CN101242368A - 基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配系统及方法，包括先由训练序列辅助的信道估计模块估计出信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径衰落信道的频域冲击响应值，然后功率分配计算模块根据估计出的信道系数之间的数值关系计算出功率分配模块的参数，再利用反馈模块将参数反馈到功率分配模块，最后功率分配模块根据反馈的参数设置其滤波器组参数，从而对发送数据的总发射功率进行自适应分配。由于本发明以最大化信宿节点以块方式接收到的数据的信噪比为优化目标，优化后的系统误码率性能有比较明显的改善。

Description

基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配系统及方法

技术领域

本发明涉及无线信息传输领域，特别涉及一种基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配系统及分配方法。

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，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(decode-and-forward，DF)等，其中DF方案由于其要求中继节点正确译码后协作传输，因此更适合于信源节点和中继节点间信道链路状态比较好的情形，且相对于放大转发方案能在高信噪比区域提供更好的系统性能。

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，而时间弥散的信道必然会导致码间干扰。为了对抗多径衰落，一系列均衡技术包括时域均衡和频域均衡或正交频分多路技术可以扩展到基于虚拟多天线技术的无线传感器网络中。与时域均衡和正交频分多路技术相比，频域均衡有着显著的特点，更适合于无线传感器网络。首先，频域均衡与时域均衡相比需要更少的复杂度来达到同样的性能。其次，频域均衡与正交频分多路技术相比有相似的结构，但没有高峰均比和对载波频偏敏感等缺点。由此，将频域均衡技术引入到基于虚拟多天线技术的无线传感器网络中来对抗多径衰落是一个非常重要的研究课题。

无线传感器网络是一种能量受限的网络。协作传输技术在提高系统性能的同时，能给系统带来节能。而自适应功率分配技术可以提高系统的频谱利用率，降低系统误码率，从而减少总的发射功率。本发明将给出一种基于译码转发协作传输的宽带无线传感器网络中的功率分配系统及分配方法，从而进一步减少该网络在频率选择性衰落信道下的能耗。现有技术方案仅局限于信道平坦衰落条件下或使用正交频分多路技术对抗多径衰落。考虑到单载波频域均衡技术更适合于无线传感器网络，如何解决基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配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单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配系统及分配方法，以便提高系统的频谱利用率，降低系统误码率，从而进一步减少该网络在频率选择性衰落信道下的能耗。

按照本发明的一方面，一种基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配系统，包括：

调制模块，用于信源节点调制输入的比特流；

空时编码模块，用于信源节点对调制以后的符号进行类空时分组码编码，并将相应的数据传输到中继节点；

功率分配模块，用于给信源节点和中继节点分配功率；

添加循环前缀模块，用于给信源节点和中继节点上的发送数据添加循环前缀；

去除循环前缀模块，用于给信宿节点接收到的数据去除循环前缀；

信道估计模块，用于信宿节点估计信道；

频域均衡模块，用于信宿节点均衡接收到的数据；

空时译码模块，用于信宿节点对接收到的数据进行空时译码；

解调模块，用于解调从空时译码模块出来的符号；

判决模块，用于对解调的符号进行判决；

功率分配计算模块，用于计算信源节点和中继节点各自的功率分配模块参数，然后，通过反馈模块将系数反馈到相应的发射端的功率分配模块，用于分配系统的总发射功率。

按照本发明的另一方面，一种基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配方法，包括步骤：

1)信宿节点通过信道估计模块估计出信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径信道的频域冲击响应值；

2)功率分配计算模块根据信道系数之间的数值关系计算出功率分配模块的参数；

3)利用反馈模块将步骤2)中得到的参数反馈到功率分配模块；

4)信源节点和中继节点根据反馈的参数设置各自的功率分配模块，对系统的总发射功率进行分配。

其中，在步骤1)中，信道估计模块采用训练序列辅助的方法估计出信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径信道的N点频域冲击响应值h_S和h_R。所估计的信道状态信息h_S和h_R包括自由空间的传播损耗、阴影衰落以及多径衰落对信号的影响。

在步骤2)中，功率分配计算模块根据N点频域冲击响应值h_S和h_R得到数字集合i和j：

j＝arg|h_S(j)|＞|h_R(j)|其中j∈{1，2，…，N}

i＝arg|h_S(i)|＞|h_R(i)|其中i∈{1，2，…，N}。

功率分配模块采用滤波器组频域加权的方法对发送数据进行自适应功率分配，其滤波器组幅度响应分别为|w_S|和|w_R|。

功率分配计算模块在约束条件|w_S(n)|²+|w_R(n)|²＝1，n＝1，2，…，N下，通过最大化信宿节点以块方式接收到数据的信噪比计算功率分配模块的参数：

|w_S(j)|＝1|w_R(j)|＝0 for{j}

|w_S(i)|＝0|w_R(i)|＝1 for{i}。

信源节点和中继节点的功率分配模块的参数|w_S|和|w_R|是在信宿节点计算得到的。

在步骤3)中，信源节点和中继节点的功率分配模块的参数|w_S|和|w_R|是通过反馈模块从信宿节点反馈到信源节点和中继节点。

在步骤4)中，功率分配模块根据反馈的参数|w_S|和|w_R|设置其滤波器组幅度响应，从而实现功率分配。

由于本发明以最大化信宿节点以块方式接收到的数据的信噪比为优化目标，优化后的系统误码性能有比较明显的改善。

附图说明

图1为本发明的基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配方法操作流程示意图。

图2为采用本发明的基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配方法的通信系统信号传输流程示意图。

