無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式空時(shí)分組碼設(shè)計(jì)

摘 要:從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)節(jié)點(diǎn)能耗的節(jié)省和傳輸數(shù)據(jù)的可靠性出發(fā)，研究和設(shè)計(jì)了基于4個(gè)協(xié)同節(jié)點(diǎn)和能量可補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)(Sink)形成的分布式虛擬多天線空時(shí)分組碼;同時(shí)考慮到節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作條件以及對(duì)能量的苛刻要求，提出并分析了其改進(jìn)型算法，即從信道參數(shù)及協(xié)同節(jié)點(diǎn)能量剩余狀況考慮重新選取協(xié)同節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。理論分析和仿真結(jié)果表明，該分布式空時(shí)分組碼(D-STBC)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用是有效和可行的。

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò); 分簇; MIMO; 空時(shí)分組碼

中圖分類號(hào):TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)09-0055-03

Design of Distributed Space-time Block Code in Wireless Sensor Network

HUANG Yu-zhen， XU You-yun， CHENG Yun-peng

(Communication Engineering College， PLA University of Technology， Nanjing 210007， China)

Abstract:The space-time block code of distributed virtual multi-antenna based on four cooperative nodes and a power-harvesting node is investigated and designed proceeding with the energy efficiency of the nodes and the reliability of the transmitted data in wireless sensor network (WSN). Considering the actual environment and the rigorous demand for the energy， the energy of the cooperative nodes， the improved algorithm that reselects dynamic cooperative nodes from the channel parameter and node energy residue condition is proposed and analyzed to improve the system performance. The theory and simulation show that the application of the distributed space-time codes in WSN is effective and feasible.

Keywords:wireless sensor network; clustering; MIMO; STBC

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境交互程度遠(yuǎn)高于一般網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作很大程度上受環(huán)境影響。考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，如戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等，信道環(huán)境的復(fù)雜性往往會(huì)造成不規(guī)則的射頻傳播。此外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間以及節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心間的通信會(huì)因直射、繞射及散射等傳播途徑而產(chǎn)生嚴(yán)重的多徑衰落現(xiàn)象。因此，僅僅依靠能量、帶寬、處理能力受限的單個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行通信是很困難的，并且無(wú)法做到最大程度地降低能耗及延長(zhǎng)無(wú)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

空時(shí)分組編碼[1-4]是無(wú)線通信領(lǐng)域一種新的編碼和信號(hào)處理技術(shù)，它將多天線技術(shù)(MIMO技術(shù))和信道編碼技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在不同發(fā)射天線的信號(hào)之間引入時(shí)域和空域相關(guān)，同時(shí)獲得空間分集和時(shí)間分集增益，在不犧牲帶寬的情況下可以有效提高無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。但是，將空時(shí)分組編碼直接應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是不行的，考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的密集特性，如果能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)單天線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作式信息處理和傳輸，構(gòu)成一個(gè)虛擬的分布式MIMO空時(shí)編碼系統(tǒng)，從而以較少的總能耗在多徑衰落環(huán)境中進(jìn)行可靠的通信，那么能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)也可受惠于MIMO技術(shù)帶來(lái)的種種好處。

1 系統(tǒng)模型

1.1 模型描述

實(shí)際中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大，節(jié)點(diǎn)分布密集，因此為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型，按照分簇協(xié)議將大規(guī)模、分布式的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)按照一定的準(zhǔn)則劃分為多個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)，稱為簇(Cluster)，并由簇頭對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和控制，以完成與基站(BS)或能量可補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)(Sink)之間的通信和數(shù)據(jù)交互。低能耗自適應(yīng)分簇協(xié)議[5-7](Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的一種分簇協(xié)議。結(jié)合空時(shí)分組碼原理和LEACH分簇協(xié)議，對(duì)LEACH協(xié)議稍加改進(jìn)，并應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

該新協(xié)議大致可以分為兩個(gè)階段:

(1) 設(shè)置階段(Setup Phase)。在簇形成前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的成員節(jié)點(diǎn)(Common Nodes， CNs)根據(jù)LEACH協(xié)議進(jìn)行分簇，在簇內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)(Cluster Head， CH)。在簇頭形成后，CH利用接收到的CNs強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator，RSS)信號(hào)來(lái)尋找離CH最近且符合能量要求的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)同節(jié)點(diǎn)(Cooperative Cluster Heads， CCHs)，形成虛擬MIMO簇。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸階段(Transmission Phase)。在虛擬MIMO簇形成后，簇中節(jié)點(diǎn)CNs開(kāi)始采集區(qū)域中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并發(fā)送給CH，經(jīng)CH處理后，再把數(shù)據(jù)發(fā)送給CCHs進(jìn)行分布式空時(shí)分組編碼，并發(fā)送給能量可補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)Sink。

該通信模型的建立如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同MIMO通信模型

1.2 信道模型

為了簡(jiǎn)化分析，整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遵循如下假設(shè):

