專利名稱：兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信領域，特別涉及一種基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡 放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案。
背暈技術
多天線(MIMO)技術相比較傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)，在相同的發(fā)射功率和發(fā)送速率下可以達到 更好的傳輸性能，是當今無線通信領域的研究熱點。MIMO主要包括提供空間分集和空間復用。 然而，由于受終端設備價格及體積等因素的影響，不適合在在無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點上配置 多天線，因此，單天線的多終端之間協(xié)同傳輸?shù)奶摂MMIMO技術應運而生。盡管使用頻分或時 分重復編碼和空時編碼方案的協(xié)同網(wǎng)絡均能實現(xiàn)空間分集，但空時編碼技術相比較簡單的重 復編碼可以大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。正交的空時分組編碼方案在存在兩個以上的中繼時， 為了滿足碼字的正交性不能以滿速率發(fā)射信號；準正交的空時分組編碼在碼速率和正交性中 取折中，可以達到滿速率發(fā)射，但是達不到滿分集增益。而且這些空時編碼方案都是為固定 的發(fā)射天線數(shù)設計的，而在協(xié)同中繼網(wǎng)絡中，中繼節(jié)點數(shù)往往是不確定或變化的，中繼節(jié)點 之間需要交互信息來確認使用某種編碼方案，協(xié)議處理十分復雜。而使用線性彌散編碼方案， 中繼節(jié)點只需將接收信號和一個彌散矩陣相乘后放大轉(zhuǎn)發(fā)即可，之間不需要通信，信息處理 負載小，適合于資源受限的分布式無線傳感器網(wǎng)絡中。
無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍大，傳感器節(jié)點可能無法直接與信宿節(jié)點通信，需要進行多跳 傳輸，將虛擬MIMO的技術引入到無線傳感器網(wǎng)絡中，多個中繼節(jié)點協(xié)同傳輸信號，提供的 協(xié)同分集可以增強傳輸質(zhì)量。
無線傳感器網(wǎng)絡通常使用媒體接入層(MAC)中的請求發(fā)送(RTS)/允許發(fā)送(CTS)協(xié)議來進 行信道的預約，避免碰撞，RTS/CTS信息包可以提供有限的信道狀態(tài)信息，而能耗是無線傳 感器網(wǎng)絡最主要考慮的問題，信源和中繼節(jié)點可以根據(jù)有限的信道狀態(tài)信息進行功率優(yōu)化分 配，在相同的傳輸質(zhì)量條件下，降低總的發(fā)射功率，延長網(wǎng)絡的生存周期。結(jié)合MAC協(xié)議的 跨層優(yōu)化功率分配問題實已成為本領域技術人員亟待解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案，以實現(xiàn)在具有多中繼節(jié)點協(xié)作通信的無線傳感器網(wǎng)絡中的高精度、低復雜度 的協(xié)同中繼發(fā)射功率優(yōu)化分配的信息傳輸。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn) 發(fā)功率分配傳輸方案，其包括步驟1)在一個兩跳的無線傳感器網(wǎng)絡中，作為信源節(jié)點的發(fā) 射端向潛在的中繼節(jié)點發(fā)送RTS包，進行信道的預約請求；2)每個接收到所述RTS信息包的 中繼節(jié)點估計出它的信噪比，將所述信噪比信息嵌入到遠程通信的RTS包中，再分別向信宿 發(fā)送此RTS包預約信道，信宿估計出來自各個中繼節(jié)點的RTS包的信噪比；3)信宿將估計出 的遠程通信RTS包信噪比嵌入到CTS包中返回中繼節(jié)點，中繼節(jié)點接收后再嵌入到本地通信 的CTS包中返回信源節(jié)點，信源節(jié)點，中繼節(jié)點和信宿節(jié)點即了解所有信道的RTS包信噪比 信息；4)信源計算出自己的優(yōu)化發(fā)射功率向中繼廣播信號，中繼節(jié)點接收信號歸一化后，采 用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，構(gòu)成線性彌散碼的結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化發(fā)射功率向信宿發(fā)射信號；5)所述信宿接 收端也可計算出信源和每個中繼的發(fā)射功率，結(jié)合此信息采用最大釋然或球形譯碼算法進行 解碼。
其中，在步驟2)中，估計的本地通信RTS包信噪比為A^-l，2，…,;kO，估計的遠程通信 RTS包信噪比為4("1，2,…，M) , M為接收到所述RTS包的中繼節(jié)點數(shù)。
