一种实用的DF协作无线传感器网络跨层设计

闫秋娜，岳殿武，郭丽丽

（1.大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连116026；2.深圳信息职业技术学院电子通信技术系，广东深圳518029）

近几年来，协作通信，由于其在提高无线网络可靠性能方面的优势，已经在无线通信领域引起了广泛的关注，并成为目前的热门话题。在协作通信中，多个用户能够相互转发其他用户的信号信息，因此可获得空间分集，从而大大地提高每一个用户的信号传输的可靠性。

一般来说，中继传输策略大体上分为两类：前向放大（AF）和前向译码（DF）。在AF协议中，中继先放大了来自于源节点的信号然后将其转发给目的节点或下一个中继节点。而对于DF协议来说，中继节点先对信号进行译码，然后重新调制译码结果并将其再进行传送。对这两类协议，中断概率和错误性能已经得到广泛而深入地研讨[1-4]。此外，DF协议可以和编码技术结合起来，形成编码协作[5]。

不用编码的DF协议比较简单，并且由于其中继节点不依赖任何纠错码或检错码，所以对无线传感网络特别有吸引力，因为这样的网络中继节点在使用能量和计算处理方面都有严格的限制。和采用编码的DF中继传输方式不同，不用编码的DF中继可能发送错误的信息，对于采用MRC这种常规的合并方案来说，错误的传播会大幅降低端到端的可靠性能。

为了降低错误传播的影响，文献[6]提出了所谓的协作MRC的方案。该方案具有类似于最优的最大似然（ML）检测方案性能，且能获得满分集增益。然而这个性能获取，是以增加用来传递对目的节点所需的第一跳SNR信息的信令开销为代价。但是，对于传感器网络来说，系统投入更多的信令开销将是难以实现的。

众所周知，有3种最受欢迎的合并方式：MRC，EGC和选择合并（SC）。在这3种方式中，MRC和SC已经在协作中继网络研究中得到了广泛而深入的探讨[11]。然而，最简单的EGC却很少被人们考虑过。

另一方面，除了分集合并技术外，ARQ差错控制技术也是一种克服信道衰落的简单而有效的手段。为了有效地提高系统的可靠性，近年来一些学者已经开始探讨了结合数据链路层的ARQ和物理层的协作分集的跨层方法[8-10]。在涉及传感器网络研究中，考虑实践可行性，在所有ARQ协议中，截断ARQ协议无疑是最值得考虑的。

本文侧重考虑衰落环境下的协作无线传感器网络，研究的目标是提出一个基于简单的EGC和ARQ的实用跨层设计方案，并且该方案是在全面分析EGC和ARQ的可靠性和实现复杂度的基础上引出的。

1 系统模型

一个由R+2节点组成的协作无线传感器网络,如图1所示。

图1 协作无线传感器网络Fig.1Cooperative wireless sensor networks

该网络包括一个源节点，一个目的节点和R个由传感器构成的中继节点。每一个节点都装有一个天线，并工作在半双工模式下（即它不能同时接收和发送信号）。为了简单起见，假设从源节点到目的节点之间没有直接链路，所有的信道链路都假设是准静态，且是相互独立的，这意味着在一个传输期间内，信道状态是固定不变的，但在不同的传输期间是可以变化的。此外，假设每个中继节点知道从源节点到该节点的信道状态信息。

对于该协作无线传感器网络，一个完整的信息传输过程要通过两步完成。第一步，源节点广播信号给传感器节点。第二步，每个中继依照DF协议，先检测接收的信号，然后对解调信号再进行调制和发送；最后，目的节点采用某种合并方案合并来自于R个中继节点的所有信号，并依据合成信号做出最后的判决。详细过程如下所描述。

在第一步中，源节点向所有的中继节点广播了一个调制信号s。第i个中继所接收的信号表示为

在上面的表达式中，s为单位功率形成的信号（这样Es就是发射功率值）；fi是源节点和第i个中继之间的信道增益，服从二阶矩为N的瑞利分布；vi是0均值和单位方差的复加性白高斯噪声（AWGN）。

