CN101237306A - 基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，该方案为先由信源节点对原始信号进行正交空频编码，分为两个时隙来分别传输正交的信号帧，然后插入导频后对编码信号进行IFFT操作来对抗多径衰落，变换到时域上，插入循环前缀和训练序列后广播发送此串行数据流。第一时隙中继节点收到信源节点的信号，进行频偏和相位补偿，然后采用放大转发协议在第2时隙和信源节点同时向信宿节点发送处理后的信号，信宿接收机接收到来自两条独立信道的混合信号，首先探测到第2时隙信号的帧头，进行同步，然后对信号部分进行FFT操作，变换回频域，进行空频解码，得到原始的发送符号。本发明简单易行、能有效地改善系统误码率性能，实用性强，便于硬件实现。

Description

基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案

技术领域

本发明涉及无线信息传输领域，特别涉及一种基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案。

背景技术

多输入多输出(MIMO)技术是指在发送端和接收端都采用多天线的技术，其能够显著提高通信系统的容量和无线传输链路的质量，因而其已成为无线通信领域里的一个研究热点。然而，由于受终端设备价格、及体积等因素的影响，不适合在无线传感器网络的节点上配置多天线。为了解决这个问题，协作通信和虚拟多天线这两个概念应运而生。

协作通信技术是一种以分布式的形式开拓空间分集的方法。利用无线信号在被传输的过程中能被周围的中继节点收到的特点，作为信源节点的发射端可以与作为中继节点的发射端协作将信息传递到作为信宿节点的接收端，从而达到空间分集的目的。如此，通过一定的协议可使各单天线系统共享彼此天线而形成虚拟多天线来协作传输信息，从而可以有效地提高系统性能。而按照作为中继节点的发射端对接收信号的操作方式，协作方案可分为放大转发(amplify-and-forward，AF)、译码转发等，其中AF方案由于其复杂度较低，且只需要中继节点简单地转发经线性处理过的信号而不需要解码，因此更加受到人们关注。

随着人们对通信宽带化的需求，无线通信系统正由窄带向宽带迅速发展。宽带无线通信系统将面临频率选择性多径信道。目前，正交频分复用(OFDM)和单载波频域均衡技术(SC-FDE)是两种对付多径衰落简单而有效的手段。二者通过给数据帧添加循环前缀能有效地避免由多径衰落引起的符号间干扰。而且OFDM技术处理简单，不需要复杂的多抽头均衡器，由此，将OFDM技术引入到无线传感器网络中来对付多径衰落是一个非常重要的研究课题。将OFDM与分布式协同技术结合起来研究已成为本领域技术人员亟待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，以实现在具有单中继节点协作通信的无线传感器网络中的协同分集发射。

为了达到上述目的，本发明提供的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其包括步骤：1)在一宽带无线传感器网络中，信源节点采集到数据需要发送，首先进行信源编码，产生输入系统的二进制bit流；2)二进制输入比特进行前向纠错编码，交织后映射到星座图上的点，产生符号数据；3)对每个OFDM符号数据进行alamounti空时编码，并串转换后形成有两个时隙的数据帧，每个时隙符号数为需要发送的原符号数；4)在每个OFDM符号的合适位置插入导频信号，串并转换并补零成为IFFT的输入数据；5)IFFT后的每个OFDM时域信号前插入循环前缀，两个时隙信号前均加入训练序列；6)数据帧进行加窗操作，经D/A转化，发送到射频前端载波调制后发送信号到信道中；7)当中继节点检测到信源发射的信号时，接收信源信号第一时隙的数据，进行A/D转换后依靠训练序列进行定时和频率同步，移除保护间隔内的数据；8)采用放大转发协议时，此时数据直接加入新的循环前缀，第二时隙经D/A转换送到射频进行载波调制发射；9)信宿天线收到第二时隙信源和中继同时发送的信号，经射频载波解调通过低通滤波器，A/D转换抽样后，由训练序列可以进行定时和频率同步，补偿频偏，信道估计；10)同步后的OFDM符号移除保护间隔，串并变换进行FFT运算；11)输出的频域符号提中取导频进行相位补偿，数据符号进行空时解码，得到原始数据的估计符号值；12)估计符号进行逆映射得到软比特信息，解交织并利用vitebi译码得出传输比特的硬判决值。