(1) 簇頭及接收端即Sink能夠完全獲知信道狀態(tài)信息(CSI);

(2) CH，CCHs和Sink之間能夠?qū)崿F(xiàn)完全同步通信;

(3) 每個(gè)信道經(jīng)歷Rayleigh平坦衰落，信道衰落系數(shù)在每一幀內(nèi)固定不變，即h1ji=h2ji=…=hLji=hji，i=1，2，…，nT;j=1，2，…，nR且服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)分布。

2 分布式空時(shí)分組碼分析

2.1 空時(shí)分組碼

文中采用的是空時(shí)分組編碼中最簡(jiǎn)單的一種編碼方案，即Alamouti[8-10]空時(shí)編碼，該編碼通過(guò)一種非常簡(jiǎn)單的最大似然譯碼算法實(shí)現(xiàn)了完全分集。該方案的關(guān)鍵特性是兩根發(fā)射天線產(chǎn)生的兩個(gè)序列之間是正交的，通過(guò)運(yùn)用正交設(shè)計(jì)理論，可適用于任意數(shù)量的發(fā)射天線形成新的編碼，稱為空時(shí)分組碼。圖2顯示了空時(shí)分組碼的編碼器結(jié)構(gòu)。

假定選擇K個(gè)調(diào)制信號(hào)(x1，x2，…，xK)作為需要傳送的信息符號(hào)序列，用空時(shí)分組編碼器對(duì)K個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行編碼，以形成傳輸矩陣X。根據(jù)傳輸矩陣X生成nT個(gè)長(zhǎng)度為p的并行信號(hào)序列，這些序列在p個(gè)時(shí)間周期內(nèi)同時(shí)通過(guò)nT根發(fā)射天線發(fā)射出去。傳輸矩陣:

X=c11…c1t…c1p



ci1…cit…cip



cnT1…cnTt…cnTp

X中的元素cit(t=1，2，…，p;i=1，2，…nT)是K個(gè)調(diào)制信號(hào)(x1，x2，…，xK)以及它們的共軛x*1，x*2，…，x*K的線性組合。那么接收端第j副接收天線的接收矢量可以表示成:

Rj=XThj+nj，j=1，2，…，nR

在接收端得到信號(hào)接收矩陣后，可依據(jù)最大似然譯碼算法使判決度量:

D=∑pt=1∑nRj=1rjt-∑nTi=1hj，icit2

達(dá)到最小。

圖2 STBC編碼器

2.2 信噪比分析

首先考慮Alamouti提出的兩副發(fā)送天線STBC編碼器，既有p=2，nT=2的正交矩陣:

X=x1-x*2x2x*1

則第j副接收天線的接收信號(hào)為rj1rj2=x1x2-x*2x*1#8226;

hj，1hj，2+nj1nj2，j=1。由上面的假設(shè)可知，接收端能夠完全獲知信道狀態(tài)信息h11和h12，通過(guò)合并接收信號(hào)和信道信息構(gòu)造兩個(gè)判決統(tǒng)計(jì)，表示為:

x1=h*11r1+h12r*2=∑2i=1h1i2x1+h*11n1+h12n*2

x2=h*12r1+h11r*2=∑2i=1h1i2x2+h*12n1+h11n*2

由此可知，接收端輸出可等效為2個(gè)時(shí)刻的獨(dú)立輸出支路，且各輸出支路都有相同的接收信噪比:

SNR=∑2i=1h1i2Es/No

式中:Es表示各信源符號(hào)的發(fā)送能量。由該式可進(jìn)一步推廣到多輸入多輸出系統(tǒng)，各輸出支路的接收信噪比表達(dá)式如下:

SNR=∑nRj=1∑nTi=1hj，i2Es/No(1)

2.3 誤比特率分析

在AWGN信道中，系統(tǒng)傳輸MPSK調(diào)制信號(hào)的比特誤碼率(BER)為:

Pe(γs)=2Q(2γssin π/M)/K(2)

式中:K=log2 M;Q(x)=∫∞xe-t2/2dt/2π，x≥0;γs表示信噪比。把式(1)代入式(2)得:

Pe(γs)=2Q2∑nRj=1∑nTi=1hj，i2Es/Nosin π/M/K(3)

由式(3)可知，系統(tǒng)的比特誤碼率不僅與信噪比有關(guān)，而且還與收發(fā)天線數(shù)以及信道系數(shù)有關(guān)。考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量有限，因此僅僅依靠增加發(fā)射天線的發(fā)射功率來(lái)降低系統(tǒng)的誤比特率是不可取的，考慮到系統(tǒng)的比特誤碼率與信道參數(shù)的幅值有關(guān)，可以進(jìn)一步改善分簇算法，通過(guò)比較各個(gè)信道系數(shù)的幅值大小，重新選擇虛擬MIMO簇內(nèi)的協(xié)同節(jié)點(diǎn)。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性和合理性，通過(guò)仿真驗(yàn)證了發(fā)射天線為1，2，3，4根和接收天線為單根和多根(能量可補(bǔ)充Sink節(jié)點(diǎn)可采用多根天線)時(shí)，分布式STBC在瑞利衰落信道條件下的誤比特性能。為了獲得比較公平，在不同發(fā)射天線數(shù)下各系統(tǒng)的發(fā)射總功率相等，采用了相同的調(diào)制方式QPSK和相同的數(shù)據(jù)傳輸速率1 b/s/Hz。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 多天線分布式空時(shí)分組碼性能仿真