图3为采用本发明的基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配系统结构示意图。

图4为一次随机实现的信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径衰落信道的64点频域冲击响应模|h_S|和|h_R|的示意图。

图5为与图4所示的频域冲击响应模|h_S|和|h_R|对应，信源节点和中继节点所需的基带数字滤波器组的理想幅度响应示意图。

图6为采用本发明的基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配方法的系统误码率性能示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图3，本发明的基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络中的功率分配方法主要包括以下步骤：

第一步：在一宽带无线传感器网络中，信宿节点通过训练序列辅助的信道估计模块估计出信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径信道的N点频域冲击响应值h_S和h_R。所估计的信道状态信息h_S和h_R包括自由空间的传播损耗、阴影衰落以及多径衰落对信号的影响。图2所示的信源节点S，中继节点R和信宿节点D均只有一个天线，且不能同时收发数据。信源节点使用调制模块调制输入的比特流，将N个连续的字符以块的方式发送，以x_i ^2k(n)，(n＝1，2，...，N)表示节点i的第2k块字符数据。在本实施方式中，中继节点R通过信道编码等技术保证正确收到第一时隙来自信源节点S的数据。信源节点的空时分组编码模块采用类空时分组编码方式，第2k+1块发送数据表示为 $x_S^{2k+1}\left(n\right)=-\stackrel{\‾}{x_R^{2k}}\left({(-n)}_N\right)$ 和 $x_R^{2k+1}\left(n\right)=\stackrel{\‾}{x_S^{2k}}\left({(-n)}_N\right),$ 其中

和(.)_N分别代表共轭和模N运算。以w_i(n)，(n＝1，2，…，N)表示受功率分配方法控制的节点i的滤波器组响应。为了避免块与块之间的多径干扰，节点i通过添加循环前缀模块给每块数据x_i ^2k(n)经过频率响应为w_i的滤波器组后形成的发送字符数据添加循环前缀，其长度v不小于信道冲击响应记忆长度。在中继节点R正确收到第一时隙来自信源节点S的数据之后，二者在第二时隙形成虚拟多天线向信宿节点D传输数据信息。

第二步：功率分配计算模块根据N点频域冲击响应值h_S和h_R之间的数值关系计算出功率分配模块所需的参数|w_S|和|w_R|。在一定的总功率约束下，约束条件可写成：|w_S(n)|²+|w_R(n)|²＝1，n＝1，2，…，N。特别地，|w_S(n)|²＝|w_R(n)|²＝0.5，n＝1，2，…，N时，即为平均功率分配情形。在本实施方式中，信宿节点采用单载波频域均衡技术对抗节点间无线多径衰落信道影响。通过信宿节点的去除循环前缀模块和频域均衡模块对接收数据去除循环前缀和频域均衡之后，以块方式接收到的字符数据的信噪比为 $\frac{{\mathrm{\σ}}_x^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}\mathrm{tr}({\left|h_S\right|}^2{\left|w_S\right|}^2+{\left|h_R\right|}^2{\left|w_R\right|}^2),$ 其中tr(.)表示矩阵迹运算，σ_x ²表示信源节点和中继节点的总发射信号功率，σ_n ²表示信宿节点的噪声功率。σ_x ²和σ_n ²均可依据系统参数设置和应用环境而定，且具体估计实现方法都为现有技术，故在此不再赘述。因此，功率分配计算模块在约束条件|w_S(n)|²+|w_R(n)|²＝1，n＝1，2，…，N下，求得使信噪比 $\frac{{\mathrm{\σ}}_x^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}\mathrm{tr}({\left|h_S\right|}^2{\left|w_S\right|}^2+{\left|h_R\right|}^2{\left|w_R\right|}^2)$ 最大的滤波器组频域加权方案。功率分配计算模块根据N点频域冲击响应值h_S和h_R得到数字集合i和j：

j＝arg|h_S(j)|＞|h_R(j)|其中j∈{1，2，…，N}

i＝arg|h_S(i)|＞|h_R(i)|其中i∈{1，2，…，N}。

在约束条件|w_S(n)|²+|w_R(n)|²＝1，n＝1，2，…，N下，通过最大化信宿节点以块方式接收到数据的信噪比计算功率分配模块的参数|w_S|和|w_R|：

|w_S(j)|＝1|w_R(j)|＝0 for{j}

|w_S(i)|＝0|w_R(i)|＝1 for{i}。

第三步：信宿节点通过反馈模块将参数|w_S|和|w_R|反馈到信源节点和中继节点的功率分配模块。

第四步：信源节点和中继节点的功率分配模块根据反馈的参数|w_S|和|w_R|设置各自的滤波器组参数，使其幅度响应为|w_S|和|w_R|，从而对系统的总发射功率进行分配。本发明对滤波器组的相位响应没有要求，这将更加方便信源节点和中继节点对滤波器组的实现。

