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煤矿井下MC-CDMA无线传感器时频联合传输设计
本文采用多载波码分多址（MC-CDMA）调制技术构成无线传感器，以提高煤矿井下无线传感器网络（WSN）的监测性能。提出了一种基于选择性映射（SLM）的子载波相位补偿算法，以降低MC-CDMA信号的相对较高的PAPR。为了进一步提高地下MC-CDMA无线传感器的监测性能，提出了一种基于时频编码协作的混合式自动重复请求（HARQ）联合跨层传输方案。提出的跨层传输将物理层的时频编码与媒体访问控制层的HARQ相结合。在所提出的传输中，协同传感器利用时频编码的协同方法在每次重传时对源传感器的监测信息进行重传，以获得编码增益和空间分集增益。仿真结果表明，基于SLM相位补偿的煤矿井下MC-CDMA无线传感器联合跨层传输，显著降低了MC-CDMA无线传感器信号的PAPR，提高了煤矿MC-CDMA无线传感器的监测性能。
1 介绍
与地面相比，受限地下隧道沿线无线信道的多径衰落更为严重，传输条件更差。然而，与地面无线通信不同，地下煤矿的空间、时间和频率资源是开放的。因此，提出了基于MC-CDMA调制的无线传感器节点的构成，以充分利用这些资源在中的优势，提高传感器节点的无线传输性能。
mc-cdma调制信号是一系列独立副载波信号的总和，当这些副载波的总和过大时，可能会导致较高的PAPR，即瞬时功率峰值远高于平均功率。因此，高PAPR的发射信号可能会达到功率放大器的饱和区，导致非线性信号失真和带外发射（OBE），从而降低信号误码率性能。非线性信号失真会降低功率放大器的效率，不利于无线传感器节点的节能。针对这些问题，提出了一种基于SLM相位补偿算法的MC-CDMA调制技术，以抑制MC-CDMA信号的峰均比，提高功率放大器的效率。
基于所提出的带SLM相位补偿的MC-CDMA调制的煤矿井下无线传感器都具有相同的相位补偿矢量组。在MC-CDMA调制过程中，每个传感器都会遍历所有可选的相位补偿矢量，以找到使PAPR最小化的相位矢量。该相位矢量被认为是发射传感器的最佳相位补偿矢量。发送传感器将相位补偿矢量的位置号发送到组中而不是矢量本身，有利于节省相位补偿矢量占用的传输时间和频率资源。
在带状结构煤矿中，由于与下沉节点的传输距离不同，一些传感器的信道条件较差，无线性能较差，而一些传感器的信道条件较好，无线性能较好。提出了一种协同传输方法，有效地改善了信道条件较差的传感器的整体无线传输性能。在该方案中，信道条件较好的传感器称为协同传感器，信道条件较差的传感器称为源传感器。提出的合作式MC-CDMA无线传输方案显著提高了地下MC-CDMA无线传感器的性能和鲁棒性。
物理层和MAC层的联合跨层传输可以有效地提高无线通信网络中节点的通信性能。跨层方案将物理层的自适应调制与MAC层的有限队列相结合，有效地降低了奈奎斯特信道中无线通信系统的丢包率（PLR）。文中介绍了一种物理层和MAC层的多跳协同的跨层设计，有效地提高了多跳协同网络的系统容量，降低了MAC层的包传输延迟。
为此，提出了一种基于SLM相位补偿的煤矿井下MC-CDMA无线传感器时频编码联合传输。当地下煤矿MC-CDMA无线传感器采用所提出的跨层传输时，协同传感器采用时频编码协同方法对源传感器的信息进行重传。在每个重传时隙，接收节点对其获得的数据包执行循环冗余校验（CRC）。如果检查正确，协同传感器将停止重新传输。否则，协同传感器会继续重新传输，直到检查正确或达到最大重新传输时间。该方案有效地降低了MC-CDMA信号的PAPR，显著提高了煤矿井下MC-CDMA无线传感器的无线传输性能。
2系统模型
图1说明了煤矿井下时频编码协同无线传感器的结构。假设矿井隧道的宽度和高度分别为2a和2b，每个WSN的覆盖距离为l。下沉节点d位于所考虑的WSN的中心部分。建立了以下沉节点为参照点的笛卡尔坐标系。由于地下隧道似乎是带状结构，一些传感器对下沉节点具有相当好的通道条件，而其他传感器则具有较差的通道条件。假设图1所示考虑的地下无线传感器中的源传感器S的信道状况不好。但是，源传感器S可以找到一个具有良好信道条件的协同传感器P，以帮助它按照一定的规则将信息传输到接收节点D。如图1所示，源传感器S与其合作传感器P形成一对伙伴传感器。
图1 系统模型
2.1传感器节点收发过程
