（无线电物理专业论文）基于协作分集的无线传感器网络参数优化策略研究.pdf

基于协作分集的无线传感器网络参数优化策略研究 专 业： 硕士生： 指导老师： 无线电物理 苏儒 秦家银教授 摘要 无线传感器网络( w s n ) 是一门新兴的无线通信研究领域，由于大量分布 的传感器节点能够通过无线的方式相连，并对分布区域内的事件进行实时监测， 因而实用化的w s n 将能够在众多领域得到应用。然后由于传感器节点众多且其 电池不可更替，因而最小化w s n 工作能耗成为了该领域研究的焦点问题。 协作分集技术是可以应用于w s n 物理层以改善其网络能耗的一种有效手 段，它的原理是将部分节点集结成簇，然后以簇为单位进行通信。通过簇内节点 间的相互协作，每个簇可视为虚拟的多天线系统，通过应用m i m o 技术获取分 集或复用增益，可增强网络的抗衰落性能，降低网络的工作能耗。 目前这一领域的研究价值已经得到人们的普遍认可，但由于研究尚处于起 步阶段，因而并没有形成标准化的协作w s n 工作架构。已有的研究针对各种细 节问题提出了众多合理的思想，然而尚未形成一种综合全面考虑的框架，以作为 后续研究的基础。 针对这一问题，本文试图构建一个合理的工作架构，这一架构是基于已有 大量研究的基础上，并加入了新的考虑因素( 如空时编码速率对网络能耗的影响 等) 而得到的。基于这一研究平台，本文将如何最优化地设计网络工作参数以使 得协作w s n 能够最小化工作能耗作为研究的切入点。 为了完成这一课题，本文首先通过已有的架构思想引申出本文的研究对象 并对其进行详细描述；其次对这一架构的合理性进行验证，理想情况下的理论分 析表明本文定义的架构具有巨大的节能增益；最后为了保证在实际工作条件下也 具有类似的节能增益，本文以最小化网络中断概率作为目标提出了一个四变量最 优化问题，并最终通过变量分步求解的思想得到了这一最优化问题的数值最优解 及高信噪比条件下的近似解，形成一种多参数优化策略思想。 本文的仿真结果说明了这一策略的有效性，随着信道状况的恶化，协作w s n 可以节省9 0 以上的能量。此外还揭示了簇结构选择、调制方式选择及地形因素 影响等与能耗之间的规律，对协作w s n 工作协议设计而言有一定的指导意义。 关键词：无线传感器网络协作分集 电路能耗中断概率优化 r e s e a r c ho np a r a m e t e ro p t i m 娩a t i o ns t r a t e g yi n 丽r e l e s s s e n s o rn e t w o r kb a s e do nc o o p e r a t i v e d i v e r s i 锣 m 萄o r ： n 锄e 3 r a d i op h y s i c s s ur u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a y i i lq i n a b s t r a c t w i r e l e s ss 铋s o rn e t 、) ，o r k ( w s n ) i san e wt o p i ci l ln l er e s e a r c ho fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s b e i n ga b l et 0 s e n s et h ef i e l d 锄dd e l i v e rt h ei n f o n n a t i o nt 0t h e r e m o t es i l l l ( 讥r o u 曲aw h l e s sw a ye m c i e n t l y 觚d t i m e l y ，i th a sl o t so fa p p l i c a t i o n si i l o u ri i v e s h o w e v e r ，s i n c e 廿1 en o d e sa r eb a t t e 叮d r i v e n 粕dh p r a c t i c a lt 0r e c h a 唱e a g a i n ，e n e r 科e f f i c i e n c yh 嬲b e e nak e yc o n c e mi nm er c s e a r c hw o r ko fw s n c o o p e r a t i v ed i v e r s i 够i s 锄e 旋c t i v ew a yt 0s a v ee n e r j 盯c o n s u m p t i o no fw s n n si m p l e m e n t e di i lt i l ep h y s i c a ll a y e r ，c o n s i d e r i n ga l ln o d e s g r o l l p e di nc o l l a b o r a t i v e s e t sc a l l e dc o o p e 枷v ec l u s t e r s a l lc l u s t e rn o d e sc o o p e r a _ t et o 仃粕s m “锄dr e c e i v c d a t a 舶ma n yo