李思聰 熊 俊 周宣含 趙海濤 魏急波

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院, 湖南長沙 410073)

1 引言

通過利用空間分集增益,分布式協(xié)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(xiàn)用戶間高速、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸[1-2]。此外,分布式協(xié)同通信系統(tǒng)無需網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施支撐,可以自主組成一體化通信系統(tǒng),很好地適用于無人機集群作戰(zhàn)等戰(zhàn)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(jié)點選擇算法,并定量地分析了中繼節(jié)點的數(shù)量和系統(tǒng)性能的關(guān)系。仿真表明中繼節(jié)點數(shù)量為1～4的情況下,協(xié)同傳輸對系統(tǒng)性能提升最為明顯。隨著中繼節(jié)點數(shù)目的增加,節(jié)點間交互的開銷增大,使得整個系統(tǒng)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(yīng)譯碼放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼協(xié)議,實現(xiàn)了放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify-and-Forward, AF)與譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward, DF)協(xié)作方式的自適應(yīng)選擇。在原型系統(tǒng)實現(xiàn)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(yōu)中繼選擇算法的無線多中繼傳輸系統(tǒng)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(xié)同通信系統(tǒng),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(jié)果表明分布式協(xié)作傳輸技術(shù)能夠大大提升節(jié)點間的可靠傳輸能力,進而有望實現(xiàn)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(fā)布的“彈性組網(wǎng)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(fā)機單元組成的馬賽克天線實現(xiàn)超視距的遠距離通信,通過實現(xiàn)分布式協(xié)同傳輸來獲取通信增益。

根據(jù)以上工作,可以看出協(xié)同通信能夠很好地提升無線通信的性能,然而目前有關(guān)協(xié)同通信的研究還有諸多需要完善之處,特別是系統(tǒng)實現(xiàn)方面。現(xiàn)有提出的中繼選擇策略主要基于瞬時信道狀態(tài),存在多節(jié)點碰撞概率高的問題,導(dǎo)致無法選出最優(yōu)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(tǒng)實時性不高,缺乏實際場景測試,因而沒有真實的測試數(shù)據(jù)作為支撐。

基于此,本文設(shè)計了一種自適應(yīng)分布式協(xié)同傳輸協(xié)議。在傳輸方式選擇過程中,節(jié)點首先通過實時的信道感知技術(shù)獲取兩跳通信鏈路的信道質(zhì)量信息(Channel Quality Indication, CQI),設(shè)定CQI門限,設(shè)計一種自適應(yīng)協(xié)同傳輸方式選擇策略。進一步,根據(jù)最大最小準則自適應(yīng)選擇具有最佳端到端路徑的中繼進行協(xié)同傳輸,避免了多節(jié)點協(xié)同請求發(fā)生碰撞的問題?？紤]到戰(zhàn)術(shù)無線通信環(huán)境具有信道環(huán)境惡劣、干擾嚴重、信道衰落明顯等特點,中繼節(jié)點選用了DF協(xié)作處理方式,有效降低了在中繼節(jié)點處噪聲的積累,在保證傳輸增益的同時又降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)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(nèi)外不同應(yīng)用場景,從誤碼率、丟包率和吞吐量等方面對系統(tǒng)性能進行了測試,驗證了分布式通信系統(tǒng)的自主協(xié)同功能,得出了實測數(shù)據(jù)和結(jié)論,為分布式協(xié)同傳輸技術(shù)提供了基礎(chǔ)驗證平臺。

2 分布式協(xié)同傳輸協(xié)議設(shè)計

近年來,無線通信技術(shù),特別是移動通信技術(shù)迅速發(fā)展,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)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(zhì)量。為此,協(xié)同通信技術(shù)應(yīng)運而生,其基本思想是通過中繼節(jié)點幫助源節(jié)點將信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點,從而有效抵抗無線信道衰落、擴大系統(tǒng)通信范圍、提高傳輸質(zhì)量[1]。協(xié)同通信作為空間多維分集的一種特殊形式,發(fā)展至今已取得了長足的進步。實際上協(xié)同中繼通信的研究起源于上個世紀七十年代,當(dāng)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(shù)的廣泛發(fā)展和進步,為協(xié)同通信的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。進入二十一世紀初,三種基本的協(xié)同傳輸方式被提出,即放大轉(zhuǎn)發(fā)、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)和編碼協(xié)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(xiàn)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(zhì)量的影響較大;CC是一種對信噪比魯棒的協(xié)同方式,然而其系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度較高,在一些要求低復(fù)雜度的通信場景中難以應(yīng)用[8]。

