度、振動、沖擊、熱流、噪聲、壓力等方面的測量[1]。而其中應(yīng)用到的傳感器有熱感傳感器、振動傳感器以及壓力傳感器等。因此結(jié)合無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)可有效實現(xiàn)對火箭發(fā)動機相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。在進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中，由于受到網(wǎng)絡(luò)傳輸時延和信道分布的影響，導(dǎo)致對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t較大[2]，因此，需要進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r優(yōu)化分配，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸信道均衡模型，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和有效性。相關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和延遲分配方法研究受到人們的極大關(guān)注。

目前，已有專家學(xué)者在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配領(lǐng)域提出了一些較為成熟的研究結(jié)果，如基于關(guān)聯(lián)規(guī)則傳輸?shù)难訒r分配方法、基于統(tǒng)計分析的傳輸延時分配方法、基于模糊特征提取的傳輸延時分配方法等[3]。另外，文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于分流優(yōu)化選擇的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸算法。該算法通過計算簇頭節(jié)點與簇內(nèi)節(jié)點的自感閾值來維持簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)實時的傳輸帶寬分割傳輸數(shù)據(jù)流并完成時延尋優(yōu)過程，對最優(yōu)時延分割后的數(shù)據(jù)子流進(jìn)行傳輸。然而該算法在進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配時的模糊度較大、時間開銷較大，實時性不好。文獻(xiàn)[5]中提出了一種基于混合拓?fù)涞臋C械無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸算法，該方法對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行最小化信道分配，在完成數(shù)據(jù)采集后，采用樹間通信握手機制和樹間通信優(yōu)先級搶占機制避免傳輸過程中的互盲，再將各節(jié)點的短地址作為調(diào)度信息載入信標(biāo)中，根據(jù)調(diào)度信息決定數(shù)據(jù)的傳輸或者休眠。然而該算法在進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信道均衡和延時分配的自適應(yīng)性不好、錯誤率較高。

針對現(xiàn)有方法中存在的自適應(yīng)性不好、錯誤率較高的問題，設(shè)計一種基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法。思路如下：首先采用分布式網(wǎng)格均衡配置方法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的均衡部署，然后采用輸出比特序列重組方法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集過程中的傳輸延遲配置，結(jié)合碼元調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖赃m應(yīng)擴頻調(diào)節(jié)，基于時隙窗口間隔均衡控制方法實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配。

1 數(shù)據(jù)采集模型及節(jié)點均衡部署

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時是指數(shù)據(jù)發(fā)送時刻與數(shù)據(jù)接收時刻的時間間隔，對數(shù)據(jù)傳輸時延進(jìn)行分析和分配需建立在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程分析的基礎(chǔ)上。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程示意圖

1)中繼傳輸過程。在數(shù)據(jù)發(fā)送端與接收端之間無法直接完成信息互通時，需通過中繼傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)信息的傳遞，即利用中間站點實現(xiàn)信息傳輸。中繼傳輸過程包含兩個階段，一是在發(fā)送端產(chǎn)生數(shù)據(jù)后將其傳輸至中繼站，二是由中繼站將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至接收終端。

2)跨區(qū)域傳輸過程。由于不同區(qū)域的箭載無線傳感網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)各自的應(yīng)用需求建立的， 其中采用的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和格式均不相同，因此，相互之間難以實現(xiàn)直接的互聯(lián)互通。當(dāng)分屬于不同無線傳感網(wǎng)絡(luò)的站點間需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，需利用一個能夠與這兩個站點相互兼容的中間站點對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)能夠適用于不同的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

跨區(qū)域傳輸過程與中繼傳輸過程的區(qū)別在于：在中繼傳輸過程中，數(shù)據(jù)發(fā)送端與中間站點、中間站點與數(shù)據(jù)接收端之間共用同種通信協(xié)議，而在跨區(qū)域傳輸過程中，數(shù)據(jù)發(fā)送端與中間站點、中間站點與數(shù)據(jù)接收端之間，因存在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)而使用不同的通信協(xié)議。

在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集模型，并對傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進(jìn)行均衡部署，繼而計算節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的跳距離，以構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙窗口間隔均衡控制模型，為數(shù)據(jù)傳輸延時分配過程奠定基礎(chǔ)。

1.1 數(shù)據(jù)采集與配置

為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配，需要首先構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對火箭的溫度、振動、沖擊等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集模型，根據(jù)剩余能量、位置和端到端延遲進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配[6]，得到現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的量化特征分布集定義為D,D={dx|S,T,U}，其中，S表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的能耗總和，T表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時分配的輸出量因素，U表示相似度模型。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行自動配置，設(shè)置配置模型為：

