CN101237307A - 基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案 - Google Patents

基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案，包括簇头确定、协同建立、时隙规划、数据传输。本发明有效解决了现有的放大转发、译码转发、编码协同等几种协同方案设计复杂、实现困难、分集效率低、协同同步困难等问题，有效提高了系统的频谱效率和能量效率，大大降低了无线传感网的系统能耗。

Description

基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案
技术领域
本发明属于无线传感领域，具体提出了一种基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案。
背景技术
无线传感器网络是集成了信息监测、数据处理以及无线通信的网络系统，随机布设的节点数成千上万，分布较为密集，特别是军事侦察、环境监控、公共安全等无线传感器网络，其设计规模一般较大，节点容易出现故障，导致网络拓扑结构发生变化。同时，能量受限是无线传感网一个的重要特征，如何使传感网节点能量消耗最小化是无线传感网中的重要研究课题。目前，将能量受限的单天线传感网节点以一定的机理有效的协同起来形成虚拟的多天线系统，以此来提高网络系统的频谱效率和能量效率，达到降低系统能耗的目的，已成为无线传感网领域研究的热点。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案。以有效解决现有的放大转发、译码转发、编码协同等几种协同方案设计复杂、实现困难、分集效率低、协同同步困难等问题，有效提高系统的频谱效率和能量效率，大大降低无线传感网的系统能耗。
本发明的技术方案包括以下五个部分：
(1)将空时分组编码STBC技术与译码转发DF中继技术结合起来，形成无线传感网分布式节点的空时分组码译码转发DSTBC-DF的协同分集方案，利用STBC编码矩阵行矢量的正交性来解决协同通信问题。
(2)对于一个协作伙伴的协同通信，采用Alamouti编码矩阵的两行来设计信源与伙伴节点信息数据，并采用信源与伙伴分时发送策略，有效解决了协作双方同时发射时因传输距离不等造成的不同步问题。
(3)当信源节点和信宿节点距离较远不能直接通信时，采用双伙伴来形成Alamouti编码矩阵的正交形式，这样信宿端也形成了编码矩阵的两路数据，可按Alamouti译码算法进行译码。
(4)设计了一套适合DSTBC-DF的协同分集协议，协同通信按周期进行，每个周期有簇头确定、协同建立、时隙规划、数据传输四个阶段。
(5)采用动态的伙伴选择策略进行协作伙伴选择，即基于簇内节点的能量、信源与伙伴间的信道状态信息，以及伙伴节点的地理位置信息，建立一个备选伙伴列表，并根据能量消耗和信道即时信息的变化情况，及时更新伙伴列表。
上述(1)部分中将STBC与DF结合的协同分集方案是将单天线的传感网节点形成虚拟的MIMO形式，利用MIMO技术来解决协同通信，不仅实现简单，而且能够提供较大的分集增益和阵列增益，使系统获得较高的频谱效率和能量效率。上述(2)部分中利用Alamouti的编码矩阵来设计信源和伙伴节点的数据使之正交，以便获取分集增益，而且译码简单。(2)部分中信源节点与伙伴节点分时发射，避免了信源和伙伴不同步引起的两路协作数据不能理想正交造成的系统性能的下降。(3)部分中采用两个协作伙伴来利用Alamouti的编码矩阵的正交性形成协同通信，避免了一个协作伙伴时，信源与信宿距离较远或它们间信道较差，无法有效协同通信的情况。(4)部分中以简单的协议设计，实现了协同通信的整个过程。(5)部分中采用动态的伙伴选择策略，根据各种信息的即时编码来更新协作伙伴列表，避免了固定的某些节点被反复选中，以致能量消耗过快死亡，从而破坏整个网络的拓扑结构。相比基于队列、能量或信道状态信息的固定伙伴选择策略，采用综合节点能量、信道状态信息和节点地理位置信息的伙伴选择策略，更能够确保协同分集通信的有效性，并使簇内的所有节点能耗达到某种平衡，最终使网络系统平均能耗消耗最小，网络工作生存周期最长。
本发明的优点是：本发明提出的基于分布式空时分组编码的协同通信相比传统的点对点的单入单出SISO通信能获取分集增益和编码增益，使得系统有更高的频谱效率和能量效率。本发明提出的基于分布式空时分组编码译码转发的协同通信相比放大转发和混合解码转发不仅能提供更高的分集增益，而且在SNR较低的情况下也有很好的协作效果。本发明提出的基于分布式空时分组编码译码转发的协同通信相比传统的重复编码协同通信有更高的编码效率，且实现更简单。基于单伙伴的分布式空时分组编码的协同通信利用分时处理策略，避免了信源和伙伴不同步引起的两路协作数据不能理想正交造成的系统性能的下降。相比基于队列、能量或信道状态信息的固定伙伴选择策略，本发明提出的基于节点能量和信道状态信息，并综合考虑地理位置信息的动态伙伴选择策略，能够确保协同分集通信的有效性，并使簇内的所有节点能耗达到某种平衡，避免某些节点被反复选中，以至于能耗消耗过快而死亡，最终使网络系统平均能耗消耗最小，网络工作生存周期最长。
附图说明
图1为分簇协同无线传感网拓扑图。
图2为单伙伴DSTBC-DF协同分集框图。
图3为双伙伴DSTBC-DF协同分集框图。
图4为单个接收天线的协同通信与SISO性能比较图。
图5为两个接收天线的协同通信与SISO性能比较图。
图6为单接收天线双伙伴协同MISO与SISO性能比较图。
图7为双接收天线双伙伴协同MIMO与SISO性能比较图。