在第二步中，对于DF协议，第i个中继根据接收信号ri来检测信号s，然后把检测结果si传递给目的节点。因此来自第i个中继的目的节点接收到信号可表示为

其中Ei是第i个中继的发射功率，gi是第i个中继和目的节点之间的信道增益，且服从二阶矩为Ni（2）的瑞利分布，ωi是目的节点的0均值和单位方差的复加性白高斯噪声（AWGN）。此外，si也为单位功率形成的信号。

其中ET表示传感器网络消耗的总功率。

2 三种分集合并方案

传统上，有3种广泛采用的合并方式：MRC,EGC和SC。对于没有中继的多条独立衰落直接链路来说，这3种方案都能获得满分集增益。其中MRC方式应用最为广泛，因为它具有最高的编码增益[11]。这3种传统合并方式都能自然地推广到目前所考虑的协作中继网络上。

2.1 传统MRC合并方案

对于所考虑的协作中继网络，目的节点不论采用什么合并方案，都先对来自每一个衰落链路的信号要适宜地进行加权，然后再进行合并，合并后结果能表示为

就MRC方式而言，第i个路径的加权值取定为

其中（·）*表示复数共轭。

应当注意，为了能利用MRC合并技术，目的节点需要获知全部的信道增益信息｛gi=|gi|e-θi，i=1，2，...，R｝，或者说，需要获知全部的信道包络信息{|gi|，i＝1，2，...，R}和全部的信道相位信息{θi，i=1，2，...，R}。一般来说，信道相位信息是要在相干检测之前通过载波同步技术估计出来的。

2.2 协作MRC合并方案

因为有些中继可能转发错误的信息，所以采用传统的MRC合并方式已不能获得满分集的性能[6]。为此，T.Wang等人修改了传统的MRC方案，提出了所谓的协作MRC方案[6]。这个新的合并方案能够得到满分集增益，并获得和最优的ML检测几乎同样的性能。

对于第i条中继链路，源节点到中继（第一跳）的瞬时信噪比（SNR）和中继到目的节点（第二跳）的瞬时信噪比分别可表示为

这样，对于给定的任何调制，对于每一条两跳的链路，在目的节点处的BER应表示为

其中Pb（1）（i）和Pb（2）（i）分别是第一跳和第二跳的BER。它们分别是关于γ（i1）和γ（i2）的函数。如果把这个两跳链路当作一条直接链路来对待，其相应的输出SNR等价地表示为

其中Q（x）就是众所周知的Q函数，α是依赖于给定调制的常数（例如，对于BPSK调制，α=2）。

对于这样的协作MRC合并方式，对第i条链路合并时所采用的加权值可修改为

然而，为了能利用协作MRC技术，目的节点则需要得到全部的两跳信道增益信息｛fi，i=1，2，...，R｝和｛gi，i=1，2，...，R｝。这意味着使用协作MRC需要大量的信令开销。这对功率受限的传感器网络来说是很难实现的。

2.3 EGC合并方案

即使协作网络能够实现信道估计，估计的结果也很有可能是不正确的，这反过来会影响系统的可靠性能。为此，必须考虑其他合并方式。对于简单的EGC方案，其在中低SNR区域内具有良好的BER性能，并且具有很低的实现复杂度，故引起了设计者很大的研究兴趣。

就EGC合并方式来说，对第i条链路合并时所采用的加权值可取定为

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｝；只需要获知全部的信道相位信息｛θi，i=1，2，...，R｝即可。这表明EGC方案和传统的MRC及协作MRC方案相比需要最少量的信道信息。

3 简单EGC与截断ARQ相结合

3.1 截断ARQ方案

链路层上ARQ技术也是一种克服信道衰落的有效手段。标准的ARQ技术需要雇用循环冗余校验（CRC）来检查错误。如果接收端发现所收到的数据包有误，就会要求发送端重传该数据包。实际上，重传次数需要严格限制，不可能任意多次，以便使系统在时延和缓存方面能够合理可行。这样限制重传次数的ARQ协议就被称为截断ARQ。

研究将物理层上EGC和数据链路层上的截断ARQ相结合的跨层设计，为了使协作网络能够使用ARQ差错控制技术，现在需要修改系统协议。

首先，源节点在广播一段信息数据之前必须对其进行编码，并打成一个数据包。其次，因为组成中继的传感器具有低实现复杂度和低能耗的特点，所以中继节点工作应和未经编码时的情形是一样的，不进行CRC校验。在目的节点，首先雇用EGC来恢复数据包，然后用CRC检查数据包是否包含错误比特。如果有错误，目的节点将会通过反馈链路要求系统重传。有两种重传策略：一种是源节点和中继都参与重传，另一种是只有中继节点参与重传。

