CN101242241B - 基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输系统及方法，包括先由信宿节点的定时误差估计模块估计出中继链路间的相对定时误差，再由反馈模块将估计值反馈到信源节点，并确定各节点的功率分配系数，进而由信源节点通过编码模块对要传送的字符数据进行编码，并根据确定的功率分配系数对其添加长度不短于相对定时误差的循环前缀，在第一时隙予以发射，而各中继端接收到信源节点发送信号后根据功率分配系数对接收信号进行线性处理并在第二时隙予以发射，而信宿节点在第二时隙接收信号，并将接收的各信号去除循环前缀后合并，再经过信号处理模块和判决模块得到接收符号数据，如此可实现阶数为二的异步协作分集增益。

Description

基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输系统及方法

技术领域

本发明涉及无线信息传输领域，特别涉及一种基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统及方法。

背景技术

空时传输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，在无线传感器网络的节点上配置多天线是不太切合实际的。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、译码转发等，其中放大转发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。

由于这些中继节点以分布式的形式工作于自由空间中，全局统一的定时模块的缺乏及不同的空间传播距离会在不同的中继节点间引入时延，即这些中继节点将工作于异步模式。如何对抗定时误差引入的码间干扰是一个非常重要的研究课题。尽管一些现有技术方案考虑到这一情形，提出了一些基于异步协作的分布式空时传输系统及方法，但这些现有技术方案只考虑了译码转发的协作方案。而译码转发的协作方案需要随机协作的中继节点在知道信源节点的码书情形下进行译码再协作传输，且对信源节点和中继节点间的无线链路质量要求较高。考虑到放大转发协作方案的低复杂度等优点，如何解决基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输问题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中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统及方法，克服不同中继节点对应的中继传输链路间存在的定时误差对系统性能的干扰，以分布式的形式开拓空间分集增益。

按照本发明的一方面，一种基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统，包括：

信源模块A：用于信源节点产生要传输的字符数据；

编码模块B，用于信源节点对调制以后的符号进行编码；

加循环前缀模块C：用于信源节点根据反馈的信息将得到的每帧数据加上循环前缀；

数模转换(D/A)模块D：用于信源节点将数字信号变换成模拟信号；

信道模块E1～E2：信源节点与2个中继节点间的无线平坦衰落信道；

模数转换(A/D)模块F1～F2：用于各中继节点将接收到的模拟信号变换成数字信号；

信号处理模块G1～G2：各中继节点对接收数据做相应的线性处理，用于分布式空时编码；

D/A模块H1～H2：用于各中继节点将数字信号变换成模拟信号；

信道模块I1～I2：2个中继节点与信宿节点间的无线平坦衰落信道；

A/D模块J：用于信宿节点将接收到的模拟信号变换成数字信号；

定时误差估计模块K：用于信宿节点估计具体的不同中继节点对应的中继传输链路间的相对定时误差；

反馈模块L：用于信宿节点将定时误差等信息反馈到信源节点；

去循环前缀模块M：用于信宿节点将接收数据的循环前缀去掉；

信号处理模块N：为含FFT运算，均衡和IFFT运算的信号处理模块，其中均衡选择迫零均衡或最小均方误差均衡方式；信号处理模块N用于信宿节点。

判决处理模块O：用于信宿节点判决处理并输出符号。

按照本发明的另一方面，一种基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输方法，包括步骤：

1)信宿节点通过定时误差估计模块估计出链路：信源节点→中继节点1→信宿节点与链路：信源节点→中继节点2→信宿节点间的相对定时误差；

2)信宿节点的反馈模块将步骤1)中得到的相对定时误差反馈到信源节点的加循环前缀模块；

3)信源节点根据反馈的信息确定信源节点和中继节点的功率分配系数；

4)信源节点通过编码模块对要传送的字符数据进行编码；

5)信源节点通过加循环前缀模块对编码后的数据添加循环前缀，乘以功率分配系数，并于第一时隙发射；

6)作为中继节点的接收端于第一时隙接收数据，并做相应的线性处理用于分布式空时编码，乘以功率放大系数，然后于第二时隙发射；

7)作为信宿节点的接收端于第二时隙接收数据，对接收数据去除循环前缀后，通过信号处理模块和判决处理模块完成整个分布式空时传输过程。

其中，在步骤1)中，定时误差估计模块采用训练序列辅助的方法估计出链路：信源节点→中继节点1→信宿节点与链路：信源节点→中继节点2→信宿节点间的相对定时误差τ。所估计的相对定时误差τ取为字符数据长度的整数倍。

在步骤3)中，信源节点根据反馈的信息，依据系统设置要求确定信源节点和中继节点的功率分配系数p₁和p₂。

在步骤4)中，编码模块以块的方式对源数据编码。连续两个编码后长度为N的数据块可表示为：

x₁＝[x_0，1 x_1，1 … x_N-1，1]^T和

其中x_i，j是矢量元素，为第j∈{1，2}个数据块的第i∈{0，1，…，N-1}个字符数据，P表示逆循环移位运算，(·)^T、(·)^*和(·)^H分别依次表示向量或矩阵的转置、共轭、共轭转置运算。

