??? 摘 要：針對已有協(xié)同方案中存在的一些問題，提出了一種新的基于分布式空時分組編碼的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同分集方案，設(shè)計了適合協(xié)同分簇多跳無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，討論了協(xié)同同步情況和伙伴分配算法，仿真了新的協(xié)同分集方案的性能并驗證了新方案和新協(xié)議的有效性。
??? 關(guān)鍵詞：協(xié)同分集? 分布式空時分組碼? 協(xié)同同步? 伙伴選擇

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??? 能量受限是無線傳感網(wǎng)的一個重要特征，將能量受限的單天線傳感網(wǎng)節(jié)點以一定的機理有效地協(xié)同起來形成虛擬的多天線系統(tǒng)，能夠提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率，達到降低系統(tǒng)能耗的目的。協(xié)同分集技術(shù)就是采用某種協(xié)同方案和多址技術(shù)將距離較近的單天線節(jié)點有效地協(xié)作起來，形成虛擬的MIMO系統(tǒng)，獲得空間分集增益，以此來改善信道質(zhì)量，提高信道容量，降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能耗^[1]。
??? 協(xié)同分集技術(shù)的研究始于2002年。MIT的Laneman最早提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)同方案，在信噪比較高時，對于兩個節(jié)點協(xié)同，該方案可以獲得完全的分集增益^[2]。Qualcomm公司的Sendonaris提出了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)同分集方案，并給出了CDMA實現(xiàn)情況。在這個方案中，伙伴首先對接收的信息進行譯碼判決，再進行重發(fā)^[3-4]。紐約工程大學的Stefanov^[5]和德克薩斯大學的Hunter^[6]等對編碼協(xié)同進行了研究，Hunter還深入研究了各種信道情況下編碼協(xié)同的信道容量和中斷概率。
??? 通過對目前已有的放大轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和編碼協(xié)同等幾種協(xié)同方案的深入研究可知，放大轉(zhuǎn)發(fā)和混合解碼轉(zhuǎn)發(fā)在低的SNR情況下都不是很有效，同時由于協(xié)同信號重復編碼，編碼速率較低。而編碼協(xié)同相比其他兩種方案性能較好，但是協(xié)同編碼實現(xiàn)起來比較困難，尤其是接收機端的譯碼很復雜。針對前面幾種方案存在的問題，提出了一種新的基于分布式空時分組編碼的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)DSTBC-DF（Distributed Space-Time Block Coding Decode and Forward）協(xié)同分集方案，并設(shè)計了一套簡單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時對協(xié)同同步情況和伙伴分配方案進行了討論。
1 方案規(guī)劃
??? 圖1給出了單伙伴DSTBC-DF協(xié)同分集框圖。結(jié)合圖1，信源節(jié)點將幀長為2n的數(shù)據(jù)x₁₁x₁₂x₂₁x₂₂…x_n1x_n2在發(fā)送前按照2發(fā)天線的STBC矩陣的第一行進行編碼，編碼成x₁₁,-x^*₁₂,x₂₁,-x^*₂₂,…x_n1,-x^*_n2后再進行發(fā)射。一方面信號直接到達信宿節(jié)點，同時信源節(jié)點的伙伴節(jié)點將收到的信息先進行譯碼，將譯碼后的數(shù)據(jù)按照STBC的正交矩陣的第二行進行編碼，將重新編碼后的數(shù)據(jù)x₁₂,x^*₁₁,x₂₂,x^*₂₁,…x_n2,x^*_n1再進行發(fā)送。信源和伙伴發(fā)射的數(shù)據(jù)幀是正交的，這樣信宿節(jié)點可以按照Alamouti譯碼算法對接收的兩路數(shù)據(jù)進行處理。另外，信宿節(jié)點既可以是普通的單天線傳感網(wǎng)節(jié)點，也可以是多天線的基站。

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??? 當信源節(jié)點和信宿節(jié)點距離較遠，不能直接通信時，可以考慮用雙伙伴來形成2發(fā)的STBC結(jié)構(gòu)，如圖2所示。信源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)x₁₁x₁₂x₂₁x₂₂…x_n1x_n2，兩個伙伴節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)譯碼后，分別編碼成x₁₁,-x^*₂₁,x₂₁,-x^*₂₂,…x_n1,-x^*_n2和x₁₂,x^*₁₁,x₂₂,x^*₂₁,…x_n2,x^*_n1的形式，然后再轉(zhuǎn)發(fā)，這樣信宿端也形成了編碼矩陣的兩路數(shù)據(jù)，可按Alamouti譯碼算法進行譯碼。