t i l e rg r o u p s ，m a l ( i n gm i m oa na v a i l a b l et e c l u l o l o g yt ob cu s e di nt l l i s c l u s t e r - b a s e dn e t 、) r o r k m i m oi sp r 0 v e dt 0i n c r e a s et h ec h 锄e lc 印a c 时e 衔c i e n t l y w h i c hm e 觚st h a te n e e g ) ，c o n s u m p t i o np e r b i to fw s nc 锄b er e d u c e di ne v i d e n c e t h i sc o n c l u s i o ni sa c c 印t e db yt h em o s to fs c i e n t i s t s ，w h i l eh o wt 0m a k eu pa s t a n d 砌i z a t i o n 触m e w o r kf o rc 0 0 p e r a _ t i v ew s ni ss t i l lu n d e rd i s c u s s i o n 1 1 1 0 u g hl o t s o fr e a s o n a b l es u g g e s t i o n s 印p e a r 、h a tw en e e di sa ni n t e 刚i v ec o n s i d e r a t i o n t h e r e f o r e ，t h ea u t h o rt r i e st of i n i s ht h i st a s ki nt h i st 1 1 e s i s an e w 五阻m e w o r ki s b m u g h tf o r w a r d ，c o n s i d 喇n g0 t h e r s g r e a tw o r ki nt h i sa r e a ，w h i l ea d d i n gs o m en e w i d e a s a n dt h e n ，h o wt 0c h o o s et i l eo p t i m i z e dp a r 锄e t e 璐o fc o o p e r a t i v ew s nb a s e d i o nt h i sf r 乏啪e w o r ki no r d e rt om i n i m i z et h ee n e 唱yc o n s u m p t i o ni so u rf i n a lg o a l n es 卸so fo u rr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y ，ad e t a i l e dd e s c 却t i o no ft h en e w f h m e w o d ( i sg i v e n ；t i l e n ，i t sr a t i o n a l i t ) ，i sp r o v e dt h e o r e t i c a l l yw i t hm a t h e m a t i c a l a n a l y s i s ，t h e o r c t i cr e s u l tr e v e a l st h a tag r e a to fe n e r g yc 锄b es a v e dc o m p a r i n gt on o n c 0 0 p e r a t i v es i t u a t i o n ；f i n a l l y ，w ec o n s i d e rh o wt om a i n t a i nt h i sp r o p e r 哆i n 锄a c t 吼l e n v i r o 啪e n t ，w h i c hm e a n st h a tw eh a v et 0m i n i r n i z et h eo u t a g ep r o b a b i l i 够o fw s n a no p t i m i z a t i o np r o b l e mi so b t a i n e dt h e r e f o r ，s o l v i l l g 廿1 i sp r o b l e mi 1 1s u b s e c t i 伽w e a c h i e v et h eo p t i m u mp a r a m e t e r so f c o o p e r a t i v ew s n n 啪e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a t9 0 o fe n e 玛yc o u l db es a v e dw i t ht h ec h 籼e l d e t e r i o r a t i n g b e s i d e s ，t h em l e so fc l u s t e r - s i z e ，m o d u l a t i o na n dt e r r a i