基于協(xié)作通信的WSN網(wǎng)絡若干關鍵技術研究.pdf

1、協(xié)作通信技術作為第4代移動通信系統(tǒng)(4thGenerationofMobileCommunicationSystem，4G)的關鍵技術之一，已成為無線通信領域的熱門課題，其出發(fā)點是網(wǎng)絡中的用戶通過共享彼此的天線以組成虛擬天線陣(VirtualAntennaArray，VAA)，從而利用空間分集幫助信息傳輸。協(xié)作通信技術可以提高信息傳輸速率、降低中斷概率和傳輸能量、擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍等，因此被廣泛應用于無線傳感器網(wǎng)絡的應用中。本學位論文在考

2、慮大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點間相互干擾以及網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化的條件下，利用隨機幾何理論對基于協(xié)作通信的無線傳感器網(wǎng)絡中的若干關鍵問題進行研究。首先對協(xié)作網(wǎng)絡的性能如中斷概率、網(wǎng)絡容量、分集復用折中(MultiplexandDiversityTrade-off，DMT)和時延等進行分析，將這些性能分析作為判斷何時、何處能有效地使用協(xié)作通信的參考依據(jù)；其次研究源節(jié)點部署、中繼節(jié)點區(qū)域選擇、節(jié)點接入網(wǎng)絡的概率以及時延分配等算法，以優(yōu)化這些無線傳

3、感器網(wǎng)絡的性能；最后，提出基于協(xié)作的干擾抑制算法用于異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡來減少干擾對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生的影響。
　　論文的主要工作如下。
　　第一，研究有擾隨機網(wǎng)絡使用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的最近中繼選擇(NearestRelaySelection，NRS)算法時的中斷概率、網(wǎng)絡容量及算法的中繼選擇區(qū)域。首先將網(wǎng)絡中發(fā)射節(jié)點的分布建模為齊次泊松點過程(PoissonPointProcess，PPP)，給出NRS算法的中斷概率和容量的閉式解。其次，

4、定義性能參數(shù)來衡量采用NRS算法時所帶來的性能增益，并根據(jù)此參數(shù)得到NRS算法的中繼選擇區(qū)域以保證算法性能優(yōu)于直接傳輸(DirectTransmission，DT)的性能。仿真結(jié)果表明：NRS算法的性能不僅取決于源節(jié)點和中繼節(jié)點的密度，還與路徑損耗因子和正確解碼門限等參數(shù)有關；只有后備中繼節(jié)點的密度在中繼選擇區(qū)域中，NRS算法才比D工具有性能優(yōu)勢，并且在節(jié)點所需的傳輸距離較遠、節(jié)點間干擾較多或解碼門限要求較高等惡劣的網(wǎng)絡環(huán)境下，NRS算

5、法的優(yōu)勢更大。
　　第二，研究有擾隨機網(wǎng)絡使用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的選擇性協(xié)作(SelectiveCooperation，SC)算法時的中斷概率、網(wǎng)絡容量及源節(jié)點的部署算法。首先，基于網(wǎng)絡模型分析出最佳中繼節(jié)點的分布，在此基礎上給出使用SC算法的網(wǎng)絡中斷概率及傳輸容量的閉式解。其次，提出源節(jié)點部署算法(SourceDeploymentAlgorithm，SDA)，使得網(wǎng)絡的中斷概率滿足QoS的要求，并進一步給出最優(yōu)源節(jié)點部署算法(Optima

6、lNodeDeploymentAlgorithm，O-NDA)以最大化SC算法帶來的性能增益。仿真結(jié)果表明：對比DT算法，SC算法在路徑損耗較大時，優(yōu)勢也較大，且通過選取合適的源節(jié)點密度可以使得SC算法帶來的性能增益達到最優(yōu)。
　　第三，研究有擾隨機網(wǎng)絡使用放大轉(zhuǎn)發(fā)機會中繼(OpportunisticRelaying，OR)算法的網(wǎng)絡性能、源節(jié)點密度上界和中繼選擇區(qū)域。首先，給出網(wǎng)絡使用OR算法時的中斷概率和容量。其次，將分集復用

7、折中的分析擴展到考慮的隨機有擾網(wǎng)絡中，在有限信噪比條件下給出OR算法的分集復用折中，并給出保證OR算法分集增益的源節(jié)點密度上界。最后，給出中繼選擇區(qū)域，使得在此區(qū)域中使用OR算法比使用DT有更好的網(wǎng)絡性能。仿真結(jié)果表明：OR算法的性能并不總是優(yōu)于DT的性能，但是可以借助于選擇合適的中繼密度使得OR算法優(yōu)于DT，尤其是在源節(jié)點密度較大時，中繼密度的選擇對OR算法性能的影響尤為顯著：OR算法的分集增益隨著干擾的增加而變小，而且在有擾網(wǎng)絡中無

8、法通過此協(xié)作算法得到滿分集增益：為了滿足所需的網(wǎng)絡性能，如一定的中斷概率、網(wǎng)絡容量或分集增益，可以通過采用調(diào)節(jié)源節(jié)點的密度來實現(xiàn)；在源節(jié)點密度趨于無窮小時，漸進的仿真結(jié)果與無擾網(wǎng)絡中的結(jié)果一致，這說明所提出的分析模型也可以應用于無擾網(wǎng)絡。
　　第四，研究有擾隨機網(wǎng)絡使用最佳中繼選擇算法時，網(wǎng)絡中時延、中斷概率以及時延、網(wǎng)絡容量之間的折中。考慮到時延容忍度隨著網(wǎng)絡應用的不同而變化且時延隨著網(wǎng)絡性能提高而增加，提出了在時延門限容忍范圍

9、內(nèi)最大化網(wǎng)絡性能的兩個算法。首先，將時延限制建模為最大可容忍的重傳次數(shù)與接入次數(shù)之和并假設網(wǎng)絡中的每一跳均采用自動重傳請求(AutomaticRepeatRequest，ARQ)機制，分析在給定時延容忍度條件下的最佳節(jié)點接入概率，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性達到最優(yōu)。其次，給出多跳通信時每跳的時延分配算法，使得網(wǎng)絡的容量最大化。仿真結(jié)果表明：增加節(jié)點接入網(wǎng)絡的機會并不是總能帶來網(wǎng)絡性能的提高；針對不同的網(wǎng)絡參數(shù)選取的最佳節(jié)點接入概率，可以在滿足時延門

10、限的同時達到更好的網(wǎng)絡穩(wěn)定性；時延容忍度的增加會提高信息正確傳輸?shù)母怕实矔档途W(wǎng)絡容量；提出的時延分配算法可以提高容量，而且容量的提高隨著源節(jié)點密度的變大而增加。
　　最后，研究無線傳感器網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡共存時的基于協(xié)作技術的干擾抑制算法。當無線傳感器網(wǎng)絡應用在環(huán)境監(jiān)測、臨床醫(yī)療等場合時，會對正在工作的其他網(wǎng)絡產(chǎn)生具有不良影響的干擾。為了減少這種干擾，提出一種干擾消除算法，算法中包含協(xié)作模擬網(wǎng)絡編碼(CooperativeAnal