正交信道中数据传输功率的最优分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，特别是一种数据传输功率的最优分配方法，该方法可 应用于分布式传感网络系统中数据在正交信道中的传输功率分配问题。
【背景技术】
[0002] 至今为止，人们对于分布式传感网络系统的估计融合问题已经研究了几十年。该 问题在很多的实际领域中都受到了显著的关注，例如：目标跟踪及本地化，遥感和军事侦查 等。分布式传感网络系统是将一组已经由放置在空间中的传感器预先处理过的数据通过多 径信道MC传输到融合中屯、，融合中屯、按照融合规则将所有传感器通过多径信道传输的数 据进行组合，并且提供一个对于源发送信号的估计值。在传感器和融合中屯、之间的多径信 道MAC有两种情况；正交和相关。现在所研究的主要是针对正交多径信道MAC,即所有的传 感器通过相互独立的无干扰的信道将传感器的本地检测值传输到融合中屯、，该信道可W通 过时分复用TDMA、频分复用FDMA、码分复用CDMA来实现。
[0003] 现有的大部分关于数据融合的算法都是基于共同的假设：融合中屯、已知完全的信 道状态信息，解决了在融合中屯、获得完全的信道状态信息的情况下数据传输功率进行等增 益分配问题。针对线性通信系统模型中数据传输功率的最优分配问题，HamidR.Ahmadi在 2013年就提出了一种在正交信道中数据传输功率的最优分配问题，但前提条件也是假设融 合中屯、已知完全的信道状态信息，即没有考虑信道估计误差的影响，该个缺点的存在会对 融合中屯、对于传感器源发送数据的估计W及正交信道中数据传输功率的最优分配问题产 生很大的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种正交信道中数据传输功率的最优分配方法，W解决现 有技术没有考虑信道估计误差对估计性能的影响，及信道传输时数据传输功率进行等增益 分配所造成的传感器源发送数据估计误差较大问题。
[0005] 实现本发明的技术方案是；在分布式传感网络系统中，将传感器检测到的数据通 过N个正交信道传输到融合中屯、，融合中屯、根据融合中屯、的融合规则完成对源发送数据的 估计，并且在对源发送数据估计的最小均方误差LMMSE的条件下，实现信道中数据传输功 率的最优分配。具体步骤包括如下：
[0006] (1)在线性系统模型中计算分布式传感网络系统中传感器节点的检测值Xi:
[0007] Xi= 0 +V
[000引其中，i= 1，2,…，N，N为分布式传感网络系统中传感器的总数，0属于实数，0 为传感器的源发送数据，Vi是一个均值为0、方差为of的加性高斯白噪声；
[0009] (2)根据传感器节点的检测值Xi利用下式计算融合中屯、的检测值:
[0010] 二V尽片'(" +V;) + ，
[0011] 其中，巧，是信道传输时分配给数据的传输功率，hi是在信道估计的最小均方误差 条件下的正交信道系数，hi服从均值为兩、方差为吊的正态分布，"6是传感器检测数据在 信道中传输时的测量噪声，《。服从均值为0、方差为的正态分布；
[0012] (3)计算融合中屯、训练符号的检测值-Vf,;
[001引.V,二乂哼/巧+?,，
[0014] 其中，Xt为训练符号，与是信道传输时分配给训练符号的传输功率，是训练符 号在信道中传输时的测量噪声，服从均值为0、方差为< 的正态分布；
[0015] (4)计算融合中屯、对于传感器的源发送数据0的估计值苗；
[0016]
【主权项】
1. 一种正交信道中数据传输功率的最优分配方法，包括如下步骤： (1) 在线性通信系统模型中计算分布式传感网络系统中传感器节点的检测值Xi: Xi= Θ + V 其中，1 = 1，2，~^』为分布式传感网络系统中传感器的总数，0属于实数，0为传 感器的源发送数据，Vi是一个均值为0、方差为 < 的加性高斯白噪声； (2) 根据传感器节点的检测值Xi利用下式计算融合中心的传感器数据的检测值A :
其中，C是信道传输时分配给数据的传输功率，Iii是正交信道系数，hi服从均值为坧、 方差为 < 的正态分布，气是传感器检测数据在信道中传输时的测量噪声，'服从均值为 〇、方差为大的正态分布； (3) 计算融合中心训练符号的检测值％ ·