地面多基站的協(xié)作多點技術(shù)(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(xié)同參與一個終端的數(shù)據(jù)傳輸[9]。LTE-Advanced系統(tǒng)通過采用CoMP技術(shù),可以大大降低小區(qū)間干擾,提升小區(qū)邊緣用戶的頻譜效率。然而,區(qū)別于CoMP技術(shù),分布式協(xié)同傳輸(Distributed Cooperative Transmission, DCT)技術(shù)源自于協(xié)同通信技術(shù),但具有以下三點獨特特性:一是分布式特性,分布式協(xié)同傳輸要求各節(jié)點空間上分離,且節(jié)點間不具備像CoMP技術(shù)單獨的交互鏈路支撐;二是節(jié)點身份特性,分布式協(xié)同傳輸技術(shù)要求系統(tǒng)中各個節(jié)點的身份對等,因而角色可互換,即節(jié)點既可以作為收發(fā)節(jié)點,也可以作為中繼節(jié)點幫助收發(fā)鏈路提升性能;三是低成本特性,分布式協(xié)同傳輸技術(shù)為了擴展應(yīng)用于無人機集群等網(wǎng)絡(luò),需要綜合考慮算法復(fù)雜度和成本問題。

然而,由于分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)中,各個節(jié)點在空間位置上分離開來,不同的中繼鏈路經(jīng)歷的信道衰落不同,將具有不同的信道質(zhì)量,同時不同的協(xié)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(jié)點進行中繼傳輸和如何進行中繼傳輸成為了分布式協(xié)同傳輸技術(shù)發(fā)展的兩個關(guān)鍵問題。

2.1 協(xié)同傳輸方式選擇

考慮到戰(zhàn)術(shù)無線通信環(huán)境的復(fù)雜性和多變性,本文的分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)中的中繼節(jié)點采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)DF方式,且在中繼節(jié)點處進行CRC檢驗,從而避免前向誤差傳播,保證了系統(tǒng)的傳輸增益。

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

圖1 譯碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議模型Fig.1 Protocol model of decode-and-forward

(1)

(2)

第二階段,中繼對源端發(fā)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(fā)送給目的節(jié)點,則目的節(jié)點D接收到的信號為:

(3)

在譯碼轉(zhuǎn)發(fā)后,當(dāng)中繼檢測譯碼數(shù)據(jù)錯誤時,目的端收到的是錯誤信號,那么將該數(shù)據(jù)要求發(fā)送端重傳。只有當(dāng)中繼檢測正確時,中繼節(jié)點進一步轉(zhuǎn)發(fā)至目的端。節(jié)點間的信道性能將直接影響到解碼轉(zhuǎn)發(fā)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(huán)境動態(tài)變化,本文提出一種自適應(yīng)的協(xié)同傳輸模式選擇策略。其主要思想是分布式協(xié)同通信系統(tǒng)中各個節(jié)點通過實時信道感知能夠獲取到兩跳內(nèi)的信道質(zhì)量表,每個節(jié)點維護一個實時更新的兩跳鄰節(jié)點信道質(zhì)量表。針對源節(jié)點到目的節(jié)點通信,考慮三種傳輸模式:源節(jié)點到目的節(jié)點的低功率直傳、源節(jié)點-最佳中繼轉(zhuǎn)發(fā)-目的節(jié)點、以及源節(jié)點到目的階段的大功率直傳,而自適應(yīng)協(xié)同傳輸方式的選擇依據(jù)為對比直傳鏈路信道質(zhì)量CQIsd和中繼鏈路的等效信道質(zhì)量CQIr。

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

源節(jié)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(jié)點表中未找到該節(jié)點信息,該情況一般發(fā)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(zhì)量準則進行對比后選擇最佳傳輸方式,若兩者相等則優(yōu)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(jié)點選擇