在步骤5)中，所添加循环前缀长度不短于相对定时误差τ。

在步骤6)中，第i∈{1，2}个中继节点接收到的连续两个块信号可表示为

和

其中H_SRi为信源节点与第i∈{1，2}个中继节点间的信道矩阵，n_i1和n_i2为第i∈{1，2}个中继节点连续两个数据块中单位功率的白噪声。为执行分布式空时编码，第1个中继节点对连续两个接收数据块做处理形成中继信号：

和

第2个中继节点对连续两个接收数据块做处理形成中继信号：

和

在步骤7)中，FFT运算开始的时间以较早到达的中继信号为准。

由于作为信宿节点的接收端对接收信号处理后的数据具有空时分组码结构，本发明的分布式空时传输系统及方法能有效地克服不同中继节点对应的中继传输链路间存在的定时误差对系统性能的影响，以较低的计算复杂度和分布式的形式实现了阶数为二的空间分集增益。

附图说明

图1为本发明的基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输方法操作流程示意图。

图2为本发明的基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统信号传输流程示意图。

图3为本发明的基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统结构示意图。

图4为本发明的基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统的FFT运算操作示意图。

图5为本发明的基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统的误码率性能示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图3，本发明的基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输方法主要包括以下步骤：

第一步：信宿节点通过训练序列辅助的定时误差估计模块估计出链路：信源节点→中继节点1→信宿节点与链路：信源节点→中继节点2→信宿节点间的相对定时误差τ。所估计的相对定时误差τ取为字符数据长度的整数倍。

第二步：信宿节点的反馈模块将步骤一中得到的相对定时误差反馈到信源节点的加循环前缀模块。

第三步：信源节点根据反馈的信息，依据系统设置要求确定信源节点和中继节点的功率分配系数p₁和p₂。

第四步：信源节点通过编码模块对要传送的字符数据进行编码。编码模块以块的方式对源数据编码。连续两个编码后长度为N的数据块可表示为：x₁＝[x_0，1 x_1，1 … x_N-1，1]^T和其中x_i，j为第j∈{1，2}个数据块的第i∈{0，1，…，N-1}个字符数据，P表示逆循环移位运算，(·)^T、(·)^*和(·)^H分别依次表示向量或矩阵的转置、共轭、共轭转置运算。

第五步：信源节点通过加循环前缀模块对编码后的数据添加长度不短于相对定时误差τ的循环前缀，乘以功率分配系数，并于第一时隙发射。图2给出了该分布式空时传输系统信号传输流程示意图。

第六步：作为中继节点的接收端于第一时隙接收数据，并做相应的线性处理用于分布式空时编码，乘以功率分配系数，然后于第二时隙发射。第i∈{1，2}个中继节点接收到的连续两个块信号可表示为

和其中H_SRi为信源节点与第i∈{1，2}个中继节点间的信道矩阵，n_i1和n_i2为第i∈{1，2}个中继节点连续两个数据块中单位功率的白噪声。为执行分布式空时编码，第1个中继节点对连续两个接收数据块做处理形成中继信号：

和

第2个中继节点对连续两个接收数据块做处理形成中继信号：

和

第七步：作为信宿节点的接收端于第二时隙接收数据，对接收数据去除循环前缀后，通过信号处理模块和判决处理模块完成整个分布式空时传输过程。其中，信号处理模块中的FFT运算开始的时间以较早到达的中继信号为准，如图4所示。连续两时隙去除循环前缀后的时域接收数据为

和

其中H_RiD为第i∈{1，2}个中继节点与信宿节点间的信道矩阵，w₁和w₂为连续两个数据块中单位功率的白噪声，R_τ表示循环移位τ运算。经过FFT运算后，频域接收数据为

和

其中

Λ₁＝Λ_R1dΛ_SR1，Λ_SRi＝FH_SRiF^H，Λ_RiD＝FH_RiDF^H，F为归一化FFT矩阵，Λ_τ为

和

为等效噪声。由于

和

具有空时分组码结构，对其迫零均衡，再经IFFT变换回时域后进行判决具有阶数为2的空间分集增益性能。

以下将通过仿真进一步说明本发明的基于中继节点异步放大转发协作通信的无线传感器网络中的分布式空时传输系统及方法的系统性能。仿真的系统参数被设为：

■1个信源节点，2个中继节点，1个信宿节点

■各节点间信道为准静态瑞利平坦衰落信道

■2个中继节点对应的中继链路间时延误差在0至15间均匀分布随机取值

■每个符号数据块的长度N设为为64

■循环前缀长度设为16

■中继节点工作在放大转发状态

■信宿节点采用迫零频域均衡器对接收数据进行处理

■数据帧采用四相相移键控调制，未编码

■按关系式p₁＝2p₂设置各节点功率分配系数

请参见图5，其给出了本发明的分布式空时传输系统及方法的误码率性能。图中还给出了空时分组码传输系统的误码率性能。从图中可以看出，在2p₁较大的区域中该系统的误码率性能曲线基本平行于空时分组码传输系统的误码率性能曲线，说明了该系统获得了阶数为二的空间分集增益。同时，在该系统中各中继节点不需要对接收信号做乘法运算，译码、FFT及IFFT运算只在信宿节点中执行。因此，本发明的分布式空时传输系统及方法能有效地克服不同中继节点对应的中继传输链路间存在的定时误差对系统性能的影响，以较低的计算复杂度和分布式的形式实现了阶数为二的空间分集增益。