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??? 對于上述兩種情況均可以采用TDMA的分時協(xié)議處理，在第一個時隙" title="時隙">時隙信源進行發(fā)送，第二個時隙伙伴將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。由于STBC特殊的矩陣結(jié)構(gòu)，在接收機端對來自不同路徑的信號有同步的要求。如果d₀=d₂，則協(xié)同可以完全同步，但實際這是不可能的。因此，要對由于傳播時延" title="時延">時延造成的不同步進行分析。在分析同步前，先對多個傳感網(wǎng)節(jié)點分布的系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行研究。
2 協(xié)議設(shè)計
??? 截止目前，關(guān)于協(xié)同分集通信大多是假定完全同步的，為了對不完全同步的情況進行研究，先設(shè)計一套適合協(xié)同分集方案的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；诘湍芎淖赃m應分簇分層LEACH^[7]網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過對其改進，設(shè)計了一套適合DSTBC-DF的協(xié)同分集協(xié)議，操作分成很多周期，每個周期有四個階段：廣播、協(xié)同建立、傳輸時隙規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸。
??? (1)廣播
??? 假定大規(guī)模布設(shè)的單天線傳感網(wǎng)節(jié)點已經(jīng)按照某種機制分簇。在這個階段，簇內(nèi)的每個節(jié)點決定是否成為這個周期的簇頭，每個自選的簇頭廣播一個信息。如果有很多簇內(nèi)節(jié)點有數(shù)據(jù)需要傳輸，應由簇頭初步確定節(jié)點傳輸?shù)捻樞颍悦馔ㄐ艣_突，第一個簇頭是主簇頭，隨后是二級簇頭。除了這個自選簇頭作為主簇頭外，這個階段與非協(xié)同通信很相似。
??? (2)協(xié)同建立
??? 在這個階段，每個節(jié)點發(fā)送一個信息包到主簇頭，對于有N個節(jié)點協(xié)同發(fā)射的情況，除了主簇頭外，還需要按照某種機理選擇N-1個協(xié)作伙伴。當其他節(jié)點向簇頭發(fā)送信息包時，信息包應包括節(jié)點的位置、能量狀態(tài)等信息，以便主簇頭根據(jù)這些狀態(tài)信息判斷它們是否適合作為協(xié)同伙伴。由于一個接收天線" title="接收天線">接收天線的2×1和兩個接收天線的2×2的Alamouti系統(tǒng)相比SISO系統(tǒng)有較大的性能優(yōu)勢，同時由于多個節(jié)點協(xié)同的DSTBC，編碼速率較低，而且協(xié)議設(shè)計比較復雜，因此，為了便于說明問題，選擇2個節(jié)點協(xié)同(N=2)進行研究。
??? (3)時隙規(guī)劃
??? 這個階段用于主簇頭創(chuàng)建一個TDMA信道接入時隙表，并通知每個待分配時隙的簇內(nèi)節(jié)點。對于協(xié)同通信來說，待傳數(shù)據(jù)的主簇頭根據(jù)各個節(jié)點的信息來選擇協(xié)作伙伴，并將時隙再細分為兩個時隙，第一時隙主簇頭發(fā)射數(shù)據(jù)，第二個時隙協(xié)作伙伴將譯碼后重新編碼的信息進行轉(zhuǎn)發(fā)。由于簇內(nèi)節(jié)點距離較近，可以確保協(xié)作伙伴接收主簇頭的信息足夠好，以至于能提供完全分集。
??? (4)數(shù)據(jù)傳輸
??? 在這個階段，主簇頭將來自各個傳感器的數(shù)據(jù)進行融合處理，并按照STBC的編碼矩陣的一行進行編碼，然后在第一個時隙傳輸；協(xié)同伙伴將譯碼后的數(shù)據(jù)按STBC的編碼矩陣的另一行重新編碼后，再在第二個時隙轉(zhuǎn)發(fā)。
3 協(xié)同同步
??? 下面重點研究因傳播時延不同而造成協(xié)同節(jié)點的載波相位和時間相位相對同步的問題。
根據(jù)圖1，假定c表示光速τ₁和τ₂分別表示簇頭和伙伴到信宿的傳播時間，Δτ表示兩者的相對時延，則Δτ=(d₀-d₂)/c。由于簇內(nèi)節(jié)點距離較近，則d₀-d₂值比較小?？紤]到傳感網(wǎng)節(jié)點能耗較低，傳輸距離有限，d₀-d₂一般只有幾米或幾十米。當d₀-d₂=30m，發(fā)射符號速率為200kb/s時，傳播時延Δτ=0.1μs，而符號周期T=5μs是傳播時延的50倍，因此，傳播時延相對符號周期是很小的，即協(xié)同節(jié)點由于傳播時延造成的不同步影響是很小的，幾乎可以忽略不計。當然也有其他因素造成兩個節(jié)點不同步，這里暫不考慮。下面對由于傳播時延造成的不同步進行理論分析。
??? 若從第i個簇頭發(fā)出的帶通信號表示為s_i(t)，則：
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??? 這里R_e表示復數(shù)信號的實部，ρ是發(fā)射功率，b_i(l)表示在符號間隔[l_T,(l+1)T]復數(shù)信號，p(t)是基帶脈沖成型濾波器，fc是載波頻率。信宿接收的兩路信號表示為:?

