（通信与信息系统专业论文）采用协作分集的无线传感器网络能量有效性研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 采用协作分集的无线传感器网络能量有效性研究 通信与信息系统 王海飞 ( 签名) 圣逸巫 张红 ( 签名) 兹纽 摘要 无线传感器网络( w s n ) 是由大量的传感器节点通过无线通信方式自组织构成的网 络，一般部署在环境复杂的地区，节点携带的电池能量有限且难以更换，节能成为无线 传感器网络的首要问题。把基于多输入多输出( m i m o ) 的协作分集技术应用到w s n 中，可以有效地降低网络能耗。 首先对w s n 和m i m o 系统的特点进行了概括，分析了m i m o 技术中s t b c 和 v - b l a s t 两种系统的编译码算法，给出了m i m o 技术和w s n 的结合方法。 然后重点研究了基于s t b c 的协作分集技术在w s n 中的应用。提出了收端分集协 作和s t b c 协作的系统模型，通过分析每个传感器节点的电路能耗和传输能耗，分别得 到了两种协作方式下网络的总能耗。通过研究接收端协作节点个数变化对网络总能耗的 影响，得到了两种协作方式在不同长途传输距离下的最优协作节点个数。研究表明，最 优协作节点个数随长途传输距离的增大而增加，优化后的收端分集协作总比传统的无协 作方式能耗要低，而当传输距离大于一个门限值时，优化后的s t b c 协作优于收端分集 协作。 最后通过分析q a m 调制阶数对本地通信和长途通信网络能耗的影响，联合优化调 制阶数和接收端协作节点个数，得到了不同长途传输距离下的最优协作传输方案。研究 表明，长途传输距离较大时，相比无协作方式，最优s t b c 协作能够节省9 0 以上的能 量。 关键词：无线传感器网络；协作分集；空时分组码；能耗 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ne n e r g ye f f i c i e n c yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w i t hc o o p e r a t i v ed i v e r s i t y s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：，a n gh a i - f e i i n s t r u c t o r ：z h a n gh o n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) i sas e l f - o r g a n i z a t i o nn e t w o r k i ti sc o m p o s e do fl a r g e a m o u n t so fs e n s o rn o d e st h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n b e c a u s ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i sg e n e r a l l yd e p l o y e di nv e r yc o m p l e xe n v i r o n m e n ta n dm e a n w h i l es e n s o rb a t t e r i e sa r e e n e r g y c o n s t r m n e da n dd i f f i c u l tt or e p l a c e ，e n e r g ye f f i c i e n c yi sap r i n c i p l ei s s u e t or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o n , c o o p e r a t i v e d i v e r s i t yt e c h n o l o g y b a s e do n 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 ( m i m o ) i si n t r o d u c e di n t ow s n f i r s t l y ，t h i sp a p e rs u m l y l 撕z e sc h a r a c t e r i s t i c so fw s n a n dm i m os y s t e m s c o d i n ga n d d e c o d i n ga l g o r i t h m so fs p a c e t i m eb l o c kc o d e ( s t b c ) a n dv e r t i c a l - b e l l l a b sl a y e r e d s p a c e t i m ec o d e ( v - b l a s t ) i nm i m oa r ea n a l y z e d ，a n dm e t h o d sc o m b i n e dm i m o t e c h n o l o g ya n dw s n a r ep r e s e n t e d t h e nc o o p e r a t i v ed i v e r s i t yt e c h n o l o