分布式協同傳輸協議設計與系統實現

李思聰 熊 俊 周宣含 趙海濤 魏急波

(國防科技大學電子科學學院, 湖南長沙 410073)

1 引言

通過利用空間分集增益,分布式協同通信能有效克服信道衰落和噪聲干擾帶來的影響,增大通信覆蓋范圍,實現用戶間高速、穩定、可靠的數據傳輸[1-2]。此外,分布式協同通信系統無需網絡基礎設施支撐,可以自主組成一體化通信系統,很好地適用于無人機集群作戰等戰場無線通信場景[3]。文獻[4]提出一種基于信道容量增益的多中繼節點選擇算法,并定量地分析了中繼節點的數量和系統性能的關系。仿真表明中繼節點數量為1～4的情況下,協同傳輸對系統性能提升最為明顯。隨著中繼節點數目的增加,節點間交互的開銷增大,使得整個系統的吞吐量將趨于飽和。進一步,文獻[5]提出了一種基于門限的自適應譯碼放大轉發中繼協議,實現了放大轉發(Amplify-and-Forward, AF)與譯碼轉發(Decode-and-Forward, DF)協作方式的自適應選擇。在原型系統實現方面,文獻[6]基于通用軟件無線電平臺(Universal Software Radio Peripheral, USRP)驗證了最優中繼選擇算法的無線多中繼傳輸系統的性能。最近,文獻[7]采用USRP-B210型號的軟件無線電(Software Defined Radio, SDR)搭建了分布式協同通信系統,使用GNU Radio運行在嵌入式計算主機上,初步演示了無人機群分布式波束形成試驗。試驗結果表明分布式協作傳輸技術能夠大大提升節點間的可靠傳輸能力,進而有望實現遠距離傳輸。該試驗與最近美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)發布的“彈性組網分布式馬賽克通信(Resilient Networked Distributed Mosaic Communi-cations, RN DMC)”項目非常契合,該項目旨在利用由空間上分布的小尺寸、輕重量、低功耗及低成本(Size, weight, power, and cost, SWaP-C)收發機單元組成的馬賽克天線實現超視距的遠距離通信,通過實現分布式協同傳輸來獲取通信增益。

根據以上工作,可以看出協同通信能夠很好地提升無線通信的性能,然而目前有關協同通信的研究還有諸多需要完善之處,特別是系統實現方面?，F有提出的中繼選擇策略主要基于瞬時信道狀態,存在多節點碰撞概率高的問題,導致無法選出最優中繼。而目前的研究大多是基于MATLAB等軟件進行理論仿真,或是利用USRP搭建平臺進行測試,這些樣機系統實時性不高,缺乏實際場景測試,因而沒有真實的測試數據作為支撐。

基于此,本文設計了一種自適應分布式協同傳輸協議。在傳輸方式選擇過程中,節點首先通過實時的信道感知技術獲取兩跳通信鏈路的信道質量信息(Channel Quality Indication, CQI),設定CQI門限,設計一種自適應協同傳輸方式選擇策略。進一步,根據最大最小準則自適應選擇具有最佳端到端路徑的中繼進行協同傳輸,避免了多節點協同請求發生碰撞的問題?？紤]到戰術無線通信環境具有信道環境惡劣、干擾嚴重、信道衰落明顯等特點,中繼節點選用了DF協作處理方式,有效降低了在中繼節點處噪聲的積累,在保證傳輸增益的同時又降低了系統設計的復雜度。

最后,基于Xilinx的ZYNQ7000 FPGA系列,自主研制了原理樣機。本文針對室內外不同應用場景,從誤碼率、丟包率和吞吐量等方面對系統性能進行了測試,驗證了分布式通信系統的自主協同功能,得出了實測數據和結論,為分布式協同傳輸技術提供了基礎驗證平臺。

