基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡若干關鍵問題研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor networks，WSN)是由大量低成本、低功耗、具備感知能力、計算能力和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡，在軍事國防、環(huán)境檢測、空間探測、醫(yī)療護理、智能家居和反恐抗災等諸多領域都有廣闊的應用前景，是目前學術界研究的熱點之一。由于傳感器節(jié)點一般采用電池供電，能量有限，且應用環(huán)境條件復雜，使得節(jié)點難以補充能量。因此，如何高效的使用能量來最大化網(wǎng)絡生命周期成為傳感器網(wǎng)絡研究

2、者面臨的首要挑戰(zhàn)。 多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術是指在發(fā)送端和接收端采用多天線，MIMO技術可在不增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，成倍地提高信道容量，是新一代移動通信系統(tǒng)采用的關鍵技術。MIMO技術與空時編碼技術結合，可以實現(xiàn)空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率，在不增大發(fā)射功率的情況下提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 將MIMO技術引入無線傳感器網(wǎng)絡，可以利用MIMO技

3、術帶來的分集增益，增加接收端信號的信號強度，通過分集來克服信道衰落的影響；也可以利用MIMO技術提供的復用增益，提高信息速率，大大改善網(wǎng)絡的能耗特性?；贛IMO技術的無線傳感器網(wǎng)絡，可以更好的節(jié)省節(jié)點的發(fā)送功率，保持網(wǎng)絡連通，延長網(wǎng)絡的生命周期，因此基于MIMO技術的無線傳感器網(wǎng)絡成為一個新的研究熱點。 本文結合無線傳感器網(wǎng)絡和MIMO技術各自的特點，對基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法、路由協(xié)議和媒體介質(zhì)訪問控制(Medi

4、um Access Control，MAC)協(xié)議進行了研究，并提出具有創(chuàng)新性的解決方案。本文主要有以下幾個創(chuàng)新之處： (1)提出了新的基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)方法 由于傳感器節(jié)點體積較小，一個節(jié)點不可能安裝多個天線，因此MIMO技術不能直接應用到傳感器網(wǎng)絡中。在無線傳感器網(wǎng)絡中使用MIMO時一般采用協(xié)作的方式，即在發(fā)送端和接收端多個單天線節(jié)點合作，構成虛擬天線陣列進行MIMO通信。本文研究節(jié)點如何根據(jù)鄰居節(jié)

5、點的位置和能量等信息，選擇協(xié)作節(jié)點，組織整個網(wǎng)絡形成多個協(xié)作簇；并分析了基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡的能耗，得出了網(wǎng)絡的耗能模型。實驗結果證明，即使在稀疏網(wǎng)絡中，該組網(wǎng)方法仍具有很高的形成完整MIMO覆蓋網(wǎng)絡的成功率，并且可以使網(wǎng)絡能耗在整個網(wǎng)絡中較均勻的分布，從而延長了網(wǎng)絡的生命周期。 (2)提出了新的基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能路由協(xié)議 在基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡中，為了節(jié)省協(xié)作式節(jié)點的發(fā)送能耗，

6、路由協(xié)議不僅僅是負責找到下一跳轉發(fā)路由，還需考慮與下一跳節(jié)點進行MIMO通信時協(xié)作節(jié)點的能耗。在綜合考慮協(xié)作式MIMO技術的特點、路由跳數(shù)和節(jié)點能耗對路由選擇影響的基礎上，提出了一種基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能路由協(xié)議。該協(xié)議采用分布式、基于局部網(wǎng)絡狀態(tài)信息的決策機制，獲得了低耗能的端到端的路由。仿真結果表明該算法能顯著減少網(wǎng)絡能耗，提高能量有效性，延長傳感器網(wǎng)絡生命周期。 (3)提出了新的基于MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡的T

7、DMA調(diào)度算法 針對基于協(xié)作式MIMO的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點接入信道過程復雜、容易產(chǎn)生碰撞等問題，提出了采用異構無線傳感器網(wǎng)絡模型和基于該網(wǎng)絡模型的集中式時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)調(diào)度算法。該算法利用圖染色的思想為節(jié)點分配時隙，在分配時隙時考慮了節(jié)點的沖突度大小，根據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)包個數(shù)與距基站跳數(shù)兩者的乘積確定節(jié)點分配時隙的先后次序。實驗結果表明，該算法可以有效避免沖突，提高時隙