本發明屬于無線傳輸中的高可靠接收領域，特別涉及一種具有時間和空間分集特性的無線接收方案。

背景技術：

隨著通信技術的發展，人們對高速可靠通信的需求不斷增加，但有時通信系統中，尤其是無線通信系統中，發射端發射信號的強度有限，傳輸路徑復雜，具有很大隨機性，并且存在路徑損耗。并且，信號傳輸過程中往往還具有因多徑效應而導致的瑞利衰落，并且還存在陰影效應。因此，接收端在接收由發射端發送的信號時往往會受到各種干擾而出現信號失真，嚴重限制了通信的可靠性和有效性。為保證接收端能夠穩定可靠地接收發射端所傳輸的信號，信道編碼技術和分集技術已成為標準技術。

信道編碼通過在信息中按照一定的約束條件增加冗余信息，以犧牲信息的傳輸速率為代價在有限帶寬和較低信噪比的情況下實現信息的低誤碼率傳輸，克服傳輸信道中噪聲與衰落的影響。近年來，研究者提出接近信道容量的Turbo碼、LDPC碼等信道編碼方案，能夠在信道中獲得較高的編碼增益。

分集技術作為信道衰落損耗補償關鍵性措施，其基本思想為：通過多個信道接收承載相同信息的多個副本，由于信號在不同信道傳輸，信號多個副本的衰落思想就不會相同，因此相同信號的不同副本相關性較小，接收機對于不同副本信號按照一定的規則進行合并處理使得系統接收信噪比最大，能夠提高系統傳輸可靠性。分集技術從空域，頻域以及時域劃分為3類：空間分集，頻率分集以及時間分集。其中，空間分集技術的優勢在于充分利用系統空間域，而在時域或頻域未引入冗余，在確保相同傳輸速率條件下，可以克服多徑衰落，獲取分集增益，成為無線通信領域關鍵性技術，受到學術界的廣泛關注。

發明人在實現本發明的過程中，發現現有技術中存在以下缺點和不足：

無線傳輸過程中采用單天線進行數據接收具有丟包率高，傳輸性能差的特點；另一方面，采用單天線接收經過信道編碼后數據能夠在一定程度上檢測并糾正錯誤，但對性能改善能力有限。

因此，針對上述采用單天線進行無線接收的缺點，為了更好地提高無線傳感器網絡數據傳輸可靠性，本發明通過在時域和空間域增加冗余的方法，設計了一種基于多路分布式透明硬判決接收的軟譯碼方法。

技術實現要素：

本發明提供了一種基于多路分布式透明硬判決接收的軟譯碼方法，本發明相對于傳統的單天線接收方案大大提高了信息傳輸的可靠性，詳見下文描述：

一種基于多路分布式透明硬判決接收的軟譯碼方法，所述方法包括以下步驟：

(1)采用多個分布式接收節點接收無線信號，各分布式節點接收到由同一發射節點發送的數據包信號，并對接收到的信號進行解調輸出硬判決數據幀；

(2)硬判決匯聚單元對分布式接收節點輸出的多路硬判決數據幀進行對齊與匯聚合并；

(3)軟判決信息生成單元實現對硬判決匯聚單元輸出的經過匯聚合并的數據幀進行軟判決信息映射；

(4)信道譯碼單元根據發射端所采用的糾錯碼方案，選取可用的軟判決譯碼方法，利用軟信息生成單元輸出的軟信息進行軟判決譯碼，通過譯碼過程獲得多路分集增益與編碼增益。

所述采用多個分布式接收節點接收無線信號，各分布式節點接收到由同一發射節點發送的數據包信號，并對接收到的信號進行解調輸出硬判決數據幀，具體為：

(1)各分布式節點在不同的地理空間上接收同一發射節點相同發送的數據，該數據幀是采用可以軟判決譯碼算法進行譯碼的糾錯碼進行編碼的，并且數據幀是包含幀編號的；

(2)各分布式節點所接收的信號包括幀編號信息，原始數據經過糾錯碼編碼的碼字信息；所接收的信息均為前端接收模塊經過硬判決輸出的比特信息；幀編號通過使用強化的保證可靠性的技術例如重復編碼等保證信號接收的可靠性。