2 分布式協同傳輸協議設計

近年來,無線通信技術,特別是移動通信技術迅速發展,廣泛應用于各個領域。然而,無線通信具有信道衰落、多徑時延和傳輸損耗等特性,嚴重影響了終端間的通信范圍和傳輸質量。為此,協同通信技術應運而生,其基本思想是通過中繼節點幫助源節點將信息轉發給目的節點,從而有效抵抗無線信道衰落、擴大系統通信范圍、提高傳輸質量[1]。協同通信作為空間多維分集的一種特殊形式,發展至今已取得了長足的進步。實際上協同中繼通信的研究起源于上個世紀七十年代,當時主要研究了中繼信道容量。在上世紀九十年代,信道編碼和多天線技術的廣泛發展和進步,為協同通信的發展奠定了技術基礎。進入二十一世紀初,三種基本的協同傳輸方式被提出,即放大轉發、譯碼轉發和編碼協同(Coded Cooperation, CC)。其中,AF是一種非再生中繼方式,直接對信號進行放大,實現方式簡單,但是存在噪聲積累問題;DF能夠克服噪聲積累的問題,但是受信源端至目的端信道質量的影響較大;CC是一種對信噪比魯棒的協同方式,然而其系統設計復雜度較高,在一些要求低復雜度的通信場景中難以應用[8]。

地面多基站的協作多點技術(Coordinated Multiple Points, CoMP),其基本思路是指地理位置上分離的多個傳輸基站,協同參與一個終端的數據傳輸[9]。LTE-Advanced系統通過采用CoMP技術,可以大大降低小區間干擾,提升小區邊緣用戶的頻譜效率。然而,區別于CoMP技術,分布式協同傳輸(Distributed Cooperative Transmission, DCT)技術源自于協同通信技術,但具有以下三點獨特特性:一是分布式特性,分布式協同傳輸要求各節點空間上分離,且節點間不具備像CoMP技術單獨的交互鏈路支撐;二是節點身份特性,分布式協同傳輸技術要求系統中各個節點的身份對等,因而角色可互換,即節點既可以作為收發節點,也可以作為中繼節點幫助收發鏈路提升性能;三是低成本特性,分布式協同傳輸技術為了擴展應用于無人機集群等網絡,需要綜合考慮算法復雜度和成本問題。

然而,由于分布式協同傳輸系統中,各個節點在空間位置上分離開來,不同的中繼鏈路經歷的信道衰落不同,將具有不同的信道質量,同時不同的協同傳輸方式和策略所適合的場景也是不同,為此選擇哪個節點進行中繼傳輸和如何進行中繼傳輸成為了分布式協同傳輸技術發展的兩個關鍵問題。

2.1 協同傳輸方式選擇

考慮到戰術無線通信環境的復雜性和多變性,本文的分布式協同傳輸系統中的中繼節點采用譯碼轉發DF方式,且在中繼節點處進行CRC檢驗,從而避免前向誤差傳播,保證了系統的傳輸增益。

本文采用的協作方式具體實現過程如圖1所示。第一階段,源節點S采用廣播模式將信號x發送給中繼R和目的節點D,中繼節點R、目的節點D接收到的信號分別為:

圖1 譯碼轉發協議模型Fig.1 Protocol model of decode-and-forward

(1)

(2)

第二階段,中繼對源端發送來的信號進行解碼CRC校驗,再編碼。生成與源端相同的信息,然后再將信號發送給目的節點,則目的節點D接收到的信號為:

(3)

在譯碼轉發后,當中繼檢測譯碼數據錯誤時,目的端收到的是錯誤信號,那么將該數據要求發送端重傳。只有當中繼檢測正確時,中繼節點進一步轉發至目的端。節點間的信道性能將直接影響到解碼轉發方式的信道容量,信道容量的表達式為[1]:

(4)

進一步,考慮到無線信道環境動態變化,本文提出一種自適應的協同傳輸模式選擇策略。其主要思想是分布式協同通信系統中各個節點通過實時信道感知能夠獲取到兩跳內的信道質量表,每個節點維護一個實時更新的兩跳鄰節點信道質量表。針對源節點到目的節點通信,考慮三種傳輸模式:源節點到目的節點的低功率直傳、源節點-最佳中繼轉發-目的節點、以及源節點到目的階段的大功率直傳,而自適應協同傳輸方式的選擇依據為對比直傳鏈路信道質量CQIsd和中繼鏈路的等效信道質量CQIr。

