徐凌偉,張 浩,,呂婷婷,施 威,T.A.Gulliver

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100;2.維多利亞大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,加拿大維多利亞V8W 3P6;3.青島科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266061)

基于SSC-SC方案的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能分析

徐凌偉1,張 浩1,2,呂婷婷1,施 威3,T.A.Gulliver2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100;2.維多利亞大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,加拿大維多利亞V8W 3P6;3.青島科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266061)

在N-Nakagami信道下，研究了結(jié)合切換駐留合并(SSC)與選擇合并(SC)的移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的平均符號(hào)誤碼率(ASEP)和中斷概率(OP)性能.基于矩生成函數(shù)(MGF)的方法，推導(dǎo)了系統(tǒng)采用相移鍵控調(diào)制(PSK)、正交幅度調(diào)制(QAM)、脈沖幅度調(diào)制(PAM)等的ASEP的精確表達(dá)式;同時(shí)，也推導(dǎo)出了系統(tǒng)中斷概率(OP)的精確閉合表達(dá)式，然后對(duì)不同系統(tǒng)條件下的性能做了數(shù)值仿真，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性.仿真結(jié)果表明:隨著分集支路數(shù)、衰弱系數(shù)的增加，衰弱因子的減小，系統(tǒng)的ASEP和OP性能得到了很好的改善.

移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò);切換駐留合并;選擇合并;N-Nakagam i信道;平均符號(hào)誤碼率;中斷概率

0 引言

近年來,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事、交通、商業(yè)等領(lǐng)域中［1］.由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有體積小、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不容易實(shí)現(xiàn).為了解決上述矛盾,一種方案就是組成虛擬多輸人多輸出(MIMO)系統(tǒng)［2］進(jìn)行合作傳輸［3］.在MIMO無線通信中,廣泛使用多天線分集接收技術(shù)來減小多徑衰弱的影響.在最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)、等增益合并(Equal Gain Combining,EGC)和選擇合并(Selection Combining, SC)3種典型的多天線分集合并技術(shù)中,MRC性能最好,但是實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜;SC性能相對(duì)差些,但是實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單［4］.

針對(duì)上述技術(shù)缺陷,很多學(xué)者開始研究切換合并(Switched Diversity Combining,SDC)技術(shù),其主要包括切換駐留合并(Sw itch-and-Stay Combining,SSC)和切換檢測(cè)合并(Switch-and-Examine Combining,SEC)［5-6］.SDC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中易于實(shí)現(xiàn),但這是以系統(tǒng)性能為代價(jià)的.為了在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與系統(tǒng)性能之間找到平衡點(diǎn),文獻(xiàn)［7］提出了SSC-SC混合合并技術(shù),將SSC與SC結(jié)合,使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,同時(shí)仍能取得較好的性能.

Kovacs等［8］通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析,建立了適合室內(nèi)和城鎮(zhèn)微小區(qū)的移動(dòng)-移動(dòng)通信環(huán)境下的雙瑞利(2-Rayleigh)分布模型.在雙瑞利衰落模型的基礎(chǔ)上,大量試驗(yàn)研究指出［9］:當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)終端在相互通信時(shí),通過其附近的散射體產(chǎn)生了N(N＞2)個(gè)相互獨(dú)立的Nakagami衰落過程時(shí),那么信道的幅度傳播特性將服從N-Nakagami分布.文獻(xiàn)［10］研究了N-Nakagami分布的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù),推導(dǎo)了不同調(diào)制方式誤碼率的精確閉合表達(dá)式.N-Nakagam i分布在車聯(lián)網(wǎng)中移動(dòng)的車與車之間的通信、協(xié)作分集系統(tǒng)中移動(dòng)終端之間的通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的通信等方面得到了廣泛的應(yīng)用.

SSC-SC混合合并技術(shù)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但仍能有較好的性能,將其應(yīng)用到移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可以降低網(wǎng)絡(luò)傳輸所需能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期,具有很好的應(yīng)用價(jià)值.在N-Nakagam i信道下,系統(tǒng)采用SSC-SC方案,基于矩生成函數(shù)(Moment Generating Function,MGF)的方法,推導(dǎo)出了涵蓋多種調(diào)制方式的平均誤碼率(Average Symbol Error Probability,ASEP)的計(jì)算公式;同時(shí)也得到了中斷概率(Outage Probability,OP)的精確表達(dá)式.最后,對(duì)不同系統(tǒng)條件下的性能做了數(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

采用文獻(xiàn)［11］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顯示了兩個(gè)簇之間的通信過程,信息可以通過多個(gè)簇的傳遞到達(dá)目的節(jié)點(diǎn).在這里,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的,每個(gè)源節(jié)點(diǎn)和協(xié)作節(jié)點(diǎn)只有一根天線,每個(gè)sink節(jié)點(diǎn)有多根天線,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的每條信道是相互獨(dú)立的.

