CN103037486A - 机会中继系统中的一种节能传输方案 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种中继节点选择，发送功率和调制方式的联合优化方案，用于最小化传感网的总功耗。本发明在满足目的节点的误码率要求，节点最大发射功率限制的条件下，提出使网络总功耗最小的节点发送功率、调制方式的计算方法和中继节点选择方法。本发明实施例方法包括：所有中继节点对发送功率和调制方式进行分布式计算，获得最小网络总功耗的中继节点获得优先广播信息的权利(广播的信息包括源节点的发送功率和调制方式)；源节点根据接收的信息决定发送功率和调制方式，并采用分布式空时编码的方式发送信号；获得最小网络总功耗的中继节点对来自源节点的信息进行解码前传。

Description

机会中继系统中的一种节能传输方案

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种无线传感网的功控、调制方式和中继节点选择的联合优化方案。

背景技术

无线传感网的一个典型应用场景是多个传感节点收集信息，然后将收集的信息以多跳的方式传送到汇聚节点。在只有一级中继的传感网中，数据的传输包括两个阶段。第一阶段：源节点向中继节点和目的节点发送信息；第二阶段：中继节点向目的节点转发信息。如果网络中包括多个中继节点，中继转发的传统方法是每个中继节点对接收的信息进行解码前传(DF)或放大前传(AF)，然后不同的中继节点用正交子信道将处理后的信息发送到目的节点。这种基于简单重复的重传方法将使网络的频谱效率随中继节点个数的增加而降低。同时，在短距离传输中，传感器节点上的电路损耗在总功耗中占有不可忽略的比重，因此，网络的总功耗也会随着活动中继节点个数的增加而增加。

为降低功耗，延长网络寿命，可以通过节点协作构造虚拟的多入多出系统(MIMO)，并利用MIMO传输技术，如分布式空时编码或分布式波束成形技术，使系统获得空间分集增益，从而降低节点的发射功率。但是，多中继节点协作由于同步等问题在实现上复杂度较高，而且协作会导致额外的时延和功率损耗。为降低节点协作的复杂度，简化物理层的协议设计，在多个中继节点中选择“最优”节点的中继选择方案近年来引起了广泛关注。现有的中继选择方案注意包括基于位置信息的中继选择方案，基于瞬时信道状态信息的中继选择方案，基于H-ARQ机制的中继选择方案等。

自适应调制技术已被用于基于解码前传、放大前传和选择前传的中继协作和中继选择系统中以进一步提高传感网的频谱效率和功率效率。为利用自适应调制技术提高系统的频谱效率，可在源节点和中继节点采用不同的调制方式，在满足系统误比特率(BER)的条件下，选择使吞吐量最大的调制方式。为消除在中继节点的检测错误对系统性能的影响，可将解调前传和选择中继相结合，当中继节点正确解码数据包时，才对数据进行重传。考虑到中继协作技术可能降低系统的频谱效率，可将只利用直达径所能获得的传输速率和采用协作技术所能获得的传输速率进行比较，根据比较结果决定是否采用中继协作技术。

上述现有的中继节点选择方案均没有考虑在源节点和中继节点的功率控制，也没有对功率、调制方式和中继节点选择进行联合优化。

发明内容

本发明实施例提供了一种传感网的发射功率、调制方式和中继节点选择的联合优化方案。该方案在满足目的节点的误码率要求，节点最大发射功率限制的条件下，使网络的总功耗最小。在本发明实施例中，所有中继节点对发送功率和调制方式进行分布式计算，获得最小网络总功耗的中继节点获得优先广播信息的权利(广播的信息包括源节点的发送功率和调制方式)。源节点根据接收的信息决定发送功率和调制方式。获得最小网络总功耗的中继节点对来自源节点的信息进行解码前传。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

相比中继节点协作，所提出的分布式机会中继选择方案有效减少了网络的总功耗；在源节点和中继节点采用自适应调制技术，有效减少了节点的发射功率；在源节点和中继节点使用不同的发射功率，进一步降低了网络的总发射功率。因此，所提方案能够有效降低网络的总功耗，延长传感网的工作寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中的系统框图；

图2为本发明实施例中第一仿真结果示意图；

图3为本发明实施例中第二仿真结果示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种分布式的中继节点选择，发送功率和调制方式的联合优化方案，用于最小化传感网的总功耗。

1.系统模型

参阅图1，本发明实施例中的中继网络由M_t个源节点，L个中继节点和一个目的节点所组成。假设源节点和目的节点间不存在直达径。令h_sl表示源节点和中继节点间代表小尺度衰落的信道向量，h_ld表示中继节点和目的节点间代表小尺度衰落的信道系数。网络中的无线信道同时还经历平方率的路径损耗。网络中无线信道的上下行链路具有互易性。