在傳輸起始,源節點根據自身的兩跳鄰節點信道質量表,確定數據的具體傳輸模式。其中,直傳CQIsd是指一跳鄰節點信道指標表數據,初始運行默認值設為0;中繼等效信道質量CQIr=MIN(CQI1,CQI2),CQI1和CQI2分別指二跳鄰節點表中源節點至中繼節點的信道質量和中繼節點至目的節點的信道質量,若二跳鄰節點不存在,則該節點的中繼等效CQIr=0。

源節點基于上述CQI信息,對其進行對比判斷,選擇具體傳輸方式:

①若直傳CQIsd==0,即一跳鄰節點表中未找到該節點信息,該情況一般發生在初始階段,則默認第一次傳輸為直傳,若直傳不通,重傳時再進行比較CQI;

②直傳CQIsd≠0,中繼等效CQIr==0,即存在直傳鏈路,中繼鏈路未知,則選擇直傳;

③直傳CQIsd≠0,中繼等效CQIr==0,即同時存在直傳鏈路和中繼鏈路,對直傳CQIsd和中繼等效CQIr基于最大信道質量準則進行對比后選擇最佳傳輸方式,若兩者相等則優先選擇直傳;

④直傳CQIsd≠0,中繼等效CQIr≠0,但兩個CQI都偏小,小于某個閾值ε,則選擇大功率直傳模式。

2.2 中繼節點選擇

目前的研究中,中繼節點選擇策略主要有基于信噪比門限、基于瞬時信道狀態信息、基于中斷概率、基于端到端誤碼率和基于功率分配的中繼選擇策略[10-11]。其中,基于瞬時信道狀態信息的中繼選擇策略使用較多,其基本思想是中繼節點i通過一定準則估計其與源節點間的信道系數hs,i以及其與目的節點間的信道系數hi,d,再根據估計的hs,i和hi,d計算相應的混合信道度量參數hi,然后設定計時器,時間為hi的倒數,最先超時的中繼為最優中繼,并發送標志分組給其他中繼,表明自己是最優中繼,然后進行協同傳輸。

但由于該策略在實現過程中,定時器時間設為信道度量參數hi的倒數,如果兩個中繼節點的hi相同或者相差很小,那么在中繼選擇過程中,就可能發生碰撞問題,導致無法選出最優中繼。此外,傳統固定門限的協同節點選擇普遍要求節點位置是固定的,這大大限制了分布式協同傳輸的應用[12]。

基于此,本文提出一種基于瞬時信道質量感知的自適應中繼選擇策略。如前所述,系統中每個節點通過信道感知技術直接獲得兩跳通信鏈路的CQI值,形成鄰節點信道質量表。所提出的自適應中繼選擇策略的主要思路是通過設定信道質量CQI門限,源節點根據鄰節點信道質量表自適應地選擇最佳中繼節點。該策略有效避免了傳統基于瞬時信道狀態的中繼選擇策略中,多中繼節點頻繁交互可能發生碰撞的問題。也克服了傳統基于門限的中繼選擇,預先設置門限難以適應不同通信環境。所提自適應中繼選擇策略實現過程如下:

1)網絡中各個節點通過信道感知技術獲得兩跳通信鏈路的信道質量CQI值,形成鄰節點信道質量表;

2)源節點將兩跳鄰節點信道指標表中CQI大于門限值γ的中繼作為備選中繼節點;

3)源節點根據最大最小準則,在備選中繼節點集合中選擇最優中繼。

其中,最大最小準則如下:

CQI=max{min(CQIsri,CQIrid)}

(5)

式中,CQIsri表示源節點至中繼節點i的信道質量,CQIrid表示中繼節點i至目的節點的信道質量,該準則的基本思想是選取CQIsri值和CQIrid值中最小者作為中繼i的等效CQIri,然后在所有備選中繼節點集合中,選取等效CQIri最大的作為中繼節點進行協同傳輸。

