專利名稱：基于無線傳感網(wǎng)的虛擬mimo功率分配傳輸方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線信息傳輸領(lǐng)域，特別涉及一種基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案。

背景技術(shù)：
多天線(MIMO)技術(shù)相比較傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)，在相同的發(fā)射功率和發(fā)送速率下可以達到更好的傳輸性能，是當今無線通信領(lǐng)域的研究熱點。但由于受終端設備價格及體積等因素的影響，在無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點上不適合配置多天線。此外，簡單易實現(xiàn)的虛擬MIMO發(fā)射功率優(yōu)化分配方案也是當前急需解決的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率優(yōu)化分配傳輸方案，以實現(xiàn)一個簇中的傳感器節(jié)點同時向多天線匯聚節(jié)點發(fā)送信息，提高信息處理的實時性，同時還可以結(jié)合MAC協(xié)議進行發(fā)射功率優(yōu)化分配，在接受端達到相同誤碼率條件下，降低發(fā)射端總功率。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供的基于異構(gòu)無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率優(yōu)化分配傳輸方案，其包括步驟1)在無線傳感器網(wǎng)絡中，一個簇中需要發(fā)送信息的節(jié)點向匯聚節(jié)點分別發(fā)送RTS包；2)匯聚節(jié)點根據(jù)所述每個節(jié)點發(fā)出的RTS包，估計出這條鏈路的信道沖擊響應；3)利用所述信道沖擊響應信息，在發(fā)射總功率一定的條件下，采用基于Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件的最優(yōu)功率分配算法和基于等信干噪比(SINR)的次優(yōu)功率分配算法，計算出各節(jié)點的優(yōu)化發(fā)射功率；4)將所述優(yōu)化發(fā)射功率信息加入到CTS包中廣播發(fā)回整個簇中，建立起空閑的MIMO信道；5)簇中的發(fā)射節(jié)點接收到所述CTS包后同時按照所述優(yōu)化的發(fā)射功率同時發(fā)射信號；6)匯聚節(jié)點接收到所述多個節(jié)點發(fā)射的信號后，結(jié)合每個節(jié)點的發(fā)射功率采用分層檢測算法來對每層信號進行解碼；7)根據(jù)每個節(jié)點的信息融合來進行目標跟蹤定位等無線傳感器網(wǎng)絡應用。
其中，在步驟1)中，需要發(fā)送信息的節(jié)點時分或碼分地發(fā)送RTS包。
在步驟2)中，匯聚節(jié)點通過所述RTS包估計出第k個節(jié)點和匯聚節(jié)點間的平坦信道沖擊響應是hk，具體的信道估計算法已有很多，再此不再累述。
在步驟3)中，利用所述CSI計算出的每個節(jié)點的優(yōu)化發(fā)射功率。假設簇中總發(fā)射功率為N，基于KKT條件的最優(yōu)功率分配系數(shù)為其中R為調(diào)制階數(shù)，為保持總發(fā)射功率一定，Nreserve為發(fā)射功率不為零的節(jié)點個數(shù)，集合ki代表第i層檢測的節(jié)點號，Λki相當于等發(fā)射功率下每層檢測符號的SINR的倒數(shù)，對于不同的檢測算法，Λki的表達式也不一樣。采用ZF-SIC檢測算法時，采用MMSE-SIC檢測算法時，其中，(·)+表示Moore-Penrose偽逆，‖·‖表示向量的模，<·>j表示矩陣的第j行，[·]j表示矩陣的第j列，

表示將k1，k2，L，ki列置零的矩陣，{k1，k2，L，kN}是N層發(fā)送符號的檢測次序，Gi′是等功率發(fā)射時MMSE算法的相消矩陣。
