基于虚拟MIMO的WSN分簇协议的研究

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是物联网技术的重要组成部分，近年来受到广泛的讨论和关注，成为研究热点并已被应用于国家安全和国民经济等多方面。WSN由大量具有能量限制的无线传感器节点所组成，如何提高单个节点和整个网络的能效，是非常关键的问题，也是研究的的重中之重。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，是通信领域的重大技术突破，它能够利用收发两端的多天线阵列，通过对数据进行空时编码传输，有效利用多径衰落，获得分集增益和空间复用增益，从而提高频谱利用率和信道容量，进而降低单位比特数据传输所需能耗。为了将MIMO技术应用于节点体积有限的WSN，虚拟MIMO（Virtual MIMO，VMIMO）技术应运而生。本文对虚拟MIMO技术应用到WSN做了以下方面的研究：
　　第一，分析了WSN技术和MIMO技术的优势和特点。研究了WSN的网络构成、通信协议体系、应用前景以及路由拓扑协议等，分析了各种路由协议的优缺点。研究了MIMO技术的原理、特性和优势。
　　第二，研究了虚拟MIMO应用于WSN的优势、可行性，以及节点组织方式、网络拓扑路由和传输机制等。
　　第三，提出一套较为完整的、基于分簇和多跳路由的新型协作式虚拟MIMO路由协议方案。
　　在大规模的虚拟MIMO系统中，节点组织结构和优化具有十分重要的意义。由于分簇具有减少数据冗余、减少全网路由维护开销、使网络更稳定、方便节点组织虚拟 MIMO等优点，因此，当前较为典型的节点组织方式是基于分簇的协作式MIMO，即每个簇选择一到两个簇头来进行簇间虚拟MIMO通信。
　　然而大部分分簇方案均采用周期性全网重新分簇，在每次重新分簇后，都要重新建立簇间多跳路由，从而造成电源浪费。
　　本文所提出的协议方案采用簇内的簇头轮换的策略，避免大量重新分簇所带来的额外开销，提高了网络能效。同时，提出一种“跨跳”操作，平衡了不同簇和节点的能耗和生存周期。
　　第四，建立了虚拟 MIMO的节点和网络的能耗模型，并对所提出的协议进行网络仿真，评估效果。仿真结果显示，该协议较典型的基于分簇的虚拟MIMO在能耗总量和均衡上均具有更好的效果。

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第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 本文主要研究工作

1.3 本文结构

第2章 无线传感器网络技术和虚拟MIMO技术

2.1 无线传感器网络技术概要

2.2 无线传感器网络拓扑结构概述

2.3 无线传感器网络路由协议概述

2.4 MIMO技术概述

2.5 本章小结

第3章 虚拟MIMO技术应用于无线传感器网络的研究

3.1 WSN中应用虚拟MIMO的优势

3.2虚拟MIMO应用于WSN的可行性分析及研究进展

3.3 WSN中应用虚拟MIMO的节点组织方式

3.4 纯分布式虚拟MIMO协议

3.5 分簇式虚拟MIMO协议

3.6 虚拟MIMO的传输机制

3.7 本章小结

第4章 基于分簇的无线传感网虚拟MIMO高能效协议

4.1算法描述

4.2节点成簇策略

4.3簇内通信策略

4.4簇间通信策略

4.5簇头轮换策略

4.6簇间跨跳策略

4.7 本章小结

第5章 虚拟MIMO技术应用于无线传感器网络的能效分析

5.1 虚拟MIMO能耗模型

5.2 系统能耗

5.3 本章小结

第6章 仿真实验与结果

6.1 NS2仿真原理

6.2 NS2的仿真原理

6.3仿真过程及结果分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

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