nr e v e a l e da tt h i s t h e s i sw i l ld oag r e a tw o r kt 0t h ed e s i g no ft h ep r o t o c o l so fc o o p e r a t i v ew s ni nm e 矗j t i j i c w i r e l e s ss e n s o rn e t 、o r k ， c 0 0 p e r a t i v ed i v e r s 咄 c i r c u i te n e 唱y ， o u t a g e p r o b a b i l i 劬o p t i m i z a t i o n 本人郑重声明： 原创性声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 苏相眵 日期：7 8 年r 月8 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 苗1 为 导师签名：压形盘 日期：枷5 年r 月5 日 中山大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 无线传感器网络是一门新兴的研究领域，由于其在国防军事、国家安全、 环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域具有巨大的应用潜力 及价值，目前在学术界已经得到了广泛的关注及研究。本文将要研究的是基于无 线传感器网络这一应用背景下，考虑在物理层加入协作分集技术，并由此讨论该 架构的优异性及构建该架构下的参数最优化问题。本章将要说明的是，这一研究 方向的价值已经得到了国内外众多研究机构的普遍认可，本章除了将对已有研究 文献进行概述外，还将简要说明本文的主要工作及章节布局。 1 1论文的研究背景及意义 随着信息社会的发展，人们对无线通信的定义已经不仅仅限于移动终端之 间的语音交流及数据传输，以a d h o c 技术为前身，具有感知能力、计算能力及 通信能力的无线传感器网络将成为无线通信发展的新方向。这种网络通过大量密 集的节点分布，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或 监测对象的信息，并自发地对这些信息进行智能化处理，最终将处理结果向目的 终端反馈，从而为各种日常应用带来极大的便利【。由于这种技术综合了传感器 技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术，因此具有典型的交叉学科性质。 鉴于无线传感器网络巨大应用前景，1 9 9 9 年和2 0 0 3 年的美国商业周刊 和m l t 技术评论在预测未来技术发展报告中，分别将其列为2 1 世纪最有影 响力的2 l 项技术和改变世界的1 0 大新技术之一f 2 1 。为此，美国自然科学基金委 员会于2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划，用以支持相关基础理论的研究，并 且美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，设立了一系列的军 事传感器网络研究项目。目前，包括美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头在 内，众多科技发达国家如日本、德国、英国、意大利等纷纷展开了在这一领域的 研究工作。 目前，无线传感器网络研究领域存在一系列挑战及问题，比如，如何设计 中山大学硕士学位论文绪论 却缺乏一种综合的考虑和全面的分析。根据上一节所述，目前在基于协作分集的 无线传感器网络这一研究领域有两个己承认的重要事实：首先，电路能耗是在无 线传感器网络进行能耗分析时不可忽略的重要部分，因为它涉及到使用分簇协作 时需要付出额外能耗代价的问题，因而是衡量是否应用协作传输的关键；其次， 分簇协作的无线传感器网络实际上也是一个协作分集系统，因而可以认为网络工 作于一种中继信道，根据目前已有的大量针对中继信道的资源分配算法研究，可 知无线传感器网络的工作参数存在优化的可能。 为此，本文尝试从已有研究的基础上寻找一个切入点。由于使用协作可以 节省网络能量的性质已经得到说明，因而我们只需要保证在实际的工作环境中能 够尽量保证获得这种节能增益就可以了，这意味着我们必须通过最优化网络的各 种工作参数，达到最小化网络间的中断概率这一目标。 这一思路与a d c o s o 是类似的，遗憾的是，在a ，d c o s o 的研究当中，他 仅针对一种简单的无线传感器网络工作模型进行了功率资源的分配的探讨，忽略 了众多实际的影响因素。同时，在目前已有的文献研究当中，鲜有结合不同空时 编码速率的分析，而这一因素对于网络的实际实现而言非常重要( 第四章将对此 进行说明) 。为了填补以上的研究空白，本文在a d c o s o 搭建的平台上，引入 电路能耗、空时编码速率和多类信道状况分析等方面的考虑，同时也综合借鉴了 有关导频开销、数据汇聚等合理思想，得到一个更为完善、更实用化的研究平台， 并在此平台上构建一个新的多变量优化问题，最终得到一种可以保证实现协作节 能性的w s n 参数优化分配策略。