所述硬判決信息匯聚單元實現對分布式接收節點并行輸出的硬判決數據幀進行對齊與匯聚合并的具體步驟為：

(1)通過有線網絡，也可以通過高可靠無線網絡，將n路獨立接收硬判決數據傳輸至硬判決信息匯聚單元，n為大于2的正常數，表示分布式接收設備的并行數量；

(2)獲取每個硬判決數據幀的幀編號信息，并對每個硬判決數據幀，根據幀編號信息進行硬判決信息合并，具體為：

(2.1)采用n個緩存存儲n個分布式節點所接收的一幀硬判決數據幀；

(2.2)當其中任意分布式接收節點出現丟包，也即幀編號缺失時，該緩存中數據位進行補零處理，幀編號信息同當前數據幀保持一致；

(2.3)同時并行輸出當前相同編號數據幀集合中的數據幀，獲取對齊后得硬判決信息。

所述對硬判決匯聚單元輸出的經過匯聚合并的數據幀進行軟判決信息映射的具體步驟為：

(1)根據當前數據幀集合中的幀號信息，提取硬判決信息；

(2)計算各個分布式接收端節點對應的數據幀同一位置比特位為‘1’的個數為p；

(3)將每個比特的軟信息初始化為其中α為根據不同糾錯碼優化的正實常數；

(4)將得到的軟判決信息送入譯碼器中進行譯碼，同時獲得分集增益與編碼增益。

附圖說明

圖1是本發明提供的一種基于多路分布式透明硬判決接收的軟譯碼方法的實現結構示意圖；

圖2是本發明提供的硬判決信息匯聚單元過程示意圖；

圖3是本發明提供的軟判決信息生成單元過程示意圖；

圖4是本發明提供的硬判決信息匯聚單元過程；

圖5是本發明提供的硬件結構示意圖。

下面結合附圖對本發明提出的一種基于多路分布式硬判決接收的軟譯碼傳輸方法做詳細說明。

參見圖1，一種基于多路分布式透明硬判決接收的軟譯碼方法的實現結構包括：分布式接收模塊，硬判決信息匯聚單元，軟信息生成單元，信道譯碼單元。

分布式射頻單元采用多個分布式接收節點多路接收由單路發射單元發射的承載有幀編號信息，原始數據經過信道編碼的碼字信息的無線信號；進一步，各分布式接收節點內部對接收的無線信號進行相應的解調處理，并進行硬判決，輸出硬判決信息；其次，硬判決匯聚單元對分布式接收節點輸出的多路硬判決數據幀進行對齊與匯聚合并；

然后，軟判決信息生成單元實現對硬判決匯聚單元輸出的經過匯聚合并的數據幀進行軟判決信息映射；

最后，信道譯碼單元根據發射端所采用的糾錯碼方案，選取可用的軟判決譯碼方法，利用軟信息生成單元輸出的軟信息進行軟判決譯碼，通過譯碼過程獲得多路分集增益與編碼增益。

參見圖2，硬判決信息匯聚單元的實現具體過程為：

(1)通過有線網絡，也可以通過高可靠無線網絡，將n路獨立接收硬判決數據傳輸至硬判決信息匯聚單元，n為大于2的正常數，表示分布式接收設備的并行數量；

(2)獲取每個硬判決數據幀的幀編號信息，并對每個硬判決數據幀，根據幀編號信息進行硬判決信息合并，具體為：

(2.1)采用n個緩存存儲n個分布式節點所接收的一幀硬判決數據幀；

(2.2)當其中任意分布式接收節點出現丟包，也即幀編號缺失時，該緩存中數據位進行補零處理，幀編號信息同當前數據幀保持一致；

(2.3)同時并行輸出當前相同編號數據幀集合中的數據幀，獲取對齊后得硬判決信息。

參見圖3，軟判決信息生成單元的實現具體過程為：

(1)根據當前數據幀集合中的幀號信息，提取硬判決信息；

(2)計算各個分布式接收端節點對應的數據幀同一位置比特位為‘1’的個數為p；

(3)將每個比特的軟信息初始化為其中α為根據不同糾錯碼優化的正實常數；

(4)將得到的軟判決信息送入譯碼器中進行譯碼，同時獲得分集增益與編碼增益。

具體實施例

本發明實施例以嵌入式ARM平臺與射頻模塊CC1101構建了多路分布式天線收發系統為例，介紹了本發明實施例所提出的一種基于多路分布式透明硬判決接收的軟譯碼方法。

利用單個無線傳感器節點采集溫度和光照信息，采用碼率為1/2，碼長為336的Turbo碼作為信道編碼方案進行編碼；對每幀數據幀分為4個數據包進行傳輸，通過射頻前端進行無線發射。接收端采用4個分布式射頻前端進行數據接收，輸出4路并行硬判決信息；進一步輸出軟信息，最終經過解交織與軟判決Turbo碼譯碼獲取各傳感器節點采集的原始數據；最后，匯聚節點將采集的原始數據采用UDP協議通過網口發送給PC端，在PC端的上位機上進行顯示。