g yb a s e do ns t b ci ss t u d i e d p r o p o s es y s t e mm o d e l o fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya tt h er e c e i v e ra n ds t b cc o o p e r a t i o n b ya n a l y z i n gt h ec i r c u i te n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h et r a n s m i s s i o ne n e r g yc o n s u m p t i o no fe a c hs e n s o rn o d e s ，t o t a le n e r g y c o n s u m p t i o no f t h et w oc o o p e r a t i v em o d e l si sp r e s e n t e d ，r e s p e c t i v e l y i n f l u e n c eo ft h en u m b e r c o l l a b o r a t i v en o d e sn u m b e ro nt o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni ss t u d i e dt og e tt h eo p t i m a l c o l l a b o r a t i v en o d e sn u m b e ro ft h et w om o d e lw i t hd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e s r e s u l t s s h o wt h a tt h eo p t i m a lc o l l a b o r a t i v en o d e sn u m b e rc h a n g e sw i t hv a r i o u st r a n s m i s s i o nd i s t a n c e s i ta l s os h o w st h a tt h eo p t i m i z e ds t b cc o o p e r a t i o nc a ns a v em o r ee n e r g yf o rl o n g - h a u l d i s t a n c e sl a r g e rt h a nag i v e nt h r e s h o l d a t l a s t , i n f l u e n c e o fc o n s t e l l a t i o ns i z eo nt o t a l e n e r g yc o n s u m p t i o n o fl o c a l c o m m u n i c a t i o na n dl o n gh a u lc o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e d ，r e s p e c t i v e l y o p t i m a lt r a n s m i s s i o n s c h e m eu n d e rd i f f e r e n tl o n g h a u lt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e si so b t a i n e db yc o m b i n gc o n s t e l l a t i o n s i z ea n dt h en u m b e ro fc o l l a b o r a t i v en o d e s s i m u l a t i o ns h o w st h a to p t i m a ls t b cc o o p e r a t i o n c a ns a v em o r et h a n9 0 e n e r g yt h a nt r a d i t i o n a ls y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s v oc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ys p a c e t i m e b l o c kc o d e ( s t b c ) e n e r g y c o n s u m p t i o n t h e s i s ：t h e o r yr e s e a r c h 妻料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王娜日期：夕旷7 厂2 多 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：王净弘 指导教师签名：纭彩7 矿7 年胄多日 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 绪论 传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有现代意 义的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 的产生和发展【l j 。