CN101237305A - 一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置和方法至少包括采用传统的多入多出天线系统的网关节点和具有空时信号处理能力的单天线簇头节点。本发明所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法包括各个簇头节点之间组成虚拟多天线发射的上行通信方法和各个簇头节点组成虚拟多天线接收的下行通信方法。本发明在工作时对一组发射的数据进行空时编码产生多组码序列，通过虚拟的多入多出多天线系统进行传输从而可以获得相当可观的分集增益，以两入两出多天线系统为例其分集增益可以达到6dB，即在保持通信质量不变的条件下发射功率可以将为原先的1/4，有效的提高了中程传感网的能量效率。

Description

一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种无线中程传感网，尤其涉及在无线中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置和方法。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器节点开始出现，并且引起了人们的极大关注。这种无线传感器节点构成无线传感网能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息，并发布给需要这些信息的用户。无线传感网将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，深刻地改变了人与自然的交互方式；可以广泛地应用于军事、工农业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。

目前，无线传感网的布设中都是基于分簇的方式，所有的传感器节点都根据位置信息分成若干个簇，每个簇都有一个传感器节点被推举为簇头节点，簇内所有传感器节点的信息都通过簇头节点向网关输出，因此簇头节点需要具备与较远的网关通信的能力，且传输的数据量较大能耗较高。因此有的传感网中就在簇中设置一个能支持高速通信，且能量相对充沛的传感器节点作为簇头，与网关一起组成中程传感网。

而在目前的移动通信网络中，出现了在发射端和接收端都采用了多个天线的多入多出天线系统。在发射端通过空时编码产生同一个信号的多个副本并通过多个天线发射，且发射端和接收端各个天线之间的信道都是相互独立的，在接收端则将多个天线接收的信号作空时译码处理从而获得与发射天线数和接收天线数乘积等数量级的分集增益。从而能够有效的提高发射机的能量效率，在能量受限的无线传感网中，这相当有吸引力。另外，多入多出天线系统还演变成多入单出天线系统和单入多出天线系统，多入单出天线系统的发射端采用多个发射天线而接收端采用单个接收天线；单入多出天线系统的发射端采用单个发射天线而接收端采用多个接收天线。

然而，使用多入多出天线系统的主要缺点在于天线阵列的物理尺寸。为获得多入多出天线系统的好处，最好是各个天线之间具有显著的十个波长级的空间间隔。在所关心的频率上，这需要米级到十米级的天线间隔。对于中程传感网中的簇头节点，这是非常不可行的，因为在这些情况下，天线将会是簇头节点尺寸的数十倍。由于所述多入多出天线系统存在的缺点，所以在目前中程传感网中各个簇头节点都是基于单天线方式工作的。

为此，在现有技术中需要具有更高能量效率的改进的中程传感网络，特别地需要一种中程传感网，其簇头节点分别使用多入多出天线系统提供的多个独立信道中的一个信道同时向网关节点发送数据，而在簇头节点处不需要过大尺寸的多入多出天线。

发明内容

本发明的目的是提供一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置和方法，为无线传输提供分集增益，以提高网络的能量效率。

本发明要解决的现有多入多出天线系统不适合在中程传感网中应用的问题。

为实现上述目的本发明所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置，至少包括：网关节点，采用传统的多入多出多天线系统，用作上行通信的接收机和下行通信的发射机；簇头节点，包含空时处理模块，采用单天线系统，用作上行通信的发射机和下行通信的接收机。该装置使用多入多出系统在上行通信过程中进行多天线数据的接收、采样、处理，并在下行通信过程中进行信号的空时编码和调制；在上行通信过程中，对发送的数据进行编码并分发给各个协同簇头节点，控制各簇头节点协同向网关节点发射多天线信号，并在下行信道中收集各个协同节点接收的由网关节点发送的多天线信号，进行多天线信号处理。所述的网关节点可以采用传统的多入多出天线系统，这里就不再详述。

本发明所述的簇头节点在原有设备的基础上增加了用于对接收到的射频信号进行解调和采样的接收模块，用于对编码产生的数据进行调制和发射的发射模块，用于对需要发送的数据进行空时编码处理的空时编码器，用于对接收到的多天线信号进行空时译码处理的空时译码器和用于存放各个协同簇头节点接收到的多天线信号样本的存储器。

