An Innovative Data Processing Method in Wireless Sensor Network with Vmimo-idapvm.pdf

1、在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由電池供電的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的生命周期取決于節(jié)點(diǎn)的能量損耗。在典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，遙感數(shù)據(jù)的處理過(guò)程需要消耗能量，這可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的生命周期縮短，信息丟失，也可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效。一個(gè)保存節(jié)點(diǎn)能量以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量——這樣自然而然地延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存周期——的較好的辦法就是，在將遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦馇巴ǖ狼皦嚎s數(shù)據(jù)，或者更好一些，降低傳輸數(shù)據(jù)所需要的能量。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含了廣泛分布的自動(dòng)設(shè)備，這些設(shè)備都很便宜，眾多微型傳感器節(jié)點(diǎn)

2、合作記錄樣品物理數(shù)據(jù)的感興趣的空間與實(shí)踐環(huán)境，比如溫度、濕度、光度、傾角、加速度、化學(xué)物質(zhì)、生理測(cè)量和環(huán)境變化。這些傳感器將產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的高速數(shù)據(jù)流；它們運(yùn)行在動(dòng)態(tài)且時(shí)變的環(huán)境中，并且能夠收集，處理與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并與相鄰節(jié)點(diǎn)通信。本文的2.6部分是對(duì)傳感器更詳細(xì)的總結(jié)。
　　為了擴(kuò)大無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流的利用范圍，需要對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。數(shù)據(jù)流是一個(gè)有序序列，序列數(shù)據(jù)只能被讀取一次或者少量的用來(lái)計(jì)算和存儲(chǔ)。由于這些傳感器的能

3、量限制，數(shù)據(jù)流的大部分處理都由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和融合重心完成。為了提高這種有限能量的能量效率，最近基于分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種虛擬多輸入輸出（VMIMO）通信架構(gòu)。為了解決有限的數(shù)據(jù)處理能量和有限的電池能量問(wèn)題，我們可以減少運(yùn)輸分布式的數(shù)據(jù)壓縮的比特?cái)?shù)，或者通過(guò)使用能量有效傳輸技術(shù)減少所需的能量，并考慮一定的性能要求。在虛擬多輸入輸出系統(tǒng)中，相近的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)簇，并作為一個(gè)大的發(fā)射器或接收器陣列。合作發(fā)射器的集群和接收器之間的數(shù)據(jù)運(yùn)

4、輸能夠增強(qiáng)由MIMO信道產(chǎn)生的多樣性。更令人驚訝的是，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（IDAPVM）中用高斯 L塊量化器和可變速率的MQAM調(diào)制方案解決了去除冗余信息的需要，但沒(méi)有對(duì)提出新的數(shù)據(jù)處理方法做任何工作。
　　在本文中，為了解決合作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量限制問(wèn)題，我們提出了一種新的數(shù)據(jù)處理方法（IDAPVM）。基于2x2虛擬多輸入輸出系統(tǒng)提出新數(shù)據(jù)處理方法，是因?yàn)樗峁┝烁咚俚臄?shù)據(jù)運(yùn)輸，而且在能量有限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中消耗能量低。新的數(shù)

5、據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)部分：傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和傳感器數(shù)據(jù)模型。傳感器網(wǎng)絡(luò)模型是由一組傳感器組成，這些傳感器中都有一定量要被運(yùn)輸至光纖信道中的數(shù)據(jù)。每組傳感器節(jié)點(diǎn)和其他的相互靠近，形成了一個(gè)簇，如圖3.1所示。每個(gè)傳感器只有一個(gè)天線。為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能，傳感器之間是能夠互相交換數(shù)據(jù)的。每個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)流能夠廣泛傳播到他們附近的傳感器。本文提出的新方法--IDAPVM中就用到了傳感器數(shù)據(jù)模型，和文獻(xiàn)中介紹的方法相似。假設(shè)，所

6、有的傳感器研究的都是同一數(shù)據(jù)流(θ)，該數(shù)據(jù)流服從高斯分布，方差為σx2。他們研究不同的含有噪聲的數(shù)據(jù)流θ，將不同之處建模為方差為σn2的平均加性零的高斯噪聲。詳細(xì)內(nèi)容在本文的章節(jié)3.4中。
　　在本文提出的方法中，我們研究了可變速率的M進(jìn)制正交幅度調(diào)制（MQAM）的使用，并優(yōu)化傳輸速率來(lái)提高傳輸速率和盡量減少電路的能量消耗。我們采用了更高的傳輸速率b(b=log2M)來(lái)減少傳輸能量和總能量消耗。不同傳輸距離有不同的最優(yōu)傳輸速率b