3 分布式協同傳輸系統實現

圖2給出了基于ZYNQ FPGA架構的分布式協同傳輸系統示意圖,該系統共包括5個通信節點。另外,5臺筆記本電腦通過網線與原理樣機連接,用于系統配置和測試數據的記錄。不同的測試場景需要的通信節點數目不同,網絡中的每個節點均可以自主選擇自己的角色和身份,既可以作為源節點和目的節點進行信息的收發,也能作為中繼節點協助收發兩端進行協同傳輸。此外,如圖3所示,該原理樣機系統還包括一架大疆無人機M300,用于搭載通信模塊,進行空中無人機場景的測試。

圖2 分布式協同傳輸系統圖Fig.2 System diagram of distributed cooperative transmission

3.1 原理樣機系統架構

原理樣機在圖3和圖7中均用紅圈標注,其硬件設計框圖如圖4所示,主要由基帶板、射頻板和接口板組成,三塊單板分層疊放?；鶐О灏琙YNQ7000+AD9361功能電路,接口板集成接口電路,可按照需求設計不同外設接口,射頻板可針對不同頻段實現定制化設計。基帶板與接口板通過板對板連接器進行連接;基帶板與射頻板的射頻信號用板對板射頻頭柔性對插連接,控制及電源信號用線對板的連接。

圖3 無人機通信模塊Fig.3 Communication module of unmanned aerial vehicle

圖4 原理樣機硬件設計框圖Fig.4 Hardware block diagram of prototype system

基帶模塊是樣機最核心的部分,主要包括四個部分,即Z7030最小系統、Z7030電源系統,Z7030部分外部接口(包含Ethernet PHY、USB PHY),AD9361電路四大部分組成,各部分功能如下:

1)Z7030最小系統:Z7030的ARM側主要實現基帶模塊的32 MB的QSPI FLASH、8 GB的EMMC,以及512M的DDR3存儲系統;

2)AD9361電路,支持兩收兩發設計,從AD9361出入的差分信號經過Balun器件后得到單端信號;

3)電源部分:通過接口模塊上供給的+5 V電壓,產生得到ZYNQ需要的各路電壓,即1.0 V,+1.35 V,+1.8 V及+3.3 V;

4)外部接口PHY電路,其中基帶模塊上集成以太網PHY和USB-PHY,即單板通過PHY轉換后以差分對形式向接口板輸出信號。

3.2 分布式協同傳輸協議實現

分布式協同傳輸協議針對所提出的自適應分布式傳輸技術,通過多個分布式節點之間的協同傳輸和信息交互,實現組群內節點的資源共享,從而提升復雜環境下的可靠傳輸。

整個分布式協同傳輸過程分為接收反饋、自適應傳輸方式選擇、中繼選擇、譯碼轉發四個主要過程。接收反饋主要是接收端將接收的統計信息和感知的鏈路信息反饋回發送端的過程,實現鄰節點信道質量表的實時更新;自適應傳輸方式選擇主要是根據前述自適應協同傳輸策略,源節點根據兩跳鄰節點信道質量表,進行協同傳輸方式自適應選擇;中繼選擇過程主要是根據前述協同中繼節點選擇方案,由源節點根據到目的節點的鏈路質量決策出最佳中繼進行傳輸的過程;譯碼轉發主要是中繼節點在接收到中繼轉發幀時,采用譯碼轉發DF的過程。分布式協同傳輸協議流程框圖如圖5所示。

圖5 分布式協同傳輸協議流程框圖Fig.5 Flow chart of distributed cooperative transmission protocol

具體實現流程為:

1)根據兩跳鄰節點信道質量表,源節點選擇直傳還是中繼的方式傳輸數據到目的節點;

2)在源節點選擇中繼模式后,從候選中繼集合中基于瞬時信道質量CQI選出最佳中繼進行譯碼轉發,同時為了防止中繼頻繁切換帶來性能下降,在選擇的中繼能滿足當前轉發信息正常傳輸時,將具備中繼保持的功能;

3)中繼節點譯碼后收到需要轉發幀,先對接收幀進行CRC解碼,判斷是否接收正確,若接收正確則將數據發往目的節點;

