基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能分析*

徐凌偉,張 浩,*,吳春雷,王 帥,Gulliver T A

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266100;2.加拿大維多利亞大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,維多利亞 V8W 3P6;3.中國(guó)石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,青島 266580)

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基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能分析*

徐凌偉1,張 浩1,2*,吳春雷3,王 帥1,Gulliver T A2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266100;2.加拿大維多利亞大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,維多利亞 V8W 3P6;3.中國(guó)石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,青島 266580)

在萊斯衰落信道下,基于發(fā)射天線選擇(TAS)和正交空時(shí)分組碼(STBC)方案,研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)系統(tǒng)的平均符號(hào)誤碼率(ASEP)性能。基于標(biāo)量加性高斯白噪聲(AWGN)信道的方法,推導(dǎo)出了使用多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(MQAM)和最小頻移鍵控調(diào)制(MSK)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP性能的精確閉合表達(dá)式。然后對(duì)不同條件下的系統(tǒng)性能做了數(shù)值仿真,數(shù)值仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。仿真結(jié)果表明:隨著發(fā)射天線或接收天線數(shù)的增加,系統(tǒng)的ASEP性能得到了很好的改善,當(dāng)使用16QAM調(diào)制,當(dāng)SNR=12 dB,(3,3;6)系統(tǒng)的誤碼率是1×10-3,(4,4;8)系統(tǒng)的誤碼率是3×10-4,(5,5;10)系統(tǒng)的誤碼率是5×10-5。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);平均符號(hào)誤碼率;虛擬MIMO;發(fā)射天線選擇;正交空時(shí)分組碼;萊斯衰落信道

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是當(dāng)今無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)[1]。近年來(lái),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)家安全、軍事領(lǐng)域、醫(yī)療健康、交通管理、環(huán)境檢測(cè)、民用和商業(yè)等領(lǐng)域中[2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用有限電量的電池供電,由于其分布隨機(jī)性和節(jié)點(diǎn)數(shù)量大,尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大時(shí),更換成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池是非常困難甚至是不可能的任務(wù)。因此,在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的前提下,降低網(wǎng)絡(luò)傳輸所需能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期,是當(dāng)前無(wú)線傳感網(wǎng)的研究重點(diǎn)[3-5]。

隨著高級(jí)國(guó)際移動(dòng)通信(IMT-Advanced)技術(shù)的演進(jìn),為了滿足不同用戶的需求,不斷提高服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality Of Service),多輸入多輸出MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)受到了下一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的廣泛關(guān)注[6]。MIMO技術(shù)作為新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,已經(jīng)成為無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),尤其在無(wú)線移動(dòng)通信的信道相關(guān)測(cè)量、信道編碼方面有了廣泛的學(xué)術(shù)成果[7-10]?？諘r(shí)編碼(STBC)就是利用MIMO技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了空間分集,尤其正交空時(shí)分組碼(OSTBC)以較低的譯碼復(fù)雜度獲得了完全的分集增益,可以大大提高無(wú)線通信系統(tǒng)的可靠性[11-12]。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中引入MIMO技術(shù),就變得尤為棘手,成為一個(gè)瓶頸。這是由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有復(fù)雜度低、體積小、成本低、功耗低等特點(diǎn),在傳感器節(jié)點(diǎn)上安裝多根發(fā)射或者接收天線,在物理上也是不容易實(shí)現(xiàn)的[13]。為了解決上述矛盾,一般有兩種解決方案:一種是發(fā)射天線選擇(TAS)技術(shù),另外一種方案就是組成虛擬MIMO系統(tǒng)進(jìn)行合作傳輸[14-16]。發(fā)射天線選擇技術(shù)可以用相對(duì)較少的收發(fā)射頻鏈路支持較多的天線,更好地利用收發(fā)天線單元,不僅大幅削減了硬件成本,并且降低了信號(hào)處理的復(fù)雜度。而虛擬MIMO技術(shù)就是利用只有一根天線的兩個(gè)或者多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)信道傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù),這樣發(fā)射端看起來(lái)有多根天線,同時(shí)接收端有多根接收天線,則構(gòu)建了虛擬MIMO系統(tǒng)?？梢?jiàn)TAS技術(shù)和虛擬MIMO技術(shù)可以在不增加終端的復(fù)雜度和成本的前提下,達(dá)到相當(dāng)于多天線系統(tǒng)的性能,從而被廣泛用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