因而，本文的意义体现在：架构上采纳百家之 长，优化方向上推陈出新。 本文的工作思路可以简述如下：首先综合已有文献提出的合理因素，构建 一个合理的无线传感器网络工作架构，这一架构是基于d s t b c 发射、s d 接收 的同构传感器网络进行考虑的，尽管本文仅关注物理层的优化问题，但是该架构 对链路层及网络层的完整工作流程都进行了描述，以便于未来的跨层研究分析； 其次是针对这一架构展开理想情况下的能耗分析，通过引申m i m o 信道容量相 关表达式，我们得到了网络的理论能耗表达式，这一系列表达式不仅可以验证该 架构的合理性，还可以说明节点协作方案相对于非协作将存在巨大的节能性，作 为后续分析的基础，这一步除了说明协作传输具有节能特征外，还将通过推导得 中山大学硕士学位论文 到的理论能耗表达式预示着网络参数存在优化的可能性；最后一步是，考虑在实 际工作情况下的如何获得这种节能增益的问题，这意味着我们要设计一种参数优 化分配策略，使得网络在应用这一策略时其中断概率最小，为此本文将利用网络 的中断概率表达式构建一个多参数最优化的问题，通过综合运用多种手段对该问 题进行求解，最终得到一个完整的网络优化方案，完成本文课题的研究。 1 4 本文的章节安排 根据上述思路，本文后续的章节安排如下： 第二章作为背景知识介绍，将从结构、协议、特征及应用等四个方面分别 对无线传感器网络这一概念进行阐述，其中不仅会对无线传感器网络研究的大方 向进行介绍，还将重点阐述本文的研究对象基于簇结构的工作特点。 第三章将从m i m o 技术出发，分别引入协作分集技术的两个特征多天 线结构及分集增益。作为后续理论推导的铺垫，这一章将简述m i m o 信道容量 公式的推导及a l a m o u t ig 晓发射分集的系统原理。此外，作为对第二和第三章内 容的总结，同时也是进一步说明本文研究的出发点，本章的最后一节还将阐述无 线传感器网络与协作分集技术的结合点所在； 第四章的重点在于理论验证工作验证本文的研究架构在理想情况下能 够获得巨大的节能增益。为此，本章将首先详细阐述本文研究架构的工作流程， 其次引入s c u i 对传感器节点的能耗模型描述，最终得到结合d s t b c 的无线传 感器网络簇内及簇间高信噪比下近似的能耗表达式。 第五章是全文的工作重点，将针对第四章提出的工作架构，借鉴已有的一 些研究成果得到每一跳的簇内及簇间中断概率表达式，通过构建了一个四变量的 参数优化问题，并对这一问题的进行数值及近似求解，完成了一种新的参数优化 分配策略的研究。 第六章是全文总结，说明了本文的主要工作成果、创新点所在、不足之处 以及对这一研究方向后续工作的展望。 6 中山大学硕士学位论文无线传感器网络概述 议，因此人们通常类比o s i 七层协议栈进行协议设计，并开展相应于各层的研 究工作，如图2 2 所示。 图2 - 2无线传感器网络五层协议栈及其研究内容 与已有网络类似，物理层提供简单的信号调制和无线收发技术，数据链路 层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制，网络层主要负责路由生成与路 由选择，传输层负责数据流的传输控制、保证通信服务质量，应用层则包括一系 列基于监测任务的应用软件。以往的研究多数集中在：( 1 ) 设计合理的m a c 协议， 通过尽可能多地关闭接收模块、减少空闲监听等方式降低能量损耗，如1 3 3 j s m a c 、 t m a c 、w i s e m a c 以及b m a c 等；( 2 ) 基于各种应用场合的路由协议，如【3 4 】最 小能量通信网络协议s m e c n 、信息协商路由协议s p i n 、有序分配路由协议s a r 、 低功耗分簇自适应路由协议l e a c h 以及定向扩散路由协议d d 等。 值得注意的是，由于使用了无线通信这一特殊的应用场景，单纯的分层设 计体系无法满足无线传感器网络分布式传输及能量严格受限的条件，而交叉层优 化( c r o s s 1 a y e ro p t i m i z a t i o n ) 由于考虑了网络跨层间的相互作用，通过集成网 络协议栈，在不同层间共享信息，可以更好地适应无线传感器网络的工作环境， 目前很多的研究主要集中在如何实现物理层、m a c 层和网络层的跨层优化，并 将保证通信性能的同时降低能耗作为主要的优化目标。 本文所进行的架构参数优化主要集中在物理层，目的在于合理地分配功率 及时隙因子，实现在节能的条件下保证无线传感器网络的传输质量，也可以视为 一种简单的交叉层优化方案。 9 中山大学硕士学位论文无线传感器网络概述 2 1 3与a d h o c 自组织网络的区别 无线传感器网络类似于移动自组织分组无线网络( a d h o cn e 撕o r k ) ，后者 是指由数十或数百个移动终端组成的，通过无线传输进行动态组网的多跳移动性 对等网络，其目的是通过动态路由和移动管理技术传输满足服务质量要求( q o s ) 的多媒体信息流，是为多种应用而设计的一种通用平台。 