以下将通过仿真进一步说明采用本发明的功率分配方法的基于单载波频域均衡技术和译码转发协作传输技术的宽带无线传感器网络的系统性能。仿真的系统参数被设为：

■1个信源节点，1个中继节点，1个信宿节点

■数据采样周期Ts设为4×10^-7s

■系统采用单载波频域均衡技术对抗多径衰落

■每个符号数据块的长度N设为为64

■循环前缀长度设为8

■中继节点工作在译码转发状态

■信宿节点采用线性最小均方误差频域均衡器对接收数据进行均衡

■数据帧采用四相相移键控调制，未编码

■各节点间信道采用准静态6径间隔单位符号长度，幅度指数衰减的信道模型

请参见图4，其给出了一次随机实现的信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径衰落信道的64点频域冲击响应模|h_S|和|h_R|，图5给出了与图4所示的频域冲击响应模|h_S|和|h_R|对应，信源节点和中继节点所需的基带数字滤波器组的理想幅度响应示意图。再请参见图6，其为采用本发明的功率分配系统及方法和采用平均功率分配的系统误码率(BER)性能示意图，从图中可以看出，采用本发明的功率分配系统及方法，系统BER性能要明显优于平均功率分配的情形。因此，在系统一定的BER要求下，采用本发明的功率分配系统及方法较平均功率分配情形所需要的系统发射功率要少，从而进一步减少无线传感器网络的能耗。

Claims (10)

1.一种基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配系统，包括：

调制模块，用于信源节点调制输入的比特流；

空时编码模块，用于信源节点对调制以后的符号进行空时分组码编码，并将相应的数据传输到中继节点；

功率分配模块，用于给信源节点和中继节点分配功率；

添加循环前缀模块，用于给信源节点和中继节点上的发送数据添加循环前缀；

去除循环前缀模块，用于给信宿节点接收到的数据去除循环前缀；

信道估计模块，用于信宿节点估计信道；

频域均衡模块，用于信宿节点均衡接收到的数据；

空时译码模块，用于信宿节点对接收到的数据进行空时译码；

解调模块，用于解调从空时译码模块出来的符号；

判决模块，用于对解调的符号进行判决；

功率分配计算模块，用于计算信源节点和中继节点各自的功率分配模块参数，然后，通过反馈模块将系数反馈到相应的发射端的功率分配模块，用于分配系统的总发射功率。

2.按权利要求1所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配系统，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；所述中继节点采用译码转发协作传输技术；所述宽带无线传感器网络采用单载波频域均衡技术对抗各节点间无线多径衰落信道。

3.一种基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，

其特征在于包括步骤：

1)信宿节点通过信道估计模块估计出信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径信道的频域冲击响应值；

2)功率分配计算模块根据信道系数之间的数值关系计算出功率分配模块的参数；

3)利用反馈模块将步骤2)中得到的参数反馈到功率分配模块；

4)信源节点和中继节点根据反馈的参数设置各自的功率分配模块，对系统的总发射功率进行分配。

4.如权利要求3所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，其特征在于：在步骤1)中，信道估计模块采用训练序列辅助的方法估计出信源节点和中继节点与信宿节点间无线多径信道的N点频域冲击响应值h_S和h_R；所估计的信道状态信息h_S和h_R包括自由空间的传播损耗、阴影衰落以及多径衰落对信号的影响；

5.如权利要求3所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，其特征在于：在步骤2)中，功率分配计算模块根据N点频域冲击响应值h_S和h_R得到数字集合i和j：

j＝arg|h_S(j)|＞|h_R(j)|其中j∈{1，2，…，N}

i＝arg|h_S(i)|＞|h_R(i)|其中i∈{1，2，…，N}。

6.如权利要求3所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，其特征在于：在步骤2)中，功率分配模块采用滤波器组频域加权的方法对发送数据进行自适应功率分配，其滤波器组幅度响应分别为|w_S|和|w_R|。

7.如权利要求3所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，其特征在于：在步骤2)中，；功率分配计算模块在约束条件|w_S(n)|²+|w_R(n)|²＝1，n＝1，2，…，N下，通过最大化信宿节点以块方式接收到数据的信噪比计算功率分配模块的参数|w_S|和|w_R|：

|w_S(j)|＝1|w_R(j)|＝0 for{j}

|w_S(i)|＝0|w_R(i)|＝1 for{i}。

8.如权利要求3所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，其特征在于：在步骤2)中，信源节点和中继节点的功率分配模块的所需参数|w_S|和|w_R|是在信宿节点计算得到的。

9.如权利要求5所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，其特征在于：在步骤3)中，信源节点和中继节点的功率分配模块的参数|w_S|和|w_R|是通过反馈模块从信宿节点反馈到信源节点和中继节点。

10.如权利要求5所述的基于协作传输的无线传感器网络中的功率分配方法，其特征在于：在步骤4)中，功率分配模块根据反馈的参数|w_S|和|w_R|设置其滤波器组幅度响应，从而实现功率分配。

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