其中，Xt为训练符号，C是信道传输时分配给训练符号的传输功率，5是训练符号在 信道中传输时的测量噪声，'服从均值为0、方差为σ,:的正态分布； (4) 计算融合中心对于传感器的源发送数据Θ的估计值
其中，'为融合中心传感器源发送数据的检测值，史(·)表示融合中心对于传感器的源 发送数据的估计值运算符号； (5) 根据估计值^计算Θ的估计误差方差MSE :
其中，Θ为传感器的源发送数据，A为融合中心对于Θ的估计值； (6) 计算数据传输功率的分配比值ri:
其中，rie [〇，1]，P为信道传输时分配给数据的传输功率，P为信道损耗的总功率； (7) 计算Θ的估计误差方差MSE在OSriSl的约束条件下的最小值，得到数据传输 功率的最优分配比值P i: T1 i= min MSE s. t 0 < I*# 1，i = 1，2,…，N 〇
2. 根据权利要求1所述的正交信道中数据传输功率的最优分配方法，其中步（2)所述 的正交信道系数h，按如下步骤计算： (2a)计算正交信道系数的估计值/),:
其中，6为信道传输时分配给训练符号的传输功率，大为加性高斯白噪声的方差，' : 为融合中心训练符号的检测值； (2b)根据正交信道系数的估计值Λ，计算有误差存在时的正交信道系数hi:
其中，为正交信道系数的估计误差，~服从均值为〇,方差，
的正态分布。
3. 根据权利要求1所述的正交信道中数据传输功率的最优分配方法，其中所述步骤 (4)中融合中心计算传感器的源发送数据Θ的估计值i，按如下步骤进行： (4a)计算高斯白噪声Vi和正交信道系数估计误差&的合并噪声Wi，i = 1，2，···，N，N 为分布式传感网络系统中传感器的总数； (4b)计算合并噪声Wi协方差矩阵
其中，T表示合并噪声^构成的列向量的转置； (4b)根据合并噪声Wi的协方差矩阵R〖，计算传感器的源发送数据Θ的估计值
其中，歹为传感器的源发送数据Θ的平均值，K为传感器的源发送数据Θ的方差，y 为由融合中心传感器数据的检测值&构成的矩阵，
y为由叉f的 平均值&构成的矩阵，
和&的乘积构成的矩阵，
表示对信道传输时分配给数据的传输功率 及进行开方，&为正交信道系数的估计值。
4. 根据权利要求1所述的正交信道中数据传输功率的最优分配方法，其中步骤（7)所 述的计算Θ的估计误差方差MSE在OSriSl的约束条件下的最小值，按如下步骤进行： (7a)将计算Θ的估计误差方差MSE在OSriSl的约束条件下的最小值问题等同为 在0 < ri< 1的约束条件下求数据传输功率的最优分配比值r" i的最大化问题，即：
s. t 0 ^ 1,1 = 1, 2, ···, N 其中，（RU-1表示对合并噪声Wi的协方差矩阵求逆，H为由
和&的乘积构成 的矩阵，#表示对信道传输时分配给数据的传输功率弋进行开方，4为正交信道系数的 估计值，
表示对矩阵丨取均值； (7b)根据步骤（7a)的最优分配比值r" i的函数，构造拉格朗日乘数函数Uri, λ):
其中，λ 构造的拉格朗日乘数函数的系数，r 数据传输功率的分配比值； (7c)根据步骤（7b)构造的拉格朗日乘数函数Uri, Ai),求解函数L(ri，Ai)的驻点， 该驻点即为正交信道中数据传输功率的最优分配比值。
【专利摘要】本发明公开了一种正交信道中数据传输功率的最优分配方法，主要解决现有技术没有考虑信道估计误差对估计性能的影响，及信道传输时数据传输功率进行等增益分配所造成的传感器源发送数据估计误差较大问题。其实现的步骤是：计算分布式传感网络系统中传感器节点的检测值；根据传感器节点的检测值计算融合中心传感器发送数据的检测值；根据融合中心的融合规则计算传感器的源发送数据的估计值；计算在传感器源发送数据估计值的最小误差方差条件下数据传输功率的最优分配比值。本发明考虑到了信道估计误差对估计性能的影响，实现了正交信道中数据传输功率的最优分配，可用于分布式传感网络系统中数据在正交信道中传输功率的最优分配问题。
【IPC分类】H04L25-02, H04L5-00
【公开号】CN104753837
【申请号】CN201510109064
【发明人】刘向丽, 李赞, 王健欢, 王彬哲, 司江勃, 郝本建
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月12日