太赫兹波段无线纳米传感网络上的恒重变长能耗优化编码*

刘海员,宾泽湘,胡 力

(1.南开大学电子信息与光学工程学院通信工程系,天津 300350;2.天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津 300350)

随着无线纳米通信网络和半导体技术与工艺的发展,无线纳米传感器网络WNSNs(Wireless Nanosensor Networks)成为近几年来的热门研究课题之一。无线纳米传感器网络,是指一群整体大小基本在几纳米到几百纳米之间的无线传感器通过特定的通信方式结合起来形成的一种WNSNs网络。各个纳米节点需要特定的纳米材料(碳纳米管,石墨烯晶体管等)来完成存储数据,感知信息和做出反应等简单任务,而这种网能够突破单个传感器仅能完成这些极简单任务的能力限制,实现一些更为复杂的通信与工作[1]。无线纳米传感器网络的这种特性使得其在生物,医学,军事和多媒体等很多领域都有广泛的应用前景。尽管纳米设备的尺寸非常小,但其能完成的数据交换是庞大的[2]。现有的应用在纳米传感器网络上的两种主要通信方式为:基于载体分子扩散的分子通信[3]和基于太赫兹(0.1 THz～10 THz)波段的纳米电磁通信。本文研究的主要通信方式为基于太赫兹波段的纳米电磁通信。迄今,基于碳纳米管CNTs(Carbon Nanotubes)和石墨烯纳米带(GNRs)可以设计出纳米尺寸的纳米天线,纳米传感单元和纳米电池[4]。其中,纳米天线的谐振频率在太赫兹(0.1 THz～10 THz)波段,发射功率可达几μW,是能实现基于太赫兹波段的纳米设备通信的关键基础所在[5],单个纳米器件组成如图1所示。

图1 纳米传感器结构示意图

降低纳米网络通信能耗的方法大致有网络能量优化算法[6]以及信源编码方式。2003年,Pakash和Gupta提出 NPG编码方式[7],在降低码字重量的同时增加了编码长度。2014年,Jornet等提出LWC编码[8],这种编码保证了码字之间一定的码距,同时抑制了码长的无约束增长,所以能有效抑制码字间的干扰增强稳定性。Kaikai Chi等人于2014年提出一种最小平均码重的无前缀编码[9],提出两种构造编码的算法BT-WD和BT-LD,目的在于保证吞吐量大于预设值。然而,绝大部分纳米网络能耗优化编码均没有考虑到平均码长对能耗的影响。所以,本文提出基于一种变长恒重能耗减少编码VLCW(Variable Length and Constant Weight),利用TS-OOK(Time Spread On Off Keying)调制方式[10],基于码字的平均码重(AWC Average Weight of Codes)和平均码长ALC(Average Length of Codes),综合重传机制和发射接收系统总能耗,建立一种新型的无线纳米传感器网络能耗模型。并与之前已有的LWC码和NPG码做出比较,考虑不同信源符号长度和信道误码率对能耗的影响,来衡量编码特性。同时,结合纳米通信网络上的能量收集系统和第1个太赫兹窗口(0.1 THz～0.54 THz)[11]的信道特征,对编码能达到的吞吐量进行一定的分析。

1 无线纳米传感器的工作频段及调制方式

1.1 太赫兹波段信道特点

目前,纳米传感器网络的通信问题依然没有得到很好的解决。起初,太赫兹(THz)与兆赫兹(MHz)频段被认为是纳米通信的备用频段,但是由于纳米器件极小的尺寸和极低的能量储存量,所以必须考虑如何在同样的传输距离下尽量减少通信能耗。尽管兆赫兹频段能实现更远距离的通信,但相比于太赫兹通信能量消耗更大,并不适用于在纳米网络上的应用。因此,太赫兹(THz)通信被认为是比较适合纳米网络通信的频段。Akyildiz I F和Jornet J M等人通过研究,设计出太赫兹信道的模型,给出了太赫兹信道应用于纳米通信产生的分子吸收噪声,路径损耗,误比特率,干扰以及能达到的信道容量和数据传输速率等[12]。由于太赫兹信道特有的分子吸收噪声损耗和强烈的路径损耗,纳米通信的距离特别有限。本文以第1个太赫兹窗口(0.1 THz～0.54 THz)为例,结合HITRAN2012数据库给出的数据,研究了太赫兹信道特有的分子吸收噪声与路径损耗,粗略估算出信道误码率以及信息传输速率的值,以备在能耗模型中的应用。在设定标准太赫兹信道(T=296 kHz,水蒸气比例为1.8%)下,第1个太赫兹窗口在不同通信距离下路径损耗如图2所示。