在步驟3)中，基于等SNIR的次優(yōu)功率分配系數(shù)為Λki為所述等發(fā)射功率下每層檢測符號的SINR的倒數(shù)。
在步驟4)中，將pki的值加入到CTS信息包中以廣播信道反饋給發(fā)送RTS包的簇。
在步驟5)中，每個節(jié)點以pki的功率發(fā)射信號，功率為零的節(jié)點不發(fā)送信息或找其他信道條件好的匯聚節(jié)點通信。
在步驟6)中，多天線的匯聚節(jié)點結(jié)合每個節(jié)點的發(fā)射功率采用連續(xù)干擾相消迫零(ZF-SIC)算法或連續(xù)干擾相消最小均方誤差(MMSE-SIC)算法來對每層信號進行解碼，還可以采用迭代處理等其他分層檢測算法。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)本發(fā)明的空分復用虛擬MIMO傳輸方案可以適用于任何異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡，提高了信息處理融合的實效性。(2)本發(fā)明的功率分配算法和相應的檢測算法相比較等功率發(fā)射可以大大提高系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，在相同傳輸質(zhì)量要求下可以節(jié)省傳感器節(jié)點的發(fā)發(fā)射能量，延長網(wǎng)絡的生存周期。(3)本發(fā)明結(jié)合MAC的RTS/CTS協(xié)議來獲得反饋的信道狀態(tài)信息，不需要額外的開銷發(fā)射端即可獲得信道狀態(tài)信息知識，對現(xiàn)有協(xié)議修改不大，兼容性強。(4)本發(fā)明的虛擬MIMO功率分配傳輸方案加強了信息處理的實時性，且能有效地改善系統(tǒng)誤碼率性能，降低發(fā)射功耗，實用性強，便于無線傳感器網(wǎng)絡的應用。



圖1為本發(fā)明的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案的系統(tǒng)框圖。
圖2為本發(fā)明的基于發(fā)射功率分配的匯聚節(jié)點采用的ZF-SIC分層解碼算法流程圖。
圖3為本發(fā)明的基于發(fā)射功率分配的匯聚節(jié)點采用的MMSE-SIC分層解碼算法流程圖。
圖4為本發(fā)明的基于ZF-SIC的無線傳感網(wǎng)虛擬MIMO功率分配傳輸方案和等功率發(fā)射的解碼誤差比較示意圖。
圖5為本發(fā)明的基于MMSE-SIC的無線傳感網(wǎng)虛擬MIMO功率分配傳輸方案和等功率發(fā)射的解碼誤差比較示意圖。

具體實施例方式 請參閱圖1，本發(fā)明的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案主要包括以下步驟第一步在一個無線傳感器網(wǎng)絡中，作為信源的傳感器節(jié)點簇搜集到信息后要向匯聚節(jié)點傳輸，常用的信道預約和信道建立的MAC協(xié)議是RTS/CTS協(xié)議，本發(fā)明結(jié)合MAC層的RTS/CTS協(xié)議，首先需要發(fā)送信息的節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送嵌入了訓練序列的RTS信息包，匯聚節(jié)點接收此包后，估計出每個節(jié)點和匯聚節(jié)點之間的平坦信道的沖擊響應，平坦信道估計算法已有很多，在此不再詳述。匯聚節(jié)點將估計出的整個虛擬MIMO信道的沖擊響應矩陣。
