基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是由大量低成本、低功耗、具備感知能力、計(jì)算能力和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，在軍事國(guó)防、環(huán)境檢測(cè)、空間探測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居和反恐抗災(zāi)等諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，是目前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，能量有限，且應(yīng)用環(huán)境條件復(fù)雜，使得節(jié)點(diǎn)難以補(bǔ)充能量。因此，如何高效的使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

2、者面臨的首要挑戰(zhàn)。 多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術(shù)是指在發(fā)送端和接收端采用多天線，MIMO技術(shù)可在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，成倍地提高信道容量，是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)與空時(shí)編碼技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率，在不增大發(fā)射功率的情況下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 將MIMO技術(shù)引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以利用MIMO技

3、術(shù)帶來的分集增益，增加接收端信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度，通過分集來克服信道衰落的影響；也可以利用MIMO技術(shù)提供的復(fù)用增益，提高信息速率，大大改善網(wǎng)絡(luò)的能耗特性。基于MIMO技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以更好的節(jié)省節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，保持網(wǎng)絡(luò)連通，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，因此基于MIMO技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。 本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和MIMO技術(shù)各自的特點(diǎn)，對(duì)基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法、路由協(xié)議和媒體介質(zhì)訪問控制(Medi

4、um Access Control，MAC)協(xié)議進(jìn)行了研究，并提出具有創(chuàng)新性的解決方案。本文主要有以下幾個(gè)創(chuàng)新之處： (1)提出了新的基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法 由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積較小，一個(gè)節(jié)點(diǎn)不可能安裝多個(gè)天線，因此MIMO技術(shù)不能直接應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)中。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用MIMO時(shí)一般采用協(xié)作的方式，即在發(fā)送端和接收端多個(gè)單天線節(jié)點(diǎn)合作，構(gòu)成虛擬天線陣列進(jìn)行MIMO通信。本文研究節(jié)點(diǎn)如何根據(jù)鄰居節(jié)

5、點(diǎn)的位置和能量等信息，選擇協(xié)作節(jié)點(diǎn)，組織整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成多個(gè)協(xié)作簇；并分析了基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗，得出了網(wǎng)絡(luò)的耗能模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，即使在稀疏網(wǎng)絡(luò)中，該組網(wǎng)方法仍具有很高的形成完整MIMO覆蓋網(wǎng)絡(luò)的成功率，并且可以使網(wǎng)絡(luò)能耗在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中較均勻的分布，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 (2)提出了新的基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能路由協(xié)議 在基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了節(jié)省協(xié)作式節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗，

6、路由協(xié)議不僅僅是負(fù)責(zé)找到下一跳轉(zhuǎn)發(fā)路由，還需考慮與下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行MIMO通信時(shí)協(xié)作節(jié)點(diǎn)的能耗。在綜合考慮協(xié)作式MIMO技術(shù)的特點(diǎn)、路由跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)能耗對(duì)路由選擇影響的基礎(chǔ)上，提出了一種基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由協(xié)議。該協(xié)議采用分布式、基于局部網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的決策機(jī)制，獲得了低耗能的端到端的路由。仿真結(jié)果表明該算法能顯著減少網(wǎng)絡(luò)能耗，提高能量有效性，延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期。 (3)提出了新的基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的T

7、DMA調(diào)度算法 針對(duì)基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入信道過程復(fù)雜、容易產(chǎn)生碰撞等問題，提出了采用異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型和基于該網(wǎng)絡(luò)模型的集中式時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)調(diào)度算法。該算法利用圖染色的思想為節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，在分配時(shí)隙時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的沖突度大小，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)與距基站跳數(shù)兩者的乘積確定節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙的先后次序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效避免沖突，提高時(shí)隙