文獻(xiàn)[17]提出了虛擬MIMO的方案,在發(fā)射端利用STBC編碼對(duì)發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,并分析了使用QAM調(diào)制對(duì)系統(tǒng)的能耗和發(fā)射速率的影響,得出了不同距離的最佳調(diào)制選擇,在相同條件下,相比單發(fā)單收(SISO)系統(tǒng)的能耗大大減少。文獻(xiàn)[18]基于虛擬MIMO的方案,利用分層空時(shí)編碼V-BLAST結(jié)構(gòu),將簇內(nèi)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)看作一層。此方案比起文獻(xiàn)[17]中的方案,能更大地降低節(jié)點(diǎn)的耗能,缺點(diǎn)是接收機(jī)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[19]利用STBC和TAS的優(yōu)點(diǎn),提出了TAS/STBC方案,選擇兩根發(fā)射天線的系統(tǒng)稱為TAS/Alamouti。文獻(xiàn)[20-23]分別在瑞利信道和Nakagami-m信道下,利用矩生成函數(shù)(MGF)的方法,使用PSK和QAM調(diào)制,研究了TAS/STBC系統(tǒng)的平均符號(hào)誤碼率(ASEP)的精確閉合表達(dá)式。但是這種包含了超幾何函數(shù)的符號(hào)錯(cuò)誤概率的表達(dá)式難以分析,得到封閉的結(jié)果十分困難。文獻(xiàn)[24]將天線選擇技術(shù)應(yīng)用在虛擬MIMO系統(tǒng)中,針對(duì)功率控制理想和非理想兩種場(chǎng)景,分別基于隨機(jī)配對(duì)調(diào)度準(zhǔn)則和機(jī)會(huì)主義配對(duì)調(diào)度準(zhǔn)則分析了虛擬MIMO-AS系統(tǒng)容量的下限和上限,但是沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)的ASEP性能進(jìn)行分析。

根據(jù)目前掌握的資料,現(xiàn)在的研究主要是利用虛擬MIMO技術(shù),或者TAS技術(shù),將二者結(jié)合對(duì)系統(tǒng)的ASEP性能進(jìn)行理論研究的文獻(xiàn)很少。鑒于上述分析,本文將虛擬MIMO技術(shù),與TAS技術(shù),STBC編碼結(jié)合起來(lái),對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP性能進(jìn)行理論推導(dǎo),是非常有意義的。

文獻(xiàn)[25]主要是提出了將使用正交STBC編碼的MIMO系統(tǒng)的矩陣信道轉(zhuǎn)化成標(biāo)量加性高斯白噪聲(AWGN)信道的方法。本文正是基于這種方法,在萊斯信道下,分別使用q進(jìn)制QAM調(diào)制,和MSK調(diào)制方式,推導(dǎo)出了基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP性能的精確閉合解析式,并對(duì)不同系統(tǒng)條件下ASEP性能做了數(shù)值仿真和分析,驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。

1 系統(tǒng)模型

傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn),匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近,能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸,在傳輸?shù)倪^(guò)程中檢測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理,最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集數(shù)據(jù)。目前,大部分研究集中于傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇,通過(guò)簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作構(gòu)成虛擬的天線陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,進(jìn)而構(gòu)成虛擬MIMO通信系統(tǒng)。在這里,本文使用文獻(xiàn)[26]中的基于簇的多跳虛擬MIMO通信系統(tǒng)模型,如圖1所示。

圖1 基于簇的虛擬MIMO系統(tǒng)的模型

由圖1可以看到,信息首先由源節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互,然后經(jīng)過(guò)簇內(nèi)的協(xié)作發(fā)送到下一簇的目標(biāo)節(jié)點(diǎn),最后到達(dá)負(fù)責(zé)信息匯集的Sink節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)只有一根天線,Sink節(jié)點(diǎn)有多根天線,簇間每條信道是萊斯信道,相互之間是獨(dú)立的。

假設(shè)發(fā)射端有K個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),接收端有M個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),則構(gòu)成了一個(gè)M×K的虛擬MIMO系統(tǒng)。輸入的信息序列首先分別使用q進(jìn)制QAM/MSK進(jìn)行調(diào)制,輸出的S個(gè)符號(hào)經(jīng)STBC編碼后在T個(gè)時(shí)隙內(nèi)由K個(gè)天線發(fā)射出去。