图2 不同通信距离下第1个THz窗口的路径损耗

1.2 TS-OOK调制方式

由于多方面的限制,传统的调制方式无法在纳米网络中实现可靠通信,现今能运用在纳米电磁通信中的调制方式之一为基于脉冲的调制。Jornet等人提出一种时域扩展开闭调制技术,TS-OOK(Time Spread On-Off Keying)。这种调制方式以飞秒量级(fs)的脉冲Tp来传输比特“1”,当待传输比特为“0”时,则保持安静。连续比特之间的时间间隔Ts是固定的,且远远大于脉冲长度Tp,Ts/Tp≫1,(原理如图3所示)。

图3 TS-OOK调制方式示意图

基于这种调制方式,纳米器件间通信的主要能量消耗来源于传输脉冲Tp的过程,包括脉冲的产生,功率放大器,滤波器等的消耗。同时,电磁波的传输会激发太赫兹信道中的组成分子,使他们处于活跃状态,从而产生额外的分子吸收损耗。总体来说,TS-OOK 调制方式适用于无线纳米传感器网络通信。

2 VLCW、LWC、NPG码与通信能效分析

2.1 变长恒重能耗减少编码

上述3种编码方式在信源长度m=3,P(1)=0.8时的编码形式示例如表1所示。

表1 各种编码方式示例

2.2 WNSNs能耗新模型

我们将每个纳米传感器设置为既有接收器又有发送器的设备,同时具备能量收集装置(后文描述)。在一对一通信过程中,信源统计独立同分布,即P(hwb)=P(lwb)=1/2,则每个信源符号的分布概率为1/2m。发送结点将待发送信息中每个比特提取出来,编码为nbit信息,利用TS-OOK调制,选择第1个太赫兹窗口波段(0.1 THz～0.54 THz)进行通信,由于通信信道特性的影响,数据传输存在一定的错误率,而由错误率导致的码字重传影响不可忽略。本文模型中,若数据信息中有一个或多个比特错误,则发送端必须在下一次重新发送整个数据信息,直到接收到正确接收信息的ACK信号为止。

由此可知,一对一纳米节点通信总能耗由以下几部分组成。发送信号所消耗的能量Et,接收信号所消耗的能量Er,发送端重传所消耗的能量Ert以及发送接收端编解码所消耗的能量Ecode,Edecode,接收端发送ACK信息所消耗的能量Eack以及发送端保持接收ACK信息所需要的能量Ewait。

我们考虑正确且完整地发送完整个信源符号所表示信息所消耗的总能量为:

Etotal=Et+Er+Ecode+Edecode+Eack+Ewait

(1)

一般来说,编解码部分的能量值取决于硬件设施与移位寄存器等的性能。但迄今还没有研究出适合于纳米传感器及其网络极低的运算复杂度的编解码器,为了简化能耗模型便于分析,本文暂不考虑这部分能耗。同时,由于ACK信息比特与待传输信息比特相比尺寸很小(一般取1 bit～2 bit),在通信距离(一般为10-3m～10-1m)和信道特性给定的情况下,信息传输速率可达几Gbyte/s,误比特率也可控制在0.01以下。故可将Eack看作一个定值。发送端用于维持接收ACK信号所需要的能量Ewait极少,远远小于通信系统接收发送整体消耗的能量,也可忽略不计。所以,经过简化后的模型总能耗又可以写成:

Etotal=Et+Er+Eack

(2)