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??? 這里a_i和θ_i分別表示傳播信道的幅度和相位衰落，τ_i表示傳播時延，v_p(t)表示帶通噪聲。假定信道是平坦衰落信道，協(xié)同節(jié)點以相同的發(fā)射功率工作，且均為ρ。由于來自兩路信號的τ_i和θ_i不同，因此造成接收信號在載波相位和時間相位不同步。用本地載波e^j2πfct進行解調(diào)，并在t_n=n_T+τ(τ為任意值)時刻采樣，則基帶采樣信號x(n)=x_b(nT+τ)為:
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??? 這里v(n)表示基帶噪聲。很明顯，殘留在符號間的干擾ISI是不可避免的。在一個平坦衰落信道中，信道可以用單抽頭信道模型表示，這里單抽頭意味著信道可以用復數(shù)標量表示，這樣ISI干擾不需要均衡器就可以消除。當采樣時刻與一路信號正好對齊時，即τ=τ1，由于相對時延Δτ=τ₁-τ₂很小，對系統(tǒng)影響可以忽略，所以接收的信號可以近似表示為:
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??? 這樣由傳播時延造成的載波頻率和符號級的同步問題解決了。然后考慮由于噪聲、多普勒頻移、節(jié)點處理電路的差異等因素造成協(xié)同節(jié)點的載頻和時序不匹配。載波頻率不匹配引起信道時變，這樣接收端必須能夠自適應跟蹤這種時變。同時，協(xié)同信號時序不匹配將破壞空時分組編碼的結(jié)構(gòu)，因此將造成協(xié)同性能惡化，使STBC不能直接應用^[7]。如果由于時序不匹配造成兩路符號速率的比值為r時，當簇頭發(fā)2n個符號時，則伙伴發(fā)2n/r個符號。
??? 針對這個問題，可以限制簇頭數(shù)據(jù)幀2n的長度。當r≤1時，為了保證協(xié)同時序同步，兩個協(xié)同節(jié)點在一個幀里都要發(fā)2n個數(shù)據(jù)，因為由不同步造成的偏差不能超過一個符號，這樣就有:
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??? 將上式變換，有2n≤r/(1-r)。當r>1時，按照前面的推理，有2n≤r/(r-1)。這樣可以得到2n≤r/|1-r|。因此，當r接近1時，可以估算出合理的幀長。對實際的晶振頻偏一般在100ppm，可以得到r∈[1-10^-4,1+10^-4]，這樣就可以估算幀長2n。當然實際選擇幀長時，不一定等于估算值，它只是一個參考，幀長的選擇還要考慮其它因素，如誤幀率等。
4 伙伴選擇
??? 基于協(xié)同分集技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題之一就是分配和管理合作伙伴的問題，即對于一次特定的協(xié)同通信過程如何確定由網(wǎng)絡(luò)中哪些空閑終端協(xié)作完成，以及重新分配合作伙伴的頻度，以達到網(wǎng)絡(luò)某些性能指標最優(yōu)化。
??? 對于一個給定的協(xié)同協(xié)議，需要知道協(xié)同分集相對SISO帶來多少性能改進，信源節(jié)點和協(xié)同伙伴到信宿間的信道質(zhì)量怎樣影響系統(tǒng)性能" title="系統(tǒng)性能">系統(tǒng)性能等，這需要一定的評價標準。目前伙伴選擇" title="伙伴選擇">伙伴選擇算法可以有許多不同的標準，基于隊列的合作伙伴選擇算法主要包括固定的協(xié)同伙伴選擇、基于瞬時SNR協(xié)作伙伴選擇算法、基于能量的協(xié)作伙伴選擇算法等。
??? 通過對上述各種伙伴選擇和管理算法的分析與研究，并與分簇協(xié)同無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合起來考慮，本文選擇基于能量的協(xié)同伙伴選擇算法，同時綜合考慮簇頭與協(xié)同伙伴間的信道狀態(tài)信息以及伙伴節(jié)點的地理位置信息，建立一個備選伙伴列表，并根據(jù)能量消耗和信道即時信息的變化情況，及時更新伙伴列表，確保協(xié)同分集通信的有效性，使簇內(nèi)的所有節(jié)點能耗達到某種平衡，避免某些節(jié)點被反復選中，以至于能量消耗過快而死亡，最終使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能耗最小，網(wǎng)絡(luò)工作生存周期最長。
5 性能仿真
??? 結(jié)合圖1和圖2的協(xié)同通信結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運用Mento Carlo仿真，幾種方案均采用BPSK調(diào)制，無信道編碼，這樣編碼速率均為1，系統(tǒng)采用理想信道估計。幀長為32bit，發(fā)射幀數(shù)為10萬個。協(xié)同分集的兩路信號等功率發(fā)射，都為SISO功率的一半。
??? 圖3是單個接收天線的單伙伴、雙伙伴協(xié)同通信，理想的多天線MISO與傳統(tǒng)的SISO的性能比較。在較低的接收端SNR時，因為信源到伙伴本地信道本身的誤碼比較高，所以系統(tǒng)性能比較差，甚至比SISO的性能還差。對于雙伙伴的系統(tǒng)，由于信源到兩個伙伴有兩個本地信道，相比單伙伴的情況更容易出錯，因此雙伙伴的性能差于單伙伴的性能。兩種協(xié)同通信下的MISO均差于傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)的MISO性能。隨著伙伴節(jié)點接收端SNR的增加，信源到伙伴的本地信道質(zhì)量比較良好，誤碼率很低，系統(tǒng)性能得到明顯改善。當BER=10-5時，信源到伙伴的本地通信誤碼幾乎為0，單伙伴、雙伙伴和理想的MISO系統(tǒng)性能比較接近，都遠遠好于SISO的系統(tǒng)性能。當時，單伙伴的協(xié)同通信和SISO的接收端SNR分別為25.5dB和45dB，前者比后者有近20dB的性能提高。