4)目的節點接收中繼節點的轉發數據,譯碼并統計接收信息,并對信道鏈路質量進行反饋。

4 系統仿真與實際場景測試

為更好體現協議設計與系統實現的有效性和可信度,本文首先通過matlab軟件對提出的分布式協同傳輸協議進行仿真分析,包括信道狀態不同時,單中繼協同傳輸誤碼率仿真和多候選中繼協同傳輸誤碼率仿真。然后,結合實際運用,從室內場景和室外場景對分布式協同傳輸系統進行了測試,室內場景用于測試系統自適應傳輸方式選擇的功能,室外場景則包括不同位置下的單中繼協同、多候選中繼下的協同傳輸以及系統的自主協同功能測試。

系統采用OFDM傳輸體制,具體參數如表1所示。

表1 系統參數

4.1 系統仿真

仿真過程中,采用了斯坦福過渡(Standfrod University Interim,SUI)信道模型[13],參數如表2所示,系統頻偏設置為-0.5到0.5的均勻分布,蒙塔卡羅仿真次數為10000次。

表2 SUI信道模型

表3是信噪比設為18 dB時,不同信道狀態下單中繼協同傳輸誤碼率仿真結果。仿真中,我們將源節點和目的節點之間的信道設為SUI-5信道,表示信道質量較差的通信鏈路,中繼與源節點之間設置為SUI-1信道,與目的節點之間的信道分別設置為SUI-3信道、SUI-2信道和SUI-1信道。其中,S表示源節點,D表示目的節點,R表示中繼節點,仿真場景分別與4.3.1節中實測場景對應。從仿真結果可以看出,當直傳鏈路信道質量較差時,協同傳輸誤碼率低于直傳,且中繼節點信道狀態越好,系統傳輸誤碼率越低。

表3 單中繼協同傳輸誤碼率仿真

為仿真更加惡劣的信道環境,以更好體現分布式協同傳輸對系統性能的提升,我們將信噪比設置為15 dB,源節點和目的節點之間設為SUI- 6信道,表4為多候選中繼下協同傳輸誤碼率仿真結果。仿真中,我們將中繼節點的個數分別設為1個、2個和3個,中繼R1、中繼R2和中繼R3與源節點之間均設置為SUI-1信道,與目的節點之間的信道分別設置為SUI- 4信道、SUI-3信道和SUI-2信道,三個仿真場景對應于4.3.2節中實測場景1、場景2和場景3。從仿真結果中可以看到,候選中繼越多,系統的傳輸誤碼率越低,傳輸性能越好。

表4 多候選中繼協同傳輸誤碼率仿真

4.2 室內傳輸

圖6為室內傳輸場景示意圖,以實驗室為測試場景,用于測試系統的自適應傳輸方式選擇功能。

圖6 室內傳輸場景示意圖Fig.6 Sketch map of indoor transmission

場景1:源節點S置于點1處,目的節點D置于點2處,S-D鏈路處于視距(Line of Sight, LOS)狀態;

場景2:源節點S置于點1處,目的節點D置于點4處,S-D鏈路處于非視距(Not Line of Sight, NLOS)狀態;

場景3:源節點S置于點1處,目的節點D置于點2處,協同節點R置于點3處;

場景4:源節點S置于點1處,目的節點D置于點4處,協同節點R置于點5處。

圖7為場景3的系統搭建圖,通信節點按照圖6放置,源節點S處紅色圓圈內為原理樣機,通過數據線與右側電腦連接,測試結果如表5所示。

圖7 室內傳輸場景3系統搭建Fig.7 System building of third scene in indoor transmission

表5 室內傳輸測試結果

室內傳輸場景測試的主要目的是:1)近距離直傳,獲取系統的吞吐量,并作為理想狀態下的吞吐量,用于與后面各測試場景作比較;2)測試系統的自適應選擇傳輸方式的功能。

從測試結果可以看到,場景1中,源節點S和目的節點D之間為LOS鏈路,信道狀態較好,誤碼率和丟包率均為0,吞吐量為1.397 Mbps,可以表示理想狀態下的一個傳輸限,用于和后面的測試做比較。

