（计算机系统结构专业论文）基于虚拟mimo的低能耗无线传感器网络的研究.pdf

111，_、 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：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科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蔓堕堕一 e l 期：立蛆l 一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰亟垄导师签名：丛垡叠日期：2 1 鱼：主 一 ， 一 山东大学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 2 研究目标和内容4 1 3 论文组织5 第二章m i m o 系统与无线传感器网络7 2 1 a l a m o u t i 空时编码发送分集技术7 2 1 1 经典最大速率接收合并方案( m c ) 8 2 1 2a l a m o u t i 空时编码发送分集方案9 2 2m o 系统1 3 2 2 1 窄带加m o 模型1 4 2 2 2 无线传感器网络中的m i m o 系统1 5 2 3 无线传感器网络的路由协议和拓扑控制1 7 2 3 1 无线传感器网络路由协议概述1 7 2 3 2 无线传感器网络的l e a c h 路由协议1 8 2 3 3 无线传感器网络拓扑控制概述2 0 2 3 4g a f 拓扑控制算法2 l 2 4 本章小结2 2 第三章基于a l a m o u t i 空时编码的低能耗无线传感器网络路由2 3 3 1 问题的提出2 3 3 2 基于a l a m o u t i 编码的虚拟m 蹦o 系统2 4 3 3 基于虚拟m i m o 的低能耗网格分簇路由算法2 6 3 3 1 系统模型2 6 3 3 2 改进的l e a c h 路由算法2 7 3 3 3 基于虚拟m i m o 的低能耗网格分簇路由算法2 9 3 4 仿真实验与分析3 2 3 5 本章小结3 5 第四章基于虚拟m i m o 的无线传感器网络协作多跳广播3 6 4 1 问题的提出3 6 4 2 协作多跳广播算法的相关原理3 7 4 2 1 贪婪算法3 7 4 2 2 线性规划3 8 4 2 3 信息与互信息3 9 4 3 基于虚拟m i m o 的协作多跳广播4 0 4 3 1 系统模型4 0 4 3 2 基于虚拟m i m o 的w s n 协作多跳广播方案4 0 4 3 3 算法设计4 3 4 4 仿真结果与分析4 6 4 5 本章小结4 7 第五章总结4 9 5 1 工作总结4 9 5 1 工作展望5 0 参考文献5 1 致谢5 5 攻读学位期间发表的学术论文目录5 6 ， 一 产 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s la b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n ：1 1 1 b a c k g r o u n d 1 1 2p u r p o s ea n dc o n t e n t 4 c h a p t e r 2m i m o s y s t e ma n dw s n 7 2 1a s i m p l et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 一7 2 1 1c l a s s i c a lm a x i m a l - r a t i or e c e i v ec o m b i n i n g ( m r r c ) s c h e m e 8 2 1 2a l a m o u t is p a c e - t i m ec o d ed i v e r s i t ys c h e m e 9 2 2m u l t i p l e - i n p u t ，m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m 1 3 2 2 1n a r r o w - b a n dm i m om o d e l 1 4 2 2 2m i m oi nw s n 1 5 2 3r o u t i n gp r o t o c o la n d t o p o l o g yc o n t r o li nw s n 1 7 2 4 1i n t r o d u c t i o no f r o u t i n gp r o t o c o li nw s n 1 7 2 4 2l e a c h r o u t i n gp r o t o c o li nw s n 1 8 2 4 1i n t r o d u c t i o no f t o p o l o g yc o n t r o lo f w s n 2 0 2 4 2g a f t o p o l o g yc o n t r o la l g o r i t h m s 2 1 2 4s u m m a r y 2 2 c h a p t e r3a l a m o u t is p a c e - t i m ec o d e - b a s e dl o w - p o w e rw s n 2 3 3 1t h ep r o b l e m 2 3 3 2a l a m o u t is p a c e - t i m ec o d e b a s e dv i r t u a lm i m o s y s t e m 2 4 l u 巴! 詈，皇量。，! ，型尘童耋冬耋窒垄型呈耋圣耋圣塞二。皇詈，曼暑。，! ，! ，一 3 3v i r t u a lm i m o b a s e dl o wp o w e rg r i dc l u s t e r i n gr o u t i n ga l g o r i t h m 2 6 3 3 1s y s t e mm o d e l 2 7 3 3 2i m p r o v e m e n to f l e a c ha l g o r i t h m 2 8 ， 3 3 3v i r t u a lm i m o b a s e dl o wp o w e rg r i dc l u s t e r i n gr o 嘶n ga l g o r i t h m 3 0 3 5s i m u l a t i o na n da n a l y s i s 3 1 3 6s u m m a r y 3 4 c h a p t e r4c o o p e r a t i v em u l t i h o pb r o a d c a s tb a s e d v i r t u a lm i m oi nw s n 3 6 4 1t h ep r o b l e m 3 6 4 2t h ep r i n c i p l ea b o u tc o o p e r a t i v em u l t i h o pb r o a d c a s t 3 7 4 2 1g r e e d a l g o r i t h m 3 