無線傳感器網絡中抑制干擾的中繼節點選擇算法*

錢華明，金明路，李 灝

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

在移動通信系統中，多輸入多輸出(MIMO)系統有著很大的優勢，但是由于節點尺寸和功率的制約使得多輸入多輸出系統的實現變得困難［1］。在多中繼協作網絡中，通過利用中繼節點之間形成的虛擬天線特性，增加了通信網絡的傳輸效率。協作波束形成算法，就是通過判斷中繼節點的位置信息，對不同中繼節點發出的信號做相應調整，使不同節點發出的信號在目標基站方向上形成波束［2］。

針對協作波束形成算法，文獻［3］研究了中繼節點分布對波束方向圖的影響。在協作通信網絡中，中繼節點的分布會影響波束形成，文獻［4］研究了不規則分布的傳感器節點對協作波束形成的波束方向圖的影響。由于在非目標基站方向上存在來自其它源節點的強干擾，上述情況形成的波束圖旁瓣不受控制。因此，抑制源節點在非目標基站方向上形成的旁瓣，可以降低對非目標基站的干擾。文獻［5］提出了一種基于平均思想的波束形成方法，該方法雖然能夠對旁瓣進行有效的控制，但是在非目標基站方向上的旁瓣電平還是較高。文獻［6～9］討論了終端用戶配置多天線的情況下用戶的協作分集策略。

在協作波束形成的過程中，本文采用一種基于節點選擇的旁瓣抑制算法。該算法只需知道接收信號的干噪比(INR)，以INR 最小原則選取節點，在非目標基站方向上抑制旁瓣的強度。該算法可以提高目標基站接收到信號的信干噪比(SINR)。

1 系統模型

假設中繼節點隨機分布在同一個平面內，基站表示為T={d0，d1，…，dD}，所有基站都分布在遠離彼此覆蓋范圍的地方，基站的方向表示為φ0，φ1，…，φD。假設在任一時間段內，源節點S={s0，s1，…，sS}處于工作狀態。此時有k+1組收發節點可以進行傳輸［10］。第k 組收發節點可表示為sk-dk。理想情況下，源節點sk的信號覆蓋范圍為一個圓，圓的半徑由節點的發送功率決定。Wk表示所有在節點sk覆蓋范圍內的中繼節點的集合。第r 個中繼節點cr，r∈Wk，用以sk為原點的極坐標(ρr，ψr)表示。平面內任意一點(A，φ)與cr的歐幾里得距離在A 遠遠大于ρ2r 時可表示為

Wk內的中繼節點的陣列增益可以表示為

其中，Pr為cr發送的功率，信號從節點傳輸到點(A，φ)產生的相位延遲為θr(φ)=(2π/λ)dr(φ)，λ 為載波的波長。，中繼節點通過節點的位置信息，使用θkr 來協調各個節點，使得波束方向圖在目標基站dk的方向上形成主瓣［5］，則Wk內的節點形成的波束方向圖可以表示為

此外，信號在傳輸過程中的衰減會影響節點間的信道。這里可以假設節點間的信道模型為hrk=ark，其中，ark為正態對數陰影衰落分量，ark～exp{N(0，σ2)}，σ2為相應零均值高斯分布的方差。

在協作波束形成的過程中，中繼節點cr，目標方向為dk，發送的信號表示為

其中，zk為sk對應的擴頻碼，中繼節點通過zk來識別不同源節點發送的信號。

那么，dk*方向上(φ=φk*)的基站接收到的信號即可表示為

2 中繼節點選擇算法

由于在非目標基站方向上的旁瓣會對無線通信系統產生嚴重干擾，所以，應該使源節點在非目標基站方向上的功率最小，從而減少非目標基站方向上的旁瓣。通過中繼節點選擇能夠有效降低信號在非目標方向上傳輸的功率，提高無線通信系統的抗干擾能力。

本文采用一種基于INR 的中繼節點選擇算法。假定源節點為sk*，在其覆蓋范圍為Wk*，范圍內中繼節點數為W，對覆蓋范圍內的每個節點進行INR 的測試。設需要選取的中繼節點總數為N，在Wk*中隨機選取一個節點設為Mk*。

