[发明专利]面向分布式无线传感器网络的多跳中继OFDM信息传输方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种面向分布式无线传感器网络的多跳中继OFDM信息传输方法。

背景技术

在无线通信中，多径衰落是影响通信质量的重要因素，而分集技术可以用来克服多径衰落。分集技术主要包括时间分集、频率分集、空间分集和极化分集。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的出现为信号提供了空间分集，消除多径效应、克服信号衰落从而降低信号的误比特率、增强信号的可靠性。

分布式传感网络WSN（Wireless Sensor Network）能够提升对于较远物理环境的监控功能，正受到越来越广泛的关注，在其他领域如智能空间、医疗系统以及机器探寻等也都有潜在的应用价值。WSN由很多分布式传感节点构成，运用多跳中继技术，通过传感节点之间的合作，以及信息的各节点处的在线处理，WSN能够极大的提升传输信息的准确性

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），即正交频分复用技术，是一种并行数字调制技术，通过将高速数据流串并转换成多条慢速数据流，并调制到多个正交子载波上进行数据的高速传输。OFDM技术拥有较强的抗多径衰落能力和较高的频谱利用率。

MIMO-OFDM技术的多跳中继无线网络已经成为无线通信领域中的研究热点，作为下一代无线通信网络将普遍采用的物理层技术，MIMO-OFDM多跳中继技术的研究将极有意义。将OFDM技术应用于MIMO系统中，能够在基本消除ISI（Inter Symbol Interference）的前提下极大提高信道容量，同时也降低了接收机在多径环境下的设计复杂度。

影响多跳中继系统端到端吞吐量的一个重要因素是功率。如何有效分配有限功率于系统从而达到端到端吞吐量最大化是目前重要的研究方向。本发明提出了一种应用注水算法的多跳MIMO-OFDM方法，利用注水算法对子载波和子信道进行功率分配，相较于传统的平均功率分配的方法，能够获得更优的端到端系统吞吐量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用注水算法的多跳MIMO-OFDM方法，对子载波和子信道进行功率分配，优于传统的平均功率分配的方法，并获得更优的端到端系统吞吐量。

本发明提出的应用注水算法的多跳MIMO-OFDM方法，采用多跳MIMO-OFDM中继系统模型，使用天线阵列作为中继节点，采用双时隙传输带的方式，根据中继时奇偶跳数不同而在不同时隙就行传输；并使用注水算法，对所有子载波对应的子信道功率进行功率分配，使MIMO-OFDM中继系统的端到端吞吐量达到最大。 

图1所示为一种典型的基于MIMO-OFDM技术的多跳中继系统模型，其中有三种类型的模块。BS代表基站，作为信号的源端。天线阵列作为中继节点，具有接收信号并转发的功能。MS代表移动站，作为信号的终点。设该系统一共有                                                跳，经过个中继节点的转发，将信号从BS传输到MS。每一跳都是一个MIMO系统，而且在整个系统中应用了OFDM技术，利用个正交子载波承载信号。这些组成一个MIMO-OFDM多跳中继系统。 

（1）多跳中继系统的传输

采用双时隙传输的方式，即在第一个时隙，所有的奇数跳进行信号传输，而在第二个时隙，所有的偶数跳进行信号传输，由此可以增强系统的传输性能，尤其对于跳数较多的系统而言。

假设系统中存在个正交子载波用于承载信号，则在两个时隙中所有的子载波分别分配给所有的奇数跳或偶数跳进行传输，满足条件如下：

                       （1）

                       （2）。

（2）多跳MIMO-OFDM中继系统的端到端吞吐量

在第跳中，有根发送天线、根接收天线，可供调制信号的子载波数为个，则每一个子载波对应一个维度的MIMO信道衰落矩阵，，由附录可得子载波所承载的容量为：

                （3）

所以第跳的信道容量为：

       （4）

其中，是对MIMO信道衰落矩阵进行SVD分解后所得特征值的个数，即一个子载波在MIMO系统中传输相当于在个并行SISO子信道中进行传输。表示分配给子载波对应的第个子信道的功率，为该子信道的噪声功率，则为表征该子信道的特征值。

第跳的信道吞吐量为：