無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)節(jié)能編碼研究.pdf

1、無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)由大量納米傳感器構(gòu)成，采用太赫茲（Terahertz, THz）頻段（0.1-10 THz）電磁波通信，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、工業(yè)和軍事等諸多領(lǐng)域有著許多極有前景的應(yīng)用（例如，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、空氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、納米物聯(lián)網(wǎng)、核生化防御系統(tǒng)等），將極大地改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ畈⒂绊懮鐣?huì)發(fā)展。構(gòu)成無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)的納米傳感器在能量?jī)?chǔ)存能力、通信能力和計(jì)算能力等方面都極其有限，能量有效性成為無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)的重要研究問(wèn)題之一。本文研究無(wú)線(xiàn)納米傳

2、感網(wǎng)節(jié)能編碼，旨在通過(guò)編碼方法節(jié)省無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)中的通信能耗。本文的研究工作對(duì)于促進(jìn)無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用的基礎(chǔ)研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。本文在介紹無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)中的基于開(kāi)關(guān)鍵控的調(diào)制方案、THz信道模型及低碼重編碼等后續(xù)研究?jī)?nèi)容的知識(shí)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上；分別針對(duì)不同的情況，研究無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)中基于時(shí)域擴(kuò)展開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制的節(jié)能編碼方案。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)源字等概率出現(xiàn)的場(chǎng)景，提出一種無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)中優(yōu)化通信能耗的平

3、均碼重（Average Codeword Weight, ACW）最小化編碼（ACW-Minimization Coding, ACW-MC）。ACW-MC在誤比特率較小的無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)場(chǎng)景中具有較好的能量有效性。特別地，我們重點(diǎn)關(guān)注ACW-MC優(yōu)化碼本的構(gòu)建算法及碼長(zhǎng)對(duì)ACW的影響。在無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)能耗分析的基礎(chǔ)上，提出一種新的綜合考慮發(fā)送端能耗和接收端能耗的能耗模型，該能耗模型不同于現(xiàn)有工作，既考慮傳輸能耗和接收能耗，又考慮發(fā)送端和

4、接收端的電路能耗。⑵針對(duì)源字非等概率出現(xiàn)的場(chǎng)景，提出一種無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)中非等概源字通信能耗最小化編碼（Communication Energy Minimization Coding, CEMC）。較之未編碼（Non-Coding, NC）及脈沖位置編碼（Pulse Position Coding, PPC）、最小化能耗的編碼和超低重碼等編碼，CEMC具有較好的能量有效性。我們給出一種綜合考慮傳輸能耗和接收能耗的通信能耗模型。對(duì)于給定的

5、碼長(zhǎng)，CEMC在構(gòu)建最小化ACW的優(yōu)化碼本的基礎(chǔ)上，把出現(xiàn)概率較高的源字編碼為碼重較小的碼字，從而最小化加權(quán)平均碼重；在滿(mǎn)足碼長(zhǎng)閾值和編碼速率閾值約束的情況下，建立通信能耗優(yōu)化問(wèn)題，得到最小化通信能耗的優(yōu)化碼長(zhǎng)，給出碼長(zhǎng)優(yōu)化的CEMC。⑶針對(duì)在無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)中傳輸實(shí)時(shí)信息流的場(chǎng)景，提出一種無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)中實(shí)時(shí)信息流通信能耗優(yōu)化編碼（Energy Optimization Coding, EOC）。EOC較之NC及無(wú)線(xiàn)納米網(wǎng)最小能耗編碼具

6、有更好的能量有效性，而且源字長(zhǎng)度較小，適用于實(shí)時(shí)信息流較長(zhǎng)的場(chǎng)景。EOC的能耗模型綜合考慮傳輸實(shí)時(shí)信息流時(shí)發(fā)送端能耗和接收端能耗，其中包含了編碼字典收發(fā)能耗。在建立聯(lián)合優(yōu)化源字長(zhǎng)度和碼長(zhǎng)的通信能耗優(yōu)化問(wèn)題的基礎(chǔ)上，給出EOC的編碼算法。⑷在無(wú)線(xiàn)納米傳感網(wǎng)編碼的能量有效性之外，考慮編碼的信道容量性能，提出一種聯(lián)合太赫茲信道容量性能的節(jié)能編碼（Energy Saving Coding, ESC）。較之低碼重信道編碼和PPC等編碼，ESC具有