图2给出了发射传感器时频编码帧的形成过程。在源传感器S发送信号前，首先将帧检查序列（fcs）加入到原始比特流中，然后采用bpsk调制和卷积编码得到N位信道编码帧，该帧作为源传感器S在时隙0处的时频帧，即。在时隙0处，协同传感器P根据图2对源传感器S检测到的原始位流进行重新编码，形成N位信道编码帧。在时隙R，即第r次重传（r=1，hellip;R，R是协同传感器的最大重传次数），协同传感器P通过图2所示的时频编码方法从信道编码帧获得时频编码帧。
图2 时频编码帧的形成过程
图2a，b显示了基于SLM相位补偿的提议的MC-CDMA调制的发送器和接收器的框图。源传感器S及其合作传感器P使用与扩展增益G相同的扩展码，即在图3a中，时隙T处的时频编码帧从串行转换为并行，复制和扩展，得到路径并行可以表示为，其中是发送传感器的子载波总数。对的每一个子载波采用SLM相位补偿算法，得到信号。对信号进行逆快速傅立叶变换（ifft）和并行串行变换后，得到源传感器S的发送信号或协同传感器P的第R次重传信号（r=1，hellip;，r）。
在图3b中，和分别是来自协作传感器P处的源传感器S和时隙0处的接收节点d的信号。是第r次重传时接收到的来自接收节点d处协同传感器p的信号。当t=0时，接收节点d接收源传感器s的时频编码帧。当tge;1且此处表示t=r时，由协同传感器p重新传输以协助源传感器s的时频编码帧由接收节点d接收，即
图3 基于SLM相位补偿的MC-CDMA发射机和接收机
2.2跨层传输解决方案
图4说明了基于SLM相位补偿的煤矿井下MC-CDMA无线传感器的时频协同HARQ联合跨层传输。监测信息的传输需要两个阶段：如图4a所示的初始化阶段和如图4b所示的监测信息传输阶段。
图4 时频协同HARQ联合跨层传输
在煤矿井下，每个无线节点都有相同的组，包括一个可选的相位补偿矢量，如图5所示。每个可选相位补偿矢量由相位因子组成。第a个可选相位补偿矢量为其中1le;ale;a和isin;[0,2pi;）Phi;a，ncisin;[0,2pi;），对应于第n个C-h子载波的相位补偿因子。在图3a所示的每个时隙，在mc-cdma调制期间，发送传感器在nc点ifft之前遍历所有可选的相位补偿矢量。发送传感器将相应的使峰均比最小的相位补偿矢量设置为最佳相位补偿矢量，并记录其在矢量组中的位置号。
图5 每个节点的可选相位补偿向量组
图4中的和分别是时隙0处源传感器S和时隙R处协同传感器P的最佳位置号。因此，时隙0处的源传感器S和时隙R处的合作传感器P的最佳相位补偿矢量分别为和。在发送信号和之前，源传感器和协同传感器发送它们的最佳相位补偿矢量的位置号和。根据位置号，接收传感器提取发送传感器的相位补偿矢量，用于根据图3b恢复副载波的原始相位。
如图4所示，在初始化阶段，源传感器S利用RTS/CTS握手协议初始化协同传感器和接收节点D。源传感器S广播RTS信号，通知协同传感器P和接收节点D有等待发送的监控信息。然后协同传感器P停止转发其他源传感器的信息，接收到RTS信号后，接收节点D清空该源传感器的缓冲信息。同时，接收节点D将CTS信号反馈给源传感器S和协同传感器P，表明接收节点D准备接收来自源传感器S和协同传感器P的信号。
在图4所示的时隙0处，源传感器S基于SLM相位补偿广播的最佳相位矢量和MC-CDMA信号的位置号。在时隙R即第R次重传时，协同传感器P向接收节点D发送最佳相位补偿矢量的位置号和基于SLM相位补偿的的MC-CDMA信号。
在每个时隙，接收信道编码帧和缓冲信道编码帧由接收节点组合、解码和检查。如果协同传感器进行第r次重传后CRC检查正确，则接收节点D直接向源传感器S反馈确认（ACK）信号；否则接收节点D直接向协同传感器P反馈负确认（NACK）信号。接收到Nack后，协同传感器P将时频编码帧发送到接收节点D，直到检查正确或达到最大重传次数R。
3 频编码合作的联合跨层传输
图4给出了煤矿井下MC-CDMA无线传感器时频合作的联合跨层传输方案。跨层传输方法结合物理层的时频编码配合和MAC层的HARQ协议，有效地提高了源传感器的误码率性能。
3.1 时频编码方案
协同传感器P根据图2对时隙0处检测到的源传感器S的原始位流进行重新编码，形成N位信道编码帧。在时隙R即第R次重传时，协同传感器P协助源传感器S向接收节点D发送监测信息。协同传感器P使用图6等式从信道编码帧获得时频编码帧：
图6 获取时频编码等式
3.2 跨层传输方案
对于地下无线传感器，采用时频编码的联合跨层传输，将协同传感器的最大重传次数设置为r。因此，源传感器监测信息传输过程的最大时隙为R 1。在本次提出的时频编码配合哈克传输中，发射传感器根据时隙对其信道编码帧进行编码，使源传感器获得编码增益和空间分集增益。从而有效地提高了源传感器的误码率性能。