由于本實施例每幀數據幀分為4個數據包進行傳輸，則硬判決信息匯聚單元對4個分布式接收單元輸出的硬判決數據進行匯聚的過程如圖4所示，具體為：

(1)并行獲取來自4個各分布式接收節點的硬判決數據包，對于每個分布式接收節點連續接收4包硬判決數據包作為一幀數據幀；其中，硬判決數據包由幀號信息、包號信息以及數據位組成；

(2)獲取每個硬判決數據包的幀號信息和包號信息，幀號信息和包號信息分別用于區分不同數據幀和同一數據幀中的不同數據包；

(3)對每個硬判決數據包，根據幀號信息和包號信息進行硬判決信息合并，具體為：

(3.1)在邏輯上將硬判決數據包進行4行4列存儲；

(3.2)根據幀號信息和包號信息對硬判決數據包進行調整，使具有相同幀號的數據包處于同一行，按照包號信息進行列調整，使不同數據幀中具有相同包號的硬判決數據包處于同一列；

(3.3)獲取4×4硬判決數據包中具有相同幀號個數最多的數據包集合，將該幀集合中的幀號作為當前幀號；

(3.4)當4×4個硬判決數據包都為具有相同數據幀，則經過包號映射后，輸出4×4邏輯單元中存儲的數據進行軟判決映射；否則，再次獲取4個來自各分布式接收節點的硬判決數據包對非當前幀硬判決數據包進行覆蓋，直到4×4邏輯單元中存儲的數據包同屬于同一數據幀。

圖5為分布式接收端硬件平臺，主要包括射頻前端和中央處理單元。射頻前端由MCU和無線發射模塊組成。MCU通過IO口模擬SPI接口的時序實現對射頻模塊收發的控制，并且針對射頻芯片發射功率以及單次發送接收數據包的長度進行設置；射頻模塊采用CC1101模塊，主要完成射頻信號與數字信號之間的轉化，輸出硬判決信息。選用ARM作為中央處理模塊，完成接收數據的大數合并以及信道譯碼工作。中央處理單元通過串口接收來自前端射頻模塊的傳感器數據，經過大數合并輸出軟信息供Turbo碼譯碼器進行軟判決譯碼，進一步對譯碼后的得到的原始數據進行UDP協議封裝，通過網口傳輸至PC上位機用戶終端。

發射端采用的射頻發射模塊為CC1101模塊，發射功率配置為2W，傳輸速率為0.6kbps模式，載波頻率為433MHz，帶寬58kHz，調制方式為GFSK。接收端也采用的相同的射頻模塊作為射頻前端，其中載波頻率為433MHz，帶寬58kHz，調制方式為GFSK。

本實施例在進行測試時將分布式接收天線放置在離地20米左右高度，4組分布式天線相互間隔1米。將單個無線傳感器節點放置在四個測試點進行性能測試，測試環境較復雜，不僅包括開闊地，還有高大建筑物以及樹木遮擋。其中，測試點1、2、3、4距離分布式接收節點距離分別為225米、461米、680米、985米。

統計在傳輸4000幀數據后，接收端各個射頻接收的數據幀的丟包情況，CRC校驗情況以及Turbo譯碼情況，并與匯聚節點使用大數合并后的譯碼情況進行對比。各個測試點所傳回數據情況如表1～4所示。其中，四個測試點中導致CRC校驗錯誤和譯碼錯的主要原因是因為數據包丟失，并且，經過對比，本發明實施例所提出的分布式天線接收無線傳感器網絡傳輸方案較采用單天線接收具有更好的糾錯能力，并在數據包大量丟失的情況保證數據的高可靠接收和譯碼，能夠實現數據更高可靠性傳輸。

表1測試點1結果

表2測試點2結果

表3測試點3結果

表4測試點4結果