目前的研究中,中繼節(jié)點選擇策略主要有基于信噪比門限、基于瞬時信道狀態(tài)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(tài)信息的中繼選擇策略使用較多,其基本思想是中繼節(jié)點i通過一定準則估計其與源節(jié)點間的信道系數(shù)hs,i以及其與目的節(jié)點間的信道系數(shù)hi,d,再根據(jù)估計的hs,i和hi,d計算相應(yīng)的混合信道度量參數(shù)hi,然后設(shè)定計時器,時間為hi的倒數(shù),最先超時的中繼為最優(yōu)中繼,并發(fā)送標(biāo)志分組給其他中繼,表明自己是最優(yōu)中繼,然后進行協(xié)同傳輸。

但由于該策略在實現(xiàn)過程中,定時器時間設(shè)為信道度量參數(shù)hi的倒數(shù),如果兩個中繼節(jié)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(fā)生碰撞問題,導(dǎo)致無法選出最優(yōu)中繼。此外,傳統(tǒng)固定門限的協(xié)同節(jié)點選擇普遍要求節(jié)點位置是固定的,這大大限制了分布式協(xié)同傳輸?shù)膽?yīng)用[12]。

基于此,本文提出一種基于瞬時信道質(zhì)量感知的自適應(yīng)中繼選擇策略。如前所述,系統(tǒng)中每個節(jié)點通過信道感知技術(shù)直接獲得兩跳通信鏈路的CQI值,形成鄰節(jié)點信道質(zhì)量表。所提出的自適應(yīng)中繼選擇策略的主要思路是通過設(shè)定信道質(zhì)量CQI門限,源節(jié)點根據(jù)鄰節(jié)點信道質(zhì)量表自適應(yīng)地選擇最佳中繼節(jié)點。該策略有效避免了傳統(tǒng)基于瞬時信道狀態(tài)的中繼選擇策略中,多中繼節(jié)點頻繁交互可能發(fā)生碰撞的問題。也克服了傳統(tǒng)基于門限的中繼選擇,預(yù)先設(shè)置門限難以適應(yīng)不同通信環(huán)境。所提自適應(yīng)中繼選擇策略實現(xiàn)過程如下:

1)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點通過信道感知技術(shù)獲得兩跳通信鏈路的信道質(zhì)量CQI值,形成鄰節(jié)點信道質(zhì)量表;

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

3)源節(jié)點根據(jù)最大最小準則,在備選中繼節(jié)點集合中選擇最優(yōu)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(jié)點至中繼節(jié)點i的信道質(zhì)量,CQIrid表示中繼節(jié)點i至目的節(jié)點的信道質(zhì)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(jié)點集合中,選取等效CQIri最大的作為中繼節(jié)點進行協(xié)同傳輸。

3 分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)

圖2給出了基于ZYNQ FPGA架構(gòu)的分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)示意圖,該系統(tǒng)共包括5個通信節(jié)點。另外,5臺筆記本電腦通過網(wǎng)線與原理樣機連接,用于系統(tǒng)配置和測試數(shù)據(jù)的記錄。不同的測試場景需要的通信節(jié)點數(shù)目不同,網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點均可以自主選擇自己的角色和身份,既可以作為源節(jié)點和目的節(jié)點進行信息的收發(fā),也能作為中繼節(jié)點協(xié)助收發(fā)兩端進行協(xié)同傳輸。此外,如圖3所示,該原理樣機系統(tǒng)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(xié)同傳輸系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram of distributed cooperative transmission

3.1 原理樣機系統(tǒng)架構(gòu)

原理樣機在圖3和圖7中均用紅圈標(biāo)注,其硬件設(shè)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。基帶板包含ZYNQ7000+AD9361功能電路,接口板集成接口電路,可按照需求設(shè)計不同外設(shè)接口,射頻板可針對不同頻段實現(xiàn)定制化設(shè)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(shè)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(tǒng)、Z7030電源系統(tǒng),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(tǒng):Z7030的ARM側(cè)主要實現(xiàn)基帶模塊的32 MB的QSPI FLASH、8 GB的EMMC,以及512M的DDR3存儲系統(tǒng);