与其相反的是，无线传感器网络是为一类特定的数据采集应用而设计的， 表现在i ”1 ：通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；同时传感器网络是 集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为 密集；再者，由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障，而且环境干扰和 节点故障也很容易造成网络拓扑结构的变化；另外，传感器节点的能量、处理能 力、存储能力和通信能力都十分有限。相对而言，a d h 0 c 网络首要设计目标是 提高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能量，而无线传感器网络首要的 设计目标是能源的高效使用，这也是两者间最重要的区别之一。 这意味着，在无线传感器网络研究这一领域，不仅需要有效地借鉴已有的 解决方案，同时也需要针对其具体的应用条件进行考虑。 2 1 4目前的应用状况 事实上，无线传感器网络并不是一项遥不可及的技术，它已经逐渐应用于 工业生产和民用领域【3 6 】。比如，在环境监测方面，w s n 可用于监控工厂设备和 人员运作情况，以及工作场所的灯光、空气温度或湿度等条件；监视农作物灌溉、 土壤空气、气象形成和地质变化等；监测和预报火山、洪水或地震等灾害现象； 还可用于对动物种群生活习性进行跟踪研究等。又如，在医疗护理方面，w s n 可用于监测人体内各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，以及实 施药物管理等。再如，在智能家居方面，通过置于房间内的各种传感器感知居室 不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其它家电进行自动控制，可提供更 舒适、方便和人性化的智能家居环境。 美国预测山洪系统a l e r t 、人工视网膜传感项目s s i m 、n s f 和h p 联合 资助的可部署于建筑物内部的智能家居系统a h r i ，正是上述思想的体现，这意 味着无线传感器网络已经逐渐融入到我们的日常生活当中来。 l o 中l j j 大学硕士学位论文 无线传感器刚络概述 域包括军事目标跟踪、火灾探测、建筑物监测等很多方面，而这些应用都有不同 程度的实时性及可靠性要求，比如军事目标侦查，不仅要求对快速移动的目标进 行定位，还需要及时向观测节点反馈信息。但由于无线传感器网络具有高度不可 预测性、大尺度等特点，一般只能寻求“软服务质量保证”，如在统计平均意义 上保证端到端实时性要求，同时由于无线传感器网络能量受限，应寻求服务质量 与能耗的联合优化。 上述各种考虑都可以作为研究工作的出发点，但应注意，这些因素并不是 孤立的，而是需要联合考虑的。比如，设计网络整体耗能最优化的路由协议，不 仅需要考虑数据包转发的路径方向，还需要考虑无线链路质量的不稳定性以及外 部突变因素导致的数据时延；又如，本文为了实现传输节能的目标，物理层采用 了协作分集技术并考虑簇间各项参数的最优化，同样是需要以保证一定的中断概 率为目标的。事实上，目前的研究工作都是围绕某一特定的目标参数( 如应用于 大面积环境检测的无线传感器网络侧重能耗最小化) 进行优化设计的。 2 3基于簇的w s n 工作架构 迄今为止，在无线传感器网络工作架构及协议领域的研究仍然方兴未艾， 目自矿还没有被广泛接受的标准协议。无线传感器网络应用相关的特性也决定了不 可能只存在一个标准的通信协议，而是应该针对具体的应用领域和场景开发不同 的组织架构，将某些传感器节点集结成“簇”( c l u s t e r ) 正是这样被提出来。 二0 ： 一， 吟礤篡 文篡。 。，7 s o u r c e 一 。1。 “ 。， j | 1 毒- j a p ，- 雾i ，豢i d - f - r ， 图2 3基于中心控制的通信流程示意图 1 2 蠢戮戮卜戆 中山大学硕士学位论文无线传感器网络概述 如图2 3 所示，基于簇的工作架构实际上是来源于目前已有的基于中心控制 的无线网络( 如蜂窝网络、i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网) 。在基于中心控制的网络拓 扑中，各个终端间不能相互通信而只能与中心节点( a p ) 进行通信，这种结构 的好处在于，每个终端仅需要处理少量的信息，大量的运算通过a p 进行，同时 在a p 的协调下，所有终端可以很容易地实现同步。 受这一思想启发，分布于一个区域的传感器节点可以划分为多个区域，每 个区域内包含若干个传感器节点，区域内的传感器节点可以相互通信，而区域间 的通信则由各自区域内指定的节点完成，这样的一个区域便可以称之为“簇”。 显然，分簇的网络架构需要协议的支持，此类算法的思想通常是将网络中 的节点划分为三类：分别是簇首节点( c hn o d e ) 、簇内成员节点( m e m b e rn o d e ) 和网关节点( s i i l l ( n o d e ) 。以同构网络为例，在初始化过程中，所有簇内节点首 先进行选举，此时每个节点的身份都一样，然后它们以一定的规则选出簇首，剩 余的节点则成为簇内成员。 选举结束后，簇首节点将构建一个连通网络来负责数据的路由转发，此时 不需要成员节点的参与，通常称这个阶段为簇问路由建立。而在数据传输阶段， 簇内成员一般只与自己的簇首进行通信，由簇首负责数据的转发。