圖1 虛擬M IMO系統(tǒng)的模型Fig.1 The virtual M IMO system model

由文獻(xiàn)［10］知,服從N-Nakagam i分布的隨機(jī)變量Z可表示為N個(gè)獨(dú)立變量al的乘積,即

式中:N是衰弱因子;al服從Nakagam i分布,其概率密度函數(shù)為

其中,ml表示衰弱系數(shù),Ωl=E(),E()表示求均值.

Z服從N-Nakagam i分布,其概率密度函數(shù)為［10］

假設(shè)發(fā)射端有1個(gè)移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn),接收端有2L個(gè)移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn),則構(gòu)成了一個(gè)1×2L的虛擬M IMO系統(tǒng).在這里,假設(shè)各分集支路衰落幅度平衡,各支路具有相同的均值,單個(gè)支路的接收信號(hào)為

式中:Z為衰落特性相互獨(dú)立的信道傳輸系數(shù),服從N-Nakagami分布;x表示發(fā)送的有用信號(hào),它在一個(gè)符號(hào)間隔內(nèi)的平均能量為Es;w為加性復(fù)高斯噪聲,其單邊功率譜密度為N0.

由式(5)得單個(gè)支路的瞬時(shí)接收信噪比為

其平均接收信噪比為

其概率密度函數(shù)可以表示為［10］

累積分布函數(shù)可以表示為［10］

虛擬M IMO系統(tǒng)首先對(duì)每2路進(jìn)行SSC合并接收,再對(duì)得到的L路信號(hào)進(jìn)行SC合并接收.每2個(gè)單支路進(jìn)行SSC合并接收時(shí),總的輸出瞬時(shí)信噪比rSSC的累積分布函數(shù)為［6］

式中:rth為預(yù)先設(shè)置的切換門限.

對(duì)式(10)進(jìn)行求導(dǎo),可以得到rSSC的概率密度函數(shù)為［6］

當(dāng)L路信號(hào)采用選擇合并時(shí),總的輸出瞬時(shí)信噪比rSC為［12］

所以,SSC-SC接收端信噪比的累積分布函數(shù)為［7］

SSC-SC接收端信噪比的概率密度函數(shù)為［7］

SSC-SC接收端信噪比的MGF為

2 平均誤碼率分析

根據(jù)文獻(xiàn)［13］的結(jié)論,一個(gè)衰落信道下涵蓋多種調(diào)制方式包括M進(jìn)制PSK、QAM和PAM調(diào)制等,相干解調(diào)時(shí)ASEP的通用公式為

2.1 M-PSK調(diào)制

采用相干檢測(cè)的M-PSK調(diào)制時(shí),系統(tǒng)的ASEP可以表示為

2.2 M-QAM調(diào)制

采用相干檢測(cè)的M-QAM調(diào)制時(shí),系統(tǒng)的ASEP可以表示為

2.3 M-PAM調(diào)制

采用相干檢測(cè)的M-PAM調(diào)制時(shí),系統(tǒng)的ASEP可以表示為

3 中斷概率分析

中斷概率定義為系統(tǒng)的接收信噪比低于某一門限值的概率.對(duì)于SSC-SC系統(tǒng)而言,由累積分布函數(shù)的定義可知其中斷概率為［12］

式中,rT表示某一門限值.

圖2 雙Nakagami信道分集支路數(shù)對(duì)系統(tǒng)OP性能的影響Fig.2 The im pact of the diversity branches on the OP per for mance

4 數(shù)值仿真

預(yù)先設(shè)置的切換門限r(nóng)th為5 dB,給定的門限值rT為2 dB.圖2為移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在雙Nakagami信道下,系統(tǒng)的OP性能隨分集支路數(shù)變化的曲線,分集支路數(shù)2L=2,4,6,8.由圖2可知,隨著分集支路數(shù)的增加,移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的OP性能是不斷改善的,例如,當(dāng)SNR= 12 dB,分集支路數(shù)2L=2的OP是1×10-2;分集支路數(shù)2L=4的OP是1×10-4;分集支路數(shù)2L= 6的OP是2×10-6;分集支路數(shù)2L=8的OP是2×10-8.