7 4 2 2l p 3 8 4 2 3i n f o r m a t i o na n dm u t u a li n f o r m a t i o n 3 9 4 3c o o p e r a t i v em u l t i h o pb r o a d c a s tb a s e dv i r t u a lm i m o 4 0 4 3 1s y s t e mm o d e l 4 0 、 4 3 2c o o p e r a t i v em u l t i h o pb r o a d c a s tb a s e dv i r t u a lm i m o i nw s n 4 0 4 3 3a l g o r i t h md e s i g n 4 3 4 gs i m u l a t i o na n da n a l y s i s 4 6 4 5s u m m a r y 4 7 c h a p t e r5f i n a lr e m a r k s a n dr e c o m m e n d a t i o n s 4 9 5 1c o n c l u s i o n s 4 9 5 2f u t u r er e s e a r c h 5 0 r e f e r e n c e s 5 1 _ a c k n o w l e d g e m e n t 5 5 p u b l i s h e da c a d e m i cp a p e r s 5 6 i v ， 山东大学硕士学位论文 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( w s n ) 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。 m i m o ( m u l t i - i n p u t , m u l t i - o u t p u t ) 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( m i m o ) 系统相对于单输入单输出( s l s o ) 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，m i m o 系统能比s i s o 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，m i m o 系统的天线阵列不可能安置在单个节点上，因此 虚拟m i m o 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m i m o 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a l 锄0 埘空时 编码，然后在其基础上介绍了m i m o 系统的模型和工作原理，并阐述了无线传 感器网络中的m i m 0 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a l a m o u t i 空时编码和虚拟m i m o 技术的基础上，结合对无线传感器 网络的经典路由协议l e a c h 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。 。曹暑，! ! 暑詈，。皇皇耋呈奎兰差耋坠圭耋童堡垒窒主呈，。皇，曼! 詈詈，。詈鼍詈。景皇一 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m i m o 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g f a 进行了改进。与 g f a 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。 关键字：虚拟m m o ：低能耗；无线传感器网络；l e a c h 协议；协作多跳 广播 u i a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r ew a sa ne m e r g e n c eo fl o w - c o s t ，l o w p o w e ua n d m u l t i f u n c t i o n a ls e n s o rn o d e s t h e s es e n s o rn o d e sa r es m a l l ，a n dt h e yc a nm a k e s h o r t d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n t h e s et i n ys e n s o rn o d e sc o n s i s to fs e n s o r s ，d a t a p r o c e s s i n gc o m p o n e n t sa n dc o m m u n i c a t i o n sc o m p o n e n t s ，a n dt h es e n s o rn o d e s a c h i e v et h ec o n c e p to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ke x p a n dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh u m a na n dn a t u r e ，a n di ti sal a n d m a r ko f t r a d i t i o n a ls e n s o r s a tp r e s e n t , b e c a u s eo ft h ep o t e n t i a la p p l i c a t i v ev a l u e ，t h er e s e a r c ho nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ( w s n ) h a sb e e ng e t t i n gm a n ye x t e n s i v ea t t e n t i o n s d i f f e r e n tf r o m o t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc a nn o tb ea d d e d g e n e r a l l yb e c a u s eo ft h eb a t t e r y - p o w e r e ds e n s o rn o d e s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h e e n e r g ye f f i c i e n c yo fs e n s o rn o d e sa n dp r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m eo fs e n s o rn e t w o r k