3.2 源节点和中继都重传的ARQ方案

对于这种重传策略，源节点先对所有的中继节点广播被要求重传的数据包，然后所有的中继节点根据DF协议进行检测，并再传送该数据包一次。

3.3 只有中继重传的ARQ方案

对于这种重传策略，源节点保持沉默，只有中继节点对目的节点传递被要求重传的数据包。

4 仿真结果

在如下仿真图2～5中，取N（1）=N（2）=N=1。另外，除了图5外，固定中继节点个数为R=6。由于将AWGN的方差归一化，所以图中SNR其实表示总功率ET。为了简明起见，只对BPSK调制进行了仿真比较。

首先观察3种不同合并方案下的传感器网络BER性能。图2绘出了传感器网络分别采用协作MRC、EGC和传统的MRC方案的3个BER曲线。从图2可以看出，协作MRC方案性能是最好的，但它的实现复杂度也是最高的。而传统的MRC方案性能是最差的，并且它的实现复杂度还比EGC方案要高。

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

EGC方案是最简单且易实现的。由于它的BER性能适宜，因此对于实际协作传感器网络来说，EGC方案无疑是一个很好的选择。

现在考虑将EGC与上面提到的截断ARQ相结合后的系统BER性能。在如下的仿真中，设置最大重传次数等于1。称源节点和中继节点都参与重传的ARQ方案为ARQ方案1，而称只有中继参与重传的ARQ方案为ARQ方案2。

为了便于比较，图3不仅对结合EGC的ARQ方案1和2画出了BER曲线，同时画出了不结合ARQ仅采用EGC的系统BER曲线。结合EGC的ARQ方案1和2分别简记为EGC-ARQ方案1和EGC-ARQ方案2。从图3可以看出，EGC-ARQ方案2的BER性能接近于不带有ARQ的EGC系统性能，而EGC-ARQ方案1的性能则明显的优于其他两个方案。

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

值得注意的是，对于采用EGC-ARQ方案1的协作网络，一个完整的信息处理过程需要消耗平均总功率为：

其中Pb1表示在经ARQ处理之前的目的节点比特错误率。而对于EGC-ARQ方案2，一个完整的信息处理过程需要消耗平均总功率则为：

其中Pb2表示在经ARQ处理之前的目的节点比特错误率。为了公平起见，设定不结合ARQ的EGC系统在每一个完整的信息处理过程中的平均总消耗功率是2ET。综合比较，在实际协作传感器网络中，应推荐使用EGC-ARQ方案1。

通过图4观察了ARQ方案1对不同合并方案的性能影响。对于这3种不同合并方案，其性能差异如同图2表现一样，但是由于ARQ技术的影响，这3种方案的BER性能已均有很大的改观。

最后，要观察在EGC-ARQ方案1下中继节点数目对系统BER性能影响。对于ARQ方案1，图5描绘了中继节点数目为R=4，6，8的3条BER曲线。与预期结果一样，随着中继节点R的增多，在10～15 dB的SNR区域内，BER性能变得越来越好。然而，在0～10 dB的SNR区域内，3条BER曲线互相接近。

图4 结合ARQ的不同合并方案下的BER性能比较Fig.4BER performance comparison for different combing schemes with ARQ

图5 在EGC-ARQ方案1下不同中继节点的BER性能比较Fig.5BER performance comparison under EGC-ARQ Scheme 1 for different numbers of relay nodes

5 结论

众所周知，EGC和ARQ都是简单和容易实现的抗衰落技术。在这篇论文中，笔者研究了在DF协作传感器网络中联合EGC和截断ARQ的跨层方法，并考虑了EGC-ARQ方案1和EGC-ARQ方案2两种跨层设计。最后仿真结果表明，EGC-ARQ方案1的BER性能明显优于EGC-ARQ方案2。因此，提出将EGC-ARQ方案1作为一个值得推荐的实用跨层设计方案。尽管文中分析的只是面向两跳协作的情况，但是将两跳协作的讨论推广到多跳协作情况可以说是比较直接和容易的。

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