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协作式MIMO传感器网络中能量高效的传输策略研究

作　者: 徐侃如
导　师: 杨宗凯
学　校: 华中科技大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线传感器网络协作式MIMO技术 STBC编码 V-BLAST编码网络生存时间网络效用
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 436次
引　用: 4次
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内容摘要

无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在近几年已引起了学术界和工业界的高度重视,被认为是21世纪一项具有重大意义的研究课题。传感器网络由大量集成有传感器单元、数据处理单元和无线通信单元的微小节点通过自组织方式构成网络。它能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,然后通过数据汇集节点(SINK节点)将采集到的数据传送到远端的用户进行进一步处理。传感器网络在现实生活中有着越来越广泛的应用。然而,由于传感器节点体积通常很小,而且主要靠电池提供能量,在其大部分应用环境中,补充或者更换电池又非常不易,因此节能设计是传感器网络诸多重要研究领域之一。可以说,节能设计贯穿了传感器网络中从物理层到应用层各个层面。协作式(虚拟)MIMO技术作为传感器网络中新兴的节能传输技术之一,在近期得到了越来越多的关注。协作式MIMO技术充分利用传感器网络节点部署高密度的特性,通过允许多个单天线节点进行协作式信息处理和传输,构成一个虚拟天线阵列,从而以较少的总能耗在多径衰落环境进行可靠的通信。然而,限制于协作式MIMO的技术特点,其在无线传感器网络中的应用还存在着如下待解决的问题:针对不同的应用场景,如何选取合适的MIMO编解码算法。不同编解码算法对协作式MIMO策略设计的影响。如何有效选择协作式MIMO发送/接收节点。如何保证一定网络生存时间的同时,优化网络效用(该性能反映了网络采集和传输的数据量)。针对上述问题,本文的研究将从以下三个方面展开:(1)基于分布式STBC编码的协作式MIMO传输策略研究;(2)基于分布式VBLAST编码的协作式MIMO传输技术研究;(3)基于NUM模型的协作式MIMO联合网络生存时间和网络效用优化设计研究。本文的工作得到了国家自然科学基金”可重构MIMO的无线传感器网络信息处理与传输”(No.60572049)和”认知无线电关键技术研究”(No.60602029)的资助。本文取得的研究成果包括如下几个方面:1.基于分布式STBC编码的协作式MIMO的传输策略研究:针对节点具有一定计算处理能力的传感器网络应用模式,设计了一种基于分布式STBC算法的协作式MIMO传输方案。仿真结果显示该方案相比已有基于STBC编码的传输策略能显著减少节点能耗和延长网络寿命。2.基于分布式VBLAST编码的协作式MIMO传输技术研究:针对低端数据采集节点与高端数据汇聚节点之间的通信应用模式,提出了相应协作式节点选择策略,并在此基础上,首次提出了一种基于V-BLAST(Vertical-Bell Labs LayeredSpace-Time)算法的协作式MIMO传输策略。仿真结果显示该策略能取得与基于STBC编码的协作式MIMO传输类似的能耗性能,但由于不需要发送端节点进行联合STBC编码,因此更加适用于低端数据采集节点与高端数据汇聚节点(SINK节点)之间的通信应用模式。3.协作式MIMO传感器网络中基于NUM模型的联合网络效用-生存时间优化研究:针对音/视频监控等对网络数据采集和传输量有较高要求的应用,分析了采用多跳协作式MIMO传输方式下的系统能耗模型以及信道容量模型,应用NUM(网络效用最大化)思想,建立联合网络效用(总网络数据传输量)以及网络生存时间优化的等效虚拟MIMO传输模型,通过求解该模型得到一种联合优化网络效用和生存时间的分布式优化算法。仿真结果显示,网络中等效MIMO节点仅需要交互邻居节点信息,通过有限次的迭代计算,就能收敛到全局最优的发送速率以及功率值,从而使网络总效用和网络生存时间之间能够达到帕累托(Pareto)最优平衡。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-21
  1.1 引言  11-17
  1.2 选题背景与课题意义  17-18
  1.3 主要创新点  18
  1.4 研究内容与本文组织  18-21
2 无线传感器网络中协作式MIMO技术概述  21-33
  2.1 无线传感器网络中协作式MIMO技术介绍  21-24
  2.2 协作式MIMO技术能耗及系统容量模型研究  24-27
  2.3 协作式MIMO传输策略研究  27-30
  2.4 协作式MIMO技术研究挑战  30-31
  2.5 本章小结  31-33
3 基于STBC算法的协作式MIMO节能传输策略研究  33-51
  3.1 引言  33-35
  3.2 系统模型及策略设计  35-38
  3.3 系统能耗分析以及优化模型建立  38-44
  3.4 仿真结果与分析  44-50
  3.5 本章小结  50-51
4 基于V-BLAST算法的协作式MIMO节能传输策略研究  51-69
  4.1 引言  51-54
  4.2 系统模型和策略设计  54-61
  4.3 联合优化模型  61-62
  4.4 仿真结果与分析  62-67
  4.5 本章小结  67-69
5 协作式MIMO传感器网络分布式优化算法研究  69-92
  5.1 引言  69-70
  5.2 网络效用最大化基本思想介绍  70-72
  5.3 系统模型  72-79
  5.4 分布式优化算法  79-84
  5.5 仿真结果与分析  84-91
  5.6 本章小结  91-92
6 总结与展望  92-96
  6.1 本文总结  92-94
  6.2 对后续工作的展望  94-96
致谢  96-98
参考文献  98-112
附录攻读博士学位期间发表论文目录  112-113

协作式MIMO传感器网络中能量高效的传输策略研究

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