无线传感器网络中协作通信的能量有效性分析.doc

第3A期季薇等：无线传感器网络中协作通信的能量有效性分析37无线传感器网络中协作通信的能量有效性分析季薇1,2，郑宝玉2（1. 上海交通大学 电子工程系，上海 200240；2. 南京邮电大学 信号处理与传输研究院，江苏 南京210003）摘 要：由于无线传感器网络节点能量受限，因而基于协作的通信方式在满足吞吐量和时延要求的同时，必须使网络能耗最小化。以单信源、中继簇和单信宿组成的两跳链路为基本分析模型，基于协作分集技术对无线传感器网络通信能耗进行了分析，并对有协作分集和无协作分集情况下的网络能耗进行了比较。实验结果表明，协作通信方式在信源、信宿间距离较大的情况下具有更好的能量有效性，其中协作分集通信方式比中继通信方式具有更小的能量消耗。关键词：协作分集；能量有效性；无线传感器网络中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1000-436X(2008)3A-0033-05Energy efficiency for wireless sensor networks based on cooperative diversity JI Wei1,2, ZHENG Bao-yu2(1. Electronic Engineering Department, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2.Institute of Signal Processing and Transmission, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210003, China)Abstract: Energyefficiency is a crucial problem for cooperative communication in energy-constrained wireless sensor networks. Based on two-hop model composed of single source, single sink and relay cluster, energyefficiency analyses for cooperative wireless sensor networks were presented. Simulation results show that energy efficiency of wireless communication based on cooperative diversity is better than that without cooperative diversity.Key words: cooperative diversity; energy efficiency; wireless sensor networks1 引言收稿日期：2008-01-06基金项目：国家自然科学基金资助项目（60372107）；江苏省高校自然科学重大基础研究项目 (06KJA51001)；江苏省科技厅自然科学基金重大项目（BK2007729）Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (60372107); Key Grant and Basic Research Programs of Natural Science Fund for Higher Education of Jiangsu Province (06KJA51001); Key Grant Research Programs of Natural Science Fund of Science and Technology Department of Jiangsu Province (BK2007729)协作分集是空间分集的一种新形式，它利用无线信道的广播特性，选择部分邻居节点作为中继，辅助信源进行数据包的传送。信源、中继和信宿之间形成的虚拟多天线阵列可实现空间分集的效果，从而有效抵抗无线信道固有的衰落特性的影响，进而改善系统性能1。协作分集方法最初被用在蜂窝网络中，以提高网络容量。随着研究的深入，协作分集的思想越来越多地被用于以自组织方式组网的无线ad hoc网络和传感器网络25。在这类网络中，节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，网络的强大功能要由众多节点协作实现。