参阅图1，本发明实施例中的中继网络的工作流程分为三步：(1)在发送有用信息前，源节点和目的节点先向中继节点发送导频信号，中继节点根据导频信号估计从源节点和目的节点到中继节点的信道信息；(2)每个中继节点根据后文C.调制方式、发送功率和中继节点选择的联合优化一节中所述方法计算源节点的发送功率、中继节点的发送功率、网络总功耗，并选择使总功耗最小的调制方式。每个中继节点启动初始值为T_i的定时器，T_i的值和中继节点i计算的网络总功耗成反比。T_i的值最先减为0的中继节点向网络中其他节点广播其计算得到的源节点的发送功率和调制方式。其他中继节点收到此广播信息后自动停止工作。(3)源节点根据收到的广播信息决定发送功率和调制方式，并采用多点协作的方式发送有用信息。广播消息的中继节点对收到的信息进行解码前传。

假设每个源节点有N_i比特信息发送。则总的发送比特数为

M_t个源节点采用多点协作，即每个源节点将收集的信息量化后用M_n-QAM符号向其他发送节点广播(假设发送节点间的距离远小于发送节点和中继节点间的距离，因此发送节点在进行本地信息交流时使用小功率，中继和目的节点在本阶段接收不到来自发送节点的信息)。在每个源节点收到其他源节点的信息后，所有源节点对发送符号序列进行空时编码，然后将编码后的信息发送到中继节点。

由于中继节点的半双工限制，发送节点和中继节点采用时分复用的发送模式。由于采用了中继选择，在每个数据块内，只有一个中继负责信息前传。若第l个中继节点被选中，该节点对来自源节点的信息进行解码重传，在此中继节点上的信噪比为

$r_l=\frac{{\left|\right|H_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2{E}_s}{M_t{G}_1{N}_0}---\left(1\right)$

其中，E_s为所有源节点发送一个数据块所消耗的能量，

d₁为源节点到中继节点间的距离，M_l为链路余量，N_f为接收机噪声系数，G_t和G_r分别为发送天线增益和接收天线增益，N₀为单边热噪声功率谱密度。

根据(1)可算出第l个中继节点上的瞬时BER为

${\mathrm{BER}}_l=0.2\exp (-\frac{1.5r_l}{2^{b_n}-1})---\left(2\right)$

其中，b_n＝logM_n。

我们考虑在发送节点和中继节点采用相同的调制方式，但发送功率不同。设第l个中继节点发送一个符号所消耗的能量为E_l，则在目的节点的接收信噪比为

$r_d=\frac{{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2{E}_l}{G_2{N}_0}---\left(3\right)$

其中，

d₂为中继节点到目的节点的距离。

假设在中继节点被检错的比特在目的节点同样会被检错，目的节点的瞬时BER的上界BER^up可表示为

BER^up＝BER_l+(1-BER_l)BER_d    (4)

其中，

为中继节点l正确解码的条件下，目的节点的BER。

B.功耗模型

设每个传感器节点发送模块的电路损耗功率为

接收模块的电路损耗功率为则源节点向中继节点发送数据阶段的电路功耗为

$P_{c1}=M_t{P}_c^t+(M_t+1)P_{\mathrm{syn}}+P_c^r---\left(5\right)$

中继节点向目的节点发送数据阶段的电路功耗为

$P_{c2}=P_c^t+{2P}_{\mathrm{syn}}+P_c^r---\left(6\right)$

其中，P_DAC，P_mix，P_filt，P_filr，P_LNA，P_ADC，P_IFA分别表示在DA转化器，混频器，发送滤波器，接收滤波器，低噪声放大器，AD转化器和中频放大器上所消耗的功率。

系统所消耗的总能量等于在源节点和中继节点的功率放大器上所消耗的能量加上在其它模块上的电路损耗。由于在一个数据块内在功放上所消耗的能量等于

因此，发送N比特信息网络所消耗的总能量为

$E_T=\mathrm{\β}(E_s\×\frac{\mathrm{\αN}}{b_n}+E_l\×\frac{N}{b_n})+(P_{c1}\×\frac{\mathrm{\αN}}{{\mathrm{Bb}}_n}+P_{c2}\×\frac{N}{{\mathrm{Bb}}_n})---\left(7\right)$

其中，

η为功率放大器的漏极效率，ε为调制信号的峰均比，与调制方式阶数相关。

从(7)式可以看出，传感网的总功耗和传输使用的调制方式、源节点及中继节点的发送功率以及所选择的中继节点相关，因此，本专利的主要目的为在满足系统BER的条件下，选择合适的调制方式、发送功率和中继节点，使系统的总功率最小。该优化问题的数学表达式如下：

