一種漁業(yè)分布式通信系統(tǒng)的天線選擇算法

高倩 謝鑫剛 張福金

【摘要】 針對(duì)海洋漁業(yè)環(huán)境下通信節(jié)點(diǎn)自身資源有限，根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種快速分布式天線選擇算法，達(dá)到減少用戶干擾，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在分布式網(wǎng)絡(luò)中，所提算法是一種簡(jiǎn)單可行的分布式MIMO天線選擇算法。

【關(guān)鍵字】 無(wú)線傳感器網(wǎng) 天線選擇 MIMO

一、引言

移動(dòng)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）作為一種基本的組網(wǎng)模式，Ad-hoc具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及節(jié)點(diǎn)任意移動(dòng)性在海洋通信具有一定優(yōu)勢(shì)。但是在海洋漁業(yè)場(chǎng)景下，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身資源有限，因此降低節(jié)點(diǎn)能量消耗是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)首要問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要包括電路消耗和通信消耗兩方面。在實(shí)際場(chǎng)景中，能量損耗受環(huán)境影響很大。引起通信能量損耗的一個(gè)主要因素就是信道的多徑，進(jìn)而引起多徑衰落。MIMO技術(shù)作為一項(xiàng)利用多徑以提高通信能力的熱點(diǎn)技術(shù)，主要在包括分集和復(fù)用兩種技術(shù)。

考慮海洋漁業(yè)通信在分簇拓?fù)涞幕A(chǔ)上，建模成能量有效的協(xié)作MIMO，主要考慮利用MIMO帶來(lái)的分集增益。目前研究主要集中在能量消耗模型或編碼方案上，并未就具體某個(gè)發(fā)射簇或接收簇時(shí)，讓哪些節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作通信，對(duì)于協(xié)作節(jié)點(diǎn)的選擇策略也鮮有研究。本文將漁業(yè)通信進(jìn)行建模，進(jìn)而設(shè)計(jì)一種虛擬MIMO天線選擇算法，以達(dá)到節(jié)省能量的目的。

二、系統(tǒng)分析

無(wú)線傳感器源節(jié)點(diǎn)收集信息并發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，有時(shí)需要通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)所在的簇也可能收集信息并發(fā)送給目標(biāo)信息。

由源節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)組成發(fā)射簇，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)組成接收簇。假設(shè)簇間通信距離遠(yuǎn)大于簇內(nèi)通信距離，由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗主要集中在簇間通信，本文只關(guān)注簇間通信的能量消耗。假設(shè)信道狀態(tài)信息CSI通過(guò)設(shè)計(jì)發(fā)射訓(xùn)練序列的方式可被接收簇獲得，接收簇與發(fā)射簇之間建立反饋信道，中繼節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可利用反饋信道傳輸信息至發(fā)射簇。簇間通信鏈路為平坦銳利衰落，信道矩陣H為均值0方差1的復(fù)高斯隨機(jī)變量。[1]發(fā)射簇到每組MIMO天線組的信道矩陣都是相互獨(dú)立的，其中L組的子信道矩陣為H1，H2，…，HL，而分布式MIMO系統(tǒng)的信道矩陣可以表示為：

基于海洋漁業(yè)通信場(chǎng)景下協(xié)作MIMO采用發(fā)送端一組MIMO天線，接收端為分布式多組MIMO天線，假設(shè)各MIMO信道矩陣是相互獨(dú)立的，這樣各天線組的衰落情況各不相同，假如每次接收端都選擇信道好的那組MIMO天線所接收到的信號(hào)，這組信號(hào)經(jīng)過(guò)接收端的檢測(cè)后還原發(fā)送信號(hào)，可提高系統(tǒng)誤碼性能。

天線選擇可依據(jù)相關(guān)性、信道矩陣范數(shù)以及信道補(bǔ)空間投影。由文獻(xiàn)[2]可知子信道SNR的大小跟信道偽逆矩陣各行范數(shù)的大小成反比例關(guān)系，則（M，L，N）系統(tǒng)中，要從接收簇的L個(gè)天線組中選擇一個(gè)天線組，文獻(xiàn)[3]中作者用了兩種基于范數(shù)的MIMO天線選擇算法，分別為基于信噪比最大值選擇算法，和基于信噪比最差排除算法。

天線選擇算法考慮的主要標(biāo)準(zhǔn)有最大信道容量以及最大接收SNR，然而我們由前面的分析可知實(shí)際信道容量受天線單元相位變化的影響比受瞬時(shí)SNR的影響大，所以最大化SNR并不就等于最大信道容量。

與之不同，我們提出一種基于塊對(duì)角化的快速分布式MIMO天線選擇算法。

三、算法描述

3.1 漁業(yè)通信場(chǎng)景分布式MIMO等效為多用戶MIMO模型

由前面的分布式MIMO（M，L，N）模型，則系統(tǒng)模型可等效為多用戶MIMO系統(tǒng)。

發(fā)送端等效為配置M根天線， L個(gè)接收MIMO用戶，每個(gè)用戶有N根天線，基站端數(shù)據(jù)發(fā)射前進(jìn)行了預(yù)處理，即傳輸預(yù)處理，然后發(fā)送到MIMO信道。b（1）表示Kl×1維并行同時(shí)發(fā)送給用戶l（l=1，…，L）的數(shù)據(jù)符號(hào)向量，數(shù)據(jù)符號(hào)向量經(jīng)過(guò)發(fā)送預(yù)編碼后，輸出M維向量，預(yù)編碼矩陣用M×Kl矩陣TKl表示。