第二步根據(jù)估計出的信道沖擊響應矩陣確定所述發(fā)射端各節(jié)點的功率分配系數(shù)，以使確定的各功率分配系數(shù)的總和為N，即每個節(jié)點的平均發(fā)射功率為1。同時在確定的功率分配系數(shù)條件下的匯聚節(jié)點處的解碼誤差最小。本發(fā)明針對常用的ZF-SIC和MMSE-SIC解碼算法提供了兩種功率分配算法 1、基于KKT條件的最優(yōu)功率分配算法，此算法計算復雜度稍高，但降低誤碼率的效果最優(yōu)，適用于對解碼精度要求高而匯聚節(jié)點資源充足的條件下。分配系數(shù)為其中R為調(diào)制階數(shù)，為保持總發(fā)射功率一定，Nreserve為發(fā)射功率不為零的節(jié)點個數(shù)，集合ki代表第i層檢測的節(jié)點號，Λki相當于等發(fā)射功率下每層檢測符號的SINR的倒數(shù)，對于不同的檢測算法，Λki的表達式也不一樣。采用ZF-SIC檢測算法時，采用MMSE-SIC檢測算法時，其中，(·)+表示Moore-Penrose偽逆，‖·‖表示向量的模，<·>j表示矩陣的第j行，[·]j表示矩陣的第j列，

表示將k1，k2，L，ki列置零的矩陣，{k1，k2，L，kN}是N層發(fā)送符號的檢測次序，Gi′是等功率發(fā)射時MMSE算法的相消矩陣。出現(xiàn)功率為零的情況即說明此節(jié)點的信道環(huán)境太差，接收它的信號會提高整個簇信息的質(zhì)量，此節(jié)點應該不發(fā)送信號或?qū)ふ移渌诺拉h(huán)境好的匯聚節(jié)點通信。
基于等SINR的次優(yōu)分配算法，此算法復雜度低，但是解碼效果不如所述最優(yōu)分配算法，適用于對精度要求不是太高，匯聚節(jié)點資源寶貴的條件下。功率分配系數(shù)為Λki為所述等發(fā)射功率下每層檢測符號的SINR的倒數(shù)。
第三步將計算出的所述pki值加入到CTS包中以廣播信道反饋回所述信源端，信源接收到CTS包后知道信道空閑，同時以所述pki的功率向匯聚節(jié)點發(fā)射信號，同步和功率分配問題同時得到解決。
第四步多天線的匯聚節(jié)點接收到通過MIMO信道的來信號，本發(fā)明結(jié)合所述pki的值采用修正的ZF-SIC和MMSE-SIC分層檢測算法來解碼。請參見圖2，3。圖2為ZF-SIC檢測算法的流程圖。其中，(·)+表示Moore-Penrose偽逆，‖·‖表示向量的模，<·>j表示矩陣的第j行，[·]j表示矩陣的第j列，

表示將k1，k2，…ki列置零的矩陣，Q(·)是與調(diào)制方式有關(guān)的解碼函數(shù)，

是xki的估計值，{k1，k2…，kN}是N層發(fā)送符號的檢測次序，(2d)和(2k)中僅由信道H的信息進行檢測排序，相當于平均分配功率P＝IN時的順序，(2h)中的Λki為各天線等功率發(fā)射時，第i層檢測符號的SINR的倒數(shù)，此值將用于計算優(yōu)化分配的功率系數(shù)，(2e)中的迫零向量可以寫成相當于在P＝IN條件下第i層檢測的迫零向量，本發(fā)明定義決定每層檢測性能的SINR為(2f)中判決統(tǒng)計量zki的SINR，ZF-SIC算法中干擾信號被消除，所以ki層檢測信號的SINR表示ZF-SIC算法移除干擾信號但會使噪聲增強，MMSE-SIC算法在干擾抑制和減少噪聲兩方面進行折中，也就是使發(fā)射端和接收端之間的均方誤差最小。圖3是MMSE-SIC檢測算法流程圖。與所述ZF-SIC檢測算法區(qū)別在于(2c)(2i)中的相消矩陣變?yōu)?3c)(3i)，(2d)(2k)中的檢測排序變?yōu)?3d)(3k)，(2h)中的SINR倒數(shù)變?yōu)?3h)。其中，表示P＝IN條件下的相消矩陣，(·)ij代表矩陣第i行第j列的元素，除了排序和相消向量與所述ZF-SIC算法不同以外，其余步驟兩種算法相同，MMSE-SIC算法的ki層檢測信號的SINR表示為注意到和所述ZF-SIC算法不同，MMSE-SIC算法的檢測SINR不僅和分配給本層檢測符號的功率有關(guān)，分配給其它層檢測符號的功率對ρki也有影響。為了統(tǒng)一，將ρki近似表式成pki是發(fā)送功率系數(shù)，ρki|P＝IN、vki分別是在P＝IN條件下檢測的符號SINR和相消向量，在低SINR下誤差較大。由于MMSE-SIC算法中，wki和vki之間沒有比例關(guān)系，所以發(fā)射端功率分配要計算vki，接收端檢測要計算wki，增加了BLAST系統(tǒng)的計算量。