无线传感器网 络是由许多分布式的智能传感器节点组成的多跳自组织无线网络，它通过将大量具有传 感单元、数据处理单元及通信模块的微小智能节点密集撒布在感知区域，节点间以自组 织方式构成网络 2 1 。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息 处理技术和无线通信网络技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象 信息并进行处理，传送到需要的用户1 3 胡。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，改变了人类与自然界的交互方式。美国商业周刊和m i t 技术评 论分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的l o 大技术之 一o 与传统中心处理相比，无线传感器网络具有鲁棒性高、准确性高、灵活性高及智能 化强等优点【5 j ，可以被应用于国防军事、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 6 1 。传感器网络作为一个全新的研究领域，在理论基础和工程 技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题【7 j 。 出于造价考虑，传感器节点必然受到成本限制，因此其能量、c p u 计算速度、内存 及通信带宽等资源必然受到极大约束，尤其因为传感器网络一般部署在环境复杂的地区， 电池不能经常更换，要求电池能被使用若干年，因此，能量就成了一项极为重要的资源。 一旦节点能量耗尽将导致整个网络的瘫痪，节省能耗延长网络生命期成为无线传感器网 络的关键。 1 2 国内外研究现状 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 1 世纪开始，传感器网络引起了 学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的 研究计划。特别是美国通过国家自然基金委、国防部等多种渠道投入巨资支持传感器网 络技术的研究。美国陆军2 0 0 1 年就提出了“灵巧传感器网络通信计划，在2 0 0 1 - 2 0 0 5 财政年度期间批准实施。2 0 0 2 年5 月，美国s a n d i a 国家实验室与美国能源部合作，共同 研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的 系统【1 0 1 。在民用方面，美国交通部1 9 9 5 年提出了“国家智能交通系统项目规划，预计 到2 0 2 5 年全面投入使用。该计划试图有效集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器 西安科技大学硕士学位论文 技术、控制技术及计算机处理技术并运用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位 的实时高效的综合交通运输管理系统。英特尔公司在2 0 0 2 年1 0 月2 4 日发布了“基于微 型传感器网络的新型计算发展规划 。计划宣称，英特尔将致力于微型传感器网络在预防 医学、环境检测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用【8 j 。 在美国自然科学基金委员会( n s f ) 的推动下，加州大学伯克力分校、麻省理工学院、 康奈尔大学、加州大学洛杉矶分校等大学研究了w s n 的基础理论和关键技术。除u c b e r k e l e y 专门开发了用于传感器网络的操作系统t i n y o s 外，美国还发布了t r e n d m a s t e r p r o 系统，它是低成本、创新性的状态监测系统，通过有线或无线网络将几千个传感器 连接到一起。松下、n e c 以及日立等8 家企业宣布成立“i p v 6 传感器网络联盟。在欧 洲第一届“无线传感器网络论坛 上，与会者主要讨论了新型w s n 系统的研制和使用 问题1 9 。 我国针对w s n 的研究还较为薄弱。2 0 0 4 年中国国家自然科学基金委员会将w s n 列为 重点研究项卧1 0 】。清华大学、哈尔滨工业大学和黑龙江大学分别在时钟同步与定位、传 感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆大学也在同一时间开始研究了嵌入式无线 传感器网络节点、重构技术、无线传感器网络中的定位等。我国国家自然科学基金2 0 0 5 年将传感器网络中的基础理论和关键技术列入计划，2 0 0 6 年国家自然科学基金将水下移 动传感器网络的关键技术列为重点研究i l 。 尽管无线传感器网络目前仍处于初步应用阶段，但在未来1 0 年内随着各个关键问题 的解决以及传感器节点价格的逐步下降，无线传感器网络将得到广泛应用。 无线传感器网络是一种能量受限型网络，一旦节点的电源耗尽会直接影响整个网络 功能的实现。为了降低网络的能耗，国内外研究人员相继进行了一些研究，包括：网络 层通过加快网络冗余数据的收敛，以多跳方式转发数据包，选择能量有效路由来提高能 量效率【i o ，1 2 】；媒体访问控制层通过减少数据包的竞争冲突，减小控制数据包开销，减少 空闲监听时间和避免节点间的串音来提高能量效率【l 副；而物理层的能量效率设计是通过 具体物理层技术的改造来实现的。