基于協(xié)作通信的WSN網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、協(xié)作通信技術(shù)作為第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4thGenerationofMobileCommunicationSystem，4G)的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為無線通信領(lǐng)域的熱門課題，其出發(fā)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)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(shù)可以提高信息傳輸速率、降低中斷概率和傳輸能量、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等，因此被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中。本學(xué)位論文在考

2、慮大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間相互干擾以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的條件下，利用隨機(jī)幾何理論對(duì)基于協(xié)作通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。首先對(duì)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的性能如中斷概率、網(wǎng)絡(luò)容量、分集復(fù)用折中(MultiplexandDiversityTrade-off，DMT)和時(shí)延等進(jìn)行分析，將這些性能分析作為判斷何時(shí)、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(diǎn)部署、中繼節(jié)點(diǎn)區(qū)域選擇、節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的概率以及時(shí)延分配等算法，以優(yōu)化這些無線傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)來減少干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(jī)網(wǎng)絡(luò)使用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的最近中繼選擇(NearestRelaySelection，NRS)算法時(shí)的中斷概率、網(wǎng)絡(luò)容量及算法的中繼選擇區(qū)域。首先將網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射節(jié)點(diǎn)的分布建模為齊次泊松點(diǎn)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(shí)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(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的密度，還與路徑損耗因子和正確解碼門限等參數(shù)有關(guān)；只有后備中繼節(jié)點(diǎn)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(shì)，并且在節(jié)點(diǎn)所需的傳輸距離較遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)間干擾較多或解碼門限要求較高等惡劣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，NRS算

5、法的優(yōu)勢(shì)更大。
　　第二，研究有擾隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用解碼轉(zhuǎn)發(fā)的選擇性協(xié)作(SelectiveCooperation，SC)算法時(shí)的中斷概率、網(wǎng)絡(luò)容量及源節(jié)點(diǎn)的部署算法。首先，基于網(wǎng)絡(luò)模型分析出最佳中繼節(jié)點(diǎn)的分布，在此基礎(chǔ)上給出使用SC算法的網(wǎng)絡(luò)中斷概率及傳輸容量的閉式解。其次，提出源節(jié)點(diǎn)部署算法(SourceDeploymentAlgorithm，SDA)，使得網(wǎng)絡(luò)的中斷概率滿足QoS的要求，并進(jìn)一步給出最優(yōu)源節(jié)點(diǎn)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(duì)比DT算法，SC算法在路徑損耗較大時(shí)，優(yōu)勢(shì)也較大，且通過選取合適的源節(jié)點(diǎn)密度可以使得SC算法帶來的性能增益達(dá)到最優(yōu)。
　　第三，研究有擾隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用放大轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)中繼(OpportunisticRelaying，OR)算法的網(wǎng)絡(luò)性能、源節(jié)點(diǎn)密度上界和中繼選擇區(qū)域。首先，給出網(wǎng)絡(luò)使用OR算法時(shí)的中斷概率和容量。其次，將分集復(fù)用

7、折中的分析擴(kuò)展到考慮的隨機(jī)有擾網(wǎng)絡(luò)中，在有限信噪比條件下給出OR算法的分集復(fù)用折中，并給出保證OR算法分集增益的源節(jié)點(diǎn)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(luò)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(diǎn)密度較大時(shí)，中繼密度的選擇對(duì)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(luò)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(luò)性能，如一定的中斷概率、網(wǎng)絡(luò)容量或分集增益，可以通過采用調(diào)節(jié)源節(jié)點(diǎn)的密度來實(shí)現(xiàn)；在源節(jié)點(diǎn)密度趨于無窮小時(shí)，漸進(jìn)的仿真結(jié)果與無擾網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)果一致，這說明所提出的分析模型也可以應(yīng)用于無擾網(wǎng)絡(luò)。
　　第四，研究有擾隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用最佳中繼選擇算法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延、中斷概率以及時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)容量之間的折中。考慮到時(shí)延容忍度隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不同而變化且時(shí)延隨著網(wǎng)絡(luò)性能提高而增加，提出了在時(shí)延門限容忍范圍

9、內(nèi)最大化網(wǎng)絡(luò)性能的兩個(gè)算法。首先，將時(shí)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(shè)網(wǎng)絡(luò)中的每一跳均采用自動(dòng)重傳請(qǐng)求(AutomaticRepeatRequest，ARQ)機(jī)制，分析在給定時(shí)延容忍度條件下的最佳節(jié)點(diǎn)接入概率，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)。其次，給出多跳通信時(shí)每跳的時(shí)延分配算法，使得網(wǎng)絡(luò)的容量最大化。仿真結(jié)果表明：增加節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)并不是總能帶來網(wǎng)絡(luò)性能的提高；針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選取的最佳節(jié)點(diǎn)接入概率，可以在滿足時(shí)延門

10、限的同時(shí)達(dá)到更好的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性；時(shí)延容忍度的增加會(huì)提高信息正確傳輸?shù)母怕实矔?huì)降低網(wǎng)絡(luò)容量；提出的時(shí)延分配算法可以提高容量，而且容量的提高隨著源節(jié)點(diǎn)密度的變大而增加。
　　最后，研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)共存時(shí)的基于協(xié)作技術(shù)的干擾抑制算法。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床醫(yī)療等場(chǎng)合時(shí)，會(huì)對(duì)正在工作的其他網(wǎng)絡(luò)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(luò)編碼(CooperativeAnal