《堂"
在步驟4)中，根據(jù)所述的A和4算出信源的優(yōu)化發(fā)射功率為g-^^^^~—中繼節(jié)點
2>《
總的發(fā)射功率為^=^~^
m，每個節(jié)點的發(fā)射功率為a^VIX，("1，2，…,^， a
是信源和中繼總的發(fā)射功率，^有兩種形式，基于瓶頸效應時，^-mii^q，/y ，基于調(diào)和均
值時，Z^-^^。各中繼節(jié)點采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的歸一化系數(shù)為&=、~~^~,線性彌散碼的
編碼矩陣為G",基矩陣為6 =
「0 0 0 1 0 0 0 1
1 0
。編矩陣還有很多形式，在此不一一列出,在步驟5)中，按照信宿接收到的信號模型j;-SH +ff來進行最大釋然譯碼或球形譯碼， 其中S+、…<7M-V|， H …W =|>*^—V+w， 》v是滿足OT(0，竭
分布的加性白噪聲，[vT表示矩陣轉(zhuǎn)置。
較佳的，在所述步驟4)中，當信宿節(jié)點有多根天線時，可以采用最大比合并等算法綜合
多根接收天線的信息然后在最大釋然或球形譯碼解碼。
綜上所述，本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳 輸方案針對多中繼節(jié)點協(xié)作通信場景，提出一種放大轉(zhuǎn)發(fā)的分布式線性彌散編碼方法，并結(jié)
合MAC層的RTS/CTS協(xié)議進行發(fā)射功率優(yōu)化分配，可以有效地適用于多中繼節(jié)點協(xié)同通信場 景，在同樣的傳輸質(zhì)量條件下，大大降低了發(fā)射總功率，且復雜度低，具有很強的實用性。
本發(fā)明相比較傳統(tǒng)的等功率分配，本發(fā)明提出的方案充分體現(xiàn)了分布式線性彌散碼的分 集增益，不僅降低系統(tǒng)的中斷概率，還大大改善了接收端的誤碼率性能。


圖1為本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方 案操作流程示意圖。
圖2為采用本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳 輸方案的瓶頸效應算法和調(diào)和平均值算法，以及等功率分配算法在不同中繼節(jié)點數(shù)下的系統(tǒng) 中斷概率比較示意圖。
圖3為采用本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳 輸方案的瓶頸效應算法和調(diào)和平均值算法，以及等功率分配算法在不同中繼節(jié)點數(shù)下的系統(tǒng) 誤碼率比較示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1，本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳 輸方案主要包括以下步驟
第一步在一個兩跳的無線傳感器網(wǎng)絡中，作為信源節(jié)點的發(fā)射端向潛在的中繼節(jié)點發(fā)送RTS 包，進行信道的預約請求。
第二步每個接收到所述RTS信息包的中繼節(jié)點估計出它的信噪比A(X^l,2，…J^，將所述信噪比信息嵌入到遠程通信的rts包中，再分別向信宿發(fā)送此rts包預約信道，信宿估計出來 自各個中繼節(jié)點的rts包的信噪比々(hl，2，…,a/"
第三步信宿將所述估計出的遠程通信rts包信噪比嵌入到cts包中返回中繼節(jié)點，中繼節(jié) 點接收后再嵌入到本地通信的cts包中返回信源節(jié)點，信源節(jié)點，中繼節(jié)點和信宿節(jié)點即了 解所有信道的rts包信噪比信息a和々("1,2,…,)。
第四步信源計算出自己的優(yōu)化發(fā)射功率向中繼廣播信號s，中繼節(jié)點接收信號為"乘以系數(shù)
A-、ir^T進行發(fā)射功率歸一化處理，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，乘以線性彌散碼編碼矩陣&-1
基矩陣為(7:
fo 0 0 1 0 0 0 1
構(gòu)成線性彌散碼的結(jié)構(gòu)的信號&，線性彌散編碼矩陣的形式存在
、 i o'
很多，不在此一一列出。根據(jù)所述的根據(jù)所述的a和4算出信源的優(yōu)化發(fā)射功率為 A=M 、1/,，，中繼節(jié)點總的發(fā)射功率為尸,^i^A^_，每個節(jié)點的發(fā)射功率為
H "1 fc=
〃A
A =i^/|>,(bl，2，-.,M), Po是信源和中繼總的發(fā)射功率，^有兩種形式，基于瓶頸效應時，
\=min{a)t,A},基于調(diào)和均值時，&=^4~。中繼節(jié)點以優(yōu)化發(fā)射功率向信宿同時發(fā)射信 號。
第五步所述信宿接收端也可計按照所述算法計算出信源和每個中繼的發(fā)射功率，接收信號
