協(xié)作式MIMO傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量高效的傳輸策略研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)在近幾年已引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)一項具有重大意義的研究課題。傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量集成有傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元和無線通信單元的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。它能夠協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，然后通過數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)(SINK節(jié)點(diǎn))將采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的用戶進(jìn)行進(jìn)一步處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實(shí)生活中有著越來越廣泛的應(yīng)用。然而，由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積通常很

2、小，而且主要靠電池提供能量，在其大部分應(yīng)用環(huán)境中，補(bǔ)充或者更換電池又非常不易，因此節(jié)能設(shè)計是傳感器網(wǎng)絡(luò)諸多重要研究領(lǐng)域之一?？梢哉f，節(jié)能設(shè)計貫穿了傳感器網(wǎng)絡(luò)中從物理層到應(yīng)用層各個層面。
　　 協(xié)作式(虛擬)MIMO技術(shù)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)中新興的節(jié)能傳輸技術(shù)之一，在近期得到了越來越多的關(guān)注。協(xié)作式MIMO技術(shù)充分利用傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署高密度的特性，通過允許多個單天線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作式信息處理和傳輸，構(gòu)成一個虛擬天線陣列，從而以較少的總能耗

3、在多徑衰落環(huán)境進(jìn)行可靠的通信。然而，限制于協(xié)作式MIMO的技術(shù)特點(diǎn)，其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還存在著如下待解決的問題：
　　 1.針對不同的應(yīng)用場景，如何選取合適的MIMO編解碼算法。
　　 2.不同編解碼算法對協(xié)作式MIMO策略設(shè)計的影響。
　　 3.如何有效選擇協(xié)作式MIMO發(fā)送/接收節(jié)點(diǎn)。
　　 4.如何保證一定網(wǎng)絡(luò)生存時間的同時，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)效用(該性能反映了網(wǎng)絡(luò)采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量)。
　　

4、 針對上述問題，本文的研究將從以下三個方面展開：(1)基于分布式STBC編碼的協(xié)作式MIMO傳輸策略研究；(2)基于分布式VBLAST編碼的協(xié)作式MIMO傳輸技術(shù)研究；(3)基于NUM模型的協(xié)作式MIMO聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)生存時間和網(wǎng)絡(luò)效用優(yōu)化設(shè)計研究。本文的工作得到了國家自然科學(xué)基金"可重構(gòu)MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息處理與傳輸"(No.60572049)和"認(rèn)知無線電關(guān)鍵技術(shù)研究"(No.60602029)的資助。
　　 本文取得的研

5、究成果包括如下幾個方面：
　　 1.基于分布式STBC編碼的協(xié)作式MIMO的傳輸策略研究：針對節(jié)點(diǎn)具有一定計算處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，設(shè)計了一種基于分布式STBC算法的協(xié)作式MIMO傳輸方案。仿真結(jié)果顯示該方案相比已有基于STBC編碼的傳輸策略能顯著減少節(jié)點(diǎn)能耗和延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　 2.基于分布式VBLAST編碼的協(xié)作式MIMO傳輸技術(shù)研究：針對低端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與高端數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信應(yīng)用模式，提出了相應(yīng)協(xié)作

6、式節(jié)點(diǎn)選擇策略，并在此基礎(chǔ)上，首次提出了一種基于V-BLAST(Vertical-Bell Labs LayeredSpace-Time)算法的協(xié)作式MIMO傳輸策略。仿真結(jié)果顯示該策略能取得與基于STBC編碼的協(xié)作式MIMO傳輸類似的能耗性能，但由于不需要發(fā)送端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合STBC編碼，因此更加適用于低端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與高端數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)(SINK節(jié)點(diǎn))之間的通信應(yīng)用模式。
　　 3.協(xié)作式MIMO傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于NUM模型的聯(lián)合

7、網(wǎng)絡(luò)效用-生存時間優(yōu)化研究:針對音/視頻監(jiān)控等對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和傳輸量有較高要求的應(yīng)用，分析了采用多跳協(xié)作式MIMO傳輸方式下的系統(tǒng)能耗模型以及信道容量模型，應(yīng)用NUM(網(wǎng)絡(luò)效用最大化)思想，建立聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)效用(總網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量)以及網(wǎng)絡(luò)生存時間優(yōu)化的等效虛擬MIMO傳輸模型，通過求解該模型得到一種聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)效用和生存時間的分布式優(yōu)化算法。仿真結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)中等效MIMO節(jié)點(diǎn)僅需要交互鄰居節(jié)點(diǎn)信息，通過有限次的迭代計算，就能收斂到全局最優(yōu)