萊斯信道是直射路徑(LoS)與其他散射路徑之和,因此萊斯信道矩陣H可以表示為

(1)

其中元素hij表示發(fā)射天線j到接收天線i的復(fù)路徑增益,HLoS為L(zhǎng)oS信號(hào)的信道矩陣,Hsc為散射信號(hào)的信道矩陣,它的各個(gè)元素均服從零均值的復(fù)高斯分布,且相互獨(dú)立;Z為萊斯因子,即LoS信號(hào)與散射信號(hào)的功率之比。

接收信號(hào)可以表示為

Y=HX+W

(2)

式中Y是M×T維的接收信號(hào)矩陣,X是K×T維的發(fā)射信號(hào)矩陣,W是M×T維的復(fù)高斯白噪聲矩陣,其每一維的方差是N0/2,N0是功率譜密度。

在接收端,在進(jìn)行最大似然譯碼前,我們基于標(biāo)量AWGN信道的方法,將式(2)中的矩陣信道轉(zhuǎn)化成標(biāo)量AWGN信道,接收信號(hào)可以表示為

y0=‖H‖2x+w

(3)

考慮STBC的編碼速率,用R表示,接收信號(hào)可表示為

(4)

因此接收端的信噪比可以用r0表示為

(5)

其中Es表示發(fā)射端總的功率。

我們用h0進(jìn)行一下替換,即

(6)

則式(4)、式(5)可以表示為

y0=h0x+w

(7)

(8)

下面我們對(duì)基于TAS/STBC方案的虛擬MIMO系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明,圖2是虛擬MIMO系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)框圖,圖3是虛擬MIMO系統(tǒng)的接收機(jī)框圖。

圖3 基于TAS/STBC方案的虛擬MIMO系統(tǒng)的接收機(jī)框圖

圖2 基于TAS/STBC方案的虛擬MIMO系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)框圖

假設(shè)接收端可以獲得理想信道狀態(tài)信息(CSI),發(fā)射端未知CSI。接收端根據(jù)CSI從K個(gè)發(fā)射天線中選擇使接收信噪比(SNR)最大的N根發(fā)射天線進(jìn)行STBC編碼,每次信道使用的總發(fā)射功率Es在選定的N個(gè)天線上平均分配。經(jīng)過(guò)發(fā)射天線選擇后的信道矩陣用Hs表示,那么

(9)

y=hx+w

(10)

(11)

2 發(fā)射天線選擇算法

發(fā)射天線選擇的準(zhǔn)則是使接收端的接收信噪比(SNR)最大,這樣可以減小誤碼率。我們由式(8)可以得到,接收信噪比r0最大,則h0最大,所以當(dāng)從K根發(fā)射天線中選出N根時(shí),共有K!/(N!)/(K-N)!種選擇,z表示其中的一種選擇,那么最佳的發(fā)射天線選擇可以表示為

(12)

最佳發(fā)射天線選擇算法的性能是最好的,但是算法的復(fù)雜度非常高。為了減小計(jì)算復(fù)雜度,我們使用了基于奇異值分解的發(fā)射天線選擇算法,其算法的過(guò)程如下:

(1)初始化:St={1,2,…,K},H1=[ ],Wt={},H=H(:,St);

(2)fori=1:K

ai=‖H(:,i)‖F(xiàn)

end

u=max(ai);

H0=H(:,u);

H1=[H1H0];

更新Wt,St,H

St=St-u,Wt={u},H=H(:,St);

(3)從K-1根發(fā)射天線中選出(N-1)根發(fā)射天線

forl=1:N-1

fori=1:K-l

H2=H(:,i);

H3=H1;

H3=[H3H2];

進(jìn)行奇異值分解

[U,Vi,S]=SVD(H3);

end

uu=max(Vi);

St=St-uu,Wt={Wt,uu};

H=H(:,St);

H1=[H1H(:,uu)];

end

(4)經(jīng)過(guò)天線選擇以后的信道矩陣為

H=H(:,Wt)