注意在无线传 感器节点中，无线通信模块是能量消耗最大的部件，而传感器节点的无线通信模 块在就绪状态时的能量消耗与在收发状态时相当，所以为了有效地降低节点的能 量开销，节点不能长期处于收发状态。分簇思想既保证了原有覆盖范围内的数据 通信，又在很大程度上节省了成员节点处的能量。 当然，分簇思想同样具有基于a p 控制的各种优点，例如，由簇首节点负担 数据融合的任务，减少了数据通信量；同时分簇式的拓扑结构有利于分布式算法 的应用，适合大规模部署的网络；由于大部分簇内节点在相当长的时间内关闭通 信模块，不参加数据转发过程，所以显著地延长整个网络的生存时间；等等。 事实上，在无线传感器网络中应用分簇思想更大的优势在于，簇内可以利 用多个节点构成基于a d h o c 技术提出的虚拟天线阵列概念( n u a la n t e l l i l a a r r a y ：k a ) 1 3 7 】，从而克服单个传感器节点在体积上的劣势，并充分利用m i m o 技术带来的抗衰落性能。这是一种最新的分簇应用方式，也正是本文研究的出发 点所在，并将在后续的章节中详细讨论。 中山大学硕士学位论文 无线传感器网络概述 经典的基于w s n 实现分簇结构的网络协议有l e a c h ( l o w e n e 聊a d a p t i v e c l u s t e m gh i e r a r i c h y ) 1 3 8 1 及p e g a s i s ( p o w e re 街c i e n tg a t h e r i i l gi n s e n s o r i n f o m a t i o ns y s t e m s ) 等。目前，对分簇算法的研究已经比较成熟，但由于其 不是本文的研究范围，故在此不再赘述，有关算法的详细描述可参考综述文献如 【3 9 】等。 2 4 本章小结 本章的目的在于通过对无线传感器网络相关背景知识的介绍，使得读者在 阅读后续章节前，能够对论文研究的对象有一个清晰的认识。为了达到这一目的， 本章首先从无线传感器网络的结构、协议、特征及应用等四个方面进行介绍，然 后据此阐述了该领域需要开展的研究方向，而作为研究方向之一，分簇思想已被 证明了可以有效降低无线传感器网络的能耗，同时这也成为本文研究的一个切入 点。在下一章节中，论文将介绍借鉴于m i m o 思想的、可应用于分簇结构无线 传感器网络的协作分集技术。 1 4 中山大学硕士学位论文基于m i m o 技术的协作分集系统简介 第三章基于m i m o 技术的协作分集系统简介 多输入多输出设计( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo 岫，u t ：m i m o ) 有别于传统单 发单收的无线通信系统，它在收发双方均使用多根天线，从而可以获得更大的信 道容量及更高的频谱利用率。协作分集技术( c 0 0 p e r a t i v ed i v e r s i 够) 是m 【m o 技术的延伸，它是为了解决由于通信终端体积过小因而无法安装天线阵列这一矛 盾被提出来的，通过各个终端之间的相互协作，可以人为地构建虚拟的多天线系 统，从而可以令每个终端都能享受到m i m o 技术带来的性能增益。目前，无线 传感器网络与协作分集技术的结合已经成为一个新的研究热点，为了阐明提出这 一课题的由来以及为本文的后续研究工作奠定理论基础，很有必要对此进行数量 建模及理论阐述。本章将着重于m i m o 信道容量的分析及发射分集方案的论述， 通过强调m i m o 技术与协作分集技术的异同点，引申出可应用于无线传感器网 络的协作分集方案，以加深对本文的研究方向的认识。 3 1m i m o 技术综述 m i m o 技术已经被定义为下一代移动通信系统的核心技术之一。它的优势 在于能够将时间域处理和空间域的处理结合起来，通过改善阵列增益和分集增 益，从而有效地消除干扰和抗多径衰落，达到提高系统容量的目的。因此，与 m i m o 技术同时兴起的是空时频结合的信号处理技术，如空时估计、空时检测、 空时编码、空时均衡、空时分集、空时波束形成等。下面将首先简要地阐述一下 该技术的研究状况。 3 1 1m i m o 技术相关研究 事实上，m i m o 技术由来己久，早在1 9 0 8 年马可尼就曾提出用它来对抗衰 落，并且在上个世纪7 0 年代也曾经有人提出将m i m o 技术用于通信系统，但是 对m f m o 技术真正产生巨大推动作用、具有里程碑意义的工作属于上个世纪9 0 年代贝尔实验室。1 9 9 5 年t e l a t a r 【4 0 】初步探讨了瑞利衰落信道下的m i m o 系统容 中山大学硕士学位论文基于m i m o 技术的协作分集系统简介 佰思对援收方已知时( 考虑导数) ，m i m o 信遭容量司以用互信思表述为： c = 嗍，( x ，d ( 3 6 ) ，( j ) 其中厂( 石) 为x 的概率密度函数。而由信息论知识可知，互信息可计算如下： j ( x ，】r ) = 日( y ) 一日叮l x )( 3 - 7 ) 注意这里的何表示信息熵，上式中的第二项由于源信息与接收信号之间是 不相关的，因此可以简化为 ，( x ，】，) = 日( 】，) 一日( ) ( 3 - 8 ) 所以，当日( 】，) 取得最大值时将得到m i m o 的信道容量。