最小能量?jì)?yōu)化編碼研究

Computer Engineering and Aplicaions計算機工程與應用2010,46(9)_ 13最小能量?jì)?yōu)化編碼研究楊奇,史浩山,蔣 雯YANG Qi,SHI Hao- shan,JIANG Wen西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710072Elctronic Infornation Department,Northwestem Poly- technical Univernity ,Xi' an 710072,ChinaE- mail:yangqi@nwpu.edu.cnYANG QI,SHI Hao shan,JIANG Wen,Research of source coding method for power saving.Computer Engineering andApplications,2010,46(9):13-15.Abstract: Reducing power consumption is one of the key problems in wireless sensor network systems.This paper introduces asource coding method for power saving in DS- -CDMA for WSN based on the model of Markov.Finally , simulation is conducted toverify the method which demonstrates the low BER and high SNR, and optimizes the power consumption.Key words: Direct Sequence -Code Division Muliple Acese(DS- CDMA); Wireles Sensor Network( WSN);optimal energy coding;Signal to Noise Ratio(SNR);Bit Error Rate( BER)摘要:能量消耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵問(wèn)題之 一,將DS CDMA技術(shù)與WSN相結合提出了在馬爾可夫信源模型的基礎上采用能量?jì)?yōu)化的信源編碼,從而降低能耗。仿真結果表明,能量?jì)?yōu)化編碼可以有效地提高系統的信噪比、降低誤碼率、優(yōu)化能量的使用效率。關(guān)鍵詞:直擴序列碼分多址;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò );能量?jì)?yōu)化編碼;信噪比;誤碼率DOI: 1078jis.100208331.2010.09.005文章編 號: 1002- 8331(2010)09 -0013- 03文獻標識碼:A 中圖分類(lèi)號:TN911.211引言號序列的功率決定于這個(gè)序列中各個(gè)信號的調制方式?？紤]的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相比有自己的特點(diǎn),其開(kāi)關(guān)鍵控(on/off keyed)調制系統,它信息位序列中的一個(gè)高位大部分節點(diǎn)都是靜止不動(dòng)的，且置于惡劣環(huán)境中工作,能源一(high bit)( 如1)預設成固定信號所具有的預定功率,而低位般情況下很難替代。因此,關(guān)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的能耗研究成(low bit)( 如0)則沒(méi)有信號傳輸.因此,能量的消耗僅僅在高為核心問(wèn)題"。近年,在節能路由協(xié)議上的研究中-取得了一定的位的傳輸時(shí)產(chǎn)生,而傳輸低位則不消耗能量。 - 個(gè)開(kāi)關(guān)鍵控調成果，使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的能量資源得到了很好的利用,文制系統的設計中,在評估能量消耗時(shí),因為高位的周期烏通常獻[41在優(yōu)化幀結構的基礎上采用分布式信源編碼可以提高無(wú). 都比信號的周期,大很多,所以產(chǎn)生發(fā)射信號的過(guò)渡時(shí)間可以線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的效率,從而達到節能的日的。