i st h ek e yi s s u e sf o ri t sr e s e a r c h t h ee x t e n t so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si n t e r a c tw i t ht h ee n v i r o n m e n ta r el a r g e r t h a no r d i n a r yn e t w o r k ，s ot h en e t w o r ko p e r a t i o n sa r e a f f e c t e db ye n v i r o n m e n t a l i m p a c t si nal a r g ee x t e n t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn e t w o r kn o d e sd u et od i r e c t , d i f f r a c t i o na n d s c a t t e r i n g o ft r a n s m i s s i o n a r i s i n gf r o mt h em u l t i - p a t hf a d i n g p h e n o m e n o n ，t h e r e f o r e ，o n l ya c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lm e a n so fs i m p l yn o d e s c o m m u n i c a t i o nc a nn o tm i n i m i z et h en e t w o r ke n e r g yc o n s u m p t i o n m i m o ( m u l t i p l e - i n p u t ，m u l t i p l e - o u t p u t ) t e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s f i e l d i tc a nu s er a n d o md e c l i n ee f f e c t i v e l yw h i c hm a y e x i s ti nt h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o na n di m p r o v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a p a c i t ya n d s p e c t r a le f f i c i e n c y r e s e a r c hs h o w st h a ta tt h es a m et r a n s m i tp o w e ra n db i te r r o rr a t e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h em i m os y s t e mr e l a t i v et ot h e s i n g l e - i n p u t , s i n g l e - o u t p u t ( s i s o ) s y s t e mc a ns u p p o r th i g h e rt r a n s f e rr a t e s i no t h e rw o r d s ，u n d e r t h er e q u e s to ft h es a m e s y s t e mt h r o u g h p u t , m i m os y s t e m sc a ns a v em o r e t r a n s m i s s i o ne n e r g yt h a nt h es i s os y s t e m h o w e v e ld u et ot h es i z er e s t r i c t i o n so n s e n s o rn o d e s ，t h ea n t e n n aa r r a yo fm i m os y s t e mc a r ln o tb ea c c o m m o d a t e di na i i i s i n g l en o d e t h e r e f o r e ，t h ep r o g r a mo f v i r t u a lm i m ow a sp r o p o s e d i nt h ep r o g r a m , m u l t i p l en o d e sa r ei na c o a l i t i o na n dt of o r mm u l t i - a n t e n n as y s t e m s a sar e s u l t ，h o w t oa d o p tv i r t u a lm i m ot od e s i g nt h eo p t i m a le n e r g y - e f f i c i e n tw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k sb e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o t i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c e dt h es i m p l et r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n o l o g yi n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a l a m o u t is p a c e t i m ec o d i n g t h e nb a s e d o nt h e d e s c r i p t i o no f t h em i m os y s t e mm o d e la n dp r i n c i p l e ，d e s c r i b e st h em i m os y s t e mi n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a tl a s t ，w ea l s od e s c r i b et h ec l a s s i c a lr o u t i n gp r o t o c o l sa n d t o p o l o g yc o n t r o lo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k b a s e do nt h ea l a m o u t is p a c e t i m ec o d i n ga n dv i r t u a lm i m ot e c h n o l o g y ，w e i m p