超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能與中繼協(xié)作通信技術(shù)策略研究.pdf

1、為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)中無線數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量的要求，以及盡可能地消除惡劣的無線傳播環(huán)境對通信性能產(chǎn)生的影響，WSNs需要采用有效的節(jié)能策略和新的通信技術(shù)來保證可靠的服務(wù)、有效的覆蓋、高效的傳輸。功率控制策略通過控制減少傳感器節(jié)點(diǎn)的冗余功耗，可以有效地降低能量開銷，延長工作壽命而被認(rèn)為是一項(xiàng)高效的節(jié)能策略。無線中繼協(xié)作技術(shù)作為改善和提高無線通信性能的最有效手段之一，借助中繼站(

2、或者中繼節(jié)點(diǎn))的轉(zhuǎn)發(fā)來改善無線信號的傳輸質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)改善源信號強(qiáng)度較弱地區(qū)的覆蓋質(zhì)量以及對盲區(qū)的補(bǔ)充覆蓋，有效提高系統(tǒng)的吞吐量，特別是網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶和盲區(qū)用戶的吞吐量。鑒于中繼協(xié)作通信技術(shù)在未來網(wǎng)絡(luò)中的重要地位和潛在的商業(yè)價(jià)值，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界針對該技術(shù)已經(jīng)展開了廣泛深入的研究，其標(biāo)準(zhǔn)化工作也已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。
　　本文首先回顧分析了WSNs發(fā)展歷史，網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)以及其節(jié)能策略的研究狀態(tài)；然后追溯回顧了中繼協(xié)作通信技術(shù)的發(fā)展歷史，分析討

3、論了現(xiàn)如今中繼協(xié)作通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)內(nèi)容和狀態(tài)，指出了其中存在的不足和局限性。
　　本文工作主要包括兩個(gè)方面：節(jié)能策略和中繼協(xié)作通信技術(shù)。鑒于超寬帶(ultrawideband，UWB)在無線信道中傳輸時(shí)，其信道模型為Log-normal衰落，本文中有關(guān)中繼協(xié)作通信技術(shù)的內(nèi)容均基于Log-normal衰落環(huán)境。
　　對于節(jié)能策略，本文針對WSNs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和UWB技術(shù)特征，提出了一個(gè)基于簇結(jié)構(gòu)的傳輸功率優(yōu)化選擇算法，然后

4、給出了其實(shí)現(xiàn)方案并評估了其實(shí)現(xiàn)代價(jià)。
　　接下來，本文主要圍繞工作于Log-normal衰落環(huán)境的中繼協(xié)作系統(tǒng)的性能建模與分析開展研究。鑒于現(xiàn)有研究基本上均假設(shè)目標(biāo)研究系統(tǒng)工作于Rayleigh等衰落信道而忽略了Log-normal衰落(主要指室外的大尺度衰落效應(yīng)以及室內(nèi)無線通信存在的遮蔽效應(yīng))產(chǎn)生的影響且UWB信號的衰落統(tǒng)計(jì)特征服從Log-normal分布，本文研究分析了多種自適應(yīng)傳輸策略、UWB兩跳中繼系統(tǒng)、多中繼UWB中繼協(xié)

5、作通信系統(tǒng)、鏈?zhǔn)蕉嗵欣^系統(tǒng)、以及多支路多跳中繼系統(tǒng)在Log-normal衰落信道中的通信性能。本文有關(guān)無線(中繼/協(xié)作)系統(tǒng)性能建模與分析的工作主要包括如下幾個(gè)方面：
　　1.提出了三種不同的自適應(yīng)傳輸策略，即最優(yōu)實(shí)時(shí)功率與速率自適應(yīng)策略，恒功率最優(yōu)速率自適應(yīng)策略以及恒速率截?cái)嘈诺赖怪貌呗?，在Log-normal衰落信道中的信道容量分析模型并推導(dǎo)出了遍歷容量的封閉表達(dá)式；
　　2.分析了門限數(shù)字中繼策略在Log-norma

6、l衰落信道中的誤碼率性能并推導(dǎo)出了端到端誤碼率的封閉表達(dá)式；
　　3.在考慮中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)處接收信號經(jīng)歷多用戶干擾的前提下，分析并研究了放大轉(zhuǎn)發(fā)和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)跳時(shí)UWB中繼協(xié)作通信系統(tǒng)在Log-normal衰落信道中的通信性能，推導(dǎo)出了這兩種不同中繼策略下跳時(shí)UWB中繼協(xié)作系統(tǒng)的誤比特概率和中斷概率的封閉表達(dá)式；
　　4.針對單中繼跳時(shí)UWB中繼協(xié)作系統(tǒng)，研究分析了中斷概率和ε-中斷容量性能并推導(dǎo)出了相應(yīng)的封閉表達(dá)式；然后，

7、在多中繼場景中，研究了三種不同的中繼選擇策略(最優(yōu)S-R鏈路策略，最優(yōu)R-D鏈路策略，最優(yōu)S-R-D鏈路策略)下的中斷概率性能并推導(dǎo)出了相應(yīng)的封閉表達(dá)式；
　　5.提出了放大轉(zhuǎn)發(fā)多支路多跳中繼系統(tǒng)在Log-normal衰落信道中端到端通信性能的分析模型，指出了系統(tǒng)端到端信噪比的統(tǒng)計(jì)分布性能。然后，在此基礎(chǔ)上分別推導(dǎo)出了采用最大比合并與選擇合并策略情況下的平均誤碼概率、中斷概率以及遍歷容量的封閉表達(dá)式。最后，推導(dǎo)出了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)多跳鏈?zhǔn)?/p>