將從信源編碼的忽略不計。因此,射頻發(fā)射器的總能耗就只有一個(gè)方面,Es,同角度出發(fā),提出了一種能量?jì)?yōu)化的信源編碼(Optimal Energy 高位的總持續時(shí)間成比例關(guān)系, 即高位的總數量nu乘以一位coding )算法,對節點(diǎn)間傳輸的信號序列進(jìn)行優(yōu)化,從而提高了的周期ts,Enc=C.tnmw,這里C是能耗系數啊。假設M是一秒鐘信噪比,降低誤碼奉。仿真結果表明，該算法大大降低信息傳輸發(fā) 送信息的數量,n是每個(gè)碼字中高位的平均數量。每個(gè)信息的誤碼率,提高了信噪比,充分利用現有能量資源,延長(cháng)了無(wú)線(xiàn)的平均能耗 C可以寫(xiě)為:傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期。c=Ew Cnm(1)2能最優(yōu)化編碼這個(gè)等式表明發(fā)射信號序列的功率同它們所描述的信源信息無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的功能是將采集的一組信源信息序列發(fā)之間的關(guān)系。送給另一個(gè)相鄰的節點(diǎn)。這些信源信息已經(jīng)用射頻發(fā)射器通過(guò)式( 1)提供了多個(gè)能耗最優(yōu)化的路徑。節約能量可以通過(guò)-個(gè)載波信號序列進(jìn)行了調制。每-個(gè)特定的信號序列(碼字)以下方法實(shí)現:(1)改善發(fā)射線(xiàn)路來(lái)減小 C;(2)堿小高位周期對應一個(gè)特定的信源信息。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能量消耗主a;(3)堿小每 個(gè)碼字的高位平均數量n。前兩個(gè)是由發(fā)射器和要來(lái)源于這些信號序列包含“1”的位數。信道的物理條件所決定的，因此需要對物理層進(jìn)行改進(jìn)。第三為了能夠說(shuō)明能量消耗最優(yōu)化的問(wèn)題，需要理解發(fā)送信號個(gè),是更大限度地提高能量序列的功率同信號序列所描述的信源信息之間的關(guān)系。發(fā)送信效率。中國煤化工基金項目:國家自然科學(xué)基金(the National Natural Seience Foundation of China under 0IYHCNMH((0800，作者簡(jiǎn)介:楊奇( 1969-).男.博士.講師,主要從事多載波適信,信號空間譜估計方面的研究;史浩山( 1946-),男教授,博導,主要從事無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )方面的研究;蔣雯( 1974-),女,博土,副教授,主要從事信息融合,智能信息處理方面的研究工作。收稿日期:2009-11-20修回日期:2010-01-2614 2010, 46(9)Computer Eninering and Applications計算機工程與應用現以時(shí)齊馬爾可夫信源模型描述有記憶信源。設-般信源降序排列的信息。所處的狀態(tài)s e lr,ez, .. ,e小.在每- -狀態(tài)下可能輸出的符號這種最佳的編碼稱(chēng)之為能量?jì)?yōu)化編碼?，F在要確定最佳性X∈(x,x,... ,小并認為信源每發(fā)出一個(gè)符號后,所處的狀態(tài)能的參數并提出一個(gè)最佳性能的下限":將發(fā)生轉移。信源輸出的隨機符號序列為X]X... ,.,.,信.k"°'≤B,(5)源所處的隨機狀態(tài)序列為Er,Er,.. ,E, .... ,信源處于狀態(tài)e,時(shí),這里H是信源熵,k是大于1的任意常數,B.是碼本容量,定輸出符號站的概率給定為p(xle;)=P(X=x/E=e),下一時(shí)刻轉q到的一步狀態(tài)轉移概率為ple,le, )=(x[e.),若(x，,"n)義為B=之r"。由此認為信源熵H.和碼本容量B.決定了最可表示為狀態(tài)e(i=1 ,.,n" )則m階馬爾可夫信源熵為:佳能量性能的n。如果信源熵減小并且碼本容量增加,高位平H..=(2均數n就會(huì )降低。信源熵是由信源表給定的,無(wú)法控制。