无线传感器网络协作通信技术的能量效率研究

单位代码：10293密级：硕士学位论文论文题目：无线传感器网络协作通信技术的能量效率研究Y1010020713陈明单剑锋电路与系统智能信息处理工学硕士二〇一三年三月学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期ResearchonEnergy-EfficiencyofCooperativeCommunicationTechniquesinWirelessSensorNetworksThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByChenMingSupervisor:A.P.ShanJianfengMarch2013南京邮电大学学位论文原创性声明本人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取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将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、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名：_____________日期：____________研究生签名：____________导师签名：____________日期：_____________I摘要在无线传感器网络中，由于传感器节点一般采用电池供电，能量有限，且应用环境条件复杂，使得节点难以补充能量。因此，如何高效地使用能量，最大化网络生命周期成为传感器网络研究者面临的首要挑战。无线传感器节点主要的能量消耗用于数据的接收和发送。采取措施减少节点的发送能耗和接收能耗对减少整个网络的能耗起着至关重要的作用。研究表明：在相同吞吐量的要求下，发送相同的信息，MIMO系统所消耗的能量小于SISO系统。因此，在无线传感器网络中引入MIMO技术可以节省网络的发送能耗。由于传感器节点物理尺寸的限制，一个传感器节点只能支持一根天线，在无线传感器网络中直接使用多天线技术是不现实的。因此有研究者提出把一个传感器节点作为一根天线，通过多个节点的协作通信来实现虚拟MIMO系统，从而提高系统性能。基于此，本文首先研究无线传感器网络中协作通信技术（即虚拟MIMO技术），将这种协作通信方案与传统的通信方案进行比较。然后利用仿真结果说明协作通信技术有较高的能量效率。最后本文将协作通信技术和多跳技术结合，提出一种新的多跳传输模型，并通过仿真实验证明本文提出的多跳模型不仅增加了信息的传输距离，并且在固定速率系统和变速率系统中都具有较高的能量效率。能够增加信息传输距离和提高整个网络能量效率是本文提出模型的两大特点。本文在最后总结了无线传感器网络协作通信技术。并列举了多跳模型在性能上的优势和缺陷，并对将来的工作进行了展望。关键词：无线传感器网络，协作通信，能量效率，多跳，中继选择IIAbstractWirelessnodestypicallyoperatewithsmallbatteriesforwhichreplacement,whenpossible,isverydifficultandexpensive.Thus,inmanyscenarios,thewirelessnodesmustoperatewithoutbatteriesreplacementformanyyears.Consequently,minimizingtheenergyconsumptionisaveryimportantdesignconsiderationandenergy-efficienttransmissionschemesmustbeusedforthedatatransferinsensornetworks.Astheprimaryenergyconsumptionofwirelessnodesisusedtoreceiveandsenddata.Thus,takesomemeasurestoreducetheenergyconsumptionduringsendingandreceivingplaysavitalroleinreducingtheenengyconsumptionofthewholenetwork.Reaserchhaveshownthatforthesamethroughputrequirement,MIMOsystemsrequirelesstransmissionenergythanSISOsystems.However,directapplicationofmultiantennatechniquestosensornetworksisimpracticalduetothelimitedphysicalsizeofasensornodewhichtypicallycanonlysupportasingleantenna.Fortunately,ifweallowindividualsingle-antennanodestocooperateoninformationtransmissionand/orreception,acooperativeMIMOsystemcanbeconstructedsuchthatenergy-efficientMIMOschemescanbedeployedAsaresearchbackground,westudythefundamentalofthecooperativecommunicationtechniquesinwirelesssensornetwork(ie.virtualMIMOtechnology)first,andthencomparetheperformanceofthecooperativecommunicationschemeandthetraditionalscheme.Thesimulationresultsshows,theenergy-efficiencyofcooperstiveschemeishigher.Wecombinedwithcooperativecommunicationtechnologyandmulti-hoptechnology,proposedanewmulti-hoptransmissionmodel,whichnotonlyincreasethetransmissiondistance,andhavebeenprovedhasahigherenergy-efficiencyinbothfixed-rateandvariable-ratesystems.Increasethetransmissiondistanceandimprovetheenergy-efficiencyofthewholenetworkarethetwofeaturesofourmodel.Finally,thispapersummarizesthethefundamentalofthecooperativecommunicationtechniques.Demonstratestheadvantagesanddefectsofthemulti-hoptransmissionmodel,andmakessomeprospectsofthefuturework.Keywords:WirelessSensorNetworks，CooperativeCommunication，Energy-Efficiency，Multi-hop,RelaySelectionIII目录专用术语注释表...............................................................................................................................................................1第一章引言..........................................................................................................................................................21.1选题背景与意义............................................................................................................................................21.2本文主要工作................................................................................................................................................31.3本文组织........................................................................................................................................................3第二章无线传感器网络与MIMO技术.................................................................................................................52.1无线传感器网络定义....................................................................................................................................52.1.1无线传感器网络的结构........................................................................................................................52.1.2无线传感器网络的特点........................................................................................................................72.1.3无线传感器网络的应用........................................................................................................................92.1.4无线传感器节点的硬件结构...........................................................................................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