閆秋娜，岳殿武，郭麗麗

（1.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116026；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信技術(shù)系，廣東深圳518029）

近幾年來(lái)，協(xié)作通信，由于其在提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可靠性能方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在無(wú)線通信領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，并成為目前的熱門話題。在協(xié)作通信中，多個(gè)用戶能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)其他用戶的信號(hào)信息，因此可獲得空間分集，從而大大地提高每一個(gè)用戶的信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

一般來(lái)說(shuō)，中繼傳輸策略大體上分為兩類：前向放大（AF）和前向譯碼（DF）。在AF協(xié)議中，中繼先放大了來(lái)自于源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)然后將其轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)或下一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。而對(duì)于DF協(xié)議來(lái)說(shuō)，中繼節(jié)點(diǎn)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行譯碼，然后重新調(diào)制譯碼結(jié)果并將其再進(jìn)行傳送。對(duì)這兩類協(xié)議，中斷概率和錯(cuò)誤性能已經(jīng)得到廣泛而深入地研討[1-4]。此外，DF協(xié)議可以和編碼技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成編碼協(xié)作[5]。

不用編碼的DF協(xié)議比較簡(jiǎn)單，并且由于其中繼節(jié)點(diǎn)不依賴任何糾錯(cuò)碼或檢錯(cuò)碼，所以對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)特別有吸引力，因?yàn)檫@樣的網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)在使用能量和計(jì)算處理方面都有嚴(yán)格的限制。和采用編碼的DF中繼傳輸方式不同，不用編碼的DF中繼可能發(fā)送錯(cuò)誤的信息，對(duì)于采用MRC這種常規(guī)的合并方案來(lái)說(shuō)，錯(cuò)誤的傳播會(huì)大幅降低端到端的可靠性能。

為了降低錯(cuò)誤傳播的影響，文獻(xiàn)[6]提出了所謂的協(xié)作MRC的方案。該方案具有類似于最優(yōu)的最大似然（ML）檢測(cè)方案性能，且能獲得滿分集增益。然而這個(gè)性能獲取，是以增加用來(lái)傳遞對(duì)目的節(jié)點(diǎn)所需的第一跳SNR信息的信令開(kāi)銷為代價(jià)。但是，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)投入更多的信令開(kāi)銷將是難以實(shí)現(xiàn)的。

眾所周知，有3種最受歡迎的合并方式：MRC，EGC和選擇合并（SC）。在這3種方式中，MRC和SC已經(jīng)在協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)研究中得到了廣泛而深入的探討[11]。然而，最簡(jiǎn)單的EGC卻很少被人們考慮過(guò)。

另一方面，除了分集合并技術(shù)外，ARQ差錯(cuò)控制技術(shù)也是一種克服信道衰落的簡(jiǎn)單而有效的手段。為了有效地提高系統(tǒng)的可靠性，近年來(lái)一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始探討了結(jié)合數(shù)據(jù)鏈路層的ARQ和物理層的協(xié)作分集的跨層方法[8-10]。在涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中，考慮實(shí)踐可行性，在所有ARQ協(xié)議中，截?cái)郃RQ協(xié)議無(wú)疑是最值得考慮的。

本文側(cè)重考慮衰落環(huán)境下的協(xié)作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，研究的目標(biāo)是提出一個(gè)基于簡(jiǎn)單的EGC和ARQ的實(shí)用跨層設(shè)計(jì)方案，并且該方案是在全面分析EGC和ARQ的可靠性和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的基礎(chǔ)上引出的。

1 系統(tǒng)模型

一個(gè)由R+2節(jié)點(diǎn)組成的協(xié)作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。

圖1 協(xié)作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Fig.1Cooperative wireless sensor networks

該網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)和R個(gè)由傳感器構(gòu)成的中繼節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝有一個(gè)天線，并工作在半雙工模式下（即它不能同時(shí)接收和發(fā)送信號(hào)）。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有直接鏈路，所有的信道鏈路都假設(shè)是準(zhǔn)靜態(tài)，且是相互獨(dú)立的，這意味著在一個(gè)傳輸期間內(nèi)，信道狀態(tài)是固定不變的，但在不同的傳輸期間是可以變化的。此外，假設(shè)每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)知道從源節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息。

對(duì)于該協(xié)作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)完整的信息傳輸過(guò)程要通過(guò)兩步完成。第一步，源節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)給傳感器節(jié)點(diǎn)。第二步，每個(gè)中繼依照DF協(xié)議，先檢測(cè)接收的信號(hào)，然后對(duì)解調(diào)信號(hào)再進(jìn)行調(diào)制和發(fā)送；最后，目的節(jié)點(diǎn)采用某種合并方案合并來(lái)自于R個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的所有信號(hào)，并依據(jù)合成信號(hào)做出最后的判決。詳細(xì)過(guò)程如下所描述。