r o v et h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s r o u t i n gp r o t o c o ll e a c h , a n dp r o p o s ea n e w g r i dc l u s t e r i n ga l g o r i t h m t h en e wa l g o r i t h mc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sl i f eb ys i m u l a t i o ne v i d e n c e b r o a d c a s t i n gi so n eo ft h em o s tb a s i cm e a n so fc o m m u n i c a t i o ni n w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，a n di t sp u r p o s ei st os e n di n f o r m a t i o nf r o mt h es o u r c en o d es e n d s t o t h er e s tn o d eo fn e t w o r k i nt h i sp a p e r , d e s c r i b et h em i n i m u me n e r g yb r o a d c a s t i n g p r o b l e m w h i c hb a s e dv i r t u a lm i m oc o o p e r a t i v em u l t i h o pb r o a d c a s t i n gs c h e d u l e ，a n d i m p r o v et h e g f aa l g o r i t h m c o m p a r ew i t ht h eg f aa l g o r i t h m , t h ei m p r o v e d a l g o r i t h mc a ns a v et h et r a n s m i t t i n ge n e r g y , r e d u c et h en o d e s e n e r g yc o n s u m p t i o na n d p r o l o n gt h el i f eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k k e y w o r d s ：v i r t u a lm i m o ；e n e r g ye f f i c i e n c y ；w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ； l e a c h p r o t o c o l ；c o o p e r a t i v em u l t i h o pb r o a d c a s t i v ， 1 1 选题背景 第一章绪论 近年来，随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统( 姬m s ) 等技 术的飞速发展，使得低成本、低能耗、多功能的微型传感器得以广泛应用。传感 器可以测量周围环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测包括 温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等 人们感兴趣的物质现象。监测区域内的微型传感器节点通常具有数据采集、数据 处理和无线通信等功能【l 】，它们将采集到的数据经过自身的数据处理之后，通 过无线通信方式经过多跳将信息发送给观察者，这就是无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，w s n ) ，它是一个自组织的网络系统。 无线传感器网络是当今信息领域新的研究热点，涉及到传感器技术、网络通 信技术、无线传输技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、 软件编程技术等多个学科的研究领域。1 9 9 9 年，m a n g ew 和k a h nj 分别发表了 无线传感器网络的代表性论文 2 ，3 】。2 0 0 3 年美国的 m i t 技术评论杂志和商 业周刊杂志预测未来对人类生活方式产生重大影响的技术中，无线传感器网络 名列前茅【4 ，5 】。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引 起一场跨时代的军事技术革命和未来战争的变革。2 0 0 4 年( i e e es p e c m a n ) ) 杂 志发表一期专辑：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展以及可能的广泛应 用。目前，传感器网络的应用领域已经由军事国防领域扩展到环境监测、交通管 理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域，使人们在任何时间、任何地点 和任何环境条件下都能够获取大量详实可靠的信息，最终成为一种“无处不在” 的传感技术 6 】。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合 在一起，极大地扩展了网络的功能和人类感知世界的能力，改变着人类与自然界 的交互方式。 基于无线传感器网络的广阔的应用前景和巨大科研价值，国内外著名的研究 机构和制造公司都投入了大量经费对其进行研究，在科研、军事以及民用等领域 极大地推动了无线传感器网络技术的发展。从上世纪九十年代开始，美国d a r p a 先后启动t w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 、枷s ( m i c r o a d a p t i v e 山东大学硕士学位论文 m u l t i d o m a i np o w e r - a w a r es e n s o r s ) 、s e n s l t ( s e n s o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 等项 目，在众多大学和研究机构展开传感器网络的基础性研究；2 0 0 3 年，美国自然 科学基金委员会制定了w s n 研究计划，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网 络研究中心，展开“嵌入式智能传感器”项目的研究【7 】。加拿大、英国、德国、芬 兰、日本和意大利等国家也纷纷参与到了w s n 的研究中。我国在2 0 0 6 年发布 的国家中长期科学与技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) ) ) 中指出的3 个信息技术 重点研究中有2 个与w s n 的研究直接相关，我国对无线传感器网络的重视程度 由此可见一斑；中国科学院、哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、国防 科技大学等科研机构和高等院校也已经展开了对w s n 的研究。