这些技术包括高能效的调制技术、编码技术、速率自 适应技术、协作分集技术 j 4 - 1 6 。 协作分集是近年来提出的一种降低传感器网络能耗的技术，它利用传感器网络中冗 余节点多的特点，使用多个节点共同协作完成信息的传输。其中基于多输入多数出 ( 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 ) 技术的协作分集节能效果尤其明显。它通过 允许w s n 中多个节点相互协作，构成虚拟天线阵列，经空时编码后共同进行信息处理 和传输，降低整个网络的无线传输能耗，从而达到节能的目的。国内外学者已经相继提 出了几种协作分集模型【1 7 锄】，对传感器网络中的协作进行了初步研究。 2 1 绪论 1 3 面l 临的问题 虽然国内外已经有不少关于m i m o 和协作分集相结合的研究，但由于传感器网络自 身的特殊性，要把协作分集真正应用到传感器网络中，还有许多需要解决的问题： ( 1 ) m i m o 技术中的空时编码研究最多的是s t b c 和v b l a s t ，这也正是协作分集 中需要用到的码型，对这两种不同的码传感器节点协作方式不同，即使对于同 一种码，也有多种协作方法，具体选择什么样的协作方式，还需要根据具体的 网络做进一步研究； ( 2 ) 研究表明，基于m i m o 的协作分集只有在传输距离大于一个门限值时才能体现 出它的优越性，而传输距离小于门限值时，它并不是最好的方案，这时可以采 取其它的协作分集方式或不分集，具体采用什么样的信息传输方式还要通过对 网络整体能耗进行分析才能决定； ( 3 ) 协作节点个数，调制解调方式，信息传输时的多跳路由等都是影响传感器网络 最终能耗的要素，针对不同的环境对这些要素进行优化处理，能够进一步降低 网络的整体能耗。 1 4 研究内容和创新点 针对上节提出的问题，在学习国内外大量关于m i m o 和传感器网络节能的参考文献 的基础上，本文围绕无线传感器网络中利用m i m o 技术进行的协作分集展开研究，具体 研究内容为： ( 1 ) 研究m i m o 技术中的s t b c 和v b l a s t 系统的编解码算法及已有的基于m i m o 的协作分集方法； ( 2 ) 重点研究s t b c 协作分集的协作节点数对传感器网络能耗的影响。针对提出的 两种协作模型，通过分析协作节点多少对网络能耗的影响，优化协作节点数，研 究不同长途传输距离下的优化协作方案： ( 3 ) 研究q a m 调制阶数对网络能耗的影响。仍然针对提出的两种协作模型，结合 不同的协作节点数，分析不同调制阶数对传感器网络本地通信能耗和长途通信能 耗的影响，最终得到不同长途传输距离下的最优调制阶数和相应的最优协作节 点数，使网络的整体能耗最低。 论文的创新点在于： ( 1 ) 对协作节点数进行了优化，给出了不同传输距离下的优化协作传输方案； ( 2 ) 对协作节点数和调制阶数进行联合优化，进一步降低了网络能耗。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 5 论文的组织结构 论文安排如下：第一章介绍了无线传感器网络的研究背景和目前的研究状况，并对 本文的研究内容和创新点进行了说明；第二章对无线传感器网络进行了概述，介绍了无 线传感器网络的网络结构、节点组成、s i n k 节点组成、网络特征、能耗特点，并对协作 分集的概念及其分类进行了初步分析；第三章阐述了m i m o 系统原理及建立在其基础上 的协作分集，详细介绍了s t b c 和v - b l a s t 系统的系统结构和编译码算法，并研究了 它们与传感器网络的结合方法：第四章研究了基于s t b c 的协作分集在无线传感器网络 中的实现，在综合分析协作节点数对网络的整体能耗的影响后，通过m a t l a b 仿真实 验进行协作节点的优化，给出了不同传输距离下不同协作方式的最优协作节点数，并给 出了不同传输距离下的最优信息传输方案，分析了协作系统的能耗效率；第五章研究不 同调制阶数下的网络能耗，联合优化协作节点和调制阶数，迸一步降低网络能耗；第六 章对论文做了总结，并对下一步的工作做出展望。 4 2 无线传感器网络与协作分集简介 2 无线传感器网络与协作分集简介 无线传感器网络是由大量无处不在、具有无线通信和计算能力的微小传感器节点构 成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统，具有群 体智能自主自治系统的行为实现和控制能力，能协作的感知、采集和处理网络覆盖的地 理区域中感知对象的信息，并发送给观测者口”。 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 网络结构 无线传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n k n o d e ) 和管 理节点，如图21 所示。大量的传感器节点随机部署在检铡区域( s e n s o r f i e l d ) 部或附近， 这些节点通过飞机布撒、人工布置等方式放置，具体位置无需精确部署，并且传感器节 点无需人员值守。节点之间通过自组织方式构成无线网络 2 2 1 ，以协作的方式感知、采集 和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间地采集、处理 和分析。监测的数据沿着其它传感器节点通过多跳中继方式传回s i n k 节点，最后借助 s i n k 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。