2)AD9361電路,支持兩收兩發(fā)設(shè)計,從AD9361出入的差分信號經(jīng)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(chǎn)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(wǎng)PHY和USB-PHY,即單板通過PHY轉(zhuǎn)換后以差分對形式向接口板輸出信號。

3.2 分布式協(xié)同傳輸協(xié)議實現(xiàn)

分布式協(xié)同傳輸協(xié)議針對所提出的自適應(yīng)分布式傳輸技術(shù),通過多個分布式節(jié)點之間的協(xié)同傳輸和信息交互,實現(xiàn)組群內(nèi)節(jié)點的資源共享,從而提升復(fù)雜環(huán)境下的可靠傳輸。

整個分布式協(xié)同傳輸過程分為接收反饋、自適應(yīng)傳輸方式選擇、中繼選擇、譯碼轉(zhuǎn)發(fā)四個主要過程。接收反饋主要是接收端將接收的統(tǒng)計信息和感知的鏈路信息反饋回發(fā)送端的過程,實現(xiàn)鄰節(jié)點信道質(zhì)量表的實時更新;自適應(yīng)傳輸方式選擇主要是根據(jù)前述自適應(yīng)協(xié)同傳輸策略,源節(jié)點根據(jù)兩跳鄰節(jié)點信道質(zhì)量表,進行協(xié)同傳輸方式自適應(yīng)選擇;中繼選擇過程主要是根據(jù)前述協(xié)同中繼節(jié)點選擇方案,由源節(jié)點根據(jù)到目的節(jié)點的鏈路質(zhì)量決策出最佳中繼進行傳輸?shù)倪^程;譯碼轉(zhuǎn)發(fā)主要是中繼節(jié)點在接收到中繼轉(zhuǎn)發(fā)幀時,采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)DF的過程。分布式協(xié)同傳輸協(xié)議流程框圖如圖5所示。

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

具體實現(xiàn)流程為:

1)根據(jù)兩跳鄰節(jié)點信道質(zhì)量表,源節(jié)點選擇直傳還是中繼的方式傳輸數(shù)據(jù)到目的節(jié)點;

2)在源節(jié)點選擇中繼模式后,從候選中繼集合中基于瞬時信道質(zhì)量CQI選出最佳中繼進行譯碼轉(zhuǎn)發(fā),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(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)信息正常傳輸時,將具備中繼保持的功能;

3)中繼節(jié)點譯碼后收到需要轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)據(jù)發(fā)往目的節(jié)點;

4)目的節(jié)點接收中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),譯碼并統(tǒng)計接收信息,并對信道鏈路質(zhì)量進行反饋。

4 系統(tǒng)仿真與實際場景測試

為更好體現(xiàn)協(xié)議設(shè)計與系統(tǒng)實現(xiàn)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(xié)同傳輸協(xié)議進行仿真分析,包括信道狀態(tài)不同時,單中繼協(xié)同傳輸誤碼率仿真和多候選中繼協(xié)同傳輸誤碼率仿真。然后,結(jié)合實際運用,從室內(nèi)場景和室外場景對分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)進行了測試,室內(nèi)場景用于測試系統(tǒng)自適應(yīng)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(xié)同、多候選中繼下的協(xié)同傳輸以及系統(tǒng)的自主協(xié)同功能測試。

系統(tǒng)采用OFDM傳輸體制,具體參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

4.1 系統(tǒng)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(shù)如表2所示,系統(tǒng)頻偏設(shè)置為-0.5到0.5的均勻分布,蒙塔卡羅仿真次數(shù)為10000次。

表2 SUI信道模型

表3是信噪比設(shè)為18 dB時,不同信道狀態(tài)下單中繼協(xié)同傳輸誤碼率仿真結(jié)果。仿真中,我們將源節(jié)點和目的節(jié)點之間的信道設(shè)為SUI-5信道,表示信道質(zhì)量較差的通信鏈路,中繼與源節(jié)點之間設(shè)置為SUI-1信道,與目的節(jié)點之間的信道分別設(shè)置為SUI-3信道、SUI-2信道和SUI-1信道。其中,S表示源節(jié)點,D表示目的節(jié)點,R表示中繼節(jié)點,仿真場景分別與4.3.1節(jié)中實測場景對應(yīng)。從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)直傳鏈路信道質(zhì)量較差時,協(xié)同傳輸誤碼率低于直傳,且中繼節(jié)點信道狀態(tài)越好,系統(tǒng)傳輸誤碼率越低。