在民用领域， i n t e l 、m i c r o s o f t 、m o t o r o l a 、h o n e y w e l l 也展开了对w s n 产品的研制，推出了自 己的系列方案。 到目前为止，w s n 的研究大致经过两个阶段。第一阶段主要偏重利用m e m s 技术设计小型化的节点设备：而对于网络本身问题的关注和研究可以认为是无线 传感器网络研究的第二个阶段，目前已经成为无线传感器网络研究的热点【8 】。 无线传感器网络的设计受多种因素的影响，包括差错容忍、规模、产生成本、运 行环境、网络拓扑、硬件限制、传输媒介以及能量消耗。其中有待研究的主要关 键技术如下： 1 网络拓扑控制。拓扑控制可以自动生成良好的网络拓扑结构，这种拓扑 结构不仅能够提高路由协议和m a c 协议的效率，而且可以为数据融合、时间同 步和目标定位等很多方面奠定基础，从而有利于节省节点能量，延长网络的生存 期。 2 网络协议。传感器网络协议负责把各个独立的节点形成一个多跳的数据 传输网络。由于传感器节点的能量以及其他资源十分有限，并且传感器网络的拓 扑结构会动态变化，其资源也在不断变化，所有这些都对网络协议提出了更高的 要求。 3 无线通信技术。传感器网络需要低功耗、低成本的无线通信技术，对信 道衰落，发射信号功率谱密度等方面都有较高要求。 4 数据融合。数据融合是指在各个节点收集数据的过程中，利用节点的本 地计算和存储能力处理采集到的数据信息，将冗余信息去除，以达到节省传输能 量、提高信息准确度的目的。同时，网络的平均延时会增加，鲁棒性也会降低。 所以关键问题是在数据融合和提高网络性能之间找到平衡点。 2 山东大学硕士学位论文 无线传感器网络不同于传统的数据网络的特点，使得无线传感器网络的设计 与实现面临提出了新的挑战，主要体现在以下5 个方面。 1 低能耗。传感器节点通常由电池供电，并且电池容量比较小，由于长期 在无人职守的环境中工作，一般无法充电或者更换电池，因此一旦电量用尽，节 点也就失去了作用。这就要求w s n 中的每个节点在工作的过程中都要尽量将自 己的能量消耗最小化，以获得最长的网络生存期。因此，无线传感器网络中的各 项技术和协议的使用一般都以节能为前提。 2 实时性。无线传感器网络的应用大多都有实时性的要求，即对某个事件 w s n 需要在一个很短的时间内做出响应。其响应的时间越短，系统的性能就越 好。实时性的要求是无线传感器网络设计所面临的很大的挑战。 3 低成本。无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，单个节点的价 格会极大程度地影响整个系统的成本。为了降低单个节点的成本，需要设计简单 网络系统和通信协议，它们对节点的存储、计算和通信能力均要求较低。此外， 还可以通过减少系统管理与维护的开销来降低整个系统的成本，这需要无线传感 器网络具有自配置和自修复的能力。 4 安全，抗干扰。无线传感器网络具有严格的资源限制，因此需要设计低 开销的通信协议，但于此同时也带来了严重的安全问题。如何使用较少的能耗完 成数据加密、身份认证、入侵检测等功能，以及如何在遭到破坏或受到干扰的情 况下依然能够可靠地完成任务，这些问题都是无线传感器网络研究与设计所面临 的重要挑战。 5 多节点协作。在无线传感器网络中，对目标的测量、跟踪和识别通常需 要多个传感器节点合作完成。这些传感器节点需要采用某种算法彼此交换信息， 然后对获得的数据进行加工、汇总和过滤，最后以事件的形式得到结果。多个传 感器节点间的数据传递协作涉及网络协议的设计以及能耗问题，也是目前的研究 热点之一。 通过前面的叙述可知，对无线传感器网络中最重要最基本的问题就是尽量降 低传感器节点的能耗，延长无线传感器网络的生存期。一方面，由于传感器节点 受到严格的资源限制，因此电量耗尽意味着该传感器节点失效。所以在w s n 的 设计时主要考虑如下问题：1 ) 高效利用节点能源，节省能量【9 】；2 ) 使所有节 点要在尽量相同的时间耗尽能量，以保证系统的生存期最长。w s n 的生存期可 以定义成第一个、最后一个或一部分节点失去作用的时间 1 0 ，1 1 】。 山东大学硕士学位论文 另一方面，传感器节点之间的通信能耗是网络能耗的主要来源 1 2 1 4 】。节省 通信能耗的主要方法有：1 ) 本地处理数据，减少数据传输量 1 4 1 6 】：2 ) 使用多 跳方式对数据进行中继 1 0 1 6 ，l7 】，减少通信的传输功率；3 ) 减少重传、过度信 道侦听以及额外交换控制数据【l o 】等而产生的能耗。 1 2 研究目标和内容 如何高效的利用能量、延长网络生存时间，是对w s n 进行研究和设计时首 先要考虑的问题。降低w s n 的节点能耗可以从多个方面入手，而利用多输入多 输出( m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ，m i m o ) 通信技术系统就是其中的一个方 法。m i m o 技术是无线通信领域的一项重要技术，是近年来国内外无线通信研究 的热点。它能够有效地利用随机衰落以及多径传播，提高通信系统容量以及频谱 利用率。m i m o 技术包括各种空时编码方案 1 8 ，1 9 、分层空时架构【2 0 】、系统容 量、以及调制技术等。a l a m o u t i 1 8 提出了一种抑制干扰效果较好的空时编码方 案，基于这种编码方案的m i m o 系统适合远距离传输。考虑到无线传感器网络 高密度的特性，将m i m o 系统应用到w s n 中时，可以将多个单天线节点进行协 作式信息处理和传输，构成一个虚拟m i m o 系统( 虚拟m i m o 天线阵列) ，从 而可以使用较少的总能耗在多径衰落环境进行可靠的通信。虚拟m i m o 系统有 助于延长网络的生存期，对推动无线传感器网络的应用有着现实的理论意义和应 用价值。 在阅读了大量文献的基础上，本文以能量高效为主线，研究m i m o 在无线 传感器网络中的应用。本文的主要工作归纳如下： 1 虚拟m i m o 系统在无线传感器网络中的应用。由于无线传感器节点体积 和成本的限制，m i m o 系统的多天线不可能安装在一个节点上，需要多个节点共 同组成一个虚拟m i m o 系统。对2 x 2 的m i m o 系统可以使用a l a m o u t i 空时编码 方案。基于a l a m o u t i 编码的虚拟m i m o 系统可以与网络路由协议相结合，应用 于低能耗无线传感器网络中。 2 改进网络路由协议以适应虚拟m i m o 系统。比较典型的网络路由协议是 l e a c h 协议，它是一种自适应分簇协议。l e a c h 协议能够保证各个节点等概 率地担任簇头，使得网络节点相对均衡地消耗能量。为了使l e a c h 协议与虚拟 m i m o 技术相结合，对l e a c h 协议进行了改进。本文在理论上对改进后的 l e a c h 协议进行论证，证明它可以有效均衡网络能量。又因为l e a c h 协议中 4 山东大学硕士学位论文 的簇头是随机产生的，可能造成簇头的分