在第一步中，源節(jié)點(diǎn)向所有的中繼節(jié)點(diǎn)廣播了一個(gè)調(diào)制信號(hào)s。第i個(gè)中繼所接收的信號(hào)表示為

在上面的表達(dá)式中，s為單位功率形成的信號(hào)（這樣Es就是發(fā)射功率值）；fi是源節(jié)點(diǎn)和第i個(gè)中繼之間的信道增益，服從二階矩為N的瑞利分布；vi是0均值和單位方差的復(fù)加性白高斯噪聲（AWGN）。

在第二步中，對(duì)于DF協(xié)議，第i個(gè)中繼根據(jù)接收信號(hào)ri來(lái)檢測(cè)信號(hào)s，然后把檢測(cè)結(jié)果si傳遞給目的節(jié)點(diǎn)。因此來(lái)自第i個(gè)中繼的目的節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)可表示為

其中Ei是第i個(gè)中繼的發(fā)射功率，gi是第i個(gè)中繼和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道增益，且服從二階矩為Ni（2）的瑞利分布，ωi是目的節(jié)點(diǎn)的0均值和單位方差的復(fù)加性白高斯噪聲（AWGN）。此外，si也為單位功率形成的信號(hào)。

其中ET表示傳感器網(wǎng)絡(luò)消耗的總功率。

2 三種分集合并方案

傳統(tǒng)上，有3種廣泛采用的合并方式：MRC,EGC和SC。對(duì)于沒(méi)有中繼的多條獨(dú)立衰落直接鏈路來(lái)說(shuō)，這3種方案都能獲得滿分集增益。其中MRC方式應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗哂凶罡叩木幋a增益[11]。這3種傳統(tǒng)合并方式都能自然地推廣到目前所考慮的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)上。

2.1 傳統(tǒng)MRC合并方案

對(duì)于所考慮的協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)，目的節(jié)點(diǎn)不論采用什么合并方案，都先對(duì)來(lái)自每一個(gè)衰落鏈路的信號(hào)要適宜地進(jìn)行加權(quán)，然后再進(jìn)行合并，合并后結(jié)果能表示為

就MRC方式而言，第i個(gè)路徑的加權(quán)值取定為

其中（·）*表示復(fù)數(shù)共軛。

應(yīng)當(dāng)注意，為了能利用MRC合并技術(shù)，目的節(jié)點(diǎn)需要獲知全部的信道增益信息｛gi=|gi|e-θi，i=1，2，...，R｝，或者說(shuō)，需要獲知全部的信道包絡(luò)信息{|gi|，i＝1，2，...，R}和全部的信道相位信息{θi，i=1，2，...，R}。一般來(lái)說(shuō)，信道相位信息是要在相干檢測(cè)之前通過(guò)載波同步技術(shù)估計(jì)出來(lái)的。

2.2 協(xié)作MRC合并方案

因?yàn)橛行┲欣^可能轉(zhuǎn)發(fā)錯(cuò)誤的信息，所以采用傳統(tǒng)的MRC合并方式已不能獲得滿分集的性能[6]。為此，T.Wang等人修改了傳統(tǒng)的MRC方案，提出了所謂的協(xié)作MRC方案[6]。這個(gè)新的合并方案能夠得到滿分集增益，并獲得和最優(yōu)的ML檢測(cè)幾乎同樣的性能。

對(duì)于第i條中繼鏈路，源節(jié)點(diǎn)到中繼（第一跳）的瞬時(shí)信噪比（SNR）和中繼到目的節(jié)點(diǎn)（第二跳）的瞬時(shí)信噪比分別可表示為

這樣，對(duì)于給定的任何調(diào)制，對(duì)于每一條兩跳的鏈路，在目的節(jié)點(diǎn)處的BER應(yīng)表示為

其中Pb（1）（i）和Pb（2）（i）分別是第一跳和第二跳的BER。它們分別是關(guān)于γ（i1）和γ（i2）的函數(shù)。如果把這個(gè)兩跳鏈路當(dāng)作一條直接鏈路來(lái)對(duì)待，其相應(yīng)的輸出SNR等價(jià)地表示為

