基于能量有效性的绿色协作传输方案设计与关键技术研究

摘要

为了满足人们对无线通信提出的传输速率、可靠性更高的要求，协作通信成为了近年来发展起来的一项新技术。该技术利用无线网络中的节点相互协作，有效对抗了无线传输信道中产生的衰落，改善了无线系统的传输性能。协作通信能够有效提高信息传输速率、扩大网络覆盖范围，且在提高网络吞吐量、延长网络生命周期、降低成本等方面具有很大的优势。此外，随着无线网络的节点密度的增加和网络覆盖范围的扩大，协作通信系统对节点能量有效性提出了更高要求，绿色协作传输技术逐渐成为未来协作通信研究热点之一。
　　本论文研究无线传感器网络(WSN)中绿色高效的协作传输技术，重点研究了提高协作效率和降低传输能耗的方法，旨在将协作中继技术在WSN中的应用进行理论性探索，为协作通信的最佳中继选择、中断概率分析、能效分析等关键问题提供理论支撑。概括地讲，论文具体研究工作如下。
　　论文第一章介绍了研究背景及研究意义，简要介绍了协作通信中的不同中继系统结构及其优点。其次，介绍了绿色协作传输技术的概念、无线网络能量有效性的研究现状、能效与传输可靠性折衷的研究现状。在此基础上，阐述了缓存队列中继协作传输的研究现状。
　　论文第二章研究了无线传感器网络节点协作传输能效优化方法。该方法考虑了基于能效优先的节点协作传输模型，给出了协作传输能量有效性与节点传输数据包大小、协作中继数、广播与转发阶段的数据调制参数、信源-协作簇之间广播距离等因素的关系，提出了一种基于传输每比特有效数据总能耗最小的节点协作传输策略。研究结果表明，当传输总距离一定时，通过对传输数据包大小以及协作节点数进行优化配置，可以有效提高无线传感器网络节点协作传输的能量有效性。
　　论文第三章研究了基于功率自适应干扰消除的能效优先缓存队列最优中继选择方法。该方法考虑了缓存队列中继选择中的能耗与中断性能之间的折衷关系，以系统能耗最小化作为目标，同时考虑中继缓存队列状态、系统中断概率、中继功率自适应控制实现干扰消除。所提方法在同一个时隙内进行源节点-中继和中继-目的节点之间的数据传输，以模拟全双工通信方式实现协作。论文采用马尔可夫链对中继缓存队列状态进行建模分析，分别推导了系统稳态分布的中断概率与可达分集增益。同时，论文研究了所提方案的信源与最佳中继的数据包平均传输时延和减小的节点能耗。研究结果表明，在相同中继数与缓存队列长度情况下，相比其它中继选择方案，所提方案在实现中继功率自适应干扰消除的同时具有最佳的中断性能。在相同中继节点数情况下，所提方案降低了系统传输时延和中继节点平均发射能耗，有效实现了绿色协作通信中能效与中断性能、时延性能的折衷。
　　论文第四章研究了基于排队模型的能效优先缓存队列中继跨层协作方案。该方案考虑了存在信源-目的节点之间直接链路的情况，利用M/M/K排队论模型分析了协作通信中继缓存队列的稳态分布。同时，在节点能量受限的情况下，研究了信源-目的节点之间的信道增益对系统的吞吐量、统计时延和丢包率性能的影响。研究结果表明，所提方案能够有效提高系统的吞吐量，降低系统的丢包率。此外，该方案有效降低节点的平均发射功率，从而延长了WSN的网络生命周期。
　　论文第五章为论文的总结与未来工作的展望。论文对基于能量有效性的绿色协作传输方案与关键技术进行了初步的设计与研究，研究成果对于后续工作的开展具有重要的意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 协作通信概述

1.3 绿色协作传输概述

1.4 缓存队列中继协作传输概述

1.5 论文主要工作和内容安排

第2章 能效优先的无线传感器网络节点协作传输方案

2.1 系统模型

2.2 协作传输能耗与误码性能分析

2.3 协作传输能耗优化与最优中继选择

2.4 数值仿真与分析

2.5 本章小结

第3章 能效优先缓存队列最佳中继选择方案

3.1系统模型

3.2 自适应链路选择

3.3 能效优先缓存队列最佳中继选择方案性能分析

3.4 数值仿真与分析

3.5 本章小结

第4章 基于排队模型的能效优先缓存队列中继跨层协作方案

4.1 系统模型

4.2 缓存队列中继M/M/K排队模型

4.3 中继排队网络稳态分布

4.4 网络平均吞吐量与统计时延

4.5 丢包率性能分析

4.6 本章小结

第5章 结束语

5.1 论文总结

5.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目