是滿足CN(O,iVo)分布的加性白噪聲，[*]'表示矩陣轉(zhuǎn)置。結(jié)合此信息采用最大釋然或球形譯碼 算法進行解碼。
以下將通過仿真進一步說明采用本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡 放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案的通信系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。仿真的系統(tǒng)參數(shù)被設為 ■ l個信源節(jié)點，2、 3、 4個中繼節(jié)點，l個信宿節(jié)點 采用是平坦準靜態(tài)瑞利衰落信道，不考慮路徑損耗和陰影效應
采用BPSK調(diào)制方式，無編碼
接收端已知CSI，反饋信道無損失
頻譜效率設為lbps/Hz
請參見圖2，其為采用本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功 率分配傳輸方案的瓶頸效應算法和調(diào)和平均值算法，以及等功率分配算法在不同中繼節(jié)點數(shù) 下的系統(tǒng)中斷概率比較示意圖，由圖中.可以看出本發(fā)明提出的兩種功率分配算法性能差異不 大，均可以大大降低系統(tǒng)的中斷概率，中繼節(jié)點越多，中斷概率曲線斜率越大，性能越好。 而等功率分配算法的系統(tǒng)中斷概率性能并不隨著中繼節(jié)點數(shù)的增加而明顯增大，可見統(tǒng)計分
析得出的等功率分配算法并不適合實際系統(tǒng)，沒有充分利用中繼節(jié)點數(shù)多的優(yōu)勢。而本發(fā)明 提出的方案利用一定的信道狀態(tài)信息優(yōu)化分配功率，中繼節(jié)點越多，信道自由度越大，中斷 概率越小，可以提高系統(tǒng)的頻譜效率。參見圖3，給出了系統(tǒng)誤碼率性能比較示意圖，考慮瓶 頸效應的算法性能稍微優(yōu)于考慮調(diào)和平均值的算法，等功率分配算法不能體現(xiàn)出空間分集的 優(yōu)勢，中繼節(jié)點數(shù)增加時性能提升有限，各路信號之間的干擾很大，從中也可以看出統(tǒng)計分 析得出的等功率分配算法并不適合實際系統(tǒng)。
所述的本發(fā)明的基于分布式線性彌散碼的兩跳無線傳感器網(wǎng)絡放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方 案與現(xiàn)有技術相比，其具有如下優(yōu)點-
1、 針對多中繼節(jié)點協(xié)作通信場景，提供了一種放大轉(zhuǎn)發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡中功率分配傳輸 方案。
2、 中繼節(jié)點采用線性彌散編碼，適用于中繼節(jié)點數(shù)未知的情況，中繼節(jié)點間不需要交互
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3、 采用基于瓶頸效應和調(diào)和均值的功率分配算法可以在相同傳輸質(zhì)量下可以降低發(fā)射 的總能耗。
4、 結(jié)合MAC層的RTS/CTS協(xié)議來獲取部分信道狀態(tài)信息，沒有增加系統(tǒng)的額外開銷。 本發(fā)明的有益效果
(1) 本發(fā)明的分布式線性彌散編碼方案簡單易行，且通用性強，可用于任意中繼節(jié)點數(shù)目 的場景，且中繼節(jié)點間無需交互信息，降低了協(xié)議和信息處理的復雜度。
(2) 本發(fā)明的功率分配算法采用數(shù)學證明，適用于中繼節(jié)點處采用任意編碼方案的放大轉(zhuǎn) 發(fā)的兩跳中繼網(wǎng)絡。
(3) 本發(fā)明采用RTS/CTS協(xié)議來獲取信道質(zhì)量，無需額外開銷，復雜度低。(4)本發(fā)明的結(jié)合MAC層和物理層技術來跨層優(yōu)化協(xié)同中繼的發(fā)射功率分配，能有效地改 善系統(tǒng)誤碼率性能，在通信質(zhì)量一定的條件下，降低發(fā)射總功率，實用性強，便于硬件實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于分布式線性彌散碼的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案，其特征在于包括步驟1)在一個兩跳的無線傳感器網(wǎng)絡中，作為信源節(jié)點的發(fā)射端向潛在的中繼節(jié)點發(fā)送RTS包，進行信道的預約請求；2)每個接收到所述RTS信息包的中繼節(jié)點估計出它的信噪比，將所述信噪比信息嵌入到遠程通信的RTS包中，再分別向信宿發(fā)送此RTS包預約信道，信宿估計出來自各個中繼節(jié)點的RTS包的信噪比；3)信宿將估計出的遠程通信RTS包信噪比嵌入到CTS包中返回中繼節(jié)點，中繼節(jié)點接收后再嵌入到本地通信的CTS包中返回信源節(jié)點，信源節(jié)點，中繼節(jié)點和信宿節(jié)點即了解所有信道的RTS包信噪比信息；4)信源計算出自己的優(yōu)化發(fā)射功率向中繼廣播信號，中繼節(jié)點接收信號歸一化后，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，構(gòu)成線性彌散碼的結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化發(fā)射功率向信宿發(fā)射信號；5)所述信宿接收端也可計算出信源和每個中繼的發(fā)射功率，結(jié)合此信息采用最大釋然或球形譯碼算法進行解碼。