圖3為移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在雙Nakagami信道下,系統(tǒng)的OP性能隨衰弱系數(shù)變化的曲線,其中,衰弱系數(shù)m=1,2,3,分集支路數(shù)2L=4.由圖3可知,隨著衰弱系數(shù)的增加,移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的OP性能是不斷改善的,例如,當(dāng)SNR=12 dB,m=1的OP是1×10-2;m=2的OP是1×10-4;m=3的OP是9×10-7.

圖3 雙Nakagam i信道下衰弱系數(shù)對(duì)系統(tǒng)OP性能的影響Fig.3 The impact of the fading cofefficent on the OP performance

圖4給出了移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在NNakagam i信道下,系統(tǒng)的OP性能隨衰弱因子變化的曲線,衰弱因子N=2,3,4,衰弱系數(shù)m=2,分集支路數(shù)2L=4.由圖4可知,隨著衰弱因子的增加,信道的衰弱程度不斷增大,移動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的OP性能是不斷減弱的,例如,當(dāng)SNR =12 dB,N=2的OP是1×10-4;N=3的OP是1×10-3;N=4的OP是5×10-3.

圖4 N-Nakagam i信道下衰弱因子對(duì)系統(tǒng)OP性能的影響Fig.4 The impact of the fading cofefficent on the OP per form ance

圖5分析比較了SSC,SSC-SC,SC在雙Nakagami信道下的OP性能,分集支路數(shù)2L分別為4,6,衰弱因子N=2,衰弱系數(shù)m=2.由圖5可知,3種傳輸方式中,SSC的OP性能比SSC-SC, SC都要差.隨著2L的增大,SSC-SC與SC兩種合并方式的OP性能越來越接近.在誤碼率為10-6時(shí),SSC-2SC與4SC所需的平均信噪比相差3.8 dB;SSC-3SC與6SC所需的平均信噪比相差2 dB.SSC-SC的硬件結(jié)構(gòu)比SC簡(jiǎn)單,更利于在實(shí)際中應(yīng)用.

圖5 SSC，SSC-SC，SC在雙Nakagami信道下的OP性能的比較Fig.5 The OP com parison of SSC，SSC-SC，SC

5 結(jié)論

基于MGF的方法推導(dǎo)了系統(tǒng)在N-Nakagami衰落信道上采用PSK、QAM、PAM等幾種調(diào)制方式的ASEP的精確表達(dá)式;同時(shí),也得到了OP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.仿真結(jié)果表明:隨著分集支路數(shù)、衰弱系數(shù)的增加,衰弱因子的減小,系統(tǒng)的ASEP和OP性能得到了很好的改善.本文中的信道是相互獨(dú)立的,在實(shí)際環(huán)境中,信道并不是完全獨(dú)立的,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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Performance Analysis of Mobile Wireless Sensor Network System Based on SSC-SC Scheme

XU Ling-wei1,ZHANG Hao1,2,LV Ting-ting1,SHIWei3,T.A.GULLIVER2
(1.Department 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.Department of Information Science and Technology,Qingdao University of Science&Technology,Qingdao 266061,China)

On the basis of N-Nakagami fading channels,the average symbol error probability(ASEP)and outage probability(OP)of mobile wireless sensor network system employing switch-and-stay combining (SSC)and selection combining(SC)are investigated in this paper.Based on the moment generating function (MGF)approach,the exact ASEP expressions are derived for severalmodulation schemes,including phase shift keying(PSK),quadrature amplitude modulation(QAM),and pulse amplitude modulation(PAM). The exact closed-form OP expressions are also presented.Then the ASEP and OP performance under different conditions is evaluated through numerical simulations,and the accuracy of the analytical results is verified. The simulation results showed that:the ASEP and OP performance is improved w ith the diversity branches and the fading coefficient increased,while the fading factor decreased.

mobile wireless sensor network;switch-and-stay combing;selection combining;N-Nakagam i fading channel;outage probability

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.021

1671-6833(2015)03-0096-05

2015-02-02;

2015-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61304222);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2012FQ021);山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J12LN88);青島市國(guó)際科技合作項(xiàng)目(12-1-4-137-hz).

徐凌偉(1987-),男,山東高密人,中國(guó)海洋大學(xué)博士研究生,主要從事MIMO無線通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究,Email:gaom ilaojia2009@163.com.