以下將通過仿真進一步說明采用本發(fā)明的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案的系統(tǒng)性能。仿真的系統(tǒng)參數(shù)被設為 ■簇中4個傳感器節(jié)點發(fā)送信息，匯聚節(jié)點裝配有4根天線 ■采用是平坦準靜態(tài)瑞利衰落信道，不考慮路徑損耗和陰影效應 ■采用QPSK調(diào)制方式，無編碼 ■接收端已知CSI，反饋信道無損失 請參見圖4，5，分別給出的是采用所述修正的ZF-SIC和MMSE-SIC檢測算法和所述的兩種發(fā)射功率分配算法下的SNR-BER曲線。從圖中可以看出，所述ZF-SIC檢測在10-3誤碼率下，采用所述最優(yōu)和次優(yōu)分配算法比傳統(tǒng)等功率分配的V-BLAST系統(tǒng)分別有4dB和2.4dB的性能增益；所述MMSE-SIC檢測的次優(yōu)分配方案和最優(yōu)方案性能差異很小，在高信噪比下性能均優(yōu)于復雜的ML檢測算法。低信噪比下，所述基于KKT條件的算法將信道狀態(tài)很差的節(jié)點關(guān)掉或?qū)ふ移渌就ㄐ牛嘞碌墓?jié)點虛擬成簇，性能比等功率分配和等SINR分配方案都要好。所述基于等SINR分配算法是一種折中方案，以性能的微小降低換取運算的大幅度簡化。由于分層檢測算法存在誤差傳播，先檢測信號的誤碼率決定整個系統(tǒng)的性能，功率優(yōu)化分配的宗旨就是多分配功率給先檢測信號，抑制誤差的傳遞。
所述的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，其具有如下特點 1、針對異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡信息處理實時性要求高的應用場景，提供了一種空分復用的虛擬MIMO傳輸方案，并在此基礎上提出了發(fā)射端功率分配算法和接受端相應的檢測算法。
2、空分復用的傳輸策略使得處理延時大為減少，發(fā)射端的傳感器節(jié)點的硬件和協(xié)議不需做出修改即可適應本發(fā)明的方案，與現(xiàn)有網(wǎng)絡兼容性強。
3、發(fā)射端結(jié)合MAC層協(xié)議進行功率分配，在增加系統(tǒng)額外開銷有限的情況下，大大提高了系統(tǒng)傳輸性能，相同接收誤碼率條件下大大降低了傳感器節(jié)點的發(fā)射能耗。
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，其特征在于包括以下步驟
1)在無線傳感器網(wǎng)絡中，一個簇中需要發(fā)送信息的節(jié)點向匯聚節(jié)點分別發(fā)送RTS包；
2)匯聚節(jié)點根據(jù)所述每個節(jié)點發(fā)出的RTS包，估計出這條鏈路的信道沖擊響應；
3)利用所述信道沖擊響應信息，在發(fā)射總功率一定的條件下，采用基于Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件的最優(yōu)功率分配算法和基于等信干噪比(SINR)的次優(yōu)功率分配算法，計算出各節(jié)點的優(yōu)化發(fā)射功率；
4)將所述優(yōu)化發(fā)射功率信息加入到CTS包中廣播發(fā)回整個簇中，建立起空閑的MIMO信道；
5)簇中的發(fā)射節(jié)點接收到所述CTS包后同時按照所述優(yōu)化的發(fā)射功率同時發(fā)射信號；
6)匯聚節(jié)點接收到所述多個節(jié)點發(fā)射的信號后，結(jié)合每個節(jié)點的發(fā)射功率采用分層檢測算法來對每層信號進行解碼；
7)根據(jù)每個節(jié)點的信息融合來進行目標跟蹤定位等無線傳感器網(wǎng)絡應用。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，其特征在于
在步驟1)中，任意不大于匯聚節(jié)點天線數(shù)的傳感器節(jié)點可以采用RTS/CTS協(xié)議和匯聚節(jié)點建立連接，將信道訓練序列嵌入到RTS/CTS信息包中，平坦信道估計算法很多，在此不再詳述。
3.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，其特征在于