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??? 圖4是兩個天線協(xié)同接收的兩路協(xié)同發(fā)射與SISO性能比較其性能分析與單天線的情況類似，只是在同等條件下，協(xié)同分集相比SISO性能提高得更多。當BER=10^-5時，單伙伴的協(xié)同通信和SISO的接收端SNR分別為14dB和45dB，前者比后者有近31dB的性能提高。

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??? 圖5和圖6是圖2所示的協(xié)同通信在本地不同SNR時，與SISO系統(tǒng)性能比較。圖5是信宿端單個接收天線的情況，當伙伴端的接收SNR較低時，兩個伙伴接收信源信息的誤碼率較高，造成兩路協(xié)同信號正交性受到破壞，因此信宿端的誤碼率也比較高。當伙伴接收端信噪比分別為4dB、8dB和12dB時，誤碼率BER最低分別為10^-1、10^-2和10^-4，由于誤碼傳播，通過增加信宿端的接收信噪比，對改進誤碼率沒有幫助。當伙伴的接收信噪比為16dB時，可以確保本地通信足夠好，這樣協(xié)同的MISO性能與理想的MISO性能接近。

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??? 圖6是發(fā)射端兩個伙伴協(xié)同，信宿端兩個接收天線的系統(tǒng)性能與SISO性能比較。雙接收天線系統(tǒng)與單接收天線有類似的分析，當信源到伙伴的誤碼較高時，增加信宿端的接收SNR和接收天線數(shù)，不能有效提高系統(tǒng)性能。
??? 因此，信宿與伙伴間的信道質(zhì)量對整個系統(tǒng)性能的影響很大。在信源選擇伙伴時，可以選擇距離較近且信道質(zhì)量較好的節(jié)點作為協(xié)作伙伴作保證。
??? 本文提出了一種新的基于分布式空時分組編碼的譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)同分集方案，設(shè)計了適合協(xié)同分簇多跳無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。相比其他協(xié)同方案，本方案不但實現(xiàn)簡單，而且通過合理的協(xié)議設(shè)計有效地解決了協(xié)同同步問題，實現(xiàn)了完全的分集增益。
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