(1)

其中:m為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配的互信息量；e為網(wǎng)絡(luò)的帶寬效率；t表示對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配的時間窗口。從中提取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時的模糊相關(guān)特征量，根據(jù)特征譜進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時的自動分配，得到數(shù)據(jù)傳輸延時的關(guān)聯(lián)度特征值為：

(3)

其中：Δ?為增益系數(shù)；T表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間延遲，z表示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸時延分配的時間延遲和互信息特征量。在此基礎(chǔ)上，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸出采集模型，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速、高效采集。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的分布情況如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點分布

在完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集之后，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行配置管理。數(shù)據(jù)配置是指根據(jù)接收端的配置請求對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的檢查和處理的過程，根據(jù)傳輸和應(yīng)用的需要，對數(shù)據(jù)進(jìn)行補充、濾除、更改、存儲、復(fù)制等處理，配置后的數(shù)據(jù)一般有兩份，一份儲存至后臺數(shù)據(jù)庫中，另一份預(yù)留給數(shù)據(jù)接收端。

1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均衡部署

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無線自組網(wǎng)絡(luò)，利用區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點組建成一個集數(shù)據(jù)采集和傳遞于一體的小型系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)從多個二級節(jié)點匯總到一個一級節(jié)點處。這一過程中，距一級節(jié)點越近的二級節(jié)點需傳遞的數(shù)據(jù)量越多，該二級節(jié)點處的負(fù)載量也就越大，易造成能量空洞現(xiàn)象，使無線傳感網(wǎng)絡(luò)的有效性和傳輸效率大大降低。因此，為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，需對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行均衡部署。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的均衡部署過程采用分布式網(wǎng)格均衡配置方法，并結(jié)合最短路徑尋優(yōu)方法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集過程中的信道均衡分配[7]，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的特征分布模型。

在傳感器的感測范圍內(nèi)，假設(shè)傳感器的數(shù)目為n，調(diào)整任意一個傳感器的加權(quán)系數(shù)，得到無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程的模糊聚類中心μ為：

μ={μi|i=1,2,…,n}

(4)

在關(guān)聯(lián)規(guī)則引導(dǎo)下，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程的模糊度函數(shù)為：

(5)

其中:k代表多傳感節(jié)點主特征值，l代表節(jié)點間距離。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑s，首端節(jié)點和末端節(jié)點分別用q1和q2表示，傳感器節(jié)點的阻抗為r，則無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程的能量損耗計算過程如下：

(6)

其中:d表示電網(wǎng)線路故障節(jié)點首端的距離。繼而通過尋找其它鄰居節(jié)點的特征分布集得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配的均衡部署模型：

(7)

其中:g為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配的適應(yīng)度函數(shù)，L表示特征聚類中心與所測樣本dx的測度距離。根據(jù)上述分析，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的均衡部署，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配能力[8]。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法設(shè)計

2.1 時隙窗口間隔均衡控制

在上述構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對火箭的溫度、振動、沖擊等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集模型，并采用分布式網(wǎng)格均衡配置方法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的均衡部署的基礎(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法的設(shè)計。本研究提出基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和最短路徑尋優(yōu)控制模型[9]。

假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配的自適應(yīng)加權(quán)權(quán)重為ω，采用輸出比特序列重組方法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集過程中的傳輸延遲配置，傳感器節(jié)點的分布特征序列為：

(8)

其中:q為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配的統(tǒng)計特征值，q=1,2,…，r代表節(jié)點通信半徑。在此基礎(chǔ)上，采用離散序列調(diào)度方法[10]對靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點集合進(jìn)行自動配置，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配的時間窗口為：

(9)

其中:ta表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偞螖?shù)，tb表示執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的額定傳輸總次數(shù)。在此基礎(chǔ)上，在滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)感測覆蓋范圍發(fā)條件下，對傳感器采集數(shù)據(jù)的傳輸過程進(jìn)行主動融合跟蹤，并對節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的跳距離進(jìn)行優(yōu)化計算，過程如下：

(10)

其中:υ表示融合參數(shù)，η表示無線傳感網(wǎng)絡(luò)感測覆蓋率，κ表示任意一個傳感器節(jié)點將信息傳輸至某一鄰居節(jié)點的概率。繼而采用時隙窗口間隔均衡控制方法[11]，得到傳輸延時分配的統(tǒng)計分布概率密度特征控制模型為：

W=G×(V×tn+1-×ytn)

(11)