設基站接收到信號的INR 為τ，為了選擇合適的節點，需要計算τ 的值。這里，假設協作通信傳輸時第k 組收發節點sk-dk的功率為ζ，另外，設每一個節點的功率為P=，其中，P 經過了歸一化處理。

當有多組sk-dk同時進行傳輸時，會有K+1 個收發節點對，在目標方向dk會有其它K 個源節點產生的干擾，雖然它們的目標方向并不是dk。設這些中繼節點的集合為Nk，根據式(5)，協作通信中所有非目標信號源在目標方向dk上形成的干擾可以表示為

由式(6)可以計算出在目標方向dk*上總的INR

其中

X，Y 為高斯分布的隨機變量，其方差為

另外，為了使最后結果不受中繼節點選取順序的影響，這里，將所有的節點編號，將滿足INR 小于閾值的節點都選出來，并計算每個節點對應的目標基站方向接收信號的平均SINR。按SINR 由高到低的順序選取前N 個節點作為傳輸用中繼節點。利用式(8)平均SINR 可以表示為

綜上所述，中繼節點選擇算法的流程圖如圖1，具體步驟如下:

1)設定INR 閾值τthr，對每個sk，在其覆蓋范圍內隨機選取一個中繼節點。

2)用式(7)計算所有非目標方向上基站接收信號的INR，并與τthr比較，如果所有非目標基站接收到的INR 都小于τthr，則選取該節點進入下一輪測試。

3)計算所有步驟(2)中選取的節點在目標基站方向上的平均SINR，按從大到小的原則，選取前N 個節點作為參與傳輸的中繼節點。

圖1 中繼節點選擇算法流程圖Fig 1 Flow chart of relay nodes selection algorithm

3 仿真結果分析

下面通過計算機仿真實驗來驗證本文方法的有效性。假設中繼節點不規則的分布在以源節點為中心的圓形平面內。

仿真實驗1:假設存在4 個非目標基站，圖2 比較了只有一組sk-dk時，采用本文算法、不采用中繼節點選擇算法以及采用文獻［5］中平均法3 種情況下所生成的波束方向圖。從圖中可以看出，文獻［5］中的方法雖然對旁瓣進行了有效控制，但是在非目標基站方向上依舊存在較高的旁瓣電平。相比之下，本文的算法在非目標基站方向上具有最低的旁瓣電平。圖3 顯示了多組sk-dk情況下采用本文算法所形成的的波束方向圖。每一對收發節點對其它收發節點的影響很小。

圖2 只有一組sk-dk 情況下的波束圖Fig 2 Beam pattern in situation of one group of sk-dk existing

圖3 存在多組sk-dk 時的波束圖Fig 3 Beam pattern in situation of multiple groups of sk-dk existing

仿真實驗2:假定最壞情況下，4 個非目標基站都位于目標基站附近的方向上。在只有一組sk-dk時，圖4 顯示出在這種情況中用文獻［5］中方法形成的波束圖在非目標基站方向上有很高的旁瓣電平，而本文提供的算法依然可以在非目標基站方向上有效地抑制旁瓣。

圖4 最壞情況下的波束圖Fig 4 Beam pattern at the worst situation

圖5 顯示了只存在一組sk-dk時的SNR 和存在多組skdk時采用本文節點選擇算法和不采用節點選擇算法的SNR。在多組sk-dk存在時，sk-dk的組數為K+1。可以看出:由于不存在其它干擾，單個源節點情況下系統具有較高的SNR。而在多個源節點情況下，采用本文算法的系統具有更高的SINR。

圖5 只有一組sk-dk 時的SNR 和多組sk-dk 時的SINRFig 5 SNR of one group of sk-dk and SINR of multiple groups of sk-dk

4 結 論

本文針對多源多中繼的協作通信網絡中，不同收發節點對會互相干擾的問題，提出了一種通過抑制非目標基站方向上旁瓣電平來提高系統SINR 的算法。仿真結果表明:算法能夠很好地抑制源節點在非目標方向上的干擾，與文獻［5］算法比較，本文算法具有更強的抑制干擾能力，具有較高應用價值。

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