用户通过管理节点对 传感器网络进行配胃和管理，发布监测任务以及收集监测数据。 图2 1 传感器阿络体系结构 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相 对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网 络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节 点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。 西安科技大学硕士学位论文 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与 i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任 务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器 节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有检测功能仅带有无线 通信接口的特殊网关设备。 2 1 2 传感器节点结构 传感器节点一般由传感单元、数据处理单元、无线通信单元和供电单元等四部分组 成1 2 3 j ，此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统 等，如图2 2 所示。传感单元包括传感器和模数转换模块，负责检测区域内信息的采集 和数据转换；数据处理单元由嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等， 负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据； 无线通信单元由网络、m a c 、收发器等组成，负责与其他传感器节点进行无线通信、交 换控制信息和收发采集数据；供电单元为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微 型电池。 定位系统 执行系统 传感单元 数据处理单元 无线通信单元 传感器h 加h 邕纠卜 ： 一l 网络卜i 叫m a c 卜i 叫收发器i 牟 供电单元 图2 2 传感器节点体系结构 2 1 3s i n k 节点结构 s i n k 节点主要由中央处理单元、存储单元、射频收发单元和通信单元组成 2 4 1 ，如图 2 3 所示。中央处理单元主要用来处理从传感器节点采集到的数据以及完成一些控制功 能；射频收发单元用于接收传感器节点发送的数据和发布监测任务；通信单元可以将采 集到的数据传输给使用者，用户可以通过p c 来观测传感器采集到的数据。 6 2 无线传感器网络与协作分集简介 图2 3 传感器网络s i n k 节点结构 2 2 无线传感器网络的特点 2 2 1 与现有无线网络的区别 无线自组网( m o b i l ea d - h o cn e t w o r k ) 是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线 通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络【2 5 】。其目的是通过动态路由和移动管理 技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。 在无线传感器网络的研究初期，人们一度认为成熟的i n t e r a c t 技术加上a d h o c 路由 机制对传感器网络的设计是足够充分的，认为将已有的信息传输技术稍加修改甚至无需 修改就可以直接应用于无线传感器网络，但深入研究发现，无线传感器网络与传统网络 有着明显不同的技术要求，它并不能简单借用以往通信系统中的协议进行节点间信息传 输。其特殊性主要体现在： ( 1 ) 传感器节点的存储能力、计算能力、通信能力和电能十分有限： ( 2 ) 传感器节点主要采用广播方式通信，而已有其它网络大都采用点对点方式通信： ( 3 ) 传感器节点出现故障的可能性要大于其它网络； ( 4 ) 传感器网络中的节点数量和分布密度远远超过其它网络中的终端数； ( 5 ) 大部分节点不像其它通信系统终端一样快速移动； ( 6 ) 传感器网络千差万别，无法给出一个普遍适用的协议： ( 7 ) 传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑 节约能源，而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是传感器网 络与传统网络最重要的区别之一。 2 2 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络除了具有a d h o e 网络的移动性、自组织性等共同特征以外，还具有 7 西安科技大学硕士学位论文 很多其他鲜明的特点，这些特点向我们提出了一系列挑战性问题【2 6 j 。 ( 1 ) 电源能量有限 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。网络中的传感器由于电源能 量的原因经常失效或废弃，电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品化的 无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。