場景2中,S-D為NLOS鏈路,源節點和目的節點之間由于墻壁的遮擋,傳輸誤碼率和丟包率都有增加,而吞吐量降低,傳輸性能不如場景1。

場景3中,S-D為LOS鏈路,信道狀態較好,故中繼并未參與協同,但是會產生一定的開銷,用于維護鄰節點信道質量表和中繼選擇的信息交互。從測試結果來看,測試場景3中,系統的吞吐量為1.380219582 Mbps,比場景1中1.396734322 Mbps下降了0.01651474 Mbps,計算可知,維護鄰節點信道質量表等開銷占比為不超過2%。

場景4中,S-D鏈路信道狀態較差,中繼參與協同,與場景2相比,通過中繼進行協同傳輸,誤碼率和丟包率都下降了一個數量級,吞吐量為理想直傳下的一半。

從表5的測試結果來看,本文的分布式協同傳輸系統可以根據源節點、中繼節點以及目的節點之間的信道狀態選擇傳輸方式,實現了系統的自適應傳輸方式選擇功能。

4.3 室外傳輸

圖8為室外傳輸示意圖,本文以校園內籃球場為測試場景,該場景樹木較為茂盛。測試場景主要包括單中繼協同傳輸、多候選中繼協同傳輸和系統自主協同功能測試。在室外傳輸測試中,通過在不同位置布置通信節點,構造不同信道狀態的傳輸鏈路,模擬真實戰術無線通信環境中惡劣的通信環境以及多變的信道狀態,以測試本文提出的自適應分布式傳輸系統在面對惡劣的無線信道環境時,能夠實現自主協同功能,自適應選擇中繼節點和傳輸方式,以保證通信組網的穩定性和魯棒性,進而提升系統的傳輸性能。

圖8 室外傳輸場景示意圖Fig.8 Sketch map of outdoor transmission

4.3.1單中繼協同測試

場景1:源節點S置于點1處,目的節點D置于點2處,單鏈路的直傳方式;

場景2:源節點S置于點1處,目的節點D置于點2處,地面中繼節點置于點3處;

場景3:源節點S置于點1處,目的節點D置于點2處,地面中繼節點置于點4處;

場景4:源節點S置于點1處,目的節點D置于點2處,空中中繼節點置于點4′處。

為了分析不同位置的中繼節點協同傳輸對系統性能的提升,本文首先將源節點S和目的節點D之間置于NLOS狀態,然后在圖8所示位置布置中繼節點,使各節點到源節點和目的節點之間的信道狀態不同。

從表6測試結果可以看到,場景1中,因為有樓房和樹木的遮擋,直傳誤碼率和丟包率均較高,吞吐量只有室內傳輸測試場景1直傳下的三分之一。

表6 單中繼協同傳輸測試結果

對比場景2到場景4,可以看出,加入中繼進行協同傳輸,傳輸誤碼率和丟包率下降,吞吐量增加,但中繼所處位置不同,與源節點和目的節點之間的信道狀態不同,對系統性能的提升也不一樣。當中繼節點置于點3時,因為其距離源節點位置較遠,且與目的節點之間有房屋遮擋,兩條鏈路的信道質量都不好,故其協同傳輸性能明顯不如場景3和場景4。

對比場景3和場景4,在同樣的水平位置上,空中中繼節點比地面中繼節點的協同性能要好,尤其是在誤碼率上,空中中繼協同傳輸的誤碼率為0。這是因為空中中繼與源節點和目的節點之間都是直射LOS鏈路,信道質量更好,故其協同傳輸性能明顯要優于地面中繼。

對比分析表6的測試結果和表3的仿真結果,可以看出,當源節點和目的節點之間的信道狀態較差時,通過中繼進行協同傳輸能夠提高系統傳輸性能,且中繼節點的信道狀態越好,協同傳輸的誤碼率越低,二者在這個方面有著相同的趨勢,但在數值上略有差異,其原因是仿真采用了SUI信道模型,但是在實際測試場景中,信道變化迅速,不能完全由SUI信道表示,另外,過往的車輛、周邊的電磁信號也會對測試產生一定影響。

4.3.2多候選中繼協同測試

場景1:源節點S置于點1處,目的節點置D于點6處,地面中繼R1置于點3;