$\underset{\underset{E_s,E_l}{I,b_n}}{\min }{E}_T=\mathrm{\β}(E_s\×\frac{\mathrm{\αN}}{b_n}+E_l\×\frac{N}{b_n})+(P_{c1}\×\frac{\mathrm{\αN}}{{\mathrm{Bb}}_n}+P_{c2}\×\frac{N}{{\mathrm{Bb}}_n})$

s.t.BER^up≤BER_tg

E_s≤E₀            (8)

E_l ≤E₀

b_n∈{0，1，…，M}

C.调制方式、发送功率和中继节点选择的联合优化

通常来说，中继节点个数和可选调制方式的数目不会太大，因此，我们可用穷举法搜索(8)中最优l和b_n的值。由于在约束条件中BER^up≤BER_tg，因此，BER_l必然也是小于BER_tg的。当BER_tg较小时，为简化运算，我们做如下近似：

BER^up≈BER_l+BER_d            (9)

对于给定的l和b_n，由约束条件所限定的E_s和E_l的定义域为有限凸集。由于E_T是E_s和E_l的线性函数，因此，E_T的最小值必在定义域的边界处取得。由于(8)是一个凸优化问题，利用拉格朗日乘子法将(8)转化为如下无约束优化问题： $L=\mathrm{\β}(E_s\×\frac{\mathrm{\αN}}{b_n}+E_l\×\frac{N}{b_n})+(P_{c1}\×\frac{\mathrm{\αN}}{{\mathrm{Bb}}_n}+P_{c2}\×\frac{N}{{\mathrm{Bb}}_n})$ (10)

$+\mathrm{\λ}(0.2\exp (-\frac{{1.5r}_d}{2^{b_n}-1})+0.2\exp (-\frac{{0.5r}_l}{2^{b_n}-1})-{\mathrm{BER}}_{\mathrm{tg}})$

令L分别对E_s和E_l求导，并令导数等于0，可得使L最小的E′_s和E′_l：

$E_s^{\′}=-\frac{\ln \left(\frac{\mathrm{\β\αN}(2^{b_n}-1)M_t{G}_1{N}_0}{{0.3\mathrm{\λb}}_n{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2}\right)(2^{b_n}-1)M_t{G}_1{N}_0}{1.5{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2}---\left(11\right)$

$E_l^{\′}=-\frac{\ln \left(\frac{\mathrm{\βN}(2^{b_n}-1)G_2{N}_0}{{0.3\mathrm{\λb}}_n{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}\right)(2^{b_n}-1)G_2{N}_0}{1.5{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}---\left(12\right)$

将(11)和(12)的表达式带入约束条件，可得：

$\frac{N(2^{b_n}-1)G_2{N}_0}{{1.5\mathrm{\λb}}_n{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}+\frac{\mathrm{\αN}(2^{b_n}-1)M_t{G}_1{N}_0}{{1.5\mathrm{\λb}}_n{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2}=\frac{{\mathrm{BER}}_{\mathrm{tg}}}{\mathrm{\β}}---\left(13\right)$

利用上式可得到λ的值为

$\text{\λ=}\frac{\frac{\mathrm{\βN}(2^{b_n}-1)G_2{N}_0}{{1.5b}_n{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}+\frac{\mathrm{\β\αN}(2^{b_n}-1)M_t{G}_1{N}_0}{{1.5b}_n{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2}}{{\mathrm{BER}}_{\mathrm{tg}}}---\left(14\right)$

将λ的值带回(11)和(12)，便可得到

$E_s^{\′}=-\frac{\ln \left(\frac{5\mathrm{\α}{M}_t{G}_1{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2{\mathrm{BER}}_{\mathrm{tg}}}{G_2{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2+\mathrm{\α}{G}_1{M}_t{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}\right)(2^{b_n}-1)M_t{G}_1{N}_0}{1.5{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2}$

$E_l^{\′}=-\frac{\ln \left(\frac{{5G}_2{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2{\mathrm{BER}}_{\mathrm{tg}}}{G_2{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2+\mathrm{\α}{G}_1{M}_t{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}\right)(2^{b_n}-1)G_2{N}_0}{1.5{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}$

考虑到E_s和E_l的边界条件，E_s和E_l的最优解可分为以下三种情况：

1.若E′_s＞E₀，E′_l＜E₀，则

$E_s^{*}=E_0,E_l^{*}=\frac{-\ln ({5\mathrm{BER}}_{\mathrm{tg}}-\exp (-\frac{1.5{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2{E}_0}{(2^b-1)M_t{G}_1{N}_0}))(2^b-1)G_2{N}_0}{1.5{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2}---\left(15\right)$

2.若E′_s＜E₀，E′_l＞E₀，则

$E_l^{*}=E_0,E_s^{*}=\frac{-\ln ({5\mathrm{BER}}_{\mathrm{tg}}-\exp (-\frac{1.5{\left|h_{\mathrm{ld}}\right|}^2{E}_0}{(2^b-1)G_2{N}_0}))(2^b-1)M_t{G}_1{N}_0}{1.5{\left|\right|h_{\mathrm{sl}}\left|\right|}^2}---\left(16\right)$

