基于虚拟MIMO的低能耗无线传感器网络的研究

【摘要】： 近年来,随着电子技术和无线通信技术日新月异,出现了低成本、低能耗、多功能的传感器节点。这些传感器节点体积小,可以进行短距离的通信,它们通常由传感器、数据处理以及通信组件构成。传感器采集到的信息能够通过多跳的方式在传感器节点之间传输,从而构成无线传感器网络。无线传感器网络极大的拓展了人类和自然界的联系,是对传统传感器的里程碑式的推动。 由于无线传感器网络(WSN)潜在的应用价值,目前对它的研究受到了广泛地重视。与其它的无线通信系统不同,在无线传感器网络中,由于传感器节点由电池供电,一般不能补充。因此,如何提高传感器节点能量效率,延长网络生存期是传感器网络研究的关键问题。 无线传感器网络与环境交互的程度远高于一般网络,因此网络运作很大程度上受环境影响。网络节点间的通信由于直射、绕射及散射等传播途径而产生多径衰落现象,因此,仅仅按照传统的节点简单通信方式无法做到最大程度降低网络能耗。 MIMO(Multi-Input, Multi-output)技术是无线通信领域的一项重要技术,它可以有效利用随机衰落可能存在的多径传播,从而提高通信系统容量和频谱利用率。研究显示,在同等传输功率和误码率性能要求下,多输入多输出(MIMO)系统相对于单输入单输出(SISO)系统能支持更高的传输速率。即在同等系统吞吐量的要求下,MIMO系统能比SISO系统节省更多的传输能耗。然而,由于传感器节点体积的限制,MIMO系统的天线阵列不可能安置在单个节点上,因此虚拟MIMO方案被提出,即采用多个节点联合组成多天线系统。这样一来,如何采用虚拟MIMO来设计能量效率最优的无线传感网络,成为当前的研究热点。 在本论文中,首先介绍了无线通信中简单的发送分集技术——Alamouti空时编码,然后在其基础上介绍了MIMO系统的模型和工作原理,并阐述了无线传感器网络中的MIMO系统。最后,对无线传感器网络的路由协议及拓扑控制算法进行了简单介绍。 本文在Alamouti空时编码和虚拟MIMO技术的基础上,结合对无线传感器网络的经典路由协议LEACH的改进,提出了一种新的网格分簇算法,并对算法进行仿真,证明新的算法可以有效延长无线传感器网络的寿命。 广播是无线传感器网络最基础的通信方式之一,它的目的是将信息从网络中的源节点发送给网络中其余的每一个节点。本文对基于虚拟MIMO协作多跳广播的能量最小广播问题进行了探讨,并对其经典贪婪算法GFA进行了改进。与GFA算法相比,改进的算法节省了发送能量,达到了降低节点能量消耗、延长网络生存期的目的。

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5;TP212.9