根据TS-OOK调制方式的特点可知,传输比特“0”时,不消耗能量,假设传输一个比特“1”数据所消耗的能量为Ebt。而接收端处理每一个接收到的比特都会产生能耗,设接收端接收每个比特所消耗的能量为Ebr。码字的平均码长和平均码重分别用ALC与AWC来表示,以传输整个信源包含的数据信息作整体考虑,有:

Et=nrEbtAWC

(3)

Er=nrEbrALC

(4)

(5)

(6)

式中:P(i),w(i)与l(i)分别表示第i个码字出现的概率,码重和码长。显然,不同的编码方式具有不同的ALC与AWC值,故能耗值也互不相同,nr表示重传次数。

nr=(PdPa)-1

(7)

Pd指信息传输正确率,Pa指ACK信息传输正确率,本文中设定Pa=1,所以nr又可以写成:

(8)

Pe表示误比特率,取决于信道特性和信源统计分布和编码情况。

2.3 不同编码方式的能耗分析

对于输入信息比特,编码能效用于衡量码字在减少输入码重和码长方面的能力。码字重量和码字长度减少的越多,编码能效越大。我们给出上述3种不同编码方式即NPG,LWC和VLCW编码的码长与码重和能效运算的表达式,并用MATLAB仿真工具进行数据仿真。

①NPG编码中,只有0和1两种码字重量,码字长度由信源符号长度m决定。如下所示:

(9)

l(i)=2m-1,2≤i≤2m

(10)

②LWC编码具有不变码长与码重,且取决于信源符号长度m。

W(i)=w,2≤i≤2m

(11)

l(i)=1,2≤i≤2m

(12)

③VLCW编码中,我们选择码重恒为1,码字长度与信源符号长度m相关:

W(i)=1,2≤i≤2m

(13)

l(i)=i,2≤i≤2m

(14)

单考虑发送接收总能耗的情况下,不同编码方式的编码能效可由式(15)表示:

(15)

式中:Wa与La分别表示编码前的码重与码长,Wb和Lb分别表示编码后码重与码长。于此,我们需要先确定Etb与Erb的合理理论值。基于Jornet[13]的文章给出的数据研究,在通信距离控制在10 mm左右时,我们选定Ebt为1 pJ。同时,接收端处理信息数据所消耗的能量约为发送端的十分之一,即为0.1 pJ。所以根据式(15),不同编码方式在信源统计分布P(1)约束下的能效图如图4所示。

图4 不同编码的能效图

由图4可以看出,所有码字的能效均随P(1)的升高而升高,这是因为P(1)值越大,编码对码重和码长的降低与信源符号相比越明显,能效越高。在P(1)较小时,能效会出现负值的情况,编码能效值将会差于未编码,这种现象尤以LWC码为甚,这是由于此时编码的码重相比于未编码状态并无降低,再加上码字长度的增加,能效值为负。随着P(1)的增加,码字会回到节能状态。所以,LWC码适合于P(1)较大的情况下的通信。VLCW与NPG相比,在P(1)位于0.5附近时,能效更优可达33.6%,更实用。

接下来,我们将信源统计情况给定,设定为均匀分布。考虑码字重传情况,利用上述公式,给出VLCW与LWC码在不同误比特率Pb与信源符号长度m下所消耗能量的具体值。图5分别给出了 VLCW 码和LWC码在不同源符号长度m和信道误比特率Pb下所消耗能量的具体值,从这两幅图中我们可以得出结论,当误比特率Pb上升时,由于符号重传次数nr增加所以总的能量消耗增加。同时,当误比特率Pb一定时,随着源符号长度m的增加,码字的平均长度变长,导致耗能的增长。而由图5(a)与图5(b)比较结果图5(c)得知,在相同的误比特率和源符号长度情况下,我们提出的VLCW码总能耗要优于LWC,相比之下节能率可达25.3%,节省值随误码率和信源符号长度值而改变,大致在-400 dB左右。