7、，如本文3.9部分的表3.1和表3.2所示。為了研究一個(gè)最優(yōu)速率的系統(tǒng)性能，發(fā)送L數(shù)據(jù)位時(shí)，我們用Ton來(lái)表示系統(tǒng)的總時(shí)間。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離很小且有dlocal<< dlong時(shí)，我們認(rèn)為集群的本地傳輸是在功率路徑損耗為 kth的加性高斯白噪聲信道中。在本文中，我們?cè)O(shè) k=3，k=2表示自由空間傳播。在典型無(wú)線信道中，k的取值范圍為2

8、到無(wú)誤差，一般錯(cuò)誤的概率非常小。在這次研究中，IDAPVM方法的流程如圖3.3所示。在本文中，我們假設(shè)附加的高斯的白噪聲信道（AWGN）在集群的本地傳輸中有a kth（在本文中，假設(shè) k=3）路徑損耗。對(duì)于集群與光纖通道之間的遠(yuǎn)距離傳輸，我們認(rèn)為一個(gè)瑞利衰落的窄帶通道符合平方律路徑損耗。采用可變速率的M進(jìn)制正交幅度調(diào)制技術(shù)進(jìn)行通信，以此來(lái)提高傳輸速率和減少電路能夠損耗。在我們的研究中，我們研究了各種方法的變形性能、傳輸和電路損耗。

9、>　　光纖信道能采集數(shù)據(jù)，基于傳感器節(jié)點(diǎn)的量化規(guī)則結(jié)合傳感器發(fā)送的信息，并估計(jì)未知參數(shù)。相對(duì)于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，光纖信道采集與低端數(shù)據(jù)采集是不同的。光纖信道接收所有的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出這些數(shù)據(jù)的平均值。如果它沒(méi)有任何能量限制或者有更長(zhǎng)的電池壽命，那么就可以有更多空間以容納更多接收天線。當(dāng)只有發(fā)射端的本地傳輸時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)真正的多輸入輸出。本文提出的IDAPVM傳感器網(wǎng)絡(luò)模型與文獻(xiàn)中提出的模型類似。我們的網(wǎng)絡(luò)中包含了K分布的低端數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)

10、點(diǎn)（SN）和一個(gè)高端融合中心（FC）。每個(gè)傳感器自動(dòng)關(guān)聯(lián)至少一個(gè)預(yù)定的集群。集群內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息共享產(chǎn)生的本地通信使得集群形成一個(gè)虛擬的多天線系統(tǒng)，系統(tǒng)中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為集中的天線陣列的一個(gè)天線元件。集群內(nèi)的本地通信可以通過(guò)時(shí)分復(fù)用（TDMA）實(shí)現(xiàn)減少干擾。在光纖信道中，也就是在接收端，傳感器之間的通信，能夠盡可能的使光纖信道容納兩個(gè)或兩個(gè)以上的天線，達(dá)到MIMO的預(yù)期性能。
　　我們用以下性能指標(biāo)來(lái)評(píng)估 IDAPVM，首先考

11、慮的性能指標(biāo)是由壓縮和傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤導(dǎo)致的總失真（D）。這種失真取決于量化器的設(shè)計(jì)。在這篇論文中的高斯標(biāo)量量化，是用超過(guò)10000個(gè)隨機(jī)生成的樣本設(shè)計(jì)的。最初的失真是由在每個(gè)傳感器中用L數(shù)據(jù)位代替模擬數(shù)的有限長(zhǎng)度的量化器產(chǎn)生的。最后的失真是因?yàn)樵谛诺乐袀鬏敵霈F(xiàn)的錯(cuò)誤。在我們的方法中，失真是與比特錯(cuò)誤成正比的。因此，比特錯(cuò)(Pe)誤率是 ETx對(duì)于一個(gè)給定的比特錯(cuò)誤率傳輸每比特的運(yùn)輸能量和總失真的函數(shù)，也是 ETx的一個(gè)函數(shù)。在這一

12、節(jié)中，我們仔細(xì)分析傳感器的傳輸和總的能量消耗，并發(fā)現(xiàn)失真和比特錯(cuò)誤率之間的關(guān)系。詳細(xì)內(nèi)容在本文的章節(jié)3.7中。
　　在新的數(shù)據(jù)處理方法（IDAPVM）中，我們認(rèn)為，發(fā)射器與傳感器節(jié)點(diǎn)合作將一系列在傳感器節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)壓縮成一個(gè)數(shù)據(jù)流的方式，很適合在光釬通道上的最終評(píng)估。對(duì)于每個(gè)傳感器，利用高斯 L比特標(biāo)量量化器進(jìn)行編碼，并且使用在最簡(jiǎn)單形式的STBC中提出的Alamouti方案進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)輸，STBC是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)作MIM

