摘 要：针对已有协同方案中存在的一些问题，提出了一种新的基于分布式空时分组编码的译码转发协同分集方案，设计了适合协同分簇多跳无线传感网的网络协议，讨论了协同同步情况和伙伴分配算法，仿真了新的协同分集方案的性能并验证了新方案和新协议的有效性。
    关键词：协同分集  分布式空时分组码  协同同步  伙伴选择

    能量受限是无线传感网的一个重要特征，将能量受限的单天线传感网节点以一定的机理有效地协同起来形成虚拟的多天线系统，能够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。协同分集技术就是采用某种协同方案和多址技术将距离较近的单天线节点有效地协作起来，形成虚拟的MIMO系统，获得空间分集增益，以此来改善信道质量，提高信道容量，降低网络系统能耗^[1]。
    协同分集技术的研究始于2002年。MIT的Laneman最早提出了放大转发的协同方案，在信噪比较高时，对于两个节点协同，该方案可以获得完全的分集增益^[2]。Qualcomm公司的Sendonaris提出了译码转发的协同分集方案，并给出了CDMA实现情况。在这个方案中，伙伴首先对接收的信息进行译码判决，再进行重发^[3-4]。纽约工程大学的Stefanov^[5]和德克萨斯大学的Hunter^[6]等对编码协同进行了研究，Hunter还深入研究了各种信道情况下编码协同的信道容量和中断概率。
    通过对目前已有的放大转发、译码转发和编码协同等几种协同方案的深入研究可知，放大转发和混合解码转发在低的SNR情况下都不是很有效，同时由于协同信号重复编码，编码速率较低。而编码协同相比其他两种方案性能较好，但是协同编码实现起来比较困难，尤其是接收机端的译码很复杂。针对前面几种方案存在的问题，提出了一种新的基于分布式空时分组编码的译码转发DSTBC-DF（Distributed Space-Time Block Coding Decode and Forward）协同分集方案，并设计了一套简单的网络协议，同时对协同同步情况和伙伴分配方案进行了讨论。
1 方案规划
    图1给出了单伙伴DSTBC-DF协同分集框图。结合图1，信源节点将帧长为2n的数据x₁₁x₁₂x₂₁x₂₂…x_n1x_n2在发送前按照2发天线的STBC矩阵的第一行进行编码，编码成x₁₁,-x^*₁₂,x₂₁,-x^*₂₂,…x_n1,-x^*_n2后再进行发射。一方面信号直接到达信宿节点，同时信源节点的伙伴节点将收到的信息先进行译码，将译码后的数据按照STBC的正交矩阵的第二行进行编码，将重新编码后的数据x₁₂,x^*₁₁,x₂₂,x^*₂₁,…x_n2,x^*_n1再进行发送。信源和伙伴发射的数据帧是正交的，这样信宿节点可以按照Alamouti译码算法对接收的两路数据进行处理。另外，信宿节点既可以是普通的单天线传感网节点，也可以是多天线的基站。

                 
    当信源节点和信宿节点距离较远，不能直接通信时，可以考虑用双伙伴来形成2发的STBC结构，如图2所示。信源节点发送数据x₁₁x₁₂x₂₁x₂₂…x_n1x_n2，两个伙伴节点将接收的数据译码后，分别编码成x₁₁,-x^*₂₁,x₂₁,-x^*₂₂,…x_n1,-x^*_n2和x₁₂,x^*₁₁,x₂₂,x^*₂₁,…x_n2,x^*_n1的形式，然后再转发，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。

