??? 摘 要：針對已有協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發協同分集方案，設計了適合協同分簇多跳無線傳感網的網絡協議，討論了協同同步情況和伙伴分配算法，仿真了新的協同分集方案的性能并驗證了新方案和新協議的有效性。
??? 關鍵詞：協同分集? 分布式空時分組碼? 協同同步? 伙伴選擇

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

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??? 當信源節點和信宿節點距離較遠，不能直接通信時，可以考慮用雙伙伴來形成2發的STBC結構，如圖2所示。信源節點發送數據x₁₁x₁₂x₂₁x₂₂…x_n1x_n2，兩個伙伴節點將接收的數據譯碼后，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，然后再轉發，這樣信宿端也形成了編碼矩陣的兩路數據，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的分時協議處理，在第一個時隙" title="時隙">時隙信源進行發送，第二個時隙伙伴將數據轉發。由于STBC特殊的矩陣結構，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，先對多個傳感網節點分布的系統所采用的網絡通信協議進行研究。
2 協議設計
??? 截止目前，關于協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，先設計一套適合協同分集方案的網絡協議?；诘湍芎淖赃m應分簇分層LEACH^[7]網絡協議，通過對其改進，設計了一套適合DSTBC-DF的協同分集協議，操作分成很多周期，每個周期有四個階段：廣播、協同建立、傳輸時隙規劃、數據傳輸。
??? (1)廣播
??? 假定大規模布設的單天線傳感網節點已經按照某種機制分簇。在這個階段，簇內的每個節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。如果有很多簇內節點有數據需要傳輸，應由簇頭初步確定節點傳輸的順序，以免通信沖突，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，這個階段與非協同通信很相似。
??? (2)協同建立
??? 在這個階段，每個節點發送一個信息包到主簇頭，對于有N個節點協同發射的情況，除了主簇頭外，還需要按照某種機理選擇N-1個協作伙伴。當其他節點向簇頭發送信息包時，信息包應包括節點的位置、能量狀態等信息，以便主簇頭根據這些狀態信息判斷它們是否適合作為協同伙伴。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系統相比SISO系統有較大的性能優勢，同時由于多個節點協同的DSTBC，編碼速率較低，而且協議設計比較復雜，因此，為了便于說明問題，選擇2個節點協同(N=2)進行研究。
??? (3)時隙規劃
??? 這個階段用于主簇頭創建一個TDMA信道接入時隙表，并通知每個待分配時隙的簇內節點。對于協同通信來說，待傳數據的主簇頭根據各個節點的信息來選擇協作伙伴，并將時隙再細分為兩個時隙，第一時隙主簇頭發射數據，第二個時隙協作伙伴將譯碼后重新編碼的信息進行轉發。由于簇內節點距離較近，可以確保協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)數據傳輸
??? 在這個階段，主簇頭將來自各個傳感器的數據進行融合處理，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；協同伙伴將譯碼后的數據按STBC的編碼矩陣的另一行重新編碼后，再在第二個時隙轉發。
3 協同同步
??? 下面重點研究因傳播時延不同而造成協同節點的載波相位和時間相位相對同步的問題。
根據圖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。由于簇內節點距離較近，則d₀-d₂值比較小。考慮到傳感網節點能耗較低，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，即協同節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表示復數信號的實部，ρ是發射功率，b_i(l)表示在符號間隔[l_T,(l+1)T]復數信號，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，協同節點以相同的發射功率工作，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，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、節點處理電路的差異等因素造成協同節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，協同信號時序不匹配將破壞空時分組編碼的結構，因此將造成協同性能惡化，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2n個符號時，則伙伴發2n/r個符號。
??? 針對這個問題，可以限制簇頭數據幀2n的長度。當r≤1時，為了保證協同時序同步，兩個協同節點在一個幀里都要發2n個數據，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
??? 基于協同分集技術的無線傳感網絡的關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同通信過程如何確定由網絡中哪些空閑終端協作完成，以及重新分配合作伙伴的頻度，以達到網絡某些性能指標最優化。
??? 對于一個給定的協同協議，需要知道協同分集相對SISO帶來多少性能改進，信源節點和協同伙伴到信宿間的信道質量怎樣影響系統性能" title="系統性能">系統性能等，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同伙伴選擇、基于瞬時SNR協作伙伴選擇算法、基于能量的協作伙伴選擇算法等。
??? 通過對上述各種伙伴選擇和管理算法的分析與研究，并與分簇協同無線傳感網系統結合起來考慮，本文選擇基于能量的協同伙伴選擇算法，同時綜合考慮簇頭與協同伙伴間的信道狀態信息以及伙伴節點的地理位置信息，建立一個備選伙伴列表，并根據能量消耗和信道即時信息的變化情況，及時更新伙伴列表，確保協同分集通信的有效性，使簇內的所有節點能耗達到某種平衡，避免某些節點被反復選中，以至于能量消耗過快而死亡，最終使網絡系統能耗最小，網絡工作生存周期最長。
5 性能仿真
??? 結合圖1和圖2的協同通信結構，系統運用Mento Carlo仿真，幾種方案均采用BPSK調制，無信道編碼，這樣編碼速率均為1，系統采用理想信道估計。幀長為32bit，發射幀數為10萬個。協同分集的兩路信號等功率發射，都為SISO功率的一半。
??? 圖3是單個接收天線的單伙伴、雙伙伴協同通信，理想的多天線MISO與傳統的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，所以系統性能比較差，甚至比SISO的性能還差。對于雙伙伴的系統，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。兩種協同通信下的MISO均差于傳統多天線系統的MISO性能。隨著伙伴節點接收端SNR的增加，信源到伙伴的本地信道質量比較良好，誤碼率很低，系統性能得到明顯改善。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系統性能比較接近，都遠遠好于SISO的系統性能。當時，單伙伴的協同通信和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是兩個天線協同接收的兩路協同發射與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，協同分集相比SISO性能提高得更多。當BER=10^-5時，單伙伴的協同通信和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所示的協同通信在本地不同SNR時，與SISO系統性能比較。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，這樣協同的MISO性能與理想的MISO性能接近。

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??? 圖6是發射端兩個伙伴協同，信宿端兩個接收天線的系統性能與SISO性能比較。雙接收天線系統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，不能有效提高系統性能。
??? 因此，信宿與伙伴間的信道質量對整個系統性能的影響很大。在信源選擇伙伴時，可以選擇距離較近且信道質量較好的節點作為協作伙伴作保證。
??? 本文提出了一種新的基于分布式空時分組編碼的譯碼轉發協同分集方案，設計了適合協同分簇多跳無線傳感網的網絡協議。相比其他協同方案，本方案不但實現簡單，而且通過合理的協議設計有效地解決了協同同步問題，實現了完全的分集增益。
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