最小能量优化编码研究

Computer Engineering and Aplicaions计算机工程与应用2010,46(9)_ 13最小能量优化编码研究杨奇,史浩山,蒋 雯YANG Qi,SHI Hao- shan,JIANG Wen西北工业大学电子信息学院，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:能量消耗是无线传感器网络的关键问题之 一,将DS CDMA技术与WSN相结合提出了在马尔可夫信源模型的基础上采用能量优化的信源编码,从而降低能耗。仿真结果表明,能量优化编码可以有效地提高系統的信噪比、降低误码率、优化能量的使用效率。关键词:直扩序列码分多址;无线传感器网络;能量优化编码;信噪比;误码率DOI: 1078jis.100208331.2010.09.005文章编 号: 1002- 8331(2010)09 -0013- 03文献标识码:A 中图分类号:TN911.211引言号序列的功率决定于这个序列中各个信号的调制方式。考虑的无线传感器网络与传统的无线网络相比有自己的特点,其开关键控(on/off keyed)调制系统,它信息位序列中的一个高位大部分节点都是静止不动的，且置于恶劣环境中工作,能源一(high bit)( 如1)预设成固定信号所具有的预定功率,而低位般情况下很难替代。因此,关于无线传感器网络的能耗研究成(low bit)( 如0)则没有信号传输.因此,能量的消耗仅仅在高为核心问题"。近年,在节能路由协议上的研究中-取得了一定的位的传输时产生,而传输低位则不消耗能量。 - 个开关键控调成果，使得无线传感器网络的能量资源得到了很好的利用,文制系统的设计中,在评估能量消耗时,因为高位的周期乌通常献[41在优化帧结构的基础上采用分布式信源编码可以提高无. 都比信号的周期,大很多,所以产生发射信号的过渡时间可以线传感器网络的效率,从而达到节能的日的。将从信源编码的忽略不计。因此,射频发射器的总能耗就只有一个方面,Es,同角度出发,提出了一种能量优化的信源编码(Optimal Energy 高位的总持续时间成比例关系, 即高位的总数量nu乘以一位coding )算法,对节点间传输的信号序列进行优化,从而提高了的周期ts,Enc=C.tnmw,这里C是能耗系数啊。假设M是一秒钟信噪比,降低误码奉。仿真结果表明，该算法大大降低信息传输发 送信息的数量,n是每个码字中高位的平均数量。每个信息的误码率,提高了信噪比,充分利用现有能量资源,延长了无线的平均能耗 C可以写为:传感器网络的生命周期。c=Ew Cnm(1)2能最优化编码这个等式表明发射信号序列的功率同它们所描述的信源信息无线传感器节点的功能是将采集的一组信源信息序列发之间的关系。送给另一个相邻的节点。这些信源信息已经用射频发射器通过式( 1)提供了多个能耗最优化的路径。节约能量可以通过-个载波信号序列进行了调制。每-个特定的信号序列(码字)以下方法实现:(1)改善发射线路来减小 C;(2)碱小高位周期对应一个特定的信源信息。无线传感器网络节点的能量消耗主a;(3)碱小每 个码字的高位平均数量n。前两个是由发射器和要来源于这些信号序列包含“1”的位数。信道的物理条件所决定的，因此需要对物理层进行改进。第三为了能够说明能量消耗最优化的问题，需要理解发送信号个,是更大限度地提高能量序列的功率同信号序列所描述的信源信息之间的关系。发送信效率。中国煤化工基金项目:国家自然科学基金(the National Natural Seience Foundation of China under 0IYHCNMH((0800，作者简介:杨奇( 1969-).男.博士.讲师,主要从事多载波適信,信号空间谱估计方面的研究;史浩山( 1946-),男教授,博导,主要从事无线传感器网络方面的研究;蒋雯( 1974-),女,博土,副教授,主要从事信息融合,智能信息处理方面的研究工作。收稿日期:2009-11-20修回日期:2010-01-2614 2010, 46(9)Computer Eninering and Applications计算机工程与应用现以时齐马尔可夫信源模型描述有记忆信源。设-般信源降序排列的信息。所处的状态s e lr,ez, .. ,e小.在每- -状态下可能输出的符号这种最佳的编码称之为能量优化编码。现在要确定最佳性X∈(x,x,... ,小并认为信源每发出一个符号后,所处的状态能的参数并提出一个最佳性能的下限":将发生转移。