                  
    对于上述两种情况均可以采用TDMA的分时协议处理，在第一个时隙" title="时隙">时隙信源进行发送，第二个时隙伙伴将数据转发。由于STBC特殊的矩阵结构，在接收机端对来自不同路径的信号有同步的要求。如果d₀=d₂，则协同可以完全同步，但实际这是不可能的。因此，要对由于传播时延" title="时延">时延造成的不同步进行分析。在分析同步前，先对多个传感网节点分布的系统所采用的网络通信协议进行研究。
2 协议设计
    截止目前，关于协同分集通信大多是假定完全同步的，为了对不完全同步的情况进行研究，先设计一套适合协同分集方案的网络协议。基于低能耗自适应分簇分层LEACH^[7]网络协议，通过对其改进，设计了一套适合DSTBC-DF的协同分集协议，操作分成很多周期，每个周期有四个阶段：广播、协同建立、传输时隙规划、数据传输。
    (1)广播
    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，每个自选的簇头广播一个信息。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，第一个簇头是主簇头，随后是二级簇头。除了这个自选簇头作为主簇头外，这个阶段与非协同通信很相似。
    (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，对于有N个节点协同发射的情况，除了主簇头外，还需要按照某种机理选择N-1个协作伙伴。当其他节点向簇头发送信息包时，信息包应包括节点的位置、能量状态等信息，以便主簇头根据这些状态信息判断它们是否适合作为协同伙伴。由于一个接收天线" title="接收天线">接收天线的2×1和两个接收天线的2×2的Alamouti系统相比SISO系统有较大的性能优势，同时由于多个节点协同的DSTBC，编码速率较低，而且协议设计比较复杂，因此，为了便于说明问题，选择2个节点协同(N=2)进行研究。
    (3)时隙规划
    这个阶段用于主簇头创建一个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，待传数据的主簇头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，第一时隙主簇头发射数据，第二个时隙协作伙伴将译码后重新编码的信息进行转发。由于簇内节点距离较近，可以确保协作伙伴接收主簇头的信息足够好，以至于能提供完全分集。
    (4)数据传输
    在这个阶段，主簇头将来自各个传感器的数据进行融合处理，并按照STBC的编码矩阵的一行进行编码，然后在第一个时隙传输；协同伙伴将译码后的数据按STBC的编码矩阵的另一行重新编码后，再在第二个时隙转发。
3 协同同步
    下面重点研究因传播时延不同而造成协同节点的载波相位和时间相位相对同步的问题。
根据图1，假定c表示光速τ₁和τ₂分别表示簇头和伙伴到信宿的传播时间，Δτ表示两者的相对时延，则Δτ=(d₀-d₂)/c。由于簇内节点距离较近，则d₀-d₂值比较小。考虑到传感网节点能耗较低，传输距离有限，d₀-d₂一般只有几米或几十米。当d₀-d₂=30m，发射符号速率为200kb/s时，传播时延Δτ=0.1μs，而符号周期T=5μs是传播时延的50倍，因此，传播时延相对符号周期是很小的，即协同节点由于传播时延造成的不同步影响是很小的，几乎可以忽略不计。当然也有其他因素造成两个节点不同步，这里暂不考虑。下面对由于传播时延造成的不同步进行理论分析。
    若从第i个簇头发出的带通信号表示为s_i(t)，则：
   
    这里R_e表示复数信号的实部，ρ是发射功率，b_i(l)表示在符号间隔[l_T,(l+1)T]复数信号，p(t)是基带脉冲成型滤波器，fc是载波频率。信宿接收的两路信号表示为: 

    这里a_i和θ_i分别表示传播信道的幅度和相位衰落，τ_i表示传播时延，v_p(t)表示带通噪声。假定信道是平坦衰落信道，协同节点以相同的发射功率工作，且均为ρ。由于来自两路信号的τ_i和θ_i不同，因此造成接收信号在载波相位和时间相位不同步。用本地载波e^j2πfct进行解调，并在t_n=n_T+τ(τ为任意值)时刻采样，则基带采样信号x(n)=x_b(nT+τ)为:
   
    这里v(n)表示基带噪声。很明显，残留在符号间的干扰ISI是不可避免的。在一个平坦衰落信道中，信道可以用单抽头信道模型表示，这里单抽头意味着信道可以用复数标量表示，这样ISI干扰不需要均衡器就可以消除。当采样时刻与一路信号正好对齐时，即τ=τ1，由于相对时延Δτ=τ₁-τ₂很小，对系统影响可以忽略，所以接收的信号可以近似表示为:
   