13、O傳輸過(guò)程中最節(jié)能且易被光纖信道解碼的編碼方式。在天線1和2的第一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，將兩個(gè)不同的擁有雙發(fā)射天線的Alamouti碼s1和s2同時(shí)發(fā)送，之后在下一個(gè)信號(hào)周期，發(fā)射s2*和s1*（*表示復(fù)共軛）。在這些方法中，鑒于傳感器的行動(dòng)和其他的傳感器密切相關(guān)，傳感器只對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)本地量化。他們產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制的消息并將其發(fā)送到光纖通道。光纖通道基于傳感器節(jié)點(diǎn)提供的量化規(guī)則結(jié)合這些數(shù)據(jù)，并確定未知參數(shù)。詳細(xì)內(nèi)容在本文的章節(jié)3.7中。

14、>　　在性能評(píng)估的比較和數(shù)值結(jié)果分析的研究過(guò)程中，我們研究并簡(jiǎn)要討論了目前工藝水平的調(diào)制和多種傳輸方案。一系列與數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)壓縮和傳輸過(guò)程中電量消耗有關(guān)的問(wèn)題被確立并被處理，有了以下的貢獻(xiàn)：(i)通過(guò)使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，減少每個(gè)傳感器需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。我們使用的L比特標(biāo)量量化器進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮；(ii)通過(guò)首先在傳送端處理數(shù)據(jù)流，確保消除冗余信息來(lái)保證低比特傳輸至光纖通道；(iii)提出一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值方法，來(lái)計(jì)算在本地壓縮進(jìn)程中損耗的能量；

15、(iv)通過(guò)基于傳輸多樣性技術(shù)的時(shí)空分組編碼（STBC）的應(yīng)用，我們減少了傳輸所需的能量；(v)提出一種簡(jiǎn)單的估計(jì)未知參數(shù)的方法，即計(jì)算所有傳感器節(jié)點(diǎn)觀測(cè)值的平均值；(vi)通過(guò)優(yōu)化傳輸率來(lái)減少在本地傳輸和遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中的能量損耗；(vii)我們說(shuō)明了，對(duì)于每一種傳輸距離，最優(yōu)的調(diào)制方式，傳輸速率調(diào)制方式，在這種情況下，每個(gè)字節(jié)損耗的總能量會(huì)減少；(viii)研究了虛擬多輸入輸出系統(tǒng)能量效率的依賴性，系統(tǒng)的平均延時(shí)和延時(shí)效率，以及傳播

16、參數(shù)也就是調(diào)制方案，傳播距離，調(diào)制方式或傳輸速率和信道的路徑損耗系數(shù)；(ix)從變形、壓縮比和壓縮因子評(píng)估了虛擬多輸入輸出系統(tǒng)的性能；(x)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，協(xié)同的IDAPVM在三種調(diào)制方案中，有著相當(dāng)大的節(jié)能效果因而優(yōu)于傳統(tǒng)的SISO和VMISO系統(tǒng)。在失真D<的情況下，提出的IDAPVM方法在VMIMO系統(tǒng)中能節(jié)約高達(dá)12dB的能量，即使在有能量節(jié)省的更高的k設(shè)置下，依舊比VMISO以及SISO系統(tǒng)要好。當(dāng)4正交幅度調(diào)制，且路徑損耗系統(tǒng)

17、k為3時(shí)，性能達(dá)到最優(yōu)；(xi)通常，VMISO系統(tǒng)的前期性能會(huì)稍微好些，失真 D<時(shí)，能夠使能量節(jié)約高達(dá)8dB,但是，當(dāng)傳輸距離非常小時(shí)，SISO系統(tǒng)比VMISO系統(tǒng)性能稍微好一些。這意味著，當(dāng)為了傳輸更遠(yuǎn)距離而使用固定速率調(diào)制時(shí)，應(yīng)用4QAM調(diào)制是最適合的；(xii)提出的VMIMO系統(tǒng)更節(jié)能，延遲更高效。傳輸距離越遠(yuǎn)，效率越高，節(jié)約的能量越多；(xiii)壓縮系數(shù)和壓縮比表明，在2X2的VMIMO系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)50％的壓縮，且能

18、節(jié)約50%的能量。但是為了獲得更高的壓縮性能，需要使用高次的VMIMO，但是其需要謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)；(xiv)因此，提出的基于2x2VMIMO的IDAPVM提供了一個(gè)重要的性能提升，并且適用于平均的壓縮率、失真性能、有效數(shù)據(jù)估計(jì)、能量約束，但是能容忍延時(shí)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
　　在未來(lái)的工作中，可以從以下幾個(gè)反面提出新的數(shù)據(jù)處理方法，比如：第一，使用優(yōu)化的調(diào)制方案和正交的STBC來(lái)研究高次的VMIMO系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。考慮不同的粗函數(shù)技術(shù)以