节点一般是由电池供电的，而且电池能量通常难以进行补充，因而能量有效性在该类网络中至关重要，如何通过节点间的协作提高网络的能量有效性成为人们普遍关注的问题。通常，无线通信中的能耗来自两个方面，即所有功率放大器的能耗（又称路径能耗）和其他电路能耗（又称电路能耗）。在大距离传输中，路径能耗占主导地位，因而人们常常将电路能耗忽略不计。然而，在短距离传输中，电路能耗成为通信能耗中不可忽略的一部分，甚至有可能超过路径能耗成为通信能耗的主导。能量受限网络的多输入多输出（MIMO）通信和协作MIMO通信的能量消耗在文献68中有集中分析，其中Cui等人首次将电路能耗纳入网络通信能耗的计算。他们假设在该类网络中，簇内节点间距离远小于簇间传输距离，因而本地通信能耗忽略不计。在此假设下，作者将网络通信抽象成簇与簇之间的通信，并进一步将其抽象成MIMO通信，结合Alamouti空时编码分析了该模型下的能量消耗，得出协作通信机制在传输距离较远的情况下能有效降低网络能耗的结论。在此基础上， Jayaweer等人911提出当协作节点之间的距离不可忽略时，本地通信能耗也将成为网络能耗的重要部分，并结合该部分能耗对网络通信能耗进行了重新计算和分析，其中虚拟MIMO中的电路功耗也有新的定义。文献611中的能耗计算为协作通信中能量有效性的分析奠定了良好的基础，然而上述文献均忽略了信源向周围节点广播信息的过程中，信宿侦听到的那部分信息的利用，其实质上是中继通信，没有实现真正的协作分集，本文中把这一类通信称为中继通信。在信源与中继间距离远小于信源与信宿间距离时，上述分析是合理的，因为经过大尺度衰落到达信宿端的信号微乎其微，可忽略不计。但是，当信源与中继间距离不可忽略时，信宿侦听到的信息对于协作信息的收集将会有重要帮助，进而也会影响网络的能量消耗，本文把利用信宿侦听到的信息的这一类通信称为协作分集通信。另外，从电路功耗分析上看，文献611中的电路只存在发送和接收两个状态，实际上在协作通信中还存在空闲状态，不同状态下电路的能耗具有差异性，其中发送状态功耗最大、接收和空闲状态功耗相当，不同的协作分集方式决定了参与协作节点所处状态，也对电路能耗的计算产生影响。本文以单信源、中继簇和单信宿组成的两跳链路为基本分析模型，对无线传感器网络中协作通信（包含中继通信和协作分集通信）的路径能耗和电路能耗进行了分析，并对中继通信和协作分集通信情况下的网络总能耗进行了比较。实验结果表明，在信源信宿距离较大的情况下，协作通信方式与直接通信方式相比，具有更好的能量有效性；且与中继通信相比，协作分集无线通信方式具有更小的能量消耗。2 无线通信能耗分析模型2.1 单输入单输出（SISO）通信模型的功耗无线通信中单条链路上总功耗由2个部分组成：所有功率放大器的功耗（路径功耗）和其他电路模块的功耗（电路功耗），即。单位比特的功耗表示为 68。路径功耗的计算主要依赖发送功率。根据链路预算分析，可表示为 ，其中为接收端信号功率，为发送天线增益，为接收天线增益，为电磁波波长，d为传输距离，为接收机噪声指数，为链路中的附加损耗因子。与接收端平均比特信噪比存在如下关系，其中为接收端达到指定比特差错率（BER）要求所需的比特能量，为比特传输速率，N0为单边热噪声功率谱密度。路径功耗可表示为(1)其中，为峰均比，为射频功率放大器的消耗效率。电路功耗PC可表示为(2)其中，、分别为发送天线数和接收天线数，、和分别为数模转换器（DAC）、混合器、低噪声放大器、中频放大器、发送端滤波器、接收端滤波器、模数转换器（ADC）和频率同步器的功耗68。2.2 多输入单输出（MISO）通信模型的功耗同SISO通信模型的功耗分析一样，MISO模型的功耗也来自两部分68，其中电路功耗计算同式（2），且，。路径功耗的分析如下68：由于多个节点协作发送，发送功率在多个发送节点中平均分配，则各节点接收端瞬时信噪比表示为，其中。相应地，各节点接收端的平均比特信噪比表示为，进而有。MISO通信模型的路径功耗可表示为(3)3 协作无线传感器网络的能量有效性分析本文以无线传感器网络为背景，假设网络由单信源、单信宿和多中继构成，其中多中继由于距离相近形成中继簇，如图1所示。协作通信过程大致可分为2个步骤：信源向周围节点广播信息的本地通信过程，周围节点接收广播信息，其中个可正确解包的邻居节点成为中继；节点以协作方式向信宿发送信息，信宿端进行协作信息的接收，并结合广播过程中侦听到的信息进行联合解包。图1 单信源、单信宿和多中继协作通信3.1 信源广播过程的功耗分析协作通信中的信源广播过程可抽象成单输入多输出（SIMO）通信模型，传输距离为。