    这样由传播时延造成的载波频率和符号级的同步问题解决了。然后考虑由于噪声、多普勒频移、节点处理电路的差异等因素造成协同节点的载频和时序不匹配。载波频率不匹配引起信道时变，这样接收端必须能够自适应跟踪这种时变。同时，协同信号时序不匹配将破坏空时分组编码的结构，因此将造成协同性能恶化，使STBC不能直接应用^[7]。如果由于时序不匹配造成两路符号速率的比值为r时，当簇头发2n个符号时，则伙伴发2n/r个符号。
    针对这个问题，可以限制簇头数据帧2n的长度。当r≤1时，为了保证协同时序同步，两个协同节点在一个帧里都要发2n个数据，因为由不同步造成的偏差不能超过一个符号，这样就有:
    
    将上式变换，有2n≤r/(1-r)。当r>1时，按照前面的推理，有2n≤r/(r-1)。这样可以得到2n≤r/|1-r|。因此，当r接近1时，可以估算出合理的帧长。对实际的晶振频偏一般在100ppm，可以得到r∈[1-10^-4,1+10^-4]，这样就可以估算帧长2n。当然实际选择帧长时，不一定等于估算值，它只是一个参考，帧长的选择还要考虑其它因素，如误帧率等。
4 伙伴选择
    基于协同分集技术的无线传感网络的关键问题之一就是分配和管理合作伙伴的问题，即对于一次特定的协同通信过程如何确定由网络中哪些空闲终端协作完成，以及重新分配合作伙伴的频度，以达到网络某些性能指标最优化。
    对于一个给定的协同协议，需要知道协同分集相对SISO带来多少性能改进，信源节点和协同伙伴到信宿间的信道质量怎样影响系统性能" title="系统性能">系统性能等，这需要一定的评价标准。目前伙伴选择" title="伙伴选择">伙伴选择算法可以有许多不同的标准，基于队列的合作伙伴选择算法主要包括固定的协同伙伴选择、基于瞬时SNR协作伙伴选择算法、基于能量的协作伙伴选择算法等。
    通过对上述各种伙伴选择和管理算法的分析与研究，并与分簇协同无线传感网系统结合起来考虑，本文选择基于能量的协同伙伴选择算法，同时综合考虑簇头与协同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，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，以至于能量消耗过快而死亡，最终使网络系统能耗最小，网络工作生存周期最长。
5 性能仿真
    结合图1和图2的协同通信结构，系统运用Mento Carlo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，系统采用理想信道估计。帧长为32bit，发射帧数为10万个。协同分集的两路信号等功率发射，都为SISO功率的一半。
    图3是单个接收天线的单伙伴、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，因为信源到伙伴本地信道本身的误码比较高，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。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良好，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。当时，单伙伴的协同通信和SISO的接收端SNR分别为25.5dB和45dB，前者比后者有近20dB的性能提高。

                     
    图4是两个天线协同接收的两路协同发射与SISO性能比较其性能分析与单天线的情况类似，只是在同等条件下，协同分集相比SISO性能提高得更多。当BER=10^-5时，单伙伴的协同通信和SISO的接收端SNR分别为14dB和45dB，前者比后者有近31dB的性能提高。

                        
    图5和图6是图2所示的协同通信在本地不同SNR时，与SISO系统性能比较。图5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。当伙伴接收端信噪比分别为4dB、8dB和12dB时，误码率BER最低分别为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，对改进误码率没有帮助。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6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分析，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很大。在信源选择伙伴时，可以选择距离较近且信道质量较好的节点作为协作伙伴作保证。
    本文提出了一种新的基于分布式空时分组编码的译码转发协同分集方案，设计了适合协同分簇多跳无线传感网的网络协议。相比其他协同方案，本方案不但实现简单，而且通过合理的协议设计有效地解决了协同同步问题，实现了完全的分集增益。
参考文献
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