場景2:在場景1的基礎上加入地面中繼R2并置于點5處;

場景3:在場景2的基礎上加入地面中繼R3并置于點4處;

場景4:在場景2的基礎上加入空中中繼R3并置于點4′ 處。

為了模擬更加惡劣的戰術無線通信環境,我們將源節點S置于點1處,目的節點D置于點6處,使源節點和目的節點之間不能直接通信,必須通過中繼進行協同傳輸。

表7為測試結果,圖9為對應柱狀圖。從測試結果來看,隨著候選中繼數目的增加,系統的誤碼率和丟包率逐步下降,吞吐量逐步提高,系統傳輸性能得到提高,該測試結果與表4的仿真結果有著同樣的趨勢,體現了分布式協同傳輸系統的有效性。理論證明,假定N個候選中繼節點,分布式協同傳輸系統能夠獲得N階分集增益,其原因是,候選中繼越多,所有中繼鏈路同時經歷深衰落的概率就越小,從而系統傳輸性能增益就越大。

表7 多候選中繼協同傳輸測試結果

圖9 多候選中繼協同傳輸測試結果柱狀圖Fig.9 Histogram of test results in cooperative transmission with multi relay

對比場景3和場景4可以發現,在空中中繼節點參與協同的情況下,系統誤碼率下降了兩個數量級,丟包率下降了一個數量級,吞吐量得到提高,系統傳輸性能得到更好的改善?？梢?利用基于無人機的空中中繼節點具有直射路徑的獨特優勢,能夠大大提升系統的可靠傳輸性能。

4.3.3自主協同功能測試

在測試場景4.3.2的基礎上,通過交換節點的角色和身份,測試系統的自主協同功能,場景如下:

場景1:點6作為源節點,點1作為目的節點,中繼R1置于點3處、中繼R2置于點5處、空中中繼R3置于點4′ 處;

場景2:點1作為源節點,點3作為目的節點,中繼R1置于點6處、中繼R2置于點4處、中繼R3置于點5處。

場景1中,源節點和目的節點之間不能直傳,故需通過中繼進行協同傳輸。場景2中,源節點1和目的節點3之間能夠直接傳輸,故不需要進行協同傳輸,中繼節點保持靜默狀態。

從表8測試結果來看,各通信節點身份發生改變之后,仍然可以進行直傳或者分布式協同通信。由此可見,每個節點既可實現收發功能,還能作為中繼進行協同傳輸,實現了分布式自主協同功能。

表8 自主協同傳輸測試結果

5 結論

分布式協同傳輸技術通過利用空間多維分集增益,有效提升了系統的可靠傳輸性能,能夠提升覆蓋范圍、擴展通信距離。本文針對目前原理樣機和實測數據較少的現狀,設計并實現了一套自適應分布式協同傳輸系統,通過自主研發的原理樣機,對協同通信的應用場景進行了測試和分析,得出如下結論:

1)相比源節點到目的節點間點對點的單鏈路傳輸,選擇多個中繼節點進行分布式協同傳輸,系統的可靠傳輸性能會得到大大提升。

2)中繼節點所處的位置不同,對系統傳輸性能的影響也不一樣,且空中中繼協同傳輸性能優于地面中繼,候選中繼數目越多,協同傳輸性能越好。下一步可以研究基于地理位置的自適應協同傳輸機制,進一步獲取空間增益。

3)系統能夠根據通信鏈路信道質量自適應選擇中繼節點和協同傳輸方式,而且每個節點既能作為源節點和接收節點,又能充當中繼節點進行協同傳輸,實現了分布式通信系統的自主協同功能。

4)本文首次驗證了基于無人機的分布式協同傳輸優勢,充當中繼的無人機在源節點與目的節點之間,利用直射路徑提供了更優的中繼傳輸性能。下一步可以利用無人機的高機動性減少信息接收與中繼轉發階段的信息傳輸距離,進而降低信息傳輸過程中的大尺度損耗,從而提高無人機通信的傳輸性能。

5)分布式協同傳輸技術可以利用低成本的天線終端獲取高階分集增益,是一種實現分布式馬賽克通信的有效手段。