如何在网络工作过程中节省能源， 最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。 ( 2 ) 通信能力有限 传感器节点的通信带宽有限，通常仅有几百k b p s 的速率，而且经常变化，通信覆盖 范围只有几十到几百米。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。受自然环境影响，传 感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。在这样的通信环境和有限通信能力的情 况下，如何高质量地完成感知信息的处理与传输，是我们面临的另一个挑战。 ( 3 ) 计算和存储能力有限 传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器，这些传感器都具有计算能力， 可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，传感 器的计算能力十分有限。如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息 处理，是我们面临的第三个挑战。 ( 4 ) 传感器数量大、分布范围广 为了获取精确信息，在检测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能大 到成千上万，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域，传感器的数 量与用户数量相比通常也非常大。传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困 难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，这是我们面临的 第四个挑战。 ( 5 ) 网络动态性强 传感器网络具有很强的动态性，网络的拓扑结构经常改变。环境因素或电能耗尽造 成的节点失效或无线通信链路带宽变化，传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三 要素的移动性，新节点的加入都可能造成网络拓扑变化。传感器网络必须具有可重构和 自调整性来适应这种变化。这是我们面临的第五个挑战。 ( 6 ) 应用系统多种多样 传感器网络用来感知客观物理世界，客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同 的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有 很大差别。必须针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这时我们面临的第六个挑 战。 ( 7 ) 感知数据流巨大 8 2 无线传感器网络与协作分集简介 传感器网络是以数据为中心的网络，节点编号与节点位置没有必然联系，每个传感 器通常都产生较大的流式数据，并具有实时性。每个传感器节点仅仅具有有限的计算资 源，难以处理巨大的实时数据流。我们需要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分 析和挖掘方法，这是我们面临的第七个挑战。 2 3 无线传感器网络的能耗特点 传感器节点消耗能量的单元包括传感单元、数据处理单元和无线通信单元。数据处 理单元的能耗主要是由于微处理器执行指令的能量消耗，如a t m e g a l 2 8 l 微处理器每执 行一条指令需要4 n j 的能量，而i n t e rp x a 2 5 5 微处理器在4 0 0 m h z 工作模式下每执行一 条指令需要1 1 n j 的能量，处理器处于激活状态时与处于睡眠状态时的能量消耗差别较 大。传感能耗主要包括变换器、前端处理、a d 转换等操作，其能耗根据传感器的种类 不同而有所不同。 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器单元的功耗变得很低，绝大部分能量消 耗在无线通信单元上。无线通信单元存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。这四种状 态下的能耗是不一样的。图2 4 给出了传感器节点各部分的能耗对比口7 1 。该图主要针对 无线传感器网络短距离传输( 1 0 米到1 0 0 米) 场景，这种场景下发送能耗和接收能耗是 可比拟的。 2 0 1 5 g 饕l o 5 厂、 _ i 一囵圈圜 传感器处理器 发送 接收 空闲 睡8 l 通信 图2 4 传感器节点能耗对比图 从图2 4 可以看出，传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信单元。传感器节点 传输信息时要比执行计算式更消耗电能，传输1 比特信息1 0 0 m 距离需要的能量大约相 当于执行3 0 0 0 条计算指令消耗的能量。无线通信单元在发送状态的能耗最大，而在空闲 状态和接收状态的能耗接近，睡眠状态能耗最少。 无线通信单元的能耗主要来源于三个部分：发送电路、功放及接收电路【2 8 j ，如图2 5 所示。这也是本文进行能耗分析的对象。 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 5 无线通信单元主要耗能部分 2 4 协作分集及其分类 由于节能在无线传感器网络中的核心地位，节能技术就成为了无线传感器网络研究 的重中之重。