信源输出的随机符号序列为X]X... ,.,.,信.k"°'≤B,(5)源所处的随机状态序列为Er,Er,.. ,E, .... ,信源处于状态e,时,这里H是信源熵,k是大于1的任意常数,B.是码本容量,定输出符号站的概率给定为p(xle;)=P(X=x/E=e),下一时刻转q到的一步状态转移概率为ple,le, )=(x[e.),若(x，,"n)义为B=之r"。由此认为信源熵H.和码本容量B.决定了最可表示为状态e(i=1 ,.,n" )则m阶马尔可夫信源熵为:佳能量性能的n。如果信源熵减小并且码本容量增加,高位平H..=(2均数n就会降低。信源熵是由信源表给定的,无法控制。但是，码本容量是由码本决定的并且对于一个给定的可用码组来说，每个码字的高位平均数量n,它是由信源信息的概率和分它可以选择最小化码本来实现它的最大化。配给这些信息的码字中的高位数量所决定的。3系统模型后=之(赴)m(3)j-th接收器的数据信号d(t),用能量优化编码包含了较少这里q- +∞是信源信息的数量,几是k- -th码字中高位的数量,的高位,-个伪随机序列仅为高位产生,而标准的CDMA使用p(x/en-)是k-th信息的概事。目的是减少高位的平均数量n,二进制相移键控调制,它为高低位都产生信号,提出的方法添即能量的优化都是基于n的减少。减小n有两种方法:加信号的多个信道的数量是比较少的,因此添加非零信号的多(1 )通过-组码字用较少的高位表示整个信息。个信道的概率就低了。(2 )将少数高位码字分配给较高概率的信息。下面将分析误码率信噪比与高bit位之间的关系。能量优化编码将把这两种方法绪合起来提供-个最佳的已知一个具有M个接收器的普通直序扩频一码分多址,编码法则。能量优化编码是-种信源编码法则,它的目的是通发射信号给定如下:过最小化用来描述信息源的高位平均数从而将射频传输中的能量效率最优化。能量优化编码产生有两个明显的过程:码本S:()= 2√2P d(1()(0(o中,)6)最佳化和编码最佳化。前者是用来测定-组码字,组成- 个码式中 R为信号功率,o。.为载波角频率,4()是接收器ke的数本,它含有最少的高位;后者将有较少高位的码字分配给使用据信号,C(t)是与ko数据信号相符的扩展信号,中和η分别概率高的信息。是接收器ko的信号相位和信号延迟。数据信号d()可以表示如下:令S是-一个具有信息概率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, ...。是一组完整的可用码字，给定扩展信号:qo≥q,W是-一个从可用码组W。中取出的q码字的码本,q≤q<+∞;W C Wos因此高位平均数最小化的最佳编码C(W ,S)可e()=2( [T(+(),)(8)以通过以下得出:这里I(,h)匙题以,h)上的一个单位矩形脉冲,“”∈(0.1,这里(1)用w。的最小码本w.作为编码的码本。(2)将w-按高位升序排列的q码字分配给按信息概率(d=)>>(d" =1),因为使用了能量优化编码对数据进行编码伪随机序且c" e{-1,1],对于整数N来说,所有的j和k满足c}"=cjN，列发生器整数N是这个扩展序列的最小周期。码长r。是由T:=TJN给定()的,这里T,为位间隔时间。假设信道噪声为加性高斯白噪声,d()可以将接收器的接收信号写成:敷据源1S,()= 2 V2P d(r)(r)o(opt+)+m(1)(9)dht)(数据源2)- - 能费优化→一一调制器除去一般性的损耗,假设的第-个用户rnp φ=0,rs∈[0,T)且φ∈[ π,m],因此只研究模为r的时间延迟和模为2π的相位延迟。然后用解扩序列解调后的信号Sdt)如下:dh(1)s<0)= 2 vP d(1)x()e() r)ow+M(數据源M能量优化一好调制器}解码中国煤化工. (10)匪量优化解码一 解河器←接收每一JYHCNMHG=7时与发射器1相数据源1事。可以得到: '图1 DS-CDMA 同能斌优化编码结合r=V空rd“N+EVC(r.)(11)杨奇,史浩山,蒋雯:最小能量优化编 码研究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.(-。)由围2般设EIN=l0dB且N=63,节能DS _CDMA的信噪比比较圜Y中的第二条件N,是一个随机的高斯变量,它是高斯信道噪声和Y中第三个条件涉及多路存取噪声的综合。最后一步p=p",(r>2de"=)+:",(r