显然，由于整个通信过程有多个节点参与发送，所以广播信息的发送是满足中继簇正确接收前提下的最小功率发送。根据式（3），信源的发送功率可表示为，发送过程中的路径功耗表示为 。显然，该发送过程满足了中继簇的接收信噪比和BER要求，因而中继簇中的个中继都能够正确解码。此时，信宿端接收到的信号功率为。相应地，信宿端接收到的比特能量为。此时，信宿端信噪比因无法满足BER要求而不能正确解码，但是协作分集通信允许将该信息存储起来，而并不丢弃。信源广播过程的电路功耗同式（2），其中, 。3.2 信宿接收协作信息过程的功耗分析协作通信中的信宿接收协作信息过程，可抽象成基于多包接收的MISO模型。在信源进行广播时，信宿也接收并存储了信源广播信息。若无该信息的存在，为满足信宿端BER要求，接收比特能量应为；由于该信息的存在，为满足信宿端BER要求，接收比特能量应为 。3.2.1 情况1信源不参与协作信息发送如果信源不参与N个中继节点的协作信息发送，则该过程可抽象成的MISO通信阵列。此时，N个中继节点处于发送状态，信宿处于接收状态，而信源处于空闲状态。由于电路在空闲状态的功耗与接收状态相当，所以虽然信源未参与通信过程，却仍有电路能耗。因此，电路功耗计算同式（2），其中,。N个中继节点的传输距离为，路径功耗的计算可表示为(4)3.2.2 情况2信源参与协作信息发送如果信源与N个中继节点一起协作发送信息，则该接收过程可抽象为的MISO通信阵列。此时个节点处于发送状态，信宿处于接收状态，电路功耗计算同式（2），且, 。由于信源与中继簇到信宿之间的距离不同，所以分别进行路径功耗的计算。信源到信宿的传输距离为d，路径功耗可表示为 ，其中，。N个中继节点组成的中继簇到信宿的传输距离为，则它们路径总功耗可表示为其中，。路径总功耗可表示为(5)4 仿真结果与性能分析本节对由单信源、单信宿和中继簇构成的无线传感器网络中协作通信的能耗进行了仿真。系统参数如下， ， ,， ，。4.1 当时，距离对协作通信能耗的影响假定中继簇节点数N为2，传输速率为。信源与中继簇之间距离固定为，信源信宿间距离在之间变化。图2给出了直接通信（等效于SISO）、信源不参与重传的协作通信（情况1）和信源参与重传的协作通信（情况2）下，距离d对网络总能耗的影响。网络总能耗是网络中路径能耗和电路能耗之和，协作节点的引入不可避免地将带来网络电路能耗的增加，因而节点协作情况下的能耗状况并不总优于直接通信情况。当距离（情况1）和（情况2）时，网络总能耗将小于SISO能耗。是否采用协作分集对该能耗影响不大，这是由于，广播信息对协作信息收集的影响微图2 时，直接通信与协作通信的网络总能耗比较（vs d）乎其微，因而协作分集与文献911中的中继通信方式下的能耗相同。4.2 距离d一定时，距离dm对协作通信总能耗的影响假定中继簇节点数N为2，传输速率为。图3、图4分别给出信源与信宿间距离d分别为和时，信源与中继簇之间距离对网络总能耗的影响。直接通信情况下的总能耗与无关。多节点协作情况下的总能耗随着的增加而增加，其中，时（如图3所示），多节点协作通信总能耗总是大于直接通信的总能耗；时（如图4所示），协作分集通信的总能耗低于中继通信情况的趋势越来越明显，尤以协作分集通信（信源参与重传）的优势最为明显。普通中继通信情况下，通信总能耗在时就超过了直接通信方式，而协作分集通信（信源参与重传）在时功耗都小于直接通信方式。图3 时，距离dm对网络总能耗的影响比较（vs dm）图4 时，距离dm对网络总能耗的影响比较（vs dm）4.3 中继簇节点数对协作分集通信能耗的影响本实验分析了协作分集通信（信源参与重传）情况下，中继簇节点数对协作分集通信总能耗的影响。假定中继簇节点数N为2，传输速率为。信源与中继簇之间距离固定为，信源信宿间距离d在之间变化。从图5可见，随着节点数的增加，多节点的加入导致电路能耗的增加超过了对路径能耗的节省，因而总能耗有增加的趋势。图5 中继簇节点数对协作分集通信总能耗的影响（vs d）5 结束语协作分集是空间分集的一种新形式，它利用无线信道的广播特性，选择部分侦听到信源发送信息的节点作为中继，辅助信源进行数据包的传送，本文分析结果表明，协作分集无线通信与无协作分集的无线通信相比，能够明显提高网络的能量有效性，降低网络功耗。此外，MAC接入方式对网络能耗也有重要影响，作者将基于跨层的方法对随机接入方式下的协作分集无线通信能耗作进一步的分析和研究。参考文献：1SENDONARIS A, ERKIP E, AAZHANG B. 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