[发明专利]基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案

说明书

技术领域

本发明属于无线传感领域，具体提出了一种基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案。

背景技术

无线传感器网络是集成了信息监测、数据处理以及无线通信的网络系统，随机布设的节点数成千上万，分布较为密集，特别是军事侦察、环境监控、公共安全等无线传感器网络，其设计规模一般较大，节点容易出现故障，导致网络拓扑结构发生变化。同时，能量受限是无线传感网一个的重要特征，如何使传感网节点能量消耗最小化是无线传感网中的重要研究课题。目前，将能量受限的单天线传感网节点以一定的机理有效的协同起来形成虚拟的多天线系统，以此来提高网络系统的频谱效率和能量效率，达到降低系统能耗的目的，已成为无线传感网领域研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于分布式空时分组码译码转发的无线传感网协同分集方案。以有效解决现有的放大转发、译码转发、编码协同等几种协同方案设计复杂、实现困难、分集效率低、协同同步困难等问题，有效提高系统的频谱效率和能量效率，大大降低无线传感网的系统能耗。

本发明的技术方案包括以下五个部分：

(1)将空时分组编码STBC技术与译码转发DF中继技术结合起来，形成无线传感网分布式节点的空时分组码译码转发DSTBC-DF的协同分集方案，利用STBC编码矩阵行矢量的正交性来解决协同通信问题。

(2)对于一个协作伙伴的协同通信，采用Alamouti编码矩阵的两行来设计信源与伙伴节点信息数据，并采用信源与伙伴分时发送策略，有效解决了协作双方同时发射时因传输距离不等造成的不同步问题。

(3)当信源节点和信宿节点距离较远不能直接通信时，采用双伙伴来形成Alamouti编码矩阵的正交形式，这样信宿端也形成了编码矩阵的两路数据，可按Alamouti译码算法进行译码。

(4)设计了一套适合DSTBC-DF的协同分集协议，协同通信按周期进行，每个周期有簇头确定、协同建立、时隙规划、数据传输四个阶段。

(5)采用动态的伙伴选择策略进行协作伙伴选择，即基于簇内节点的能量、信源与伙伴间的信道状态信息，以及伙伴节点的地理位置信息，建立一个备选伙伴列表，并根据能量消耗和信道即时信息的变化情况，及时更新伙伴列表。

上述(1)部分中将STBC与DF结合的协同分集方案是将单天线的传感网节点形成虚拟的MIMO形式，利用MIMO技术来解决协同通信，不仅实现简单，而且能够提供较大的分集增益和阵列增益，使系统获得较高的频谱效率和能量效率。上述(2)部分中利用Alamouti的编码矩阵来设计信源和伙伴节点的数据使之正交，以便获取分集增益，而且译码简单。(2)部分中信源节点与伙伴节点分时发射，避免了信源和伙伴不同步引起的两路协作数据不能理想正交造成的系统性能的下降。(3)部分中采用两个协作伙伴来利用Alamouti的编码矩阵的正交性形成协同通信，避免了一个协作伙伴时，信源与信宿距离较远或它们间信道较差，无法有效协同通信的情况。(4)部分中以简单的协议设计，实现了协同通信的整个过程。(5)部分中采用动态的伙伴选择策略，根据各种信息的即时编码来更新协作伙伴列表，避免了固定的某些节点被反复选中，以致能量消耗过快死亡，从而破坏整个网络的拓扑结构。相比基于队列、能量或信道状态信息的固定伙伴选择策略，采用综合节点能量、信道状态信息和节点地理位置信息的伙伴选择策略，更能够确保协同分集通信的有效性，并使簇内的所有节点能耗达到某种平衡，最终使网络系统平均能耗消耗最小，网络工作生存周期最长。

本发明的优点是：本发明提出的基于分布式空时分组编码的协同通信相比传统的点对点的单入单出SISO通信能获取分集增益和编码增益，使得系统有更高的频谱效率和能量效率。本发明提出的基于分布式空时分组编码译码转发的协同通信相比放大转发和混合解码转发不仅能提供更高的分集增益，而且在SNR较低的情况下也有很好的协作效果。本发明提出的基于分布式空时分组编码译码转发的协同通信相比传统的重复编码协同通信有更高的编码效率，且实现更简单。基于单伙伴的分布式空时分组编码的协同通信利用分时处理策略，避免了信源和伙伴不同步引起的两路协作数据不能理想正交造成的系统性能的下降。相比基于队列、能量或信道状态信息的固定伙伴选择策略，本发明提出的基于节点能量和信道状态信息，并综合考虑地理位置信息的动态伙伴选择策略，能够确保协同分集通信的有效性，并使簇内的所有节点能耗达到某种平衡，避免某些节点被反复选中，以至于能耗消耗过快而死亡，最终使网络系统平均能耗消耗最小，网络工作生存周期最长。