协作MIMO无线传感器网络最小能耗分析_罗人木.pdf

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1、第28卷第4期西安科技大学学报Vo.l28No142008年12月JOURNALOFXIcANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYDec12008文章编号:1672-9315(2008)04-0784-05*协作MIMO无线传感器网络最小能耗分析罗人木,张红(西安科技大学通信与信息工程学院,陕西西安710054)摘要:为延长无线传感器网络(WSN)的生命周期,引入了协作多输入多输出(MIMO)技术。分析了在垂直贝尔实验室分层空时(VBLAST)结构和正交幅度调制(QAM)情况下,使协

2、作MIMO系统能量损耗达到最小的模式。仿真结果表明,不同的协作MIMO系统最小适用距离并不相同;最佳协作MIMO系统比传统单输入单输出(SISO)系统可节省90%的能量。关键词:无线传感器网络;MIMO;SISO;VBLAST;能量效率中图分类号:TN929.5文献标识码:A0引言无线传感器网络(WSN:wirelesssensornetworks)是一种集成了传感器、微电系统和网络三大技术而形[1]成的全新的信息获取和处理技术。它以数据传输为中心,往往运行在人无法接近的恶劣危险的环境[2]中。由于网络中各节点

3、只能携带电池供电,因而设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器[3~5][6]网络的核心问题。目前针对WSN的节能研究主要集中在网络层的路由算法上。与此同时,利用[7][8,9]空间资源提高系统效能的方法,如空时码协作分集技术逐渐引起人们的兴趣。文献[10]和[11]分别将空时分组码(STBC:spacetimeblockcoding)和分层空时编码(BLAST:Belllabcslayeredspace-timecoding)引入到了WSN中,但它们只对空时编码所带来的能量效率进行了分析,并没有讨论如何

4、协作才能得到最小能耗。文中从无线传感器网络的物理层出发,研究了采用协作分集技术后协作多输入多输出(MIMO:multipleinputmultipleoutput)系统的最佳协作模式,并对它们在WSN中的能量效率进行了仿真与分析。1基于VBLAST的协作MIMO系统模型在基于VBLAST的协作WSN中,发射端节点的目标是要将数据都传给数据融合点。各节点由于尺寸和成本的限制,只配置一根天线,需要各个独立的单天线节点相互协作,建立起协作MIMO系统。如图1所示,发送端有NT个节点发送数据,它们到数据融合点的距离为d

5、long,称为远程通信距离(即传输距离)。同时,在数据融合点周围距离dlocal的范围内选择NR-1个节点作为协作点,并与数据融合点一起构成协作MIMO系统的接收端,且NRNT,称dlocal为本地通信距离。当dlongmdlocal时,发送端与接收端各节点可分别看成是在同一天线阵上,这样就构成了一个完整的、具有NT根发射天线与NR根接收天线的协作MIMO系统。在协作MIMO系统中,接收端各节点按MIMO通信方式先完成对数据的接收,然后,NR-1个协作节点再分别以单输入单输出(SISO:Singleinput

6、singleoutput)方式将所接收数据传递给数据融合点,如图1中虚线箭头所示。*收稿日期:2007-09-11责任编辑:郭西山基金项目:西安科技大学科研培育基金项目(200620)作者简介:罗人木(1983-),男,四川资阳人,硕士研究生,主要从事无线通信信号处理的研究.第4期罗人木等:协作MIMO无线传感器网络最小能耗分析7852基于VBLAST的协作MIMO系统能量效率基于VBLAST的协作MIMO系统能耗分为两大部分:一是发射端与接收端远程通信的能耗;二是接收端的NR-1个协作节点与数据融合点的本地通

7、信的能耗。2.1远程通信能耗远程通信采用M-QAM调制方式,能耗分为2个部分:一部分(long)是发射端各节点功率放大器能耗PPA,另一部分是其他电路能耗(long)(long)PC.PPA的计算表达式为(long)(long)(long)PPA=NT(1+A)Pout.(long)(long)(long)式中A=N/G-1;G是射频功率放大器效率;N是峰值图1NT@NR协作MIMO系统(long)功率与平均功率之比,它与调制方式和QAM星座大小M的取值Fig.1NT@NRcooperationMIMOsyst

8、em(long)(long)(long)M-2M+1有关,对于M-QAM系统,有N=3@(long),M-12(long)(long)k(long)(long)(4P)MlNfPout的计算表达式为Pout=c1dlongEbRb.其中,常量c1=2;Gt是发射天线增益;Gr是接GtGrKNr收天线增益;K是波长;Ml是链路硬件处理和其他加性背景噪声的补偿;Nf是接收噪声,且Nf=,在

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