无线传感器网络中基于协作MIMO的能量效率优化研究

摘要

无线传感器网络WSNs(Wireless Sensor Networks)是由大量廉价的具有无线通信能力和计算能力的微型传感器节点构成，部署在无人值守的监控区域，通过相互协作自主完成指定的监测任务，并将采集的各种监测对象的信息发送给远程用户的智能监测网络系统。在诸多领域都表现出广泛的应用前景，近年来成为一个新兴的研究领域。节点通常由电池供电，因运行环境恶劣而难以补充能量，因此，能量受限是WSNs的一个基本特征，它直接影响着网络的寿命，如何提高能量效率、延长网络寿命成为WSNs的研究重点之一。
　　 近几年提出的协作MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术利用多个单天线节点的相互协作完成信息发送和接收，有效抵抗多径衰落，实现低能耗的可靠通信，成为无线传感网络的有效节能技术。本文以提高能量效率，增加网络寿命为目标，主要研究基于协作MIMO传输的无线传感网络的能量优化问题。
　　 本文简要介绍了与协作式传感网络有关的理论基础知识、课题研究的背景和意义以及相关研究的国内外发展现状等，主要对基于协作MIMO的能量优化问题和基于LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议的协作传输方案展开具体研究。首先，在协作MIMO系统能耗模型的基础上，分析收发端协作节点数目和调制速率等参数对系统能量效率的影响，在总能耗最小化原则下，对协作MIMO传输参数进行联合优化选择，研究一种能量高效的自适应协作MIMO传输方案，根掘传输距离动态配置系统通信参数，使数据传输总能耗达到最低。其次，将该优化传输方案应用到基于LEACH协议的分簇无线传感网络中，簇头节点根据到汇聚节点的距离独立选择最优传输方式、配置最佳通信参数，为了进一步节省传输能量、均衡网络节点能耗，本文采用最大剩余能量、最小发送功率的协作节点选择策略。最后，对节点密集分布和稀疏分布两种情况，分别设计了簇内协作和簇间协作两种改进的传输方案来提高网络生命周期。