根据无线传感器网络节点能耗的主要来源，现有的节能技术主要包括针对 数据处理和数据传输的节能技术两个方面。 针对数据处理的节能技术包括处理器功率管理和节能算法设计，它们主要关注于节 省处理器的能量消耗。但由于在无线传感器网络中，能耗的主要部分在于无线传输，因 此，其总的节能效果并不明显。 针对数据传输的节能技术研究较多，主要包括节能传输技术、节能m a c 技术、节 能路由技术及一些支撑技术，这些技术可以很好地降低传感器网络的通信单元能耗。 把协作分集的思想运用到无线传感器网络中是近年来提出的一种节能传输方式。协 作分集技术使得单天线移动终端可以获得多天线系统才能带来的好处。协作方法大致分 为三类：放大中继、检测转发和编码协作【2 9 】。 2 4 1 放大中继 在放大中继中，每个中继用户接收来自其合作伙伴的被噪声污染的信号，经放大后 直接发送。接收用户合并来自发送端和中继站的发送信号，并对合并的信号做出判决。 放大中继法由l e n e m a n 提出并进行了详细的分析。其研究表明，在高信噪比、两个用户 的情况下，该机制可以获得的分集阶数为2 。放大中继中假定接收端可以获得不同用户 间的信道信息，从而可以对接收信号做出最佳判决，由于接收端收到了两份独立衰落的 信号样本，因此可以更好的对信号做出判决。 2 4 2 检测转发 检测转发是指中继结点对来自上一结点的信号进行译码检测，然后把检测出的信号 重新发射。这种协作方式比较简单，但当用户间信道质量较差时，用户有可能对其伙伴 的信息做出错误判决，此时系统不能完全分集。 为了解决差错传播问题，l a n e m a n 等提出了一种选择解码中继方案。即当用户间信 道的瞬时信噪比较高时，各用户才检测并转发其伙伴的数据，而当用户间信道的瞬时信 1 0 2 无线传感器网络与协作分集简介 暑暑置i i 暑暑暑暑盈_ 皇_ 置暑置i 瞄i 宣暑暑暑i i i 置昌；i i i 昌i i 暑皇宣暑i i i 暑i i i 葺暑葺j 暑与i 暑暑i i i i i i 昌昌；i i 薯宣暑暑_ 皇暑 噪比较低时，用户则转为非协作模式。研究表明，当信噪比较高时，两用户的选择解码 中继不仅可以和放大中继样，具有二阶的分集增益，而且可以获得更低的误比特率【3 0 l 。 2 4 3 编码协作 编码协作将分集与信道编码结合起来。它是指几个合作节点通过多个独立衰落信道 相互帮助发射信息，虽然增加了信息的冗余度，但提高了接收端的信噪比。它通过两条 不同的衰落路径发送每个用户码字的不同部分。首先对接收到的协作伙伴的信息进行正 确译码，再按照原编码方式重复发送。这种模式下，系统的运行完全由事先的编码确定 好，它不需要协作终端间的信息反馈，而且中继终端不能正确解码时可自动切换到非协 作模式，从而保证了系统的效率。 在检测转发模式下，用户对于其合作伙伴的信号正确解码后，使用原来的编码方式 在下一时段向目的端传送，此时系统性能的改善是通过在不同空间重复传送冗余获得的。 而在编码协作模式下，用户则通过重新编码传送了不同的冗余信息，相当于将空域分集 与码域分集相结合，从而改善了目的端的解码性能。 很多信道编码方法都可以运用在编码协作的系统里，如卷积码、分组码或两者的结 合等，两帧信号的形成可以通过乘积码或其他形式的级联码来得到。由于具有不同的编 码速率和分帧方法，编码协作对不同的信道状况具有很强的灵活性，因此相应地性能有 显著增益，这一点是优于前两种方案的。 在上述三种协作分集方式中，放大中继实现最为简单，但中继结点在放大信号的同 时放大了噪声；检测转发也很简单，在解决了差错传播问题后，性能比放大中继更好； 编码协作不仅提高了接收端的信噪比，并且具有很强的灵活性，增益最为明显，系统性 能最好。 2 5 小结 本章介绍了无线传感器网络的基础知识。文中对无线传感器网络的网络结构、节点 组成、s i n k 结点结构和网络特点进行了简单介绍。由于无线传感器网络中节能是首要问 题，而能耗主要来自传感器节点的无线通信单元，因此降低无线通信单元的能耗至关重 要。针对数据传输的节能技术能够很好地降低通信能耗，协作分集技术就是其中的一种。 协作分集分为放大中继、检测转发和编码协作三种，其中编码协作最好。 西安科技大学硕士学位论文 3 无线传感器网络中基于m i m o 的协作分集技术 上一章介绍了无线传感器网络中的协作分集分类，其中编码协作因其性能优良得到 了广泛关注。把m i m o 技术和协作分集的思想结合起来是近年来研究较多的一种编码协 作方式。 3 1m i m o 系统概述 3 1 1 系统基本原理 多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u r i p l e o u t p u t ，m i m o ) 技术是无线移动通信领域 的一项重大突破，是新一代移动通信系统的关键技术。它的基本思想是用多根天线发送 和接收信号，形成多条独立的传输路径以有效利用多径形成的空间分集对抗衰落。它把 时域处理和空域处理结合起来，优势互补，改善阵列增益和分集增益【3 l 】。信息论的研究 表明，利用空时分集的多输入多输出通信系统，其容量和频谱利用率可以成倍增长【3 2 琊】。 它可以在不增加发射功率的前提下大幅度提高系统容量和频谱利用率，提高通信质量。 广义的m i m o 系统按照收发天线数量分类，可以分为以下四种：单输入单输出 ( s i s o ) 结构是最常见的一对一天线系统，即传统的单天线系统；单输入多输出( s i m o ) 结构是发射端使用单根天线，接收端使用多根天线的系统；多输入单输出( m i s o ) 结 构是发射端使用多根发射天线，在接收端使用单根天线的系统；多输入多数出( m i m o ) 结构则是在收发两端都有多根天线，即我们常说的m i m o 系统。 