其中Q（x）就是眾所周知的Q函數(shù)，α是依賴于給定調(diào)制的常數(shù)（例如，對(duì)于BPSK調(diào)制，α=2）。

對(duì)于這樣的協(xié)作MRC合并方式，對(duì)第i條鏈路合并時(shí)所采用的加權(quán)值可修改為

然而，為了能利用協(xié)作MRC技術(shù)，目的節(jié)點(diǎn)則需要得到全部的兩跳信道增益信息｛fi，i=1，2，...，R｝和｛gi，i=1，2，...，R｝。這意味著使用協(xié)作MRC需要大量的信令開(kāi)銷。這對(duì)功率受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是很難實(shí)現(xiàn)的。

2.3 EGC合并方案

即使協(xié)作網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)信道估計(jì)，估計(jì)的結(jié)果也很有可能是不正確的，這反過(guò)來(lái)會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性能。為此，必須考慮其他合并方式。對(duì)于簡(jiǎn)單的EGC方案，其在中低SNR區(qū)域內(nèi)具有良好的BER性能，并且具有很低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，故引起了設(shè)計(jì)者很大的研究興趣。

就EGC合并方式來(lái)說(shuō)，對(duì)第i條鏈路合并時(shí)所采用的加權(quán)值可取定為

注意，EGC方案不需要知道所有的｛fi，i＝1，2，...，R｝和所有的｛｜gi｜，i=1，2，...，R｝；只需要獲知全部的信道相位信息｛θi，i=1，2，...，R｝即可。這表明EGC方案和傳統(tǒng)的MRC及協(xié)作MRC方案相比需要最少量的信道信息。

3 簡(jiǎn)單EGC與截?cái)郃RQ相結(jié)合

3.1 截?cái)郃RQ方案

鏈路層上ARQ技術(shù)也是一種克服信道衰落的有效手段。標(biāo)準(zhǔn)的ARQ技術(shù)需要雇用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）來(lái)檢查錯(cuò)誤。如果接收端發(fā)現(xiàn)所收到的數(shù)據(jù)包有誤，就會(huì)要求發(fā)送端重傳該數(shù)據(jù)包。實(shí)際上，重傳次數(shù)需要嚴(yán)格限制，不可能任意多次，以便使系統(tǒng)在時(shí)延和緩存方面能夠合理可行。這樣限制重傳次數(shù)的ARQ協(xié)議就被稱為截?cái)郃RQ。

研究將物理層上EGC和數(shù)據(jù)鏈路層上的截?cái)郃RQ相結(jié)合的跨層設(shè)計(jì)，為了使協(xié)作網(wǎng)絡(luò)能夠使用ARQ差錯(cuò)控制技術(shù)，現(xiàn)在需要修改系統(tǒng)協(xié)議。

首先，源節(jié)點(diǎn)在廣播一段信息數(shù)據(jù)之前必須對(duì)其進(jìn)行編碼，并打成一個(gè)數(shù)據(jù)包。其次，因?yàn)榻M成中繼的傳感器具有低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和低能耗的特點(diǎn)，所以中繼節(jié)點(diǎn)工作應(yīng)和未經(jīng)編碼時(shí)的情形是一樣的，不進(jìn)行CRC校驗(yàn)。在目的節(jié)點(diǎn)，首先雇用EGC來(lái)恢復(fù)數(shù)據(jù)包，然后用CRC檢查數(shù)據(jù)包是否包含錯(cuò)誤比特。如果有錯(cuò)誤，目的節(jié)點(diǎn)將會(huì)通過(guò)反饋鏈路要求系統(tǒng)重傳。有兩種重傳策略：一種是源節(jié)點(diǎn)和中繼都參與重傳，另一種是只有中繼節(jié)點(diǎn)參與重傳。

3.2 源節(jié)點(diǎn)和中繼都重傳的ARQ方案

對(duì)于這種重傳策略，源節(jié)點(diǎn)先對(duì)所有的中繼節(jié)點(diǎn)廣播被要求重傳的數(shù)據(jù)包，然后所有的中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)DF協(xié)議進(jìn)行檢測(cè)，并再傳送該數(shù)據(jù)包一次。

3.3 只有中繼重傳的ARQ方案

對(duì)于這種重傳策略，源節(jié)點(diǎn)保持沉默，只有中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)目的節(jié)點(diǎn)傳遞被要求重傳的數(shù)據(jù)包。

4 仿真結(jié)果

在如下仿真圖2～5中，取N（1）=N（2）=N=1。另外，除了圖5外，固定中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為R=6。由于將AWGN的方差歸一化，所以圖中SNR其實(shí)表示總功率ET。為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，只對(duì)BPSK調(diào)制進(jìn)行了仿真比較。