Claims (9)

1.一种基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输系统，包括：

信源模块A：用于信源节点产生要传输的字符数据；

编码模块B，用于信源节点对调制以后的符号进行编码；

加循环前缀模块C：用于信源节点根据反馈的信息将得到的每帧数据加上循环前缀；

数模转换(D/A)模块D：用于信源节点将数字信号变换成模拟信号；

信道模块E1～E2：信源节点与2个中继节点间的无线平坦衰落信道；

模数转换(A/D)模块F1～F2：用于各中继节点将接收到的模拟信号变换成数字信号；

信号处理模块G1～G2：各中继节点对接收数据做相应的线性处理，用于分布式空时编码；

D/A模块H1～H2：用于各中继节点将数字信号变换成模拟信号；

信道模块I1～I2：2个中继节点与信宿节点间的无线平坦衰落信道；

A/D模块J：用于信宿节点将接收到的模拟信号变换成数字信号；

定时误差估计模块K：用于信宿节点估计具体的不同中继节点对应的中继传输链路间的相对定时误差；

反馈模块L：用于信宿节点将定时误差信息反馈到信源节点；

去循环前缀模块M：用于信宿节点将接收数据的循环前缀去掉；

信号处理模块N：为含FFT运算，均衡和IFFT运算的信号处理模块，其中均衡选择迫零均衡或最小均方误差均衡方式；信号处理模块N用于信宿节点；

判决处理模块O：用于信宿节点判决处理并输出符号。

2.按权利要求1所述的基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输系统，其特征在于所述信源节点，中继节点和信宿节点均只有一个天线，且不能同时收发数据。

3.按权利要求1所述的基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输系统，其特征在于所述中继节点采用放大转发协作传输技术。

4.一种基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输方法，

其特征在于包括步骤：

1)信宿节点通过定时误差估计模块估计出链路：信源节点→中继节点1→信宿节点与链路：信源节点→中继节点2→信宿节点间的相对定时误差；

2)信宿节点的反馈模块将步骤1)中得到的相对定时误差反馈到信源节点的加循环前缀模块；

3)信源节点根据反馈的信息确定信源节点和中继节点的功率分配系数；

4)信源节点通过编码模块对要传送的字符数据进行编码；

5)信源节点通过加循环前缀模块对编码后的数据添加循环前缀，乘以功率分配系数，并于第一时隙发射；

6)作为中继节点的接收端于第一时隙接收数据，并做相应的线性处理用于分布式空时编码，乘以功率放大系数，然后于第二时隙发射；

7)作为信宿节点的接收端于第二时隙接收数据，对接收数据去除循环前缀后，通过信号处理模块和判决处理模块完成整个分布式空时传输过程。

5.如权利要求4所述的基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输方法，其特征在于：在步骤1)中，定时误差估计模块采用训练序列辅助的方法估计出链路：信源节点→中继节点1→信宿节点与链路：信源节点→中继节点2→信宿节点间的相对定时误差τ；所估计的相对定时误差τ取为字符数据长度的整数倍。

6.如权利要求4所述的基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输方法，其特征在于：在步骤3)中，信源节点根据反馈的信息，依据系统设置要求确定信源节点和中继节点的功率分配系数p₁和p₂。

7.如权利要求4所述的基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输方法，其特征在于：在步骤4)中，编码模块以块的方式对源数据编码；连续两个编码后长度为N的数据块可表示为：

x₁＝[x_0，1 x_1，1 … x_N-1，1]^T和

其中x_i，j是矢量元素，为第j∈{1，2}个数据块的第i∈{0，1，…，N-1}个字符数据，表示P表示逆循环移位运算，(·)^T、(·)^*和(·)^H分别依次表示向量或矩阵的转置、共轭、共轭转置运算。

8.如权利要求4所述的基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输方法，其特征在于：在步骤5)中，所添加循环前缀长度不短于相对定时误差τ。

9.如权利要求4或6所述的基于异步协作的无线传感器网络中的空时传输方法，其特征在于：在步骤6)中，第i∈{1，2}个中继节点接收到的连续两个块信号表示为

和

其中H_SRi为信源节点与第i∈{1，2}个中继节点间的信道矩阵，n_i1和n_i2为第i∈{1，2}个中继节点连续两个数据块中单位功率的白噪声；为执行分布式空时编码，第1个中继节点对连续两个接收数据块做处理形成中 继信号：

和

第2个中继节点对连续两个接收数据块做处理形成中继信号：

和

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