另外，对于均值为 0 方差为l 的独立同分布复高斯向量( z m c s c g ) ，可以得到h ( 】，) 与接收方协方 差矩阵如之间的数量关系，据此，t e l a t a r 【删得到了最终的信道容量表达式： c 一升蹁a e t 卜+ 彘日刁 仔9 ， 通常考虑发送端不知道信道信息的情况，即= k ，故可得到简化的信 道容量表达式如下： c 礼叫e t ( k + 最册刁 p 抑 这个式子是本文分析中断概率的基础，它的意义在于： 当坼= 虬= ，时，简化为单天线下香农信道容量公式c = - o g ：( 喑) 当坼、很大时，可简化为c m ；n c 坼，m m g ：( 彘) 意味着信道容量 将随着天线数的增大而线性增大 当各子信道相互独立时，即吩，= ，可以简化为c = t o g ：( + 坼峨每 ，意 味着系统获得了坼的分集增益 因此，根据对m i m 0 系统进行信道建模和理论推导，我们可以看蛩im i m 0 1 8 中山大学硕士学位论文 基于m i m o 技术的协作分集系统简介 系统容量的增大是源自于各个子信道之间的充分独立及不相关，而无线传感器网 络各节点间的分布极其广阔，正好能够提供丰富的散射环境，因此非常适合使用 m i m o 传输方案。而m i m o 容量将随天线数的增加而线性增长这一性质无疑对 于无线传感器网络的降低能耗是具有重要意义的，原因将在3 。4 节进行详细阐述。 3 2 无线通信中的分集技术 如上节所述，根据不同的传输要求，m i m o 系统可应用不同的信号处理方 式构建空分复用方案( m u l t i p l e x i n g ) 或空间分集方案( d i v e r s i t ) ，) ，基于本文的 具体研究对象，我们将更为关注后者在无线传感器网络当中的应用。下面，本节 将简要介绍一下无线通信中分集的概念。 3 2 1 分集技术的基本原理 无线通信最为显著的特征是衰落，它是因为无线信道存在多径( m u l t i p a t h ) 及时变( t i m e v a r i a n c e ) 两种特点导致的。当信道处于深衰落时，无线通信系统 的性能将会急剧降低，比如，要把误码率从l o 之降到1 0 一，在a w g n 信道中信 噪比仅需增加1 抛就可以了，但在无线衰落信道中，快衰落的深度可达3 0 以至 4 0 扭，如图3 3 所示。相应地这意味着如果利用加大发射功率来克服这种深衰 落则需1 0 3 倍以上，显然这是不现实的，而且还容易造成对其他无线信源的二i ：扰。 图3 3 快衰落下的时问频率双选择信道频率响应图 1 9 中山大学硕士学位论文 基于 m o 技术的协作分集系统简介 最接近于原始信号值。三种合并算法的设计思想分别为：s c 是选择其中信 噪比最大的那一路信号作为合并器的输出，e g c 是将所有的权重因子 q ( f ) ，口2 0 ) ，( f ) 均取l ，眦则根据各路信号的信噪比的大小定义各自权重的 大小，即q ( f ) o c 鼢佩( f ) 。三者的性能对比如图3 - 4 所示，显然腻将获得最好 的性能，但同时其复杂度也是最高的。讨论分集合并算法并不是本文的目的所在， 有兴趣的读者可以参阅相关文献( 如【4 6 】) ，但是在此需要提醒的是，受限于无 线传感器简单的运算处理机制及有限的能量，本文在设计中仅考虑s c 算法，尽 管这种处理方式很简单，但在高信噪比的情况下同样能够达到全分集增益( 砌i d i v e r s 时) ，这在第五章的分析中也会详细阐述。 蛔塾加 锨t _ l肜 纱 6 j ；，i 一 口 纱 纱 一 一 l2拿567l l a 为鼍大比筐合并 为等增益合并 为芬i 幂式合并 分囊支路敷) 图3 4 三种空间分集合并算法性能对比示意图【4 6 】 采用分集技术对于本文的研究对象而言是很有意义的，因为在噪声受限的 条件下，若不采用分集技术，则发射机必须提高发射功率，才能保证信道条件较 差时无线链路能够正常连接。而在无线传感器网络物理层设计中，加大功率将意 味着加速电池的损耗，因此合理采用分集技术将有效地降低节点能耗，延长网络 的生命期。而利用空间分集技术的前提是利用节点构建虚拟的天线阵( w 溘) ， 这也正是我们在下一节( 3 3 节) 研究协作分集技术的重要原因 3 2 2 发射分集系统举例 上一小节提到，空间分集有发射分集( m i s o ) 及接收分集( s i m o ) 两种 2 1 中山大学硕士学位论文基于m i m o 技术的协作分集系统简介 上图葸味看，接收端将在此s t b c 块内接收到对应于两个时隙的两个信号： 铲囊，t 红于t 啊 ( 3 - 1 2 ) 【= 一向：蔓+ k i + 他 ”7 根据信道假设啊。= 囊：= 啊。呜。= k = 嚏，则接收信号可以用矩阵表示如下： 灭= 序陵驯州球融p 功 其中由于使用两根天线，因此必须对信号的功率进行归一化处理。根据 a 1 a m o u t i 提出的方案，对上述接收信号进行如下的共轭处理，得到判别信号为： j i i = 磁骷挎；厶x + 刃 ( 3 1 4 ) 因此接收端的信噪比刁相对于未使用g 2 方案的信噪比p 有如下关系： ，7 ：擘 ( 3 - 1 5 ) 这意味着发射分集的意义在于抗衰落，即使某一个信道受到深衰落的影响， 其接收端的平均信噪比仍然能够维持较高的水平。