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。
如图1所示，大规模布设的单天线传感网节点已经按照某种机制分簇，图中虚线框表示个网络中的一个簇，圆圈表示传感网节点，六边形为信源节点，正方形为伙伴节点，八边形为传感网节点数据的汇聚节点，即信宿，它可以为多天线或单天线。
图2为单伙伴协同通信的情况，在第一个时隙，信源节点将原始数据分成长度为2n数的数据帧x11x12x21x22…xn1xn2，并按Alamouti编码矩阵的第一行编码成x11，-x12 *，x21，-x22 *，…xn1，-xn2 *的形式直接进行发射，伙伴和信宿节点都能接收到信源节点的数据；在第二个时隙，伙伴节点将接收的信源节点的数据译码后，按Alamouti编码矩阵的第二行重新编码成x12，x11 *，x22，x21 *，…xn2，xn1 *的形式再进行发射，这样信宿节点在两个时隙接收到信源和伙伴节点的正交数据。图3为双伙伴协同通信的情况，在第一个时隙，信源节点将原始数据分成长度为2n数的数据帧x11x12x21x22…xn1xn2直接进行发射，两个伙伴均能接收到信源节点的数据，而信宿节点因距信源较远而不能接收或因信道较差导致误码很高；在第二个时隙，两个伙伴节点将接收的信源节点的数据译码后分别按Alamouti编码矩阵的两行重新编码成x11，-x12 *，x21，-x22 *，…xn1，-xn2 *和x12，x11 *，x22，x21 *，…xn2，xn1 *的形式再进行发射。这里，d为节点间的距离，*号和-号，分别表示共轭和负数。
结合图2和图3的协同通信结构，系统运用Mento Carlo进行仿真，几种方案均采用BPSK调制，无信道编码，这样编码速率均为1，采用理想信道估计。帧长为32bit，发射帧数为10万个，这样共有320万个数据。协同分集的两路信号等功率发射，都为SISO功率的一半。仿真结果如图4、5、6、7所示。
图4是单个接收节点的单伙伴、双伙伴协同通信、理想的多天线MISO与传统的SISO的性能比较。在较低的接收端SNR时，因为信源到伙伴的本地信道较差导致误码较高，所以系统性能比较差，甚至比SISO的性能还差。对于双伙伴的系统，由于信源到两个伙伴有两个本地信道，相比单伙伴的情况更容易出错，因此双伙伴的性能差于单伙伴的性能，这与理论分析一致。两种协同通信下的MISO均差于传统多天线系统的MISO性能。随着伙伴节点接收端SNR的增加，信源到伙伴的本地信道质量比较好，误码率很低，系统性能得到明显改善。当BER＜10-5时，信源到伙伴的本地通信误码几乎为0，单伙伴、双伙伴和理想的MISO系统性能比较接近，都远远好于SISO的系统性能。当BER＝10-5时，单伙伴的协同通信和SISO的接收端SNR分别为25.5和44.5dB，前者比后者有将约19dB的性能提高。图5是两个接收天线或两个单天线节点协同接收的两路协同发射与SISO性能比较。这里的性能分析与单个接收节点的情况类似。只是在同等条件下，协同分集相比SISO性能提高的更多。当BER＝10-5时，单伙伴的协同通信和SISO的接收端SNR分别为14和44.5dB，前者比后者有将约30dB的性能提高。
图6和图7是图3所示的两个伙伴的协同通信在伙伴节点端不同接收SNR时，与SISO系统性能比较。图6是信宿端单个接收天线的情况，当伙伴端的接收SNR较低时，两个伙伴接收信源信息的误码率较高，造成两路协同信号正交性受到破坏，因此信宿端的误码率也比较高。由图可知，当伙伴接收端信噪比分别为4dB、8dB和12dB误码率最低分别为BER＝10-1、10-2和10-4，由于误码传播，通过增加信宿端的接收信噪比，对降低误码率没有帮助。当伙伴的接收信噪比为16dB时，可以确保本地通信足够好，这样协同的MISO性能与理想的MISO性能接近。图7是发射端两个伙伴协同，信宿端两个接收天线的系统性能与SISO性能比较。双接收天线系统与单接收天线有类似的结果，当信源到伙伴的误码较高时，增加信宿端的接收SNR和接收天线数，不能有效提高系统性能。因此，信宿与伙伴间的信道质量对整个系统性能的影响是很大的，这通过本发明的伙伴选择策略可保证。另外，当本地通信质量较好时，在同等条件下，增加接收端天线数，可以增加接收分集和阵列增益，使系统性能获得更大的提高。
本发明的具体实现分为以下几步：
(1)簇头确定。假定大规模布设的单天线传感网节点已经按照某种机制分簇。
在这个阶段，簇内的每个节点决定是否成为这个周期的簇头，如果有很多簇内节点有数据需要传输，应由簇头初步确定节点传输的顺序，以免通信冲突。
(2)协同建立。在这个阶段，每个节点发送一个信息包到主簇头，信息包应包括节点的位置、能量状态等信息，以便簇头根据这些状态信息判断它们是否适合作为协同伙伴，并决定是选择一个伙伴或者是两个伙伴进行协同通信。本发明选择基于能量的协同伙伴选择算法，同时综合考虑信源节点与协作伙伴间的信道状态信息、以及伙伴节点的地理位置信息，建立备选伙伴列表，并根据能量消耗和信道即时信息的变化情况，及时更新伙伴列表，确保协同分集通信的有效性，使簇内的所有节点能耗达到某种平衡，避免某些节点被反复选中，以至于能耗消耗过快而死亡。
(3)时隙规划。这个阶段用于簇头创建一个TDMA信道接入时隙表，并通知每个待分配时隙的簇内节点。对于协同通信来说，待传数据的信源节点根据各个节点的信息来选择协作伙伴，并将时隙再细分为两个时隙，第一时隙信源节点发射数据，第二个时隙协作伙伴将译码后重新编码的信息进行转发。
(4)数据传输。在这个阶段，信源节点将原始数据按某种形式处理后在第一个时隙进行传输；协同伙伴将译码后的数据进行重新编码后，再在第二个时隙转发。