其中，在步骤1)中，采用任意信源编码方案。

在步骤2)中，采用任意信道编码方案和调制方案。

在步骤3)中，假设每个OFDM符号有96个符号，输入的每96个符号为s＝[x₁，…，x₄₈，x₄₉，…，x₉₆]，将其编码成两个时隙的数据块，第一时隙为 $s_1=[x_1,\·\·\·,x_{48},-x_{49}^{*},\·\·\·,x_{96}^{*}],$ 第二时隙为 $s_2=[x_{49},\·\·\·,x_{96},x_1^{*},\·\·\·,x_{48}^{*}].$

在步骤5)中，训练序列包括短训练序列和长训练序列，短训练序列用来探测帧头和进行频偏的粗估计，长训练序列用来进行频偏的精确估计和估计信道响应。两个时隙前的短训练序列互相正交，避免第一时隙的信号影响信宿的接收，长训练序列也要正交，可以估计出两条信道的冲击响应。

在步骤6)中，窗函数为根号升余弦窗。

在步骤7)中，可以用短训练序列做相关运算来探测帧头，用长训练序列或循环前缀来做频偏估计。

在步骤8)中，中继节点将功率归一化后，补偿两倍的频偏后经过射频发射信号，保证中继节点和信源节点发射出的射频信号频率相同。

在步骤11)中，假设信宿节点在一个数据帧中接收到96个符号值r＝[r₁，…，r₄₈，r₄₉，…，r₉₆]，按照下式求出原始符号的估计值。 $[{\tilde{x}}_1,\·\·\·,{\tilde{x}}_{48}]=h_r^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]+h_{\mathrm{sd}}[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ $[{\tilde{x}}_{49},\·\·,{\tilde{x}}_{96}]=h_{\mathrm{sd}}^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]-h_r[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ h_r和h_sd分别为信源信宿间通过中继和直接通信的频域信道响应向量。如果接收端有多天线，按最大比合并算法解码。

在步骤12)中，可以使用任意相对的信道解码，解调，信源解码算法。

综上所述，本发明的基于放大转发单中继协作处理的宽带无线传感器网络信息传输方案针对多单继节点协作通信场景，提出一种频率选择性信道下AF协作通信中达到二阶分集增益的方法，可以有效地扩展用于多节点AF场景，且信息处理复杂度低。

本发明的优点：(1)本发明的协同通信结合OFDM的空频编码简单易行，且通用性强，可用扩展于任意中继节点数目的场景。(2)本发明的正交的长短训练序列的设计保证了MISO远程通信的信道估计和帧头探测。(4)本发明的传输方案能有效地改善系统误码率性能，实用性强，便于硬件实现。

附图说明

图1为本发明的操作流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案主要包括以下步骤：

第一步：在一宽带无线传感器网络中，作为信源节点的发射端装备单天线，它采集到了周围的环境信息，将其按照某种信源编码算法编码成二进制比特流，然后进行信道编码来增加信息冗余，进行交织后映射到星座图上成为复数的点。

第二步：将所述符号进行按照alamouti结构进行空频编码，假设一个OFDM符号有96个符号，输入的每96个符号为s＝[x₁，…，x₄₈，x₄₉，…，x₉₆]，将其编码成两个时隙的数据块，第一时隙为 $s_1=[x_1,\·\·\·,x_{48},-x_{49}^{*},\·\·\·,-x_{96}^{*}],$ 第二时隙为 $s_2=[x_{49},\·\·\·,x_{96},x_1^{*},\·\·\·,x_{48}^{*}],$ 然后在每时隙信号中插入导频信号，进行IFFT运算，映射到时域上，然后两时隙信号帧分别加上正交的长训练序列和短训练序列后串行发射信号，短训练序列用来探测帧头和进行频偏的粗估计，长训练序列用来进行频偏的精确估计和估计信道响应。两个时隙前的短训练序列互相正交，避免第一时隙的信号影响信宿的接收，长训练序列也要正交，可以估计出两条信道的冲击响应。。

第三步：中继节点按照第一时隙帧的短训练序列做相关运算，探测到帧头接收第一时隙的信号，采用训练序列可以估计出频偏，频偏估计的算法很多，在此不再详述。特别注意到中继节点对信号功率归一化后送到射频端发射，必须补偿上两倍的估计频偏，保证信源节点和中继节点发射的信号频率一致，这样信宿接收机就用不着进行频率均衡，降低复杂度。

第四步：信宿接收到来自两个节点的混合信号，进行同步，由于两信号频率相同，使用已有的MISO频率补偿技术即可。假设信宿节点在一个数据帧中接收到96个同步后的符号值r＝[r₁，…，r₄₈，r₄₉，…，r₉₆]，按照下式求出原始符号的估计值。 $[{\tilde{x}}_1,\·\·\·,{\tilde{x}}_{48}]=h_r^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]+h_{\mathrm{sd}}[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ $[{\tilde{x}}_{49},\·\·,{\tilde{x}}_{96}]=h_{\mathrm{sd}}^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]-h_r[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ h_r和h_sd分别为信源信宿间通过中继和直接通信的频域信道响应向量。如果接收端有多天线，按最大比合并算法解码。