在步驟3)中，根據(jù)所述的信道狀態(tài)信息可以采用兩種功率分配算法，基于KKT條件的最優(yōu)功率分配系數(shù)為其中R為調(diào)制階數(shù)，為保持總發(fā)射功率一定，Nrexerve為發(fā)射功率不為零的節(jié)點個數(shù)，集合ki代表第i層檢測的節(jié)點號，Λki相當于等發(fā)射功率下每層檢測符號的SINR的倒數(shù)，對于不同的檢測算法，Λki的表達式也不一樣。采用ZF-SIC檢測算法時，采用MMSE-SIC檢測算法時，其中，(·)+表示Moore-Penrose偽逆，‖·‖表示向量的模，<·>j表示矩陣的第j行，[·]j表示矩陣的第j列，
表示將k1，k2，L，ki列置零的矩陣，{k1，k2，L，kN}是N層發(fā)送符號的檢測次序，Gi′是等功率發(fā)射時MMSE算法的相消矩陣。基于等信干比(SINR)的功率分配系數(shù)為。Λki為所述等發(fā)射功率下每層檢測符號的SINR的倒數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，其特征在于
在步驟6)中，結(jié)合每個節(jié)點的發(fā)射功率采用連續(xù)干擾相消迫零(ZF-SIC)算法和連續(xù)
干擾相消最小均方誤差(MMSE-SIC)算法來對每層信號進行解碼。
5.如權(quán)利要求2所述的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，其特征在于
在所述步驟1)，2)，4)中，還可以使用ACK等其他任意MAC層信道預約協(xié)議來進行信道狀態(tài)信息的獲取。
6.如權(quán)利要求3所述的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，其特征在于
在所述步驟3)中，發(fā)射端可以不使用閉環(huán)功率分配，進行等功率發(fā)射。
7.如權(quán)利要求4所述的基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，其特征在于
在所述步驟6)中，匯聚節(jié)點可以結(jié)合已知的各節(jié)點發(fā)射功率使用迭代檢測等其它分層空時檢測算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感網(wǎng)的虛擬MIMO功率分配傳輸方案，包括以下步驟1)在無線傳感器網(wǎng)絡中，一個簇中需要發(fā)送信息的節(jié)點向匯聚節(jié)點分別發(fā)送RTS包；2)匯聚節(jié)點根據(jù)所述每個節(jié)點發(fā)出的RTS包，估計出這條鏈路的信道沖擊響應；3)利用所述信道沖擊響應信息，在發(fā)射總功率一定的條件下，采用基于Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件的最優(yōu)功率分配算法和基于等信干噪比(SINR)的次優(yōu)功率分配算法，計算出各節(jié)點的優(yōu)化發(fā)射功率；4)將所述優(yōu)化發(fā)射功率信息加入到CTS包中廣播發(fā)回整個簇中，建立起空閑的MIMO信道；5)簇中的發(fā)射節(jié)點接收到所述CTS包后同時按照所述優(yōu)化的發(fā)射功率同時發(fā)射信號；6)匯聚節(jié)點接收到所述多個節(jié)點發(fā)射的信號后，結(jié)合每個節(jié)點的發(fā)射功率采用分層檢測算法來對每層信號進行解碼；7)根據(jù)每個節(jié)點的信息融合來進行目標跟蹤定位等無線傳感器網(wǎng)絡應用。本發(fā)明適合在無線傳感器網(wǎng)絡中應用。
文檔編號H04L25/03GK101237264SQ20081005994
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者盛 丁, 凱 嚴, 邱云周, 建 姜, 朱明華, 劉海濤 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心