Claims (8)

1、一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，包含以下五个部分：
(1)将空时分组编码STBC技术与译码转发DF中继技术结合起来，形成无线传感网分布式节点的空时分组码译码转发DSTBC-DF的协同分集方案，利用STBC编码矩阵行矢量的正交性来解决协同通信问题。
(2)对于一个协作伙伴的协同通信，采用Alamouti编码矩阵的两行来设计信源与伙伴节点信息数据，并采用信源与伙伴分时发送策略，有效解决了协作双方同时发射时因传输距离不等造成的不同步问题。
(3)当信源节点和信宿节点距离较远不能直接通信时，采用双伙伴来形成Alamouti编码矩阵的正交形式，这样信宿端也形成了编码矩阵的两路数据，可按Alamouti译码算法进行译码。
(4)设计了一套适合DSTBC-DF的协同分集协议，协同通信按周期进行，每个周期有簇头确定、协同建立、时隙规划、数据传输四个阶段。
(5)采用动态的伙伴选择策略进行协作伙伴选择，即基于簇内节点的能量、信源与伙伴间的信道状态信息，以及伙伴节点的地理位置信息，建立一个备选伙伴列表，并根据能量消耗和信道即时信息的变化情况，及时更新伙伴列表。
2、如权利要求1所述的一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，其特征在于(1)部分中将STBC与DF结合的协同分集方案是将单天线的传感网节点形成虚拟的MIMO形式，利用MIMO技术来解决协同通信，不仅实现简单，而且能够提供较大的分集增益和阵列增益，使系统获得较高的频谱效率和能量效率。
3、如权利要求1所述的一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，其特征在于(2)部分中利用Alamouti的编码矩阵来设计信源和伙伴节点的数据使之正交，以便获取分集增益，而且译码简单。
4、如权利要求1所述的一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，其特征在于(2)部分中信源节点与伙伴节点分时发射，避免了信源和伙伴不同步引起的两路协作数据不能理想正交造成的系统性能的下降。
5、如权利要求1所述的一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，其特征在于(3)部分中采用两个协作伙伴来利用Alamouti的编码矩阵的正交性形成协同通信，避免了一个协作伙伴时，信源与信宿距离较远或它们间信道较差，无法有效协同通信的情况。
6、如权利要求1所述的一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，其特征在于(4)部分中以简单的协议设计，实现了协同通信的整个过程。
7、如权利要求1所述的一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，其特征在于(5)部分中采用动态的伙伴选择策略，根据各种信息的即时编码来更新协作伙伴列表，避免了固定的某些节点被反复选中，以致能量消耗过快死亡，从而破坏整个网络的拓扑结构。
8、如权利要求7所述的一种基于分布式空时分组编码译码转发的无线传感网协同分集方案，其特征在于相比基于队列、能量或信道状态信息的固定伙伴选择策略，采用综合节点能量、信道状态信息和节点地理位置信息的伙伴选择策略，更能够确保协同分集通信的有效性，并使簇内的所有节点能耗达到某种平衡，最终使网络系统平均能耗消耗最小，网络工作生存周期最长。
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