表3 單中繼協(xié)同傳輸誤碼率仿真

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

表4 多候選中繼協(xié)同傳輸誤碼率仿真

4.2 室內(nèi)傳輸

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

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

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

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

場景3:源節(jié)點S置于點1處,目的節(jié)點D置于點2處,協(xié)同節(jié)點R置于點3處;

場景4:源節(jié)點S置于點1處,目的節(jié)點D置于點4處,協(xié)同節(jié)點R置于點5處。

圖7為場景3的系統(tǒng)搭建圖,通信節(jié)點按照圖6放置,源節(jié)點S處紅色圓圈內(nèi)為原理樣機,通過數(shù)據(jù)線與右側(cè)電腦連接,測試結(jié)果如表5所示。

圖7 室內(nèi)傳輸場景3系統(tǒng)搭建Fig.7 System building of third scene in indoor transmission

表5 室內(nèi)傳輸測試結(jié)果

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

從測試結(jié)果可以看到,場景1中,源節(jié)點S和目的節(jié)點D之間為LOS鏈路,信道狀態(tài)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(tài)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(jié)點和目的節(jié)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(tài)較好,故中繼并未參與協(xié)同,但是會產(chǎn)生一定的開銷,用于維護鄰節(jié)點信道質(zhì)量表和中繼選擇的信息交互。從測試結(jié)果來看,測試場景3中,系統(tǒng)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(jié)點信道質(zhì)量表等開銷占比為不超過2%。

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

從表5的測試結(jié)果來看,本文的分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)可以根據(jù)源節(jié)點、中繼節(jié)點以及目的節(jié)點之間的信道狀態(tài)選擇傳輸方式,實現(xiàn)了系統(tǒng)的自適應(yīng)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(nèi)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(xié)同傳輸、多候選中繼協(xié)同傳輸和系統(tǒng)自主協(xié)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(jié)點,構(gòu)造不同信道狀態(tài)的傳輸鏈路,模擬真實戰(zhàn)術(shù)無線通信環(huán)境中惡劣的通信環(huán)境以及多變的信道狀態(tài),以測試本文提出的自適應(yīng)分布式傳輸系統(tǒng)在面對惡劣的無線信道環(huán)境時,能夠?qū)崿F(xiàn)自主協(xié)同功能,自適應(yīng)選擇中繼節(jié)點和傳輸方式,以保證通信組網(wǎng)的穩(wěn)定性和魯棒性,進而提升系統(tǒng)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(xié)同測試

場景1:源節(jié)點S置于點1處,目的節(jié)點D置于點2處,單鏈路的直傳方式;

場景2:源節(jié)點S置于點1處,目的節(jié)點D置于點2處,地面中繼節(jié)點置于點3處;

場景3:源節(jié)點S置于點1處,目的節(jié)點D置于點2處,地面中繼節(jié)點置于點4處;

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

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

從表6測試結(jié)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(nèi)傳輸測試場景1直傳下的三分之一。

表6 單中繼協(xié)同傳輸測試結(jié)果

對比場景2到場景4,可以看出,加入中繼進行協(xié)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(jié)點和目的節(jié)點之間的信道狀態(tài)不同,對系統(tǒng)性能的提升也不一樣。當(dāng)中繼節(jié)點置于點3時,因為其距離源節(jié)點位置較遠,且與目的節(jié)點之間有房屋遮擋,兩條鏈路的信道質(zhì)量都不好,故其協(xié)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(jié)點比地面中繼節(jié)點的協(xié)同性能要好,尤其是在誤碼率上,空中中繼協(xié)同傳輸?shù)恼`碼率為0。這是因為空中中繼與源節(jié)點和目的節(jié)點之間都是直射LOS鏈路,信道質(zhì)量更好,故其協(xié)同傳輸性能明顯要優(yōu)于地面中繼。