其中:在tn+1時刻和tn時刻相差一個更新周期，y表示第時刻數(shù)據(jù)信息傳輸量[12]。至此，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙窗口間隔均衡控制模型的構(gòu)建。

2.2 傳輸延時分配輸出

在得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙窗口間隔均衡控制模型的基礎(chǔ)上，采用輸出比特序列重組方法對傳輸延遲進(jìn)行配置。

首先，結(jié)合碼元調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖赃m應(yīng)擴頻調(diào)節(jié)，得到擴頻信道為：

I={ij|j=1,2,…}

(12)

其中:j表示碼元幅度?；跁r隙窗口間隔均衡控制方法實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時控制，得到傳輸延時分配函數(shù)Z表述為：

(13)

其中:α表示數(shù)據(jù)平均等待時間。在此基礎(chǔ)上，選擇其中最短的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行信道延時配置。假設(shè)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在某一節(jié)點處的能量譜密度為ρ，采用主成分分析方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的編碼控制協(xié)議設(shè)計，得到輸出編碼特征量為：

(14)

其中:p表示匯聚節(jié)點的頻率。對傳輸半徑距離為R的節(jié)點進(jìn)行傳輸延遲配置，在第E個時間窗口中，利用時隙窗口間隔均衡控制方法實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配，得到時隙分布結(jié)果如下：

(15)

其中:φ為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的解碼延遲，u為無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇節(jié)點的輸出延遲。根據(jù)上述分析，實現(xiàn)了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時的分配。利用圖片表示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配模型，如圖3所示。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配模型

3 仿真實驗與性能分析

為了測試本文設(shè)計的基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法的實際應(yīng)用性能，設(shè)計如下仿真實驗進(jìn)行驗證。

實驗條件設(shè)置情況如下：仿真實驗在Matlab平臺上進(jìn)行，無線傳感器監(jiān)控的覆蓋節(jié)點區(qū)域為1 000 mm×1 000 mm，無線傳感器的載波頻率為7.48 kHz，進(jìn)行火箭溫度、振動、沖擊等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)拿糠昼姽潭ㄑ訒r1.6 ms。

根據(jù)上述實驗環(huán)境的設(shè)定情況，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法的有效性檢測。首先布置箭載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，得到傳輸節(jié)點分布如圖4所示。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布示意圖

根據(jù)圖4所示的節(jié)點分布情況進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延估計值如圖5所示。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時估計

分析圖5可知，基于時隙窗口間隔均衡控制的數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延估計值雖存在波動，但其波動均圍繞在實際值周圍，證明采用所提算法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配的自適應(yīng)性較好，延時估計的精度較高。

為進(jìn)一步測試基于時隙窗口間隔均衡控制的數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法的有效性，將分配輸出錯誤率作為檢測指標(biāo)。為保證實驗結(jié)果的說服性，將該算法與文獻(xiàn)[4]中的基于分流優(yōu)化選擇的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸算法和文獻(xiàn)[5]中的基于混合拓?fù)涞臋C械無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸算法進(jìn)行性能對比。

測試不同算法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸延時分配時的分配輸出錯誤率，得到的對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同算法的分配輸出錯誤率對比

分析表1可知，隨著實驗迭代次數(shù)的不斷增加，不同數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法的輸出錯誤率也在不斷發(fā)生變化，但均呈現(xiàn)出下降趨勢。其中，文獻(xiàn)[4]算法的平均分配輸出錯誤率的下降幅度最大，但其分配輸出錯誤率值低于所提算法。所提算法和文獻(xiàn)[5]算法的平均分配輸出錯誤率下降幅度相似，但相對來說，所提算法的分配輸出錯誤率值更低。由對比結(jié)果可以證明采用所提算法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配的準(zhǔn)確性較高、誤差較小，有效性更強。

4 結(jié)語

對箭載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時進(jìn)行優(yōu)化分配，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸信道均衡模型，能夠有效提高箭載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，有利于火箭的平穩(wěn)運行。設(shè)計基于時隙窗口間隔均衡控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配算法，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對火箭的溫度、振動、沖擊等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集模型，對靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點集合進(jìn)行自動配置，得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分配的時間窗口，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和最短路徑尋優(yōu)控制模型，采用輸出比特序列重組方法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集過程中的傳輸延遲配置，結(jié)合碼元調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖赃m應(yīng)擴頻調(diào)節(jié)，采用時隙窗口間隔均衡控制方法實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配。經(jīng)實驗分析得知，利用該算法進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時分配的自適應(yīng)性較好，分配錯誤率較低，證明該算法具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。