本发明所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法包括：上行通信方法，用作组织各个簇头节点组成虚拟的多天线发射机与网关节点进行通信；下行通信方法，用作组织各个簇头节点组成虚拟的多天线接收机与网关节点进行通信。在上行通信过程中，主簇头节点将要发送的数据先分发给多个协同簇头节点，然后各个簇头节点一起对发射的数据进行分布式空时编码，并使用现有的单天线系统对编码后的数据进行协同发射以构造虚拟多天线发射，在网关节点上设置多个接收天线对信道中传输的信号进行采样，并进行空时译码处理，从而获得分集增益。在下行通信过程中，网关节点对需要传输的数据进行空时编码由多个发射天线发射，在接收端每个簇头节点使用单天线对网关发射的多天线信号进行接收和采样，然后协同簇头节点将接收到的多天线信号样本传输到主簇头节点，由主簇头节点对接收到的多天线信号样本进行空时译码处理，从而构造虚拟的多入多出天线系统获得分集增益。由此本发明提供了一种在无线中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法。

综上所述，本发明通过在现有的中程传感网中的网关节点中采用传统的多入多出天线系统，在簇头节点进行改进，加入了空时编码器和空时译码器，使其具有空时处理能力，实施多个簇头节点协同工作的方式构建了虚拟的多入多出多天线系统。在工作时对一组发射的数据进行空时编码产生两组码序列，通过虚拟的两入两出多天线系统进行传输从而可以获得6dB的分集增益，即在保持通信质量不变的条件下，发射功率可以将为原先的1/4，有效的提高了中程传感网的能量效率。

附图说明

图1是无线中程传感网应用场景示意图。

图2是本发明簇头节点结构图。

图3是本发明上行通信方法框图。

图4是本发明下行通信方法框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

图1示出了中程传感网的应用场景，其中包括簇头节点、簇内传感器节点和网关节点，各个传感器节点都是分成若干个簇进行组织的。其中细箭头表示的是目前的簇头节点与网关节点间以单天线的方式通信；花箭头表示在本发明的方法中，两个簇头节点采用虚拟多天线分集的方式与网关节点进行通信。网关节点设置有两个天线。

本发明所述的中程传感网中实现虚拟多天线分集方法包括：

上行通信方法，用作组织各个簇头节点组成虚拟的多天线发射机与网关节点进行通信，

下行通信方法，用作组织各个簇头节点组成虚拟的多天线接收机与网关节点进行通信。

根据上行通信和下行通信中各簇头节点承担的角色不同，分别对上行通信和下行通信进行了定义。在说明本方法的实施方式之前，先对下面的说明中可能涉及的一些名词进行说明。通信过程中涉及的簇头节点中，我们将数据传输的源簇头节点和数据接收目的簇头节点称作主簇头节点，其余参与协同发射和协同接收的簇头节点称作协同簇头节点。主簇头节点和协同簇头节点只是在一次通信过程中的关系，在下一次通信中可能会是另一个簇头节点承担主簇头节点。

上行通信方法请参见图3。当主簇头节点有数据需要传送给网关节点时，在T1时间内，主簇头节点将要传输的数据送入空时编码器进行空时编码，得到两组码序列，其中第一组码序列由自己传输，第二组码序列交给协同簇头节点进行传输。在T2时间内，主簇头节点将第二组码序列传给协同簇头节点，并控制协同簇头节点与它组成一个虚拟的多天线系统，在本实施例中，我们选用一个协同簇头节点与一个主簇头节点协同工作，网关节点也具有两个天线，整个系统是一个虚拟的双入双出多天线系统。在T3时间内，主簇头节点和协同簇头节点分别将第一组码序列和第二组码序列交给发射处理模块进行协同发射，实现一个虚拟的双天线发射。在接收端，网关节点的多接收天线系统在T4时间内对信号进行接收和采样，得到两组多天线信号。在T5时间内，网关节点将接收到的两组多天线信号交给空时译码器进行空时译码，从接收到的多天线信号中解出发送的数据。至此完成上行通信。

下行通信方法请参见图4。在本实施例中，下行通信也是由两个簇头节点协同构成一个虚拟的双接收天线，与网关节点的双发射天线一起构成一个虚拟的双入双出天线系统。当网关节点要向簇头节点传输数据时，在T1时间内，网关节点需要将要传输的数据交给空时编码器进行空时编码，得到两组码序列。在T2时间内，网关节点将编码器得到的两组码序列分别交给两个发射处理模块通过双发射天线发射，此时接收端的主簇头节点和协同簇头节点一起对多天线信号进行接收和采样。在T3时间内，主簇头节点将本地接收和采样的多天线信号样本存入存储器中。在T4时间内，协同簇头节点将接收和采样的多天线信号样本传给主簇头节点，并由主簇头节点接收后写入存储器中。在T5时间内，主簇头节点将存储器中存储的多天线信号样本交给空时译码器进行译码，从中解出传输得数据。至此完成下行通信。