對比分析表6的測試結(jié)果和表3的仿真結(jié)果,可以看出,當(dāng)源節(jié)點和目的節(jié)點之間的信道狀態(tài)較差時,通過中繼進行協(xié)同傳輸能夠提高系統(tǒng)傳輸性能,且中繼節(jié)點的信道狀態(tài)越好,協(xié)同傳輸?shù)恼`碼率越低,二者在這個方面有著相同的趨勢,但在數(shù)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(chǎn)生一定影響。

4.3.2多候選中繼協(xié)同測試

場景1:源節(jié)點S置于點1處,目的節(jié)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(chǔ)上加入地面中繼R2并置于點5處;

場景3:在場景2的基礎(chǔ)上加入地面中繼R3并置于點4處;

場景4:在場景2的基礎(chǔ)上加入空中中繼R3并置于點4′ 處。

為了模擬更加惡劣的戰(zhàn)術(shù)無線通信環(huán)境,我們將源節(jié)點S置于點1處,目的節(jié)點D置于點6處,使源節(jié)點和目的節(jié)點之間不能直接通信,必須通過中繼進行協(xié)同傳輸。

表7為測試結(jié)果,圖9為對應(yīng)柱狀圖。從測試結(jié)果來看,隨著候選中繼數(shù)目的增加,系統(tǒng)的誤碼率和丟包率逐步下降,吞吐量逐步提高,系統(tǒng)傳輸性能得到提高,該測試結(jié)果與表4的仿真結(jié)果有著同樣的趨勢,體現(xiàn)了分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)的有效性。理論證明,假定N個候選中繼節(jié)點,分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng)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(jīng)歷深衰落的概率就越小,從而系統(tǒng)傳輸性能增益就越大。

表7 多候選中繼協(xié)同傳輸測試結(jié)果

圖9 多候選中繼協(xié)同傳輸測試結(jié)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(fā)現(xiàn),在空中中繼節(jié)點參與協(xié)同的情況下,系統(tǒng)誤碼率下降了兩個數(shù)量級,丟包率下降了一個數(shù)量級,吞吐量得到提高,系統(tǒng)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(jié)點具有直射路徑的獨特優(yōu)勢,能夠大大提升系統(tǒng)的可靠傳輸性能。

4.3.3自主協(xié)同功能測試

在測試場景4.3.2的基礎(chǔ)上,通過交換節(jié)點的角色和身份,測試系統(tǒng)的自主協(xié)同功能,場景如下:

場景1:點6作為源節(jié)點,點1作為目的節(jié)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(jié)點,點3作為目的節(jié)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(jié)點和目的節(jié)點之間不能直傳,故需通過中繼進行協(xié)同傳輸。場景2中,源節(jié)點1和目的節(jié)點3之間能夠直接傳輸,故不需要進行協(xié)同傳輸,中繼節(jié)點保持靜默狀態(tài)。

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

表8 自主協(xié)同傳輸測試結(jié)果

5 結(jié)論

分布式協(xié)同傳輸技術(shù)通過利用空間多維分集增益,有效提升了系統(tǒng)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(shù)據(jù)較少的現(xiàn)狀,設(shè)計并實現(xiàn)了一套自適應(yīng)分布式協(xié)同傳輸系統(tǒng),通過自主研發(fā)的原理樣機,對協(xié)同通信的應(yīng)用場景進行了測試和分析,得出如下結(jié)論:

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

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

3)系統(tǒng)能夠根據(jù)通信鏈路信道質(zhì)量自適應(yīng)選擇中繼節(jié)點和協(xié)同傳輸方式,而且每個節(jié)點既能作為源節(jié)點和接收節(jié)點,又能充當(dāng)中繼節(jié)點進行協(xié)同傳輸,實現(xiàn)了分布式通信系統(tǒng)的自主協(xié)同功能。

4)本文首次驗證了基于無人機的分布式協(xié)同傳輸優(yōu)勢,充當(dāng)中繼的無人機在源節(jié)點與目的節(jié)點之間,利用直射路徑提供了更優(yōu)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(zhuǎn)發(fā)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(xié)同傳輸技術(shù)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(xiàn)分布式馬賽克通信的有效手段。