第五步：最后将解码符号进行解调，逆交织，信道解码，信源解码得到原始信号。

参考802.11a协议，给出图1中各模块的一个具体实现：

信源发射机模块：

1.前向纠错编码：

采用(2，1，7)的卷积编码，编码矩阵为[1 0 1 1 0 1 1；1 1 1 1 0 0 1]，再进行抽取，有1/2，2/3，3/4三种码率的抽取，具体抽取规则见802.11a-1999。

2.交织：

将原始比特流补零，使位数满足(96×调制阶数)的倍数。将串行输入的数据按照(48×调制阶数)的交织深度进行交织运算。

3.映射：

交织后的比特流进行基带调制，输出I，Q两路实信号。

4.空时编码：

输入的每96个符号为s＝[x₁，…，x₄₈，x₄₉，…，x₉₆]，将其编码成两个时隙的数据块，第一时隙为 $s_1=[x_1,\·\·\·,x_{48},-x_{49}^{*},\·\·\·,-x_{96}^{*}],$ 第二时隙为 $s_2=[x_{49},\·\·\·,x_{96},x_1^{*},\·\·\·,x_{48}^{*}].$

5.插入导频符号：

在位置[6 20 33 47]处插入导频符号[1；1；1；-1]。

6.IFFT：

插入导频后的符号串并转换后，每52个符号补零成64位后进行IFFT运算，将符号调制到52个子载波上。

7.插入保护间隔：

每个64位的OFDM符号前加入16位的循环前缀。

8.插入训练序列：

在两个时隙数据帧前均加上训练序列。包括短训练序列和长训练序列。短训练序列由10个重复的16位数据构成，长训练序列由52位数据经64位IFFT后的64位时域信号，加上16位循环前缀组成，为了保持序列正交进行信号估计，两时隙前的长训练序列在时域上正交。

9.波束成型：

采用802.11的加窗操作，抑制能谱的泄漏。

10.射频：

D/A转换送入射频加载波发射。

中继操作模块：

1.射频，A/D：

接收射频信号后载波解调到基带信号进行采样。

2.定时和频率同步：

依靠短训练序列做相关运算探测到帧头，进行定时，长训练序列用于频率同步，接收并存储信源发出的第一时隙信号。

3.移去保护间隔：

去除掉OFDM符号和长训练序列的保护间隔内的信号。

4.插入保护间隔：

采用放大转发协议时，插入新的循环前缀保证消除ISI。放大转发协议代码尚未完成。

5.射频，D/A：

将此信号发送到射频端，与信源的第二时隙信号同时进行载波发射。

信宿接收机模块

1.射频，A/D：

接收射频信号后载波解调到基带信号进行采样。

2.定时和频率同步：

依靠短训练序列做相关运算探测到帧头，进行定时，长训练序列用于频率同步，接收并存储信源发出的第一时隙信号。

3.移去保护间隔：

去除掉OFDM符号和长训练序列的保护间隔内的信号。

4.信道估计：

利用正交的长训练序列可以估计出信源—信宿间以及信源—中继—信宿间的信号响应。

5.FFT：

取出OFDM的数据块串并转换，进行FFT操作，提取响应子载波上的信号。

6.相位跟踪：

提取导频信号，进行相位偏移估计，对频域信号进行相位补偿。

7.空时解码：

一个数据帧中接收到96个符号值r＝[r₁，…，r₄₈，r₄₉，…，r₉₆]，按照下式求出原始符号的估计值。 $[{\tilde{x}}_1,\·\·\·,{\tilde{x}}_{48}]=h_r^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]+h_{\mathrm{sd}}[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ $[{\tilde{x}}_{49},\·\·,{\tilde{x}}_{96}]=h_{\mathrm{sd}}^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]-h_r[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ h_r和h_sd分别为信源信宿间通过中继和直接通信的频域信道响应向量。如果接收端有多天线，按最大比合并算法解码。