圖4在萊斯信道下,使用16QAM調(diào)制方式,比較了最優(yōu)選擇算法、基于奇異值分解的選擇算法和隨機(jī)選擇算法的誤碼率性能隨信噪比的變化趨勢(shì)。發(fā)射天線數(shù)目K取4根,接收天線數(shù)目M取4根,從K中選擇N根發(fā)射天線,其中N取2根發(fā)射天線。萊斯因子Z=3。通過(guò)圖4可以看出,在信噪比較小的時(shí)候,基于奇異值分解的選擇算法非常接近最優(yōu)選擇算法的容量性能;隨著信噪比的逐漸增大,基于奇異值分解的選擇算法與最優(yōu)選擇算法之間的誤碼率性能的差距也逐漸增大。在整個(gè)過(guò)程中,基于奇異值分解的選擇算法都要好于隨機(jī)選擇算法的性能。

圖4 3種選擇算法的誤碼率性能隨信噪比的變化趨勢(shì)

3 平均誤碼率分析

在萊斯信道下,我們推導(dǎo)了基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分別使用QAM調(diào)制和MSK調(diào)制的ASEP的精確閉合表達(dá)式。

在萊斯信道下,hij是一個(gè)復(fù)高斯變量,其實(shí)部的期望是mp,虛部的期望是mQ,方差是σ2。所以h的分布符合非中心卡方分布,自由度是2MN,其概率密度函數(shù)為[27]

(13)

s2=MN(mP+mQ)

(14)

Ia(x)是第一類a階修正貝塞爾函數(shù)。

我們對(duì)Ia(x)函數(shù)進(jìn)行以下替換

(15)

所以式(13)可以表示為

(16)

(17)

其中rp表示為

(18)

萊斯信道下的ASEP可以表示為

(19)

Pq(rs)表示不同的調(diào)制方式在AWGN信道下的SEP或者比特誤碼率(BEP)。

3.1QAM調(diào)制

矩形QAM是頻譜利用率較高的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù),調(diào)制和解調(diào)又比較簡(jiǎn)單,在通信系統(tǒng)中獲得了較為廣泛的應(yīng)用[28-29]。矩形QAM可以通過(guò)兩個(gè)相位正交載波上施加兩個(gè)PAM信號(hào)來(lái)產(chǎn)生。

當(dāng)k是偶數(shù)時(shí),q進(jìn)制QAM(q=2k)在AWGN信道下的SEP可以表示為[27]

(20)

(21)

(22)

上式中的積分可以表示為

(23)

(24)

式(23)中的上標(biāo)′表示求導(dǎo)運(yùn)算。重復(fù)上述過(guò)程,我們最終得到

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

將式(28)代入式(20)就可以得到q進(jìn)制QAM在萊斯信道下的ASEP。

當(dāng)k是奇數(shù)時(shí),采用最佳距離判決器,q進(jìn)制QAM(q=2k)在AWGN信道下SEP的上限可以表示為[27]

(30)

同理可以得到在萊斯信道下的ASEP的上限為

(31)

(32)

3.2MSK調(diào)制

在前面討論的載波調(diào)制方式中,從當(dāng)前發(fā)送的一種碼元切換到另一種碼元時(shí),都有可能發(fā)生載波信號(hào)幅度或相位的突變,或者出現(xiàn)載波信號(hào)的幅度和相位兩個(gè)參量同時(shí)突變,信號(hào)的這些突變將導(dǎo)致信號(hào)頻率的瞬間極大變化,使得信號(hào)功率譜旁瓣的成分所占的比例很大,導(dǎo)致信號(hào)能量泄露,這將使得相鄰信道為了避免受到干擾而需要保持較大的間隔,總的頻率使用效率降低[30]。為了解決這個(gè)問(wèn)題,提出了恒包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制方式。恒包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)包絡(luò)恒定,符號(hào)間的相位變化具有較為平滑過(guò)渡的特性,信號(hào)功率譜旁瓣的成分所占的比例大大降低,從而更為有效的提高頻譜的利用率。最小頻移鍵控(MSK)和高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)就是兩種恒包絡(luò)連續(xù)相位調(diào)制方式[31-34]。

MSK調(diào)制在AWGN信道下的SEP可以表示為[30]

(33)

其中Q()函數(shù)表示高斯尾函數(shù)。同理可以得到MSK調(diào)制的ASEP的精確閉合表達(dá)式為

(34)

(35)