首先觀察3種不同合并方案下的傳感器網(wǎng)絡(luò)BER性能。圖2繪出了傳感器網(wǎng)絡(luò)分別采用協(xié)作MRC、EGC和傳統(tǒng)的MRC方案的3個(gè)BER曲線。從圖2可以看出，協(xié)作MRC方案性能是最好的，但它的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度也是最高的。而傳統(tǒng)的MRC方案性能是最差的，并且它的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度還比EGC方案要高。

圖2 不同合并方案下的BER性能比較Fig.2BER performance comparison for different combining schemes

EGC方案是最簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)的。由于它的BER性能適宜，因此對(duì)于實(shí)際協(xié)作傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，EGC方案無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇。

現(xiàn)在考慮將EGC與上面提到的截?cái)郃RQ相結(jié)合后的系統(tǒng)BER性能。在如下的仿真中，設(shè)置最大重傳次數(shù)等于1。稱源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)都參與重傳的ARQ方案為ARQ方案1，而稱只有中繼參與重傳的ARQ方案為ARQ方案2。

為了便于比較，圖3不僅對(duì)結(jié)合EGC的ARQ方案1和2畫(huà)出了BER曲線，同時(shí)畫(huà)出了不結(jié)合ARQ僅采用EGC的系統(tǒng)BER曲線。結(jié)合EGC的ARQ方案1和2分別簡(jiǎn)記為EGC-ARQ方案1和EGC-ARQ方案2。從圖3可以看出，EGC-ARQ方案2的BER性能接近于不帶有ARQ的EGC系統(tǒng)性能，而EGC-ARQ方案1的性能則明顯的優(yōu)于其他兩個(gè)方案。

圖3 不同EGC-ARQ方案下的BER性能比較Fig.3BER performance comparison for different EGC-ARQ schemes

值得注意的是，對(duì)于采用EGC-ARQ方案1的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)完整的信息處理過(guò)程需要消耗平均總功率為：

其中Pb1表示在經(jīng)ARQ處理之前的目的節(jié)點(diǎn)比特錯(cuò)誤率。而對(duì)于EGC-ARQ方案2，一個(gè)完整的信息處理過(guò)程需要消耗平均總功率則為：

其中Pb2表示在經(jīng)ARQ處理之前的目的節(jié)點(diǎn)比特錯(cuò)誤率。為了公平起見(jiàn)，設(shè)定不結(jié)合ARQ的EGC系統(tǒng)在每一個(gè)完整的信息處理過(guò)程中的平均總消耗功率是2ET。綜合比較，在實(shí)際協(xié)作傳感器網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)推薦使用EGC-ARQ方案1。

通過(guò)圖4觀察了ARQ方案1對(duì)不同合并方案的性能影響。對(duì)于這3種不同合并方案，其性能差異如同圖2表現(xiàn)一樣，但是由于ARQ技術(shù)的影響，這3種方案的BER性能已均有很大的改觀。

最后，要觀察在EGC-ARQ方案1下中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)系統(tǒng)BER性能影響。對(duì)于ARQ方案1，圖5描繪了中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目為R=4，6，8的3條BER曲線。與預(yù)期結(jié)果一樣，隨著中繼節(jié)點(diǎn)R的增多，在10～15 dB的SNR區(qū)域內(nèi)，BER性能變得越來(lái)越好。然而，在0～10 dB的SNR區(qū)域內(nèi)，3條BER曲線互相接近。

圖4 結(jié)合ARQ的不同合并方案下的BER性能比較Fig.4BER performance comparison for different combing schemes with ARQ

圖5 在EGC-ARQ方案1下不同中繼節(jié)點(diǎn)的BER性能比較Fig.5BER performance comparison under EGC-ARQ Scheme 1 for different numbers of relay nodes

5 結(jié)論

眾所周知，EGC和ARQ都是簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)的抗衰落技術(shù)。在這篇論文中，筆者研究了在DF協(xié)作傳感器網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合EGC和截?cái)郃RQ的跨層方法，并考慮了EGC-ARQ方案1和EGC-ARQ方案2兩種跨層設(shè)計(jì)。最后仿真結(jié)果表明，EGC-ARQ方案1的BER性能明顯優(yōu)于EGC-ARQ方案2。因此，提出將EGC-ARQ方案1作為一個(gè)值得推薦的實(shí)用跨層設(shè)計(jì)方案。盡管文中分析的只是面向兩跳協(xié)作的情況，但是將兩跳協(xié)作的討論推廣到多跳協(xié)作情況可以說(shuō)是比較直接和容易的。

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