但是，碼本容量是由碼本決定的并且對于一個(gè)給定的可用碼組來(lái)說(shuō)，每個(gè)碼字的高位平均數量n,它是由信源信息的概率和分它可以選擇最小化碼本來(lái)實(shí)現它的最大化。配給這些信息的碼字中的高位數量所決定的。3系統模型后=之(赴)m(3)j-th接收器的數據信號d(t),用能量?jì)?yōu)化編碼包含了較少這里q- +∞是信源信息的數量,幾是k- -th碼字中高位的數量,的高位,-個(gè)偽隨機序列僅為高位產(chǎn)生,而標準的CDMA使用p(x/en-)是k-th信息的概事。目的是減少高位的平均數量n,二進(jìn)制相移鍵控調制,它為高低位都產(chǎn)生信號,提出的方法添即能量的優(yōu)化都是基于n的減少。減小n有兩種方法:加信號的多個(gè)信道的數量是比較少的,因此添加非零信號的多(1 )通過(guò)-組碼字用較少的高位表示整個(gè)信息。個(gè)信道的概率就低了。(2 )將少數高位碼字分配給較高概率的信息。下面將分析誤碼率信噪比與高bit位之間的關(guān)系。能量?jì)?yōu)化編碼將把這兩種方法緒合起來(lái)提供-個(gè)最佳的已知一個(gè)具有M個(gè)接收器的普通直序擴頻一碼分多址,編碼法則。能量?jì)?yōu)化編碼是-種信源編碼法則,它的目的是通發(fā)射信號給定如下:過(guò)最小化用來(lái)描述信息源的高位平均數從而將射頻傳輸中的能量效率最優(yōu)化。能量?jì)?yōu)化編碼產(chǎn)生有兩個(gè)明顯的過(guò)程:碼本S:()= 2√2P d(1()(0(o中,)6)最佳化和編碼最佳化。前者是用來(lái)測定-組碼字,組成- 個(gè)碼式中 R為信號功率,o。.為載波角頻率,4()是接收器ke的數本,它含有最少的高位;后者將有較少高位的碼字分配給使用據信號,C(t)是與ko數據信號相符的擴展信號,中和η分別概率高的信息。是接收器ko的信號相位和信號延遲。數據信號d()可以表示如下:令S是-一個(gè)具有信息概率P的q信息源, .P=((五)≥P(葒)>->*(塑)≥R(英)}(4)8()= Eo"Im(ir .0+1)7,)7)并且wWa=1u01u2, ...。是一組完整的可用碼字，給定擴展信號:qo≥q,W是-一個(gè)從可用碼組W。中取出的q碼字的碼本,q≤q<+∞;W C Wos因此高位平均數最小化的最佳編碼C(W ,S)可e()=2( [T(+(),)(8)以通過(guò)以下得出:這里I(,h)匙題以,h)上的一個(gè)單位矩形脈沖,“”∈(0.1,這里(1)用w。的最小碼本w.作為編碼的碼本。(2)將w-按高位升序排列的q碼字分配給按信息概率(d=)>>(d" =1),因為使用了能量?jì)?yōu)化編碼對數據進(jìn)行編碼偽隨機序且c" e{-1,1],對于整數N來(lái)說(shuō),所有的j和k滿(mǎn)足c}"=cjN，列發(fā)生器整數N是這個(gè)擴展序列的最小周期。碼長(cháng)r。是由T:=TJN給定()的,這里T,為位間隔時(shí)間。假設信道噪聲為加性高斯白噪聲,d()可以將接收器的接收信號寫(xiě)成:敷據源1S,()= 2 V2P d(r)(r)o(opt+)+m(1)(9)dht)(數據源2)- - 能費優(yōu)化→一一調制器除去一般性的損耗,假設的第-個(gè)用戶(hù)rnp φ=0,rs∈[0,T)且φ∈[ π,m],因此只研究模為r的時(shí)間延遲和模為2π的相位延遲。然后用解擴序列解調后的信號Sdt)如下:dh(1)s<0)= 2 vP d(1)x()e() r)ow+M(數據源M能量?jì)?yōu)化一好調制器}解碼中國煤化工. (10)匪量?jì)?yōu)化解碼一 解河器←接收每一JYHCNMHG=7時(shí)與發(fā)射器1相數據源1事?？梢缘玫? '圖1 DS-CDMA 同能斌優(yōu)化編碼結合r=V空rd“N+EVC(r.)(11)楊奇,史浩山,蔣雯:最小能量?jì)?yōu)化編 碼研究2010,46(9)_ 15式中4=(),d)N= | n()el(s)coewo,dN=60\1- M-SM=25 |M-IOOr("()=(e()e,(-,)由M-S000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.7 0.8 09 1.0高位百分比ai"(r)= } c,(t)e.(-。)由圍2般設EIN=l0dB且N=63,節能DS _CDMA的信噪比比較圜Y中的第二條件N,是一個(gè)隨機的高斯變量,它是高斯信道噪聲和Y中第三個(gè)條件涉及多路存取噪聲的綜合。最后一步p=p",(r>2de"=)+:",(r