图5 编码能量消耗图

3 吞吐量性能分析

如前所述,由于纳米传感器极低的能量储存率,要维持纳米网络的运转,需要一种运用在纳米传感器上的能量收集系统(Energy harvest system)来为纳米电池充电,构成具有能量收集能力的纳米传感器网络,保证纳米传感器工作所需要的能量,为实现永久通信打下基础[13]。Jornet等人基于压电式纳米发电机设计出了能运作在纳米通信网络上的能量收集电路,这种发电机以氧化锌制成的纳米电线为基本单位,每一次纳米电线的压缩与释放均能产生微小电流,从而用于纳米电池的充电与储能,基本结构如图6所示。我们考虑这种能量收集装置对于整个数据通信过程中耗时的影响,从而研究在保证纳米器件永久工作的情况下,VLCW与LWC码分别能达到的吞吐量的大致值。

图6 压电式纳米发电机示意图

衡量能量收集装置最直观的参数即为能量收集速率,由文献[13]的研究结果可知,这种充电电路能达到的能量收集速率由下式决定:

(16)

(17)

式中:Vg表示发电机电压,Ccap代表电池容量,ΔQ代表每个周期能捕获的电荷数,Rcycle知ZnO纳米线的振动频率或压缩释放速率。纳米器件间若想实现永久通信,在指定时间内的能量收集量必须不小于能量消耗的值,即有:

Etotal≤RharvTto

(18)

式中:Rharv代表能量收集速率,Tto代表数据传输暂停时间,这段时间用于能量收集装置的运作与储能,以备于下一次的数据传输与接收。我们定义WNSN上的吞吐量为:

(19)

Ttr=Tdata+nrTto+Tack

(20)

(21)

Psuccessful=1-[(1-Pe)ACL(1-Pt)(1-Pr)(1-Pa)]nr+1

(22)

式中:Rbit为信息传输速率,Ttr表示传输接收过程所消耗总时间,Tdata表示成功传输数据信息所需要的时间,Pt与Pr为发送与接收到数据的错误率,Tack代表接收确认信息所耗时间,其余各参数已定义。由于纳米网络上各种能耗减少编码的使用,使得基于以上系统的纳米网络吞吐量与编码所带来的能耗降低之间存在一个权衡。在VLCW中,由于对于码重降低的追求,码长的增加不可避免,从而增加包的到达时间,对总的吞吐量造成影响。为此,我们在实验上给出基于VLCW和LWC能耗减少编码下的纳米网络通信总吞吐量的值,将通信距离设置在10-3m附近时,随着数据传输速率Rbit和源符号长度m的变化,VLCW与LWC码能达到的吞吐量比较图如下。

由图7可以看出,给定Pe=0.01,随着数据传输速率R的增加,吞吐量呈上升趋势,且VLCW的引进对于网络吞吐量并没有造成大的恶化,不至于因降低能耗而无法保证吞吐量。在传输速率R给定时,随着m的增加,两种码字的编码长度均会呈显著上升,VLCW码的吞吐量性能会显著下降甚至差于LWC码,但在同样条件下其能耗性能要优于LWC码约3 dB。所以没有一种码字是万能的,衡量编码的标准不同,编码表现出的性能自然有所差别。

图7 不同m值时VLCW与LWC吞吐量比较

4 结论

本文针对纳米传感器和太赫兹信道自身特点,基于TS-OOK调制提出一种变长恒重能耗减少编码VLCW,其在保证一定的低码重情况下,尽量减少码字平均长度。同时,综合系统发送接收总能耗和信道误码导致的信息重传,以及纳米传感器特有的能量收集系统,建立一种新型纳米传感器一对一通信能耗模型,并和已有的纳米传感器网络低能耗编码进行比较。实验表明,VLCW码在信源呈均匀分布的情况下,能有效节省通信能量消耗,其具体能耗值基本在-400 dB以下的水平。同时,VLCW码与现有的LWC码相比并没有对网络总的吞吐量造成太大的降低。因此,如何在同时考虑能量消耗,干扰,带宽扩展等方面时,权衡选择合适的编码进行通信,是我们今后研究要努力的方向。

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