4 數(shù)值仿真

我們通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性,并說(shuō)明了基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的精確ASEP性能受天線選擇的影響。在這里,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,我們將此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡(jiǎn)記為(K,M;N×M)。在本文的仿真中,我們使用了文獻(xiàn)[35-36]中的萊斯信道模型,該信道模型是具有通用性的。假設(shè)萊斯信道是非頻率選擇性衰落信道,多徑時(shí)延小于0.1 T,因此可以不考慮碼間干擾的影響。多普勒頻移為0 Hz。

圖5給出了基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在萊斯信道下,使用16QAM調(diào)制方式,系統(tǒng)的精確ASEP性能隨總發(fā)射信噪比變化的曲線。發(fā)射天線數(shù)目K分別取3,4,5根,接收天線數(shù)目M分別取3,4,5根,從K中選擇N根發(fā)射天線,其中N取2根發(fā)射天線。萊斯因子Z=3。我們可以看到,精確理論結(jié)果與仿真結(jié)果得到了很好的擬合,驗(yàn)證了理論分析的正確性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP隨著發(fā)射信噪比的增加而不斷降低,如(4,4;8)系統(tǒng)的誤碼率在12 dB時(shí)為3×10-4,在14 dB時(shí)為2×10-5。仿真結(jié)果顯示:隨著發(fā)射天線數(shù)或接受天線數(shù)的增加,系統(tǒng)的ASEP性能是不斷改善的。例如,當(dāng)SNR=12 dB,(3,3;6)系統(tǒng)的誤碼率是1×10-3,(4,4;8)系統(tǒng)的誤碼率是3×10-4,(5,5;10)系統(tǒng)的誤碼率是5×10-5。當(dāng)ASEP為10-4時(shí),(5,5;10)系統(tǒng)所需的發(fā)射信噪比比(4,4;8)系統(tǒng)改善了大約1 dB,比(3,3;6)系統(tǒng)改善了大約2.7 dB。

圖5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用采用16QAM調(diào)制的精確平均誤碼率性能

圖6 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制的近似平均誤碼率性能

圖6給出了基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在萊斯信道下,使用16QAM調(diào)制方式,系統(tǒng)的近似ASEP性能隨總發(fā)射信噪比變化的曲線。發(fā)射天線數(shù)目K分別取3,4,5根,接收天線數(shù)目M分別取3,4,5根,從K中選擇N根發(fā)射天線,其中N取2根發(fā)射天線。萊斯因子Z=3。由圖6可知,利用近似閉合解析式計(jì)算所得理論結(jié)果與仿真結(jié)果的差距很小,驗(yàn)證了近似分析的準(zhǔn)確性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP隨著發(fā)射信噪比的增加而不斷降低,如(4,4;8)系統(tǒng)的誤碼率在12 dB時(shí)為5×10-5,在14 dB時(shí)為2.5×10-6。仿真結(jié)果顯示:隨著發(fā)射天線數(shù)或接受天線數(shù)的增加,系統(tǒng)的ASEP性能是不斷改善的。例如,當(dāng)SNR=12 dB,(3,3;6)系統(tǒng)的誤碼率是2×10-4,(4,4;8)系統(tǒng)的誤碼率是5×10-5,(5,5;10)系統(tǒng)的誤碼率是1×10-5。當(dāng)ASEP為10-4時(shí),(5,5;10)系統(tǒng)所需的發(fā)射信噪比比(4,4;8)系統(tǒng)改善了大約1 dB,比(3,3;6)系統(tǒng)改善了大約2.8 dB。

圖7給出了基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在萊斯信道下,使用MSK調(diào)制方式,系統(tǒng)的ASEP性能隨總發(fā)射信噪比變化的曲線。發(fā)射天線數(shù)目K分別取2,3,4根,接收天線數(shù)目M分別取2,3,4根,從K中選擇N根發(fā)射天線,其中N取2根發(fā)射天線。萊斯因子Z=4。我們可以看到,精確理論結(jié)果與仿真結(jié)果得到了很好的擬合,驗(yàn)證了理論分析的正確性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP隨著發(fā)射信噪比的增加而不斷降低,如(3,3;6)系統(tǒng)的誤碼率在6 dB時(shí)為3×10-2,在10 dB時(shí)為3×10-3。仿真結(jié)果顯示:隨著發(fā)射天線數(shù)或接受天線數(shù)的增加,系統(tǒng)的ASEP性能是不斷改善的。例如,當(dāng)SNR=8 dB,(2,2;4)系統(tǒng)的誤碼率是4×10-2,(3,3;6)系統(tǒng)的誤碼率是1×10-2,(4,4;8)系統(tǒng)的誤碼率是3×10-3。當(dāng)ASEP為10-2時(shí),(4,4;8)系統(tǒng)所需的發(fā)射信噪比比(3,3;6)系統(tǒng)改善了大約2 dB,比(2,2;4)系統(tǒng)改善了大約5 dB。