假设信道为互不相关的独立同 分布子信道，其误码率上界可表示为4 9 】： 弘瓦( 争) _ 2 p d 其中札指的是相应星座图上周围邻居的个数，为对应星座图任意两点 之间的距离。这个式子意味着使用g 2 方案可以获得与2 根天线接收方案同样的 分集增益( 即分集度为2 ) ，但其编码及译码的复杂度都是线性的，因此非常具 有实用性。 上述发射分集系统的原理推导对于第四章分析基于分集技术的无线传 感器网络的能耗是很有意义的。对于s t b c 方案而言，关键在于正交码本的 设计，g 2 可以获得d = 2 分集增益，但是牺牲了传输速率，即便如此，g 2 也是 发射分集方案当中唯一能够达到尺= l 的码本。这在后面使用多传感器节点进行 协作传输的时候将会提到。 中山大学硕士学位论文基于 m o 技术的协作分集系统简介 3 3 协作分集系统原理 基于前两节的介绍，现在我们引入协作分集这一概念。这一概念包含两个 含义：首先这是基于体积小的无线终端无法使用天线阵列、然而又想利用m i m o 所带来高信道容量因而提出的一种折中方案，因此它是一个群体概念，必须由多 个终端相互协作才能够完成，并且目前有关m i m o 研究方面的多种成果都可以 应用在其中；其次，协作的目的主要是利用空间分集增益以增强抗衰落性能。下 面将简要介绍这一技术的特点，以说明这正是一种适合应用于无线传感器网络的 物理层技术。 3 3 1 协作分集技术相关研究 协作分集的基本思想最早可被追溯到c o v e r 和e lg 锄a l 【5 0 】在其研究中对 中继信道的信息论属性所做的工作。文献【5 0 】分析了一个信源、一个接收端及一 个中继情况下的信道容量。假定所有的结点工作于相同频率，则从信源角度来讲， 系统可被分解为一个广播信道( b c ) ，而从接收端的角度则可理解为多址信道 ( m a c ) ，c o v e r 的信道模型如图3 6 所示。 一 l 1f _ j r _ _ - 1x r _ - _ - - _ - _ 1 丫r - _ 一 w _ 叫e 门o o o e rh pey 。h ，i l 。摹2 ih o e e 只卜w 图3 - 6 c o v 盯所分析的中继信道模型1 5 0 】 事实上，目前我们所研究的协作分集与c o v e r 所分析的对象已大不一致， 这是因为：首先，c o v e r 是研究a w g n 信道下的信道容量，而如前所述，我们 使用协作分集的目的是为了获取衰落信道下的分集增益，由于a w g n 信道下是 不存在分集增益的，因此c 0 v e r 的结论已经不适用；其次，在c 0 v e r 的理论中， 中继的作用仅仅是为了帮助源节点进行转发而存在，事实上，作为现代协作分集 理论当中的中继节点，自身也有信息需要转发。这两点导致了我们需要重新对 c o v e r 建立起来的协作理论进行分析。 现代协作分集理论是基于移动终端这一个背景被提出来的，如图3 7 所示， 中山大学硕士学位论文基于m m 0 技术的协作分集系统简介 其讨论源自于a s e n d o n a r i s 【2 2 】1 2 3 】的两篇论文。a s e n d o n 撕s 基于信息论理论在 信道容量、中断概率和遍历概率上所做的分析揭示了协作分集的巨大潜力，并且 表明协作分集不但能提高系统的传输速率，还可以降低系统的中断概率。值得注 意的是，中断概率( o u t a g ep r o b a b i l 时) 在协作通信系统中是一个非常重要的参 数，因为对于m i m o 系统而言，进行空时信号处理不存在误码的问题( 因为都 在一个终端完成) ，然而协作通信中则很有可能在空时处理期间出现信息传输速 率超过信道容量的情况，从而导致协作的失败。因此，可靠的协作通信系统要求 保持较低的中断概率( 1 0 。3 以下) 。 用户2 图3 7移动终端之间的协作分集 蒜站 另外一个将协作分集系统引入无线网络的里程碑人物为j n l 如e m a n 【2 1j ， 他在研究中阐明了可应用于分布式无线网络系统的重复策略( r c p e t i t i o nb a s e d ) 和分布式空时编码策略( d s t b c ) 等协议，并证明了它们在结合协作通信应用 于无线网络时完全可以达到与m i m o 同样的分集增益这一点对于协作分集 的发展具有非常重要的意义! 与以往的研究不同的是，他是基于无线网络的中断 容量进行理论分析的，其研究的结论也说明，相比较而言，d s t b c 的高频谱利 用率更加适合作为无线网络当中的协作通信协议。 作为典型的无线网络，本文对于无线传感器网络的研究也是应用d s t b c 方 案并基于l 锄e m a n 所做研究的，这将在第五章中详细阐述。 中山大学硕士学位论文基于m i m o 技术的协作分集系统简介 3 3 2 三种协作分集方式 在介绍协作通信系统时，有必要弄清楚中继及源节点之间的相互关系。目 前，两者根据应用场合的不同大致有三种实现方案： 兹尢转发糕茸伪删，劬彻d 励，m ，删，4 f ) ，中继节点根据自身功率的约束， 简单地放大他们接收到的信号，中继节点工作在半双工方式。因此，中继 节点处的放大是线性转换