從圖3可以看出，構(gòu)建虛擬的分布式MIMO，確實(shí)可以改善系統(tǒng)性能。在誤比特率為10-4時(shí)，協(xié)同節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為2，3，4，與單節(jié)點(diǎn)相比，信噪比SNR分別改善了約8 dB，14 dB，16 dB。同時(shí)可以看到能量可補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)，采用多天線接收時(shí)可進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)性能。

由上節(jié)的分析可知，空時(shí)分組碼的編譯碼十分簡(jiǎn)單。傳輸矩陣X各行矢量之間相互正交，而且各行中的空時(shí)編碼符號(hào)是在同一根天線及不同時(shí)刻發(fā)送出去的，因此當(dāng)有協(xié)同節(jié)點(diǎn)失效或因能量耗盡不能工作時(shí)，該虛擬MIMO系統(tǒng)仍能正常工作。同時(shí)由式(3)可知，誤比特率Pe(γs)與信道系數(shù)h的幅值平方有關(guān)，因此在分簇協(xié)議的設(shè)置階段簇頭選取協(xié)同節(jié)點(diǎn)時(shí)，可綜合考慮節(jié)點(diǎn)的能量和信道參數(shù)狀況，重新動(dòng)態(tài)選取最優(yōu)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)協(xié)同節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 協(xié)同節(jié)點(diǎn)失效及選擇動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)性能仿真

從圖4可知，當(dāng)個(gè)別節(jié)點(diǎn)失效時(shí)所設(shè)計(jì)的虛擬系統(tǒng)仍然可正常工作;同時(shí)可看出，信道參數(shù)的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響極大，因此通過(guò)判斷信道狀態(tài)，重新選擇動(dòng)態(tài)協(xié)同節(jié)點(diǎn)，可以有效減少節(jié)點(diǎn)的能量損耗。由圖4(b)可得，在誤比特率相同的情況下，采取動(dòng)態(tài)選取節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)可獲得4 dB的增益。

4 總 結(jié)

文中構(gòu)思了一種基于分簇結(jié)構(gòu)和配置能量可補(bǔ)給節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景，將分布式空時(shí)分組碼巧妙地應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不僅提高了節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，降低了節(jié)點(diǎn)的能量損耗，而且延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義;但是，該系統(tǒng)并未考慮協(xié)同節(jié)點(diǎn)與簇頭之間數(shù)據(jù)傳輸信道的好壞對(duì)系統(tǒng)性能的影響，下一步可對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步研究。此外，還應(yīng)對(duì)研究其他分布式空時(shí)編碼在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

[1]TAROKH V， JAFARKHANI H， CALDERBANK A R. Space time block codes from orthogonal designs[J]. IEEE Trans on. Information Theory， 1999， 45: 1456-1467.

[2]SHUGUANG C， GOLDSMITH A J， BAHAI A. Energy efficiency of MIMO and coorperative MIMO techniques in sensor networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2004， 22: 1089-1098.

[3]Xiaohua L， Mo C， Wenyu L. Application of STBC encoded cooperative transmission in wireless sensor network[J]. Signal Processing Letters， IEEE， 2005， 12: 134-137.

[4]CHEN Wen-qing. Virtual MIMO protocol based on clustering for wireless sensor network[C]//Proceedings of the 10th IEEE Symposium on Computer Communications. Spain: Cargagena， 2005.

[5]袁輝勇，李小龍，戴經(jīng)國(guó)，等.一種不均衡的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法[J].計(jì)算機(jī)工程，2008，34(12):88-90.

[6]李方敏，劉新華，曠海蘭，等.基于最優(yōu)連通功率的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定成簇算法[J].通信學(xué)報(bào)，2009(3):75-83.

[7]徐小良，裘君娜.異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種能量有效的簇頭選擇算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22(3):395-400.

[8]VUCETIC Branka， YUAN Jinhong.空時(shí)編碼技術(shù)[M].王曉海，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[9]張余，蔡躍明，陳賢明，等.一種基于協(xié)同MIMO的無(wú)限傳感器傳輸方案[J].高技術(shù)通訊，2006，24(12):60-63.

[10]LANEMAN J N. Distributed space time coded protocols for exploiting coorpertive diversity in wireless networks[J]. IEEE Trans. on Information Theory，2003， 12: 139-145.