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于分布式線性彌散碼的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案，其特征在 于在步驟2)中，估計的本地通信RTS包信噪比為A()t-i,2,…,M)，估計的遠程通信RTS包信噪比為4(* = 1，2,..,^0, M為接收到所述RTS包的中繼節(jié)點數(shù)；
3. 如權(quán)利要求1所述的基于分布式線性彌散碼的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案，其特征在于在步驟4)中，根據(jù)所述的A和々算出信源的優(yōu)化發(fā)射功率為《-^M^p_2>奇中繼節(jié)點總的發(fā)射功率為6=17~~~~ ，每個節(jié)點的發(fā)射功率為A^a/1>,("i，U)，戶o是信源和中繼總的發(fā)射功率，/^有兩種形式，基于瓶頸效應時，~=min{a4,A}，基于調(diào)和均值時，<formula>formula see original document page 2</formula>
4. 如權(quán)利要求1所述的基于分布式線性彌散碼的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案，其特征在于在步驟4)中，各中繼節(jié)點采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的歸一化系數(shù)為A-、^^，線性彌散碼的編碼矩陣為G"1，基矩陣為G:<formula>formula see original document page 3</formula>
5.如權(quán)利要求1所述的基于分布式線性彌散碼的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案，其特征在 于在步驟5)中，按照信宿接收到的信號模型j^SH +W來進行最大釋然譯碼或球形譯碼，其中<formula>formula see original document page 3</formula>是滿足CN(0, N0)分布的加性白噪聲，[.]t表示矩陣轉(zhuǎn)置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于分布式線性彌散碼的放大轉(zhuǎn)發(fā)功率分配傳輸方案，包括步驟1)在一個兩跳的無線傳感器網(wǎng)絡中，作為信源節(jié)點的發(fā)射端向潛在的中繼節(jié)點發(fā)送RTS包，進行信道的預約請求；2)每個接收到所述RTS信息包的中繼節(jié)點估計出它的信噪比，將所述信噪比信息嵌入到遠程通信的RTS包中，再分別向信宿發(fā)送此RTS包預約信道，信宿估計出來自各個中繼節(jié)點的RTS包的信噪比；3)信宿將估計出的遠程通信RTS包信噪比嵌入到CTS包中返回中繼節(jié)點，中繼節(jié)點接收后再嵌入到本地通信的CTS包中返回信源節(jié)點，信源節(jié)點，中繼節(jié)點和信宿節(jié)點即了解所有信道的RTS包信噪比信息；4)信源計算出自己的優(yōu)化發(fā)射功率向中繼廣播信號，中繼節(jié)點接收信號歸一化后，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，構(gòu)成線性彌散碼的結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化發(fā)射功率向信宿發(fā)射信號；5)所述信宿接收端也可計算出信源和每個中繼的發(fā)射功率，結(jié)合此信息采用最大釋然或球形譯碼算法進行解碼。本發(fā)明充分體現(xiàn)了分布式線性彌散碼的分集增益，不僅降低系統(tǒng)的中斷概率，還大大改善了接收端的誤碼率性能。
文檔編號H04L1/06GK101291197SQ20081005995
公開日2008年10月22日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者盛 丁, 凱 嚴, 劉海濤, 建 姜, 朱明華, 邱云周 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心