本发明所述的在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置包括簇头节点和网关节点。在网关节点中可以采用传统的多入多出天线系统，而在簇头节点需要进行改进，才能实现多个簇头节点虚拟多天线分集。本发明的实现虚拟多天线分集的簇头节点结构请参见图2，至少包括存储器、主控制器、空时编码器、空时译码器、发射处理模块、接收处理模块和射频收发器。

所述的主控制器执行基本的操作系统程序，以控制簇头节点的整体操作。在一个这样的操作中，主控制器根据公知的原理，控制通过射频收发器，接收处理模块和发射处理处理模块的下行信号的接收，上行信号的发送以及各簇头节点之间的接收和发送。

所述的发射处理模块从空时编码器中获取码序列，或者从所述的主控制器获取数据，并对他们进行基带调制、成形滤波，数字上采样等处理以产生基带或者中频信号输出。

所述的接收处理模块从射频收发器中获取中频或者基带信号，并进行数字下变频，下采样，匹配滤波，基带解调等处理，以获取数字信号。

所述的射频收发器具有射频接收和射频发射两种工作状态，并由主控制器控制其工作状态。在接收状态时，射频收发器对天线接收到的网关节点发射的多天线信号或者是其他簇头节点发射的信号进行下变频，以产生中频或基带信号，交给接收处理模块。在发射状态时，射频收发器将发射处理模块产生的基带或者中频信号进行上变频，产生射频信号经由天线发射。

所述的空时编码器将主控制器产生的传输数据根据公知的空时编码算法进行编码，得到两组码序列，交给发射处理器。

所述的空时译码器将存储器中存放的本地多天线信号样本和协同簇头多天线信号样本根据公知的空时译码算法进行空时译码处理，得到原始传输的数据，并交给主处理器。

综上所述，本发明通过在现有的中程传感网中的网关节点中采用多入多出天线系统，在簇头节点进行改进，加入了空时编码器和空时译码器，使其具有空时处理能力，实施多个簇头节点协同工作的方式构建了虚拟的多入多出多天线系统。在工作时对一组发射的数据进行空时编码产生两组码序列，通过虚拟的两入两出多天线系统进行传输从而可以获得6dB的分集增益，即在保持通信质量不变的条件下，发射功率可以将为原先的1/4，有效的提高了中程传感网的能量效率。

在本发明中讨论的图1到4、以及用来说明本发明原理的各种实施例，仅通过说明的方式说明具体的实施方式，在任何方式下不应该被视为对本发明范围的限制。本领域技术人员将理解，可在任何适当布设的无线传感网中实现本发明的原理。

Claims (9)

1.一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置，其特征在于至少包括：

网关节点，采用传统的多入多出多天线系统，用作上行通信的接收机和下行通信的发射机；

簇头节点，包含空时处理模块，采用单天线系统，用作上行通信的发射机和下行通信的接收机。

2.如权力要求1所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置，其特征在于所述的簇头节点至少包括存储器、主控制器、空时编码器、空时译码器、发射处理模块、接收处理模块和射频收发器。

3.如权力要求2所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的装置，其特征在于所述的发射处理模块、接收处理模块和射频收发器不仅能与网关节点之间通信，还支持簇头节点之间的通信。

4.一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法，其特征在于包括：

上行通信方法，用作组织各个簇头节点组成虚拟的多天线发射机与网关节点进行通信，

下行通信方法，用作组织各个簇头节点组成虚拟的多天线接收机与网关节点进行通信。

5.如权力要求4所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法，其特征在于所述的上行通信方法中包括主簇头节点将需要传输的数据进行空时编码后对得到的几组码序列在自己与协同簇头节点之间分配。

6.如权力要求1所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法，其特征在于所述的上行通信方法中包括步骤协同簇头节点接收到要发送的码序列后与主簇头节点一起组成一个虚拟多天线发射机，进行协同发射。

7.如权力要求1所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法，其特征在于所述的下行通信方法中包括步骤主簇头节点和协同簇头节点一起组成一个虚拟多天线接收机，接收多天线信号。

8.如权力要求1所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法，其特征在于所述的下行通信方法中包括步骤协同簇头节点将接收到的多天线信号样本传输给主簇头节点。

9.如权力要求1所述的一种在中程传感网中实现虚拟多天线分集的方法，其特征在于所述的下行通信方法中包括步骤主簇头节点对于自己和协同簇头节点接收到的多天线信号样本进行空时处理，解出传输的数据。

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