無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于分簇的虛擬MIMO傳輸策略的研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是引領(lǐng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的革命性技術(shù)，它將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境有機(jī)的融合，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界的實(shí)時(shí)感知、信息交互和動(dòng)態(tài)控制。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了軍事、航空航天、能源、生物、日常生活的各個(gè)方面，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的重要方向、企業(yè)界優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著非常嚴(yán)格的能量限制，因此如何降低能耗以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間一直是研究人員和用戶都最為關(guān)心的問(wèn)題。

2、r>　　 通信能耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要來(lái)源，而多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是一個(gè)有效提高無(wú)線通信能量效率的方案。MIMO技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端和接收端上安裝多根天線來(lái)獲取分集增益，在相同的發(fā)射功率和誤碼率要求下能夠顯著節(jié)省通信能耗。但是普通的傳感器節(jié)點(diǎn)受到體積、功耗以及制造成本等因素的限制，無(wú)法直接安裝多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)MIMO通信。而虛擬MIMO技術(shù)利用多個(gè)單天線節(jié)點(diǎn)以協(xié)作的方式構(gòu)成虛擬多天線節(jié)點(diǎn)，克服了節(jié)點(diǎn)受體積限制無(wú)法安裝多天線的問(wèn)題

3、，從而將MIMO通信的分集增益引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中以節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸能耗。因此虛擬MIMO技術(shù)被眾多研究人員視為延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的一個(gè)全新的解決方案，然而要將虛擬MIMO技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中仍有許多問(wèn)題亟待解決或完善，如何設(shè)計(jì)能量有效的虛擬MIMO傳輸策略便是其中之一。
　　 本文以最大化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間為目標(biāo)，圍繞如何設(shè)計(jì)能量有效的虛擬MIMO傳輸策略展開分析和研究，并根據(jù)傳輸方式的不同，分別提出了兩種新穎

4、的基于分簇的虛擬MIMO傳輸策略。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：
　　 1）基于分簇的虛擬MIMO傳輸策略被證明可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能量效率，然而現(xiàn)有的工作只考慮了如何利用協(xié)作通信減少簇間傳輸能耗，在簇內(nèi)傳輸時(shí)仍采用傳統(tǒng)的單輸入單輸出（SISO）通信方式，需要消耗較多的能量。本文將結(jié)合協(xié)作數(shù)據(jù)聚集和分簇協(xié)議，提出了一個(gè)基于簇內(nèi)協(xié)作對(duì)的虛擬MIMO單跳傳輸策略（ICPVM），該策略通過(guò)選擇簇內(nèi)協(xié)作對(duì)（CPN）進(jìn)行數(shù)據(jù)聚集，從而節(jié)省簇內(nèi)

5、傳輸能耗。將CPN選擇問(wèn)題形式化為一般圖的最大加權(quán)匹配，并采用PGA算法求解該問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的虛擬MIMO單跳傳輸策略相比，ICPVM傳輸策略能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間達(dá)27％以上。
　　 2）多跳通信是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特征之一，結(jié)合虛擬MIMO技術(shù)和多跳路由可以進(jìn)一步節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸能耗。目前所提出的虛擬MIMO多跳傳輸策略的單跳通信過(guò)程至少包括2個(gè)步驟：簇內(nèi)數(shù)據(jù)廣播和簇間協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)。本文提出了一個(gè)基于虛擬MIMO多播