假設(shè)信道為平坦衰落，則基站到用戶L的信道矩陣Hl各元素為零均值復(fù)高斯獨(dú)立同分布。則用戶l的N個(gè)天線用來(lái)接收Kl數(shù)據(jù)符號(hào)，且接收到的數(shù)據(jù)符號(hào)可表示為N維向量，如下：

3.2天線組的選擇方法

1）首先計(jì)算每個(gè)用戶的信道容量Cl=（l=1，…，L）（。

2）其次根據(jù)業(yè)務(wù)容忍度，給出一個(gè)信道容量經(jīng)驗(yàn)值，一般根據(jù)吞吐量，誤碼率等性能折中選擇，記為Coff。

3）Coff將C={C1，C2，…，Cl}集合劃分為兩個(gè)子集，大于Coff的放在Cup={}里，小于Coff的放在Cdown={}里。

4）從Cup={}里任選一個(gè)Cl與Cup集合中其它元素進(jìn)行比較，若比較的元素比Cl值小，則將該元素加入Cdown={}，并在Cup={}中去掉該元素；若比較的元素比Cl值大，則將該元素作為參考，將Cl放入Cdown={}中，且從Cup={}中去掉Cl。依次循環(huán)此過(guò)程，直到Cup={}中僅剩Csl一個(gè)元素為止。

5）Csl所對(duì)應(yīng)的第sl個(gè)用戶即為本次通信所選擇的MIMO組。該MIMO組可與基站發(fā)射天線組形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的MIMO系統(tǒng)，接收端采用最小均方誤差檢測(cè)、迫零檢測(cè)或者串行干擾抵消等檢測(cè)算法檢測(cè)并還原發(fā)送信號(hào)。

四、分布式MIMO天線組選擇仿真分析

系統(tǒng)仿真分析中，發(fā)送端有4根天線，接收簇天線組（即用戶數(shù)）設(shè)為4，每個(gè)用戶的天線數(shù)相等，均為4，且各用戶間距離足夠遠(yuǎn)，從而每個(gè)用戶子信道相互獨(dú)立。本節(jié)仿真中僅研究MIMO天線分布式天線選擇算法的性能，采用QPSK的方式進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，并選擇較簡(jiǎn)單的傳輸分集方式進(jìn)行預(yù)編碼，接收端使用最小均方誤差檢測(cè)。仿真結(jié)果與傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多用戶MIMO系統(tǒng)誤碼率性能進(jìn)行比較，如圖1所示：

仿真曲線圖1中，帶正方形的曲線表示多用戶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO系統(tǒng)的誤碼率隨信噪比的變化，帶圓圈的曲線表示基于子信道容量最大快速選擇的分布式MIMO系統(tǒng)誤碼率隨信噪比的變化。

由仿真曲線圖可以看出，列車(chē)通信系統(tǒng)采用分布式的MIMO模型會(huì)比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO系統(tǒng)誤碼率性能有較大的提高，且算法簡(jiǎn)單。

對(duì)本文所提環(huán)境下進(jìn)行子信道容量最大天線組選擇算法與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO系統(tǒng)的平均信道容量進(jìn)行仿真結(jié)果對(duì)比，如圖2所示。

仿真曲線圖2中，帶圓圈的曲線表示點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO平均信道容量在不同信噪比下的值，帶方框的曲線表示子信道容量最大的天線選擇算法平均線的容量在不同信噪比下的值。從圖中可以看出，是否進(jìn)行天線組選擇對(duì)系統(tǒng)容量影響不是很明顯，這是因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)容量影響較大的天線是有限的，其它天線均對(duì)系統(tǒng)容量影響較小。

由以上分析可知，分布式信道模型下，接收端進(jìn)行天線組選擇，可以提高系統(tǒng)誤碼率性能且不影響系統(tǒng)容量。

五、結(jié)束語(yǔ)

本章首先對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并對(duì)MIMO系統(tǒng)容量進(jìn)行分析；然后根據(jù)高速鐵路場(chǎng)景特性，提出適用于高速鐵路場(chǎng)景的分布式MIMO系統(tǒng)模型；針對(duì)高速列車(chē)上所布設(shè)的車(chē)頂轉(zhuǎn)發(fā)天線組距離較遠(yuǎn)，即分布式MIMO各天線組距離較遠(yuǎn)的情況，進(jìn)行分布式天線組的選擇。

本章采用基于子信道信道容量最大的天線組選擇，并且在選擇中，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值給出一個(gè)容量門(mén)限，將所有信道分成兩個(gè)集合，將大于容量門(mén)限的子信道放在同一子集，再?gòu)脑撟蛹羞x出容量最大的子信道，選擇該子信道容量對(duì)應(yīng)的車(chē)頂天線與基站進(jìn)行通信。

本章所提出的基于子信道容量最大的分布式MIMO快速天線選擇，實(shí)現(xiàn)了僅使用有效天線組進(jìn)行通信，減少用戶間干擾的同時(shí)節(jié)省發(fā)射功率，提高了系統(tǒng)性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐曉軍， MIMO無(wú)線信道建模與仿真[D]， 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2003.

[2] Roh W，Paulraj A. “MIMO channel capacity for the distributed antenna systems，” Proc IEEE Veh Technol Conf. 02， Stanford， USA， 2002：706-709.

[3]龍承志，吳偉陵，李立宏，異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于選擇分集的節(jié)點(diǎn)協(xié)作策略， 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2009，vol 26.