無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)作機(jī)制研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量低成本、低功耗、能量有限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)探測(cè)特定的環(huán)境并把信息匯聚到接入點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)尺寸一般很小，應(yīng)用環(huán)境特殊，在這種情況下更換嵌入在微小節(jié)點(diǎn)中的電池或者向其充電是很困難的。相比其他性能指標(biāo)，最大化網(wǎng)絡(luò)壽命就成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。
　　 采用空時(shí)編碼技術(shù)的多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)由于能夠減輕多徑衰落的影響并獲得空間分集的效果而得到了廣泛研究。相比單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)，在同

2、樣的性能約束下，MIMO能夠節(jié)省能量消耗，提高通信質(zhì)量。但是受節(jié)點(diǎn)尺寸及代價(jià)的限制，在微小的傳感節(jié)點(diǎn)上安裝多根天線不切合實(shí)際。在這種情況下，協(xié)作通信技術(shù)受到了大家的關(guān)注，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^節(jié)點(diǎn)的合作來實(shí)現(xiàn)分集效果。受惠于無線信道的廣播特性，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)能夠同時(shí)被中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)所接收，中繼節(jié)點(diǎn)可以幫助源節(jié)點(diǎn)重傳信號(hào)以實(shí)現(xiàn)虛擬天線陣列的效果，大幅提高系統(tǒng)的魯棒性。在物理層上，多種協(xié)作通信策略已經(jīng)提出，對(duì)應(yīng)于不同的通信環(huán)境和信道衰落情況，

3、學(xué)者們廣泛研究了再生和非再生協(xié)作通信的性能，比如誤比特率、誤符號(hào)率、分組差錯(cuò)概率、中斷概率、吞吐量、信道容量等，并且在服務(wù)質(zhì)量和功率預(yù)算的限制下，提出了多種中繼選擇算法和最優(yōu)功率分配方案。
　　 協(xié)作通信機(jī)制也可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈路層，實(shí)際上，考慮到不同節(jié)點(diǎn)之間通信資源分配的公平性和有效性，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓目蓴U(kuò)展性和自適應(yīng)性，一些新穎的協(xié)作MAC協(xié)議已經(jīng)提出。協(xié)作MAC協(xié)議通常以提高系統(tǒng)吞吐量、提高能量利用率、最大化網(wǎng)絡(luò)壽命為目標(biāo)

4、，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，考慮到應(yīng)用環(huán)境的特殊性，后兩個(gè)目標(biāo)成為分布式協(xié)作MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的首選。協(xié)作截短ARQ機(jī)制是協(xié)作通信技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層的另一重要應(yīng)用。在有線鏈路中，利用截短ARQ機(jī)制可以引入時(shí)間分集效果，有效抵抗隨機(jī)出現(xiàn)的報(bào)文差錯(cuò)，但是在無線鏈路中，差錯(cuò)的出現(xiàn)具有突發(fā)性，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路處于深度衰落時(shí)，這種糟糕的信道狀況會(huì)持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間，因此由源節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)出錯(cuò)信息的重傳是不明智的，一個(gè)較好的策略就是讓中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的

5、重傳，因?yàn)樵?目的節(jié)點(diǎn)之間的信道和中繼-目的節(jié)點(diǎn)之間的信道是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，兩者都處于深度衰落的概率是很小的，這樣就可以引入空間分集效果，提高重傳的有效性。
　　 能量高效的協(xié)作協(xié)議可以在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的不同層設(shè)計(jì)，但是大量工作都集中在下兩層，協(xié)作通信在網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用還沒有得到充分的研究，實(shí)際上設(shè)計(jì)分布式能量高效的協(xié)作路由機(jī)制是一個(gè)尚未解決的問題。路由算法的設(shè)計(jì)首先需要有一個(gè)預(yù)定目標(biāo)，可以選擇跳數(shù)最少的路徑，選擇總功率消耗最少的路徑，或者

6、選擇最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的路徑。一般的基于協(xié)作分集的路由算法首先選擇一條最短的非協(xié)作路徑，然后在這條路徑上采用協(xié)作通信技術(shù)降低能量消耗或者提高網(wǎng)絡(luò)壽命，但是用這種方法設(shè)計(jì)的最短路徑不能充分利用協(xié)作通信的優(yōu)勢(shì)，并且所設(shè)計(jì)的最短路徑往往不是最優(yōu)的。為了更充分的利用協(xié)作通信的優(yōu)勢(shì)，更有效的提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，可以綜合考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的下三層，采用跨層思想設(shè)計(jì)分布式純協(xié)作的路由算法。
　　 本論文從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的下三層研究了協(xié)作通信技術(shù)在無

7、線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，目的是提高能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。本論文的主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新點(diǎn)：
　　 (l)分析了Nakagami-m信道上放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信M-PSK調(diào)制時(shí)接收端的平均SNR、平均SER性能，并給出了最優(yōu)功率分配方案和最佳中繼選擇策略。
　　 (2)針對(duì)特定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，綜合考慮各傳感節(jié)點(diǎn)的信道狀態(tài)信息(CSI)和剩余能量信息(REI)，設(shè)計(jì)了一種能夠最大化網(wǎng)絡(luò)壽命的協(xié)作MAC協(xié)議。
　　 (3)采