在时隙0处，源传感器S依次广播最佳相位矢量的最佳位置号和信号。接收到的接收信号在接收节点D和协同传感器P分别为：
其中e是无线传感器的传输功率；和分别是从源传感器s到接收节点d和协同传感器p的信道增益矩阵。和都是尺寸矩阵。和分别是从源传感器S到接收节点D和协同传感器P的维噪声矢量。在不损失一般性的情况下，假设每个窄子载波的信道噪声为零均值和方差的加性高斯白噪声（awgn）。在接收节点D接收到源传感器S的最佳位置号和信号后，通过图3b所示的MC-CDMA解调和图2所示的时频解码，得到源传感器S的估计信道编码帧
在时隙R处，合作传感器P处的时频编码帧由根据图生等式生成。合作传感器P通过基于SLM的MC-CDMA调制，发送其最佳相位补偿矢量的位置号和从时频编码帧获得的信号（R=1，hellip;，R）（R=1，hellip;，R）。在第R次重传时，接收到的来自合作传感器P的接收节点D的信号是
其中，是协同传感器p与接收节点d之间的信道增益矩阵，是它们之间的1times;nc维噪声矢量。估计的信道编码帧是通过图3b中的mc-cdma解调过程和图2中的时频译码，在接收节点d从合作传感器p接收到最佳位置号和信号后得到的。与缓冲信道编码合并。接收节点D处的更新新的缓冲信道编码帧，其描述如下：
其中，，即时隙0后的缓冲信道编码帧是源传感器s的估计信道编码帧，接收节点d根据所示的反向过程对每个时隙的进行维特比解码、bpsk解调和crc检查。
综上所述，以下步骤给出了基于SLM相位补偿的地下MC-CDMA无线传感器物理层和MAC层的时频编码协作联合跨层传输的基本步骤。
（1）初始化：源传感器使用CTS/RTS握手协议初始化协同传感器和接收器节点D。
（2）时隙0：源传感器广播其最佳位置号和时频编码帧的mc-cdma信号。接收节点和协同传感器通过MC-CDMA解调和时频译码得到源传感器的估计信道编码帧。
（3）时隙r（r=1，hellip;，r）：协同传感器将其最佳位置号和时频编码帧的mc-cdma信号传送到接收节点d，接收节点d将得到的协同传感器的估计信道编码帧与缓冲信道编码帧合并。获取新的缓冲帧。
（4）协同传感器完成第R次重传后，接收节点D对进行解码和CRC检查。如果CRC检查正确，接收节点将向源传感器反馈ACK信号；否则，接收节点D将向协作传感器反馈NACK信号，协作传感器将启动下一次重新传输。如果检查失败r次，则接收节点d放弃接受该源传感器的监测信息。
4 结果和讨论
本节通过蒙特卡罗仿真，在Linux环境下的IBM服务器上，通过Matlab仿真，对所提出的用于煤矿井下MC-CDMA无线电机的时频合作跨层传输的网络性能进行了评估。假设矿井隧道的宽度和高度分别为10 m和6 m，每个WSN的覆盖距离为1200 m，下沉节点位于坐标（2.5、minus;1.5、0）处。假设地下煤矿震源传感器的坐标为（2.5、1.5、200），协同传感器的坐标为（2.5、1.5、100）。N位信道编码帧是由原始信息比特流加上CRC位、BPSK调制和卷积编码形成的，其速率为1/2，如图2所示。传感器的中心频率为900兆赫，副载波间隔为15千赫。在MC-CDMA调制中，采用8位长的沃尔什码作为扩频码，即G=8。因此，副载波总数满足=8*n。此外，假设仿真系统是严格同步的。
当无线传感器采用MC-CDMA调制时，传感器的不同子载波具有不同的信道增益，从而导致每个子载波的接收信噪比不同。因此，本文在仿真中采用了发射机处的信噪比，即发送信噪比来研究传感器的误码率变化。煤矿井下部分传感器节点由于信道条件差，通信质量可能不太好。为了研究该算法在高误码率下的性能，对（0，0.5）范围内的误码率进行了仿真和讨论。
图7 不同传输方式对源传感器误码率的影响
图7a-c给出了当子载波的总数分别为1024、2048和4096时，基于SLM相位补偿和时间的MC-CDMA调制源传感器的PAPR。在图6中，横轴代表时间，纵轴代表源传感器的PAPR，为（dB）。图7a-c表明，基于SLM相位补偿算法的MC-CDMA符号的PAPR比无相位补偿算法明显降低。例如，当=1024时，基于SLM相位补偿的MC-CDMA符号的PAPR比普通的MC-CDMA符号低9分贝。从图6a-c可以看出，随着子载波总数的增加，普通的mc-cdma调制的PAPR变化很大。例如，当=4096时，普通的mc-cdma调制的PAPR比=1024高20分贝。然
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