圖7 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用MSK調(diào)制的平均誤碼率性能

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要是基于標(biāo)量加性高斯白噪聲(AWGN)信道的方法,在萊斯衰落信道下,推導(dǎo)出了分別使用q進(jìn)制QAM調(diào)制和MSK調(diào)制的基于TAS/STBC方案的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP性能的精確閉合解析式和近似閉合解析式,并對(duì)不同系統(tǒng)條件下ASEP性能做了數(shù)值仿真和分析,推導(dǎo)的理論結(jié)果與仿真結(jié)果得到了很好的擬合,驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。仿真結(jié)果表明:隨著發(fā)射天線或接收天線數(shù)的增加,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ASEP性能得到了很好的改善,例如使用16QAM調(diào)制,當(dāng)SNR=12 dB,(3,3;6)系統(tǒng)的誤碼率是1×10-3,(4,4;8)系統(tǒng)的誤碼率是3×10-4,(5,5;10)系統(tǒng)的誤碼率是5×10-5。這說(shuō)明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的天線配置可以不斷進(jìn)行優(yōu)化,以改善系統(tǒng)的ASEP性能。文中的結(jié)果為萊斯衰落信道上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的理論分析工具。本文的研究基于信道是相互獨(dú)立的條件,在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境中,信道并不是完全獨(dú)立的,該條件將會(huì)存在偏差,在后續(xù)研究中,可以進(jìn)一步研究相關(guān)信道對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

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徐凌偉(1987-),男,山東高密人,中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,研究方向?yàn)?0 GHz無(wú)線通信,MIMO通信,gaomilaojia2009@163.com;

吳春雷(1980-),男,河南人,博士,中國(guó)石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院講師。研究方向?yàn)?0GHz無(wú)線通信;

Gulliver T A(1959-)男,加拿大工程院院士,加拿大維多利亞大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,IEEE高級(jí)會(huì)員,研究方向?yàn)?0 GHz無(wú)線通信,MIMO通信。

張浩(1975-),男,江蘇人,中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,加拿大維多利亞大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授,研究方向?yàn)?0GHz無(wú)線通信,MIMO通信。目前已在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI/EI論文90篇,主持國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)科研項(xiàng)目。入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”,獲得青島市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、山東高等學(xué)校優(yōu)秀科研成果獎(jiǎng)、山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng);

王帥(1988-):男,山東人,中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,研究方向?yàn)閁WB無(wú)線通信;

PerformanceAnalysisofWirelessSensorNetworkSystemsBasedonTAS/STBCScheme*

XULingwei1,ZHANGHao1,2*,WUChunlei3,WANGShuai1,GulliverTA2

(1.College of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Department of Electrical and Computer Engineering,University of Victoria,Victoria V8W 3P6,Canada;3.College of Computer and Communication Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Based on transmit antenna selection and orthogonal space-time block code(OSTBC)scheme,the average symbol error probability(ASEP)of wireless sensor network(WSN)systems under Rice fading channels is investigated in this paper.Based on the scalar additive white Gaussian noise(AWGN)channel approach,the accurate closed form expressions for the ASEP of WSN systems are derived for multiple quadrature amplitude modulation(MQAM),and minimum shift keying modulation(MSK).Then the ASEP performance under different conditions is evaluated through numerical simulations.The numerical simulations results coincided with the theoretical results well.The accuracy of the analytical results is verified.Simulation results show that:the ASEP performance can be improved with the increase of the number of transmit antennas or receive antennas,when SNR=12 dB,the ASEP of(3,3;6)with 16QAM is 1×10-3,(4,4;8)is 3×10-4,(5,5;10)is 5×10-5.

wireless sensor network;average symbol error probability;virtual MIMO;transmit antenna selection;orthogonal space-time block code;Rice fading channels

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60902005,61304222);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2012FQ021);青島市國(guó)際科技合作項(xiàng)目(12-1-4-137-hz)

2014-04-08修改日期:2014-06-09

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.017

TN925

:A

:1004-1699(2014)07-0948-08