m i m o 系统中的空时编码是理论界的研究热点，它从一开始，就朝着三个方向发展： 空时分组码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 、空时格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 和分层空时码( l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d e ，l s t ) 。a l a m o u t i 提出的两天线正交空时分组 码【3 4 j 因其译码算法简单、能提供满分集增益和满速率等特点，得到了广泛应用；f o s c h i n i 提出的分层空时码【3 5 】催生出了b e l l 实验室著名的v - b l a s t 系统，通过现场实验证明了 m i m o 系统的卓越性能，引发了后继种种改进型研究；s t t c 的研究目的是将信道编码 和多天线系统做联合优化，不仅能获得分集增益，还能获得编码增益，但因其译码算法 复杂，难以在实际中应用，因此研究较少，本文主要讨论s t b c 和v - b l a s t 。 3 1 2m i m o 系统模型 一个典型的m i m o 系统模型如图3 1 所示。假定它有坼根发射天线和胍根接收天 线，信道为准静态平坦瑞利衰落信道，并且假设任意两个发射接收天线对之间的信道是 相互独立的。所谓准静态，是指在一帧的时间内，路径增益恒定，在不同的帧之间，路 1 2 3 无线传感器网络中基于m i m o 的协作分集技术 径增益变化，并且帧与帧之间的变化是相互独立的。信源产生的数据流经空时编码后由 坼根发射天线发射，接收端嗽根接收天线共同接收信号，经空时译码并判决后传给信 宿。 信 空 时 编 源 码 t x l t x 2 t k n t 信 遂 空 信 时 解 码 宿 图3 1m i m o 系统模型 m i m o 系统的数学模型可以表示为： y = h a + n ( 3 1 ) 其中y = 眦，y 29e * o 】r 表示坛根接收天线接收到的信号矢量；s = i s t ，s 2 ，】r 为 坼根发送天线的发送信号矢量；h = 【吩，j 。嘶是传输信道矩阵，吩，表示第根发射天线 到第f 根接收天线的信道衰落系数，均值为0 ，方差为1 ；n = 【，胛：，r r 是接收天线 的噪声矢量，它的各个分量是独立的高斯随机变量，均值为0 ，方差为o 。 3 2 空时分组码 s t b c 最先是由a l a m o u t i 引入的【3 4 1 ，采用了简单的两天线发分集编码的方式。这种 s t b c 编码最大的优势在于，采用简单的最大似然译码准则，可以获得完全的分集增益， 并且能够满速率传输。t a r o k h 进一步将2 天线s t b c 编码推广到多天线形式【3 6 】，提出了 通用的正交设计准则，但发射天线数大于2 时，不存在有传输矩阵的各元素为复数的满 速率正交设计【3 7 1 。下面重点介绍一下a l a m o u t i 码。 3 2 1a l a m o u t i 编码 在这种编码方案中，每组m 比特信息首先调制为m = 2 州进制符号。然后编码器选取 连续的两个符号，根据下属变换将其映射为发送信号矩阵。 s ：p 一翻 ( 3 2 ) 1 3 西安科技大学硕士学位论文 天线l 、天线2 分别发送信号矩阵的第一行和第二行。编码器结构如图3 2 所示。 t x l 编码器 v 1 = i 时域 t 5 信源 _ - 调销器卜一 h 卅陵瑚 一】 = 【i 】 图3 2a l a m o u t i 空时分组编码器结构 由图可知，a l a m o u t i 空时编码是在空域和时域上进行编码，这种编码的关键思想在 于两个天线的发送信号矢量相互正交，即 s l , ( s 2 ) h = s i s ：一$ 2 + 5 l = 0 ( 3 3 ) 假设接收机采用单天线接收。发送天线1 和2 的信道相应系数为 j 1 2 i = i 啊i p 崩，= | 吃 e j 口2( 3 4 ) 在接收端，相邻两个符号周期接收到的信号可以表示为 乃2 色& _ 乞，啊 ( 3 5 ) l 咒2 一惕5 2 十伤十 式中，r t l 和耽表示第一个符号和第二个符号的加性白高斯噪声样值。 3 2 2s t b c 的最大似然译码算法 假设接收机可以获得理想信道估计，则最大似然译码算法要求在信号星座图上最小 化如下的欧氏距离度量 d 2 ( m ，矗+ 缟j ：) + d 2 ( y z ，啊j ：+ 呜i ) = lm 一囊q 一吃s ：1 2 + iy 2 + 红j ：一缟1 2 ( 3 6 ) 这样一种译码方案需要对所有可能的符号对( s l ，s 2 ) 进行搜索，并且在一般情况下， 其复杂度随发射天线数呈指数上升。将式( 3 6 ) 展开，我们可以忽略公共项i 乃1 2 + i 儿1 2 。 于是，式( 3 6 ) 可分解为两部分，其中一部分仅为s l 的函数，式如 2 ls 1 2 l 壤1 2 一【m 舛s ：+ 订魂墨+ 耽眨墨+ z 绣i 】 ( 3 7 ) n = l 而另一部分仅为眈的函数，式如 2 i 1 2 i 吃1 2 一 m 呓+ y ：h 2 s 2 + y 2 h i * s 2 一y ：扛s ：】 ( 3