8.逆映射：

与信源发射机中3的逆操作，得出发送比特的软判决。

9.解交织：

与信源发射机中2的逆操作，恢复原比特信息的顺序。

10.前向纠错译码：

与所述信源发射机中的逆操作，采用维特比译码得出发送比特的硬判决。

综上所述，本发明的基于放大转发单中继协作处理的宽带无线传感器网络信息传输方案与现有技术相比，其具有如下特点：

1、针对单中继节点协作通信场景，提供了一种频率选择性信道下AF无线传感器网络中的协同分集传输方案。

2、采用适用于OFDM调制的空频编码可以达到二阶分集增益，且信号处理复杂度不大。

3、中继节点处的两倍频偏补偿避免了接收机处做复杂的频率均衡操作。

本发明的有益效果：

(1)本发明的协同通信结合OFDM的空频编码简单易行，且通用性强，可用扩展于任意中继节点数目的场景。

(2)正交的长短训练序列的设计保证了MISO远程通信的信道估计和帧头探测。

(4)本发明的传输方案能有效地改善系统误码率性能，实用性强，便于硬件实现。

Claims (10)

1.一种基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于包括步骤：

1)信源节点采集到数据需要发送，首先进行信源编码，产生输入系统的二进制bit流。

2)二进制输入比特进行前向纠错编码，交织后映射到星座图上的点，产生符号数据。

3)对每个OFDM符号数据进行alamounti空时编码，并串转换后形成有两个时隙的数据帧，每个时隙符号数为需要发送的原符号数。

4)在每个OFDM符号的合适位置插入导频信号，串并转换并补零成为IFFT的输入数据。

5)IFFT后的每个OFDM时域信号前插入循环前缀，两个时隙信号前均加入训练序列。

6)数据帧进行加窗操作，经D/A转化，发送到射频前端载波调制后发送信号到信道中。

7)当中继节点检测到信源发射的信号时，接收信源信号第一时隙的数据，进行A/D转换后依靠训练序列进行定时和频率同步，移除保护间隔内的数据。

8)采用放大转发协议时，此时数据直接加入新的循环前缀，第二时隙经D/A转换送到射频进行载波调制发射。

9)信宿天线收到第二时隙信源和中继同时发送的信号，经射频载波解调通过低通滤波器，A/D转换抽样后，由训练序列可以进行定时和频率同步，补偿频偏，信道估计。

10)同步后的OFDM符号移除保护间隔，串并变换进行FFT运算。

11)输出的频域符号提中取导频进行相位补偿，数据符号进行空时解码，得到原始数据的估计符号值。

12)估计符号进行逆映射得到软比特信息，解交织并利用vitebi译码得出传输比特的硬判决值。

2.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤1)中，采用任意信源编码方案。

3.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤2)中，采用任意信道编码方案和调制方案。

4.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，特征在于：在步骤3)中，假设每个OFDM符号有96个符号，输入的每96个符号为s＝[x₁，…，x₄₈，x₄₉，…，x₉₆]，将其编码成两个时隙的数据块，第一时隙为 $s_1=[x_1,\·\·\·,x_{48},-x_{49}^{*},\·\·\·,-x_{96}^{*}],$ 第二时隙为 $s_2=[x_{49},\·\·\·,x_{96},x_1^{*},\·\·\·,x_{48}^{*}].$

5.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤5)中，训练序列包括短训练序列和长训练序列，短训练序列用来探测帧头和进行频偏的粗估计，长训练序列用来进行频偏的精确估计和估计信道响应。两个时隙前的短训练序列互相正交，避免第一时隙的信号影响信宿的接收，长训练序列也要正交，可以估计出两条信道的冲击响应。

6.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤6)中，窗函数为根号升余弦窗。

7.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤7)中，可以用短训练序列做相关运算来探测帧头，用长训练序列或循环前缀来做频偏估计。

8.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤8)中，中继节点将功率归一化后，补偿两倍的频偏后经过射频发射信号，保证中继节点和信源节点发射出的射频信号频率相同。

9.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤11)中，假设信宿节点在一个数据帧中接收到96个符号值r＝[r₁，…，r₄₈，r₄₉，…，r₉₆]，按照下式求出原始符号的估计值。 $[{\tilde{x}}_1,\·\·\·,{\tilde{x}}_{48}]=h_r^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]+h_{\mathrm{sd}}[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ $[{\tilde{x}}_{49},\·\·,{\tilde{x}}_{96}]=h_{\mathrm{sd}}^{*}[r_1,\·\·\·,r_{48}]-h_r[r_{49}^{*},\·\·\·,r_{96}^{*}],$ h_r和h_sd分别为信源信宿间通过中继和直接通信的频域信道响应向量。如果接收端有多天线，按最大比合并算法解码。

10.如权利要求1所述的基于放大转发单节点协作通信的宽带无线传感器网络传输方案，其特征在于：在步骤12)中，可以使用任意相对的信道解码，解调，信源解码算法。

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