協作式MIMO傳感器網絡中能量高效的傳輸策略研究.pdf

1、無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取和處理技術在近幾年已引起了學術界和工業(yè)界的高度重視，被認為是21世紀一項具有重大意義的研究課題。傳感器網絡由大量集成有傳感器單元、數據處理單元和無線通信單元的微小節(jié)點通過自組織方式構成網絡。它能夠協作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，然后通過數據匯集節(jié)點(SINK節(jié)點)將采集到的數據傳送到遠端的用戶進行進一步處理。傳感器網絡在現實生活中有著越來越廣泛的應用。然而，由于傳感器節(jié)點體積通常很

2、小，而且主要靠電池提供能量，在其大部分應用環(huán)境中，補充或者更換電池又非常不易，因此節(jié)能設計是傳感器網絡諸多重要研究領域之一。可以說，節(jié)能設計貫穿了傳感器網絡中從物理層到應用層各個層面。
　　 協作式(虛擬)MIMO技術作為傳感器網絡中新興的節(jié)能傳輸技術之一，在近期得到了越來越多的關注。協作式MIMO技術充分利用傳感器網絡節(jié)點部署高密度的特性，通過允許多個單天線節(jié)點進行協作式信息處理和傳輸，構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)境進行可靠的通信。然而，限制于協作式MIMO的技術特點，其在無線傳感器網絡中的應用還存在著如下待解決的問題：
　　 1.針對不同的應用場景，如何選取合適的MIMO編解碼算法。
　　 2.不同編解碼算法對協作式MIMO策略設計的影響。
　　 3.如何有效選擇協作式MIMO發(fā)送/接收節(jié)點。
　　 4.如何保證一定網絡生存時間的同時，優(yōu)化網絡效用(該性能反映了網絡采集和傳輸的數據量)。
　　

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編碼的協作式MIMO傳輸策略研究；(2)基于分布式VBLAST編碼的協作式MIMO傳輸技術研究；(3)基于NUM模型的協作式MIMO聯合網絡生存時間和網絡效用優(yōu)化設計研究。本文的工作得到了國家自然科學基金"可重構MIMO的無線傳感器網絡信息處理與傳輸"(No.60572049)和"認知無線電關鍵技術研究"(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編碼的協作式MIMO的傳輸策略研究：針對節(jié)點具有一定計算處理能力的傳感器網絡應用模式，設計了一種基于分布式STBC算法的協作式MIMO傳輸方案。仿真結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)點能耗和延長網絡壽命。
　　 2.基于分布式VBLAST編碼的協作式MIMO傳輸技術研究：針對低端數據采集節(jié)點與高端數據匯聚節(jié)點之間的通信應用模式，提出了相應協作

6、式節(jié)點選擇策略，并在此基礎上，首次提出了一種基于V-BLAST(Vertical-Bell Labs LayeredSpace-Time)算法的協作式MIMO傳輸策略。仿真結果顯示該策略能取得與基于STBC編碼的協作式MIMO傳輸類似的能耗性能，但由于不需要發(fā)送端節(jié)點進行聯合STBC編碼，因此更加適用于低端數據采集節(jié)點與高端數據匯聚節(jié)點(SINK節(jié)點)之間的通信應用模式。
　　 3.協作式MIMO傳感器網絡中基于NUM模型的聯合

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