3.若E′_s＜E₀，E′_l＜E₀，则

$E_s^{*}=E_s^{\′},E_l^{*}=E_l^{\′}---\left(17\right)$

为便于理解，下面以一具体的应用场景为例进行说明：

首先说明该应用场景的仿真环境：

传感器节点可选调制方式为{4QAM，16QAM，64QAM，256QAM}，目的节点的目标BER为10^-3。源节点的个数为2。空时编码的码率为1。在一个数据块内发送的比特数N＝10⁴。其它系统参数的取值如表1所示。

表1系统参数

PDAC	16.2mW	Pmix	30.3mW
				Pfilt	2.5mW	Pfilr	2.5mW
PLNA	20mW	PADC	6.9mW
				PIFA	3mW	Psyn	50mW
η	0.35	N0	-171dBm/Hz
				B	10KHz	fc	2.5GHz
GrGt	5dBi	Nf	10dB
				Ml	40dB

图1所示的中继网络中的各中继节点首先通过导频信号估计从源节点和目的节点到中继节点的信道信息，将所获得的信道信息以及上述系统参数带入公式(15)-(17)计算源节点发送功率

和中继节点发送功率

以及网络总功耗 $E_T^{\left(l\right)}=\mathrm{\β}(E_s^{*}\×\frac{\mathrm{\αN}}{b_n}+E_l^{*}\×\frac{N}{b_n})+(P_{\mathrm{cl}}\×\frac{\mathrm{\αN}}{{\mathrm{Bb}}_n}+P_{c2}\×\frac{N}{{\mathrm{Bb}}_n}),$ 并选择使

最小的调制方式。然后，各中继节点以

为起始时间启动计时器。计时器最先减为0的中继节点向其他节点广播

和选择的调制方式。最后，源节点根据收到的信息决定发送功率和调制方式，计时器最先减为0的中继节点对接收的信息进行解码前传。

请参阅图2以及图3。图2比较了在不同传输距离的环境中，本发明所提出的中继节点选择方案、源节点和中继节点采用相同发送功率的中继节点选择方案，和中继节点协作方案的网络功耗性能。其中，纵坐标为2E_T/Bb_n，表示中继网络每发送一比特信息所需要的网络功率。从图中可以看出，本发明所提方案的网络功耗明显低于其它两种方案。图3比较了当中继节点个数不同时，本发明所提出的中继节点选择方案和中继节点协作方案的网络功耗性能。其中，源节点和中继节点之间的距离为55米。从图中可以看出，本发明所提方案的网络功耗随着中继节点个数的增加而减少。因此，本发明在中继节点个数较多的中继网中节能效果明显，能有效延长网络的使用寿命。

以上对本发明所提供的一种传感网中的节能传输技术进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种用于传感网的节能传输技术，其特征在于，包括：

在导频阶段，各中继节点利用所获得的信道信息和系统参数对节点发送功率和调制方式进行分布式计算；

在发送有用信息阶段，源节点采用分布式空时编码的方法发送信息符号，被选中的中继节点对来自源节点的信息进行解码前传。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

各中继节点对源节点发送功率、中继节点发送功率和调制方式进行分布式计算的方法；

中继节点的选择方法。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

源节点和中继节点使用不同的发送功率。

4.根据权利要求2和3所述的方法，其特征在于，各中继节点计算发送功率和调制方式的方法包括：

建立以网络总功耗为代价函数，以目的节点的误码率要求和节点最大发送功率限制为约束条件的优化问题；

通过求解上述优化问题得到源节点发送功率和中继节点发送功率的表达式；

计算网络总功耗，选择使总功耗最小的调制方式。

5.根据权利要求3和4所述的方法，其特征在于：

目的节点的误码率为源节点发送功率、中继节点发送功率和调制方式的函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，目的节点误码率的计算方法包括：

考虑到在中继节点产生的误码对目的节点的影响，目的节点误码率的上界为中继节点的误码率加上在中继节点正确解码条件下目的节点的误码率。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，优化问题的求解方法包括：

对任一给定的中继节点和调制方式，此带约束的优化问题为一个凸优化问题，可利用拉格朗日乘子法求解；

每个中继节点通过穷举法搜索使网络总功耗最小的调制方式。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，中继节点的选择方法包括：

各中继节点在计算完发送功率、调制方式和网络总功耗后，同时启动定时器，定时器的初始值和该中继节点所计算的网络总功耗成反比；

定时器的值最先减为0的中继节点向其他节点广播信息；

广播信息包括源节点的发送功率和调制方式；